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JP2003298186A - Surface emitting laser element, transceiver using surface emitting laser element, optical transceiver, and optical communication system - Google Patents

Surface emitting laser element, transceiver using surface emitting laser element, optical transceiver, and optical communication system

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Publication number
JP2003298186A
JP2003298186A JP2002104392A JP2002104392A JP2003298186A JP 2003298186 A JP2003298186 A JP 2003298186A JP 2002104392 A JP2002104392 A JP 2002104392A JP 2002104392 A JP2002104392 A JP 2002104392A JP 2003298186 A JP2003298186 A JP 2003298186A
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JP
Japan
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layer
surface emitting
emitting laser
selective oxidation
region
Prior art date
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JP2002104392A
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Japanese (ja)
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Inventor
Hitoshi Shimizu
均 清水
Seteiagun Kashimirusu
セティアグン カシミルス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to US12/634,895 priority patent/US20100086311A1/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低い閾値電流を有し、信頼性が高く、単一横
モード発振が可能な面発光レーザ素子を提供する。 【解決手段】 基板1上に下部反射層2が積層された構
造を有する。また、下部反射層2の上部領域はメサ状に
形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッ
ド層3、活性層4、上部クラッド層5および上部反射層
6が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形
状が円状になるよう形成されている。上部反射層6上に
はコンタクト層7が積層され、コンタクト層7上には、
中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるp側電極
8が配置され、基板1下面にはn側電極9が配置されて
いる。そして、上部反射層6の活性層側から第一周期目
のミラー層内に、そのメサ中央付近に配置されかつ水平
断面が円状の形状を有する電流注入領域19aと該電流
流入領域に19aに隣接して配置された選択酸化領域1
9bにより形成された電流狭窄層20が配置されてい
る。
(57) [Problem] To provide a surface emitting laser element having a low threshold current, high reliability, and capable of single transverse mode oscillation. SOLUTION: It has a structure in which a lower reflective layer 2 is laminated on a substrate 1. The upper region of the lower reflective layer 2 is formed in a mesa shape, and the lower clad layer 3, the active layer 4, the upper clad layer 5, and the upper reflective layer 6 are sequentially laminated on the mesa-shaped region. The mesa shape is formed such that the horizontal cross-sectional shape is circular. A contact layer 7 is laminated on the upper reflective layer 6, and on the contact layer 7,
An annular p-side electrode 8 having a current injection region in the center is arranged, and an n-side electrode 9 is arranged on the lower surface of the substrate 1. Then, in the mirror layer of the first period from the active layer side of the upper reflection layer 6, a current injection region 19a which is disposed near the center of the mesa and has a circular horizontal cross section and a current injection region 19a are formed. Adjacently disposed selective oxidation region 1
The current confinement layer 20 formed by 9b is arranged.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、下部反射層、下部
クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順
次積層した構造を備え、基板に対して垂直方向にレーザ
発振する面発光レーザ素子に関し、長波長帯であっても
単一横モード発振可能で長距離伝送可能な面発光レーザ
素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受
信器および光通信システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface emitting laser having a structure in which a lower reflection layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer and an upper reflection layer are sequentially laminated and which oscillates in a direction perpendicular to a substrate. The present invention relates to an element, a surface emitting laser element capable of single transverse mode oscillation even in a long wavelength band and capable of long-distance transmission, a transceiver using the surface emitting laser element, an optical transceiver, and an optical communication system.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、垂直共振器型面発光レーザ(VCSE
L:Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、
「面発光レーザ素子」と言う。)は、その名の示す通
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初め、通信用光源として、ま
た、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして
注目されている。面発光レーザ素子は、その構造から1
波長程度の超短共振器を備えるため発振するレーザ光内
に存在できる波長が基本波のみとなる。したがって、D
FB(Distributed Feedback:分布帰還型)レーザ等の
端面発光レーザよりも単一縦モードを安定的に維持する
ことが容易である。また、FFP(Far FieldPattern)
が等方で狭い値を得ることが可能で、相対強度雑音も低
いなど、DFBレーザ等よりも本質的に光通信等に適し
たレーザ素子として注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, vertical cavity surface emitting lasers (VCSE
L: Vertical Cavity Surface Emitting Laser. Less than,
It is called a "surface emitting laser device". ), As the name implies, has a direction in which light resonates perpendicularly to the substrate surface, and is attracting attention as a light source for communication including optical interconnection, and as a device for various other applications. The surface emitting laser device has a structure of 1
Since the ultrashort resonator having a wavelength of about the wavelength is provided, only the fundamental wave can exist in the oscillating laser light. Therefore, D
It is easier to stably maintain a single longitudinal mode than edge-emitting lasers such as FB (Distributed Feedback) lasers. In addition, FFP (Far Field Pattern)
Is obtainable as a laser element which is essentially suitable for optical communication or the like than the DFB laser or the like because it can obtain a narrow value in isotropic direction and has a low relative intensity noise.

【0003】信号光源として使用する場合、伝送媒体で
ある光ファイバの低損失波長帯を含む0.8μm〜1.
65μmの出射波長を有する面発光レーザ素子が必要と
なる。この波長帯の面発光レーザにおいて、長波長帯、
例えば1.2μm以上の波長を有するレーザ光を発振す
る面発光レーザは、結晶成長の難しさなどから長い間実
現が不可能であった。しかしながら、最近になって、本
願発明者等によって1.2〜1.3μmの波長を有する
レーザ光を発振する面発光レーザ素子が実現されている
(特願2001−124300)。
When used as a signal light source, 0.8 μm to 1.
A surface emitting laser device having an emission wavelength of 65 μm is required. In the surface emitting laser of this wavelength band, long wavelength band,
For example, a surface emitting laser that oscillates a laser beam having a wavelength of 1.2 μm or more has been impossible to realize for a long time because of difficulty in crystal growth. However, recently, the present inventors have realized a surface emitting laser element that oscillates a laser beam having a wavelength of 1.2 to 1.3 μm (Japanese Patent Application No. 2001-124300).

【0004】特願2001−124300に記載された
面発光レーザ素子の構造について、図10に示す。この
面発光レーザ素子は、基板101上に、順次バッファ層
102、下部反射層103、下部クラッド層104、量
子井戸層105、上部クラッド層106を積層した構造
を有する。さらに、上部クラッド層106上には、メサ
形状に加工された電流狭窄層108、上部反射層10
9、コンタクト層110の積層構造を有する。電流狭窄
層108は中心部分のAlAs層からなる電流注入領域
107aと該AlAs層の端部を選択酸化させて形成し
た選択酸化領域107bによって形成されている。ま
た、基板101下面にはn側電極114が配置されてい
る。そして、量子井戸層105において、GaInNA
s中にSbを少量添加することによって量子井戸層10
5の結晶学的品質を向上させている。このように量子井
戸層の構造の改善とAlAs層の選択酸化技術を利用し
て、1.3μm帯の面発光レーザ素子のレーザ発振が最
近なされるようになってきている。
FIG. 10 shows the structure of the surface emitting laser element described in Japanese Patent Application No. 2001-124300. This surface-emitting laser device has a structure in which a buffer layer 102, a lower reflection layer 103, a lower cladding layer 104, a quantum well layer 105, and an upper cladding layer 106 are sequentially laminated on a substrate 101. Further, on the upper clad layer 106, the current confinement layer 108 and the upper reflection layer 10 processed into a mesa shape.
9 has a laminated structure of the contact layer 110. The current confinement layer 108 is formed by a current injection region 107a made of an AlAs layer in the central portion and a selective oxidation region 107b formed by selectively oxidizing the end portion of the AlAs layer. An n-side electrode 114 is arranged on the lower surface of the substrate 101. Then, in the quantum well layer 105, GaInNA
By adding a small amount of Sb to s, the quantum well layer 10
5 improved the crystallographic quality. As described above, the laser oscillation of the surface emitting laser device in the 1.3 μm band has been recently performed by utilizing the structure improvement of the quantum well layer and the selective oxidation technique of the AlAs layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、信号光源等の
用途に面発光レーザ素子を使用する場合には解決すべき
課題が残されている。まず、発振するレーザ光の横モー
ドを単一化する必要がある。横モードが横方向に高次の
モードが存在する場合、光伝送時、特に高速変調時に伝
送距離に比例して信号波形の著しい劣化を引き起こす原
因となる。したがって、長距離伝送を実現するためには
単一横モード発振を実現する必要がある。
However, there are still problems to be solved when the surface emitting laser device is used for signal light sources and the like. First, it is necessary to unify the transverse modes of the oscillating laser light. When the lateral mode has a higher-order mode in the lateral direction, it causes significant deterioration of the signal waveform in proportion to the transmission distance during optical transmission, particularly during high-speed modulation. Therefore, in order to realize long distance transmission, it is necessary to realize single transverse mode oscillation.

【0006】面発光レーザ素子は、その構造に起因して
元来横モードを安定化させることが難しい。そのため、
選択酸化領域を備えた面発光レーザ素子においては、選
択酸化領域に挟まれた電流注入領域の径を調整して単一
横モード発振を実現するが、従来は、1300nm帯
(1260nm〜1360nm程度の範囲)の面発光レ
ーザ素子においては電流注入領域の径のみを調整するこ
とで単一横モード発振を実現するのは困難であった。
The surface emitting laser element is originally difficult to stabilize the transverse mode due to its structure. for that reason,
In a surface emitting laser device having a selective oxidation region, a single transverse mode oscillation is realized by adjusting the diameter of a current injection region sandwiched between the selective oxidation regions, but conventionally, in the 1300 nm band (about 1260 nm to 1360 nm). It has been difficult to realize single transverse mode oscillation by adjusting only the diameter of the current injection region in the surface emitting laser device of the range).

【0007】また、単一横モード発振を実現できたとし
ても、閾値電流の値が増加した場合、消費電力が増大す
るなどの問題が生じる。したがって、閾値電流の値の増
加を抑制しつつ単一横モード発振を実現する必要があ
る。さらに、面発光レーザ素子の信頼性を確保しなくて
はならない。信号光源等に面発光レーザ素子を利用する
ためには、十分な信頼性を有する必要があるためであ
る。
Even if the single transverse mode oscillation can be realized, when the value of the threshold current increases, there arises a problem that the power consumption increases. Therefore, it is necessary to realize single transverse mode oscillation while suppressing an increase in the value of the threshold current. Furthermore, the reliability of the surface emitting laser element must be ensured. This is because it is necessary to have sufficient reliability in order to use the surface emitting laser element for a signal light source or the like.

【0008】さらに、信号光源等に用いる場合、10G
bit/sレベルで直接変調が可能である必要がある。
これは、近年の通信容量の増大に伴い、現実に信号光源
として使用するためには最低限必要な数字である。
When used as a signal light source or the like, 10 G
It must be possible to directly modulate at the bit / s level.
This is the minimum number required for actual use as a signal light source with the increase in communication capacity in recent years.

【0009】本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてな
されたものであって、低い閾値電流を有し、信頼性が高
く、単一横モード発振が可能で10Gbit/sで直接
変調が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用
いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを
提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and has a low threshold current, high reliability, single transverse mode oscillation is possible, and direct modulation at 10 Gbit / s is possible. Another object of the present invention is to provide a surface emitting laser device, a transceiver using the surface emitting laser device, an optical transceiver, and an optical communication system.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1にかかる面発光レーザ素子は、基板上に、
下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド
層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に
対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子であ
って、前記下部反射層または前記上部反射層の内部であ
って、前記活性層中心から370nm以上、780nm
以下の距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選
択酸化領域と、該選択酸化領域に挟まれて配置された電
流注入領域とを備え、該電流注入領域を含む積層方向領
域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領
域の実効屈折率との差分値が0.038以下であること
を特徴とする。
In order to achieve the above object, a surface emitting laser element according to claim 1 is provided on a substrate.
A surface emitting laser device having a structure in which a lower reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper reflective layer are sequentially stacked, and which oscillates in a direction perpendicular to the substrate, wherein the lower reflective layer or Inside the upper reflective layer, 370 nm or more and 780 nm from the center of the active layer
An effective refractive index of a stacking direction region including a selective oxidation region arranged in a region separated by the following distance in the stacking direction and a current injection region sandwiched by the selective oxidation region, And the effective refractive index of the stacking direction region including the selective oxidation region is 0.038 or less.

【0011】この請求項1の発明によれば、選択酸化領
域の積層方向の位置および実効屈折率差について最適化
しているため、単一横モード発振が可能であり、長距離
伝送が可能なレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実
現することができる。
According to the first aspect of the present invention, since the position of the selective oxidation region in the stacking direction and the difference in effective refractive index are optimized, single transverse mode oscillation is possible and long-distance transmission is possible. A surface emitting laser device that emits light can be realized.

【0012】また、請求項2にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記上部反射層および前記下
部反射層は、出射波長の1/4の光学長を有する低屈折
率層および高屈折率層の2層構造を備えたミラー層を複
数積層して形成され、前記選択酸化領域は、いずれかの
ミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最
小となる位置の近傍に配置されていることを特徴とす
る。
In the surface emitting laser element according to a second aspect of the present invention, in the above invention, the upper reflection layer and the lower reflection layer have a low refractive index layer and a high refractive index each having an optical length of ¼ of an emission wavelength. Formed by stacking a plurality of mirror layers each having a two-layer structure of a refractive index layer, and the selective oxidation region is disposed in the vicinity of a position where the electric field intensity distribution in any one of the mirror layers has a minimum electric field strength distribution. It is characterized by being.

【0013】また、請求項3にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm
以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射
し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部ク
ラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光
の波長の2倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前
記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第1
周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを
特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above invention, the active layer has a thickness of 1260 nm.
As described above, the optical resonator that emits laser light having a wavelength of 1360 nm or less and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser light. In the upper or lower reflective layer, the selective oxidation region is first from the active layer side.
It is characterized in that it is arranged in a mirror layer laminated at the cycle.

【0014】また、請求項4にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm
以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射
し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部ク
ラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光
の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前
記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2
周期目に積層されたミラー層に隣接したミラー層内に配
置されていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above invention, the active layer has a thickness of 1260 nm.
As described above, the optical resonator that emits laser light having a wavelength of 1360 nm or less and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length equal to the wavelength of the laser light. The selective oxidation region is formed on the upper or lower reflection layer from the second side of the active layer side.
It is characterized in that it is arranged in the mirror layer adjacent to the mirror layer laminated in the cycle.

【0015】また、請求項5にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、6nm
以上、32nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the above surface-emitting laser element, the selective oxidation region has a thickness of 6 nm.
As described above, it is characterized by having a film thickness of 32 nm or less.

【0016】また、請求項6にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、10n
m以上、13nm以下の膜厚を有することを特徴とす
る。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the surface emitting laser element according to the above invention, wherein the selective oxidation region is 10 n.
It is characterized by having a film thickness of not less than m and not more than 13 nm.

【0017】また、請求項7にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm
以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射
し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部ク
ラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光
の波長の2倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前
記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第2
周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを
特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above-mentioned invention, the active layer has a thickness of 1260 nm.
As described above, the optical resonator that emits laser light having a wavelength of 1360 nm or less and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser light. In the upper or lower reflective layer, the selective oxidation region is located second from the active layer side.
It is characterized in that it is arranged in a mirror layer laminated at the cycle.

【0018】また、請求項8にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記活性層は、1260nm
以上、1360nm以下の波長を有するレーザ光を出射
し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部ク
ラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光
の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前
記上部又は反射層において、前記活性層側より第3周期
目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴
とする。
According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above invention, the active layer has a thickness of 1260 nm.
As described above, the optical resonator that emits laser light having a wavelength of 1360 nm or less and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length equal to the wavelength of the laser light. The selective oxidation region is arranged in the mirror layer stacked in the third period from the active layer side in the upper or reflective layer.

【0019】また、請求項9にかかる面発光レーザ素子
は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、6nm
以上、46nm以下の膜厚を有することを特徴とする。
According to a ninth aspect of the present invention, in the above surface-emitting laser element, the selective oxidation region has a thickness of 6 nm.
As described above, it is characterized by having a film thickness of 46 nm or less.

【0020】また、請求項10にかかる面発光レーザ素
子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、10
nm以上、20nm以下の膜厚を有することを特徴とす
る。
According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above-mentioned invention, the selective oxidation region is 10
It is characterized in that it has a film thickness of not less than 20 nm and not more than 20 nm.

【0021】また、請求項11にかかる面発光レーザ素
子は、上記の発明において、前記基板はGaAsによっ
て形成され、前記低屈折率層はAlxGa1-xAs(0.
5≦x≦1)を含み、前記高屈折率層はAlxGa1-x
s(0≦x≦0.2)を含み、前記選択酸化領域はAl
xGa1-xAs(0.97≦x≦1)を選択酸化して形成
されることを特徴とする。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the above invention, the substrate is made of GaAs, and the low refractive index layer is made of Al x Ga 1-x As (0.
5 ≦ x ≦ 1), and the high refractive index layer is Al x Ga 1-x A
s (0 ≦ x ≦ 0.2), and the selective oxidation region is Al
It is characterized in that it is formed by selectively oxidizing x Ga 1-x As (0.97 ≦ x ≦ 1).

【0022】また、請求項12にかかるトランシーバ
は、請求項1〜11のいずれか一つに記載の面発光レー
ザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レ
ーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有す
る光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気
信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備え
たことを特徴とする。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a transceiver according to any one of the first to eleventh aspects, and a current value injected into the surface-emission laser element based on an input electric signal. And a light receiving section having a photoelectric conversion element that receives an optical signal incident from the outside and converts the optical signal into an electric signal.

【0023】また、請求項13にかかる光送受信器は、
請求項1〜11のいずれか一つに記載の面発光レーザ素
子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、
該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記
面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射
する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子
と、該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電
気信号に分離する信号分離回路とを備えたことを特徴と
する。
The optical transceiver according to claim 13 is
A surface-emitting laser device according to claim 1, a signal multiplexing circuit for multiplexing a plurality of electric signals,
A control circuit for controlling the surface emitting laser element based on an electric signal output from the signal multiplexing circuit, a photoelectric conversion element for receiving an optical signal incident from the outside and converting the optical signal into an electric signal, and the photoelectric conversion element And a signal separation circuit for separating the output electric signal into a plurality of electric signals.

【0024】また、請求項14にかかる光通信システム
は、請求項1〜11のいずれか一つに記載の面発光レー
ザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から
入射し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファ
イバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号
に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
An optical communication system according to a fourteenth aspect is the surface emitting laser element according to any one of the first to eleventh aspects, and a control circuit for controlling the surface emitting laser element.
A transmission optical fiber that receives and transmits the optical signal emitted from the surface emitting laser element from one end, and a photoelectric conversion that receives the optical signal that enters from the other end of the transmission optical fiber and converts it into an electrical signal. And an element.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明に
かかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたト
ランシーバ、光送受信器および光通信システムの好適な
実施の形態について説明する。図面の記載において、同
一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付して
いる。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと
幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる
ことに留意する必要がある。図面の相互間においても、
互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれているこ
とはもちろんである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a surface emitting laser device, a transceiver using the surface emitting laser device, an optical transceiver and an optical communication system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. It should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like are different from the actual ones. Even between drawings
As a matter of course, there are included portions having different dimensional relationships and ratios.

【0026】(実施の形態1)まず、実施の形態1にか
かる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態1
にかかる面発光レーザ素子は、1300nm帯の面発光
レーザ素子について、選択酸化領域の構造を最適化して
いる。図1は、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子
の構造を示す断面図である。以下、図1を適宜参照し
て、実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構造につ
いて説明する。
(First Embodiment) First, a surface emitting laser element according to the first embodiment will be described. Embodiment 1
In the surface emitting laser device according to the second aspect, the structure of the selective oxidation region is optimized for the surface emitting laser device in the 1300 nm band. FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the surface emitting laser device according to the first embodiment. Hereinafter, the structure of the surface emitting laser device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 1 as appropriate.

【0027】本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子
は、基板1上に下部反射層2が積層された構造を有す
る。また、下部反射層2の上部領域はメサ状に形成さ
れ、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層
3、活性層4、上部クラッド層5および上部反射層6が
積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が
円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層6
上にはコンタクト層7が積層され、コンタクト層7上に
は、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるp側
電極8が配置され、基板1下面にはn側電極9が配置さ
れている。そして、上部反射層6内には、メサ中央付近
に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領
域19aと該電流注入領域19aに隣接して選択酸化領
域19bからなる電流狭窄層20が配置されている。選
択酸化領域19bの具体的な構造については後に詳説す
る。
The surface emitting laser device according to the first embodiment has a structure in which the lower reflective layer 2 is laminated on the substrate 1. The upper region of the lower reflective layer 2 is formed in a mesa shape, and the lower clad layer 3, the active layer 4, the upper clad layer 5, and the upper reflective layer 6 are sequentially laminated on the mesa-shaped region. The mesa shape is formed so that the horizontal cross section is circular. Furthermore, the upper reflective layer 6
A contact layer 7 is stacked on the contact layer 7. On the contact layer 7, a p-side electrode 8 having a ring shape with a current injection region in the center is arranged, and an n-side electrode 9 is arranged on the lower surface of the substrate 1. ing. Then, in the upper reflection layer 6, a current confinement layer 20 that is disposed near the center of the mesa and has a current injection region 19a having a circular horizontal cross section and a selective oxidation region 19b adjacent to the current injection region 19a. Are arranged. The specific structure of the selective oxidation region 19b will be described in detail later.

【0028】基板1は、n型のGaAs基板からなる。
また、基板1は通常(100)面を主平面とし、下部反
射層2から上の薄膜構造は、(100)面上に積層され
る。下部反射層2は、活性層4で発生する光のうち、出
射波長の光を反射してフィードバックするためのもので
ある。具体的には、下部反射層2は、高屈折率層10と
低屈折率層11の積層構造によって形成されるミラー層
12を多数積層した構造を有する。
The substrate 1 is an n-type GaAs substrate.
In addition, the substrate 1 usually has a (100) plane as a main plane, and the thin film structure above the lower reflective layer 2 is laminated on the (100) plane. The lower reflection layer 2 is for reflecting the light of the emission wavelength of the light generated in the active layer 4 and feeding it back. Specifically, the lower reflective layer 2 has a structure in which a large number of mirror layers 12 formed by a laminated structure of a high refractive index layer 10 and a low refractive index layer 11 are laminated.

【0029】高屈折率層10は、n型のGaAs層によ
って形成され、低屈折率層11は、n型のAl0.9Ga
0.1As層によって形成される。高屈折率層10および
低屈折率層11の膜厚は、出射波長の光のみを反射する
ために、その光学長が出射波長λの1/4となるよう調
整されている。具体的には、本実施の形態1にかかる面
発光レーザ素子の出射波長は1300nmであるため、
各層の屈折率も考慮して、高屈折率層10の膜厚は94
nm程度、低屈折率層11の膜厚は110nm程度とす
る。このような構造を有することで、ミラー層12は、
高屈折率層10と低屈折率層11の組合せにおいて一定
の割合で出射波長の光を反射する機能を有する。下部反
射層2全体として反射率を高めるため、ミラー層12を
34.5層積層して下部反射層2は形成されている。な
お、小数点以下の端数は高屈折率層10のみからなる層
に起因する。
The high refractive index layer 10 is formed of an n-type GaAs layer, and the low refractive index layer 11 is an n-type Al 0.9 Ga layer.
It is formed by a 0.1 As layer. The film thicknesses of the high-refractive index layer 10 and the low-refractive index layer 11 are adjusted so that the optical length thereof is ¼ of the emission wavelength λ in order to reflect only the light of the emission wavelength. Specifically, since the emission wavelength of the surface emitting laser device according to the first embodiment is 1300 nm,
In consideration of the refractive index of each layer, the film thickness of the high refractive index layer 10 is 94
The thickness of the low refractive index layer 11 is about 110 nm. By having such a structure, the mirror layer 12 is
The combination of the high-refractive index layer 10 and the low-refractive index layer 11 has a function of reflecting light having an emission wavelength at a constant rate. In order to increase the reflectance of the lower reflective layer 2 as a whole, the lower reflective layer 2 is formed by laminating 34.5 mirror layers 12. The fraction below the decimal point is due to the layer formed of only the high refractive index layer 10.

【0030】活性層4は、量子井戸層を具備した構造を
有する。具体的には、図1で示すように活性層4は下部
クラッド層3上に順次積層された障壁層13a、量子井
戸層14a、障壁層13b、量子井戸層14b、障壁層
13c、量子井戸層14c、障壁層13dによって形成
される。すなわち、3層の量子井戸層14a〜14cを
4層の障壁層13a〜13dによって挟み込む構造を有
する。
The active layer 4 has a structure including a quantum well layer. Specifically, as shown in FIG. 1, the active layer 4 includes a barrier layer 13a, a quantum well layer 14a, a barrier layer 13b, a quantum well layer 14b, a barrier layer 13c, and a quantum well layer, which are sequentially stacked on the lower cladding layer 3. 14c and the barrier layer 13d. That is, it has a structure in which the three quantum well layers 14a to 14c are sandwiched by the four barrier layers 13a to 13d.

【0031】量子井戸層14a〜14cは、量子閉じ込
め効果によってキャリアを高い効率で閉じ込めるための
ものであって、GaInNAsSb層によって形成され
る。量子井戸層14a〜14cは、Sbが微小量添加さ
れることで良質な結晶性を有する。また、量子井戸層1
4a〜14cは、量子閉じ込め効果を発揮するためきわ
めて薄い膜厚からなる必要があり、本実施の形態1にお
ける各層の膜厚は7nm程度とする。
The quantum well layers 14a to 14c are for efficiently confining carriers by the quantum confinement effect, and are formed of GaInNAsSb layers. The quantum well layers 14a to 14c have good crystallinity because Sb is added in a minute amount. Also, the quantum well layer 1
4a to 14c are required to have an extremely thin film thickness in order to exhibit the quantum confinement effect, and the film thickness of each layer in the first embodiment is set to about 7 nm.

【0032】障壁層13a〜13dは、量子井戸層14
a〜14cを互いに分離するためのものであって、障壁
層13aおよび障壁層13dの膜厚は30nm程度、障
壁層13bおよび障壁層13cの膜厚は20nm程度で
ある。
The barrier layers 13a to 13d are the quantum well layers 14
The barrier layers 13a and 13d have a thickness of about 30 nm, and the barrier layers 13b and 13c have a thickness of about 20 nm.

【0033】下部クラッド層3、活性層4、上部クラッ
ド層5は、各層の膜厚の光学長の合計が出射波長λの2
倍になるよう形成され、光共振器として機能する。その
ため、以下においては下部クラッド層3、活性層4、上
部クラッド層5を総称して2λ共振器15と言う。本実
施の形態1では、下部クラッド層3はn型、上部クラッ
ド層5はp型のGaAs層からなり、それぞれの膜厚は
297nm程度である。
In the lower clad layer 3, the active layer 4, and the upper clad layer 5, the total optical length of the film thicknesses of the layers is 2 at the emission wavelength λ.
It is formed to be doubled and functions as an optical resonator. Therefore, in the following, the lower clad layer 3, the active layer 4, and the upper clad layer 5 are collectively referred to as a 2λ resonator 15. In the first embodiment, the lower clad layer 3 is made of an n-type GaAs layer and the upper clad layer 5 is made of a p-type GaAs layer, and the respective film thicknesses thereof are about 297 nm.

【0034】上部反射層6は、下部反射層2と同様に、
活性層4で発生する光のうち、出射波長の光を反射させ
てフィードバックするためのものである。具体的には、
上部反射層6は、順次積層された低屈折率層16と高屈
折率層17との対によって形成されるミラー層18を多
数積層した構造を有する。低屈折率層16はp型のAl
0.9Ga0.1As層を有し、高屈折率層17はp型のGa
As層を有する。活性層4で発生したレーザ光をフィー
ドバックするため、上部反射層6は高い反射率を有す
る。なお、本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子は
基板1に対して垂直上方向にレーザ光を出射するため、
上部反射層6は下部反射層2より低い反射率となる必要
がある。そのため、上部反射層6は、下部反射層2より
も少ない25層のミラー層18からなる構造を有する。
なお、以下の説明では、必要に応じて下部反射層2又は
上部反射層6を構成する25層のミラー層12又はミラ
ー層18について、最も活性層4側に配置されるミラー
層を第1周期目のミラー層、第1周期目のミラー層に接
触して配置されるミラー層を第2周期目のミラー層、第
2周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第
3周期目のミラー層等とそれぞれ称する。
The upper reflective layer 6 is similar to the lower reflective layer 2 in that
Among the lights generated in the active layer 4, the light having an emission wavelength is reflected and fed back. In particular,
The upper reflective layer 6 has a structure in which a large number of mirror layers 18 formed by pairs of a low refractive index layer 16 and a high refractive index layer 17 that are sequentially stacked are stacked. The low refractive index layer 16 is p-type Al
It has a 0.9 Ga 0.1 As layer, and the high refractive index layer 17 is a p-type Ga layer.
It has an As layer. Since the laser light generated in the active layer 4 is fed back, the upper reflective layer 6 has a high reflectance. Since the surface-emission laser device according to the first embodiment emits laser light vertically upward with respect to the substrate 1,
The upper reflective layer 6 needs to have a lower reflectance than the lower reflective layer 2. Therefore, the upper reflective layer 6 has a structure including 25 mirror layers 18 less in number than the lower reflective layer 2.
In the following description, the 25 mirror layers 12 or the mirror layers 18 constituting the lower reflective layer 2 or the upper reflective layer 6 will be referred to as the mirror layer disposed closest to the active layer 4 in the first cycle, if necessary. The second mirror layer is in contact with the first mirror layer and the first mirror layer is in the second cycle, and the second mirror layer is in contact with the second mirror layer in the third cycle. These are referred to as eye mirror layers and the like, respectively.

【0035】また、上部反射層6を構成する低屈折率層
16のうち、最下層すなわち上部クラッド層5に隣接し
て積層された第1周期目のミラー層を構成する低屈折率
層16は、p型のAl0.9Ga0.1As層と、p型のAl
As層とを順次積層した構造を有する。そして、AlA
s層のうち、中央付近の領域については電流注入領域1
9aが形成され、端部近傍では選択酸化によって形成さ
れた選択酸化領域19bにより電流狭窄層20が形成さ
れている。
Further, among the low refractive index layers 16 constituting the upper reflection layer 6, the lower refractive index layer 16 constituting the lowermost layer, that is, the mirror layer of the first period laminated adjacent to the upper clad layer 5 is , P-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer and p-type Al
It has a structure in which an As layer is sequentially laminated. And AlA
In the region near the center of the s layer, the current injection region 1
9a is formed, and the current confinement layer 20 is formed by the selective oxidation region 19b formed by selective oxidation near the end.

【0036】選択酸化領域19bは、p側電極8から注
入される電流を狭窄して活性層4に流入する電流密度を
高め、発振閾値を低減するためのものである。また、選
択酸化領域19bの屈折率は周囲に存在する電流注入領
域19aおよびAl0.9Ga0 .1As層と異なる値を有す
るため、水平方向の光閉じ込めに影響を与える。すなわ
ち、選択酸化領域19bが存在することで、本実施の形
態1にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を
備えることとなる。
The selective oxidation region 19b is for confining the current injected from the p-side electrode 8 to increase the current density flowing into the active layer 4 and reduce the oscillation threshold. The refractive index of the selective oxidation region 19b is to have a value different from the current injection region 19a and Al 0.9 Ga 0 .1 As layer exists around affects the confinement horizontal direction of the light. That is, since the selective oxidation region 19b is present, the surface emitting laser element according to the first embodiment has a refractive index waveguide type waveguide.

【0037】そして、選択酸化領域19bは、本実施の
形態1では膜厚を13nmとしている。また、選択酸化
領域19bの幅によって規定される電流注入領域19a
の径は、5.3μmとする。以下、このような構造を採
用した理由について説明する。
The selective oxidation region 19b has a thickness of 13 nm in the first embodiment. In addition, the current injection region 19a defined by the width of the selective oxidation region 19b.
Has a diameter of 5.3 μm. The reason for adopting such a structure will be described below.

【0038】本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子
は選択酸化領域19bの構造を最適化することで発振特
性を向上させている。具体的には、選択酸化領域19b
がミラー層内部において配置される位置、選択酸化領域
19bが配置されるミラー層、選択酸化領域19bの幅
および膜厚について検討する必要がある。以下、これら
の要件の最適化について説明する。
In the surface emitting laser device according to the first embodiment, the oscillation characteristics are improved by optimizing the structure of the selective oxidation region 19b. Specifically, the selective oxidation region 19b
It is necessary to consider the position of the film in the mirror layer, the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is arranged, and the width and film thickness of the selective oxidation region 19b. The optimization of these requirements will be described below.

【0039】まず、ミラー層内のどの位置に配置すべき
かについて説明する。選択酸化領域19bに隣接する電
流注入領域19aは、Al0.9Ga0.1As層に近い屈折
率を有する。そのため、選択酸化領域19bおよび電流
注入領域19aを形成するAlAs層は、低屈折率層1
1又は低屈折率層16内に配置する必要がある。さら
に、活性層4で発生する光の損失を抑制するために、定
在波の節の部分に近くなる位置(電界強度分布が最小と
なる位置)、すなわち低屈折率層11又は低屈折率層1
6中において活性層4から離隔した領域、すなわち低屈
折率層11の下面近傍又は低屈折率層16の上面近傍に
配置することが好ましい。
First, the position in the mirror layer to be arranged will be described. The current injection region 19a adjacent to the selective oxidation region 19b has a refractive index close to that of an Al 0.9 Ga 0.1 As layer. Therefore, the AlAs layer forming the selective oxidation region 19b and the current injection region 19a is the low refractive index layer 1
1 or in the low refractive index layer 16 is required. Further, in order to suppress the loss of light generated in the active layer 4, a position close to the node of the standing wave (a position where the electric field intensity distribution is minimum), that is, the low refractive index layer 11 or the low refractive index layer. 1
6 is preferably arranged in a region separated from the active layer 4, that is, near the lower surface of the low refractive index layer 11 or near the upper surface of the low refractive index layer 16.

【0040】次に、選択酸化領域19bをどのミラー層
に配置するかについて説明する。既に述べたように、選
択酸化領域19bは、電流狭窄機能を備える。電流を狭
窄して活性層4に流入する電流密度を高める観点から
は、選択酸化領域19bは活性層4に近接した位置に配
置されることが好ましい。選択酸化領域19bが活性層
4から離隔した位置に配置された場合、選択酸化領域1
9bによって狭窄された電流が活性層4に流入されるま
でに再度拡散して電流密度が低下するためである。した
がって、発振閾値を低く抑制する観点からは、選択酸化
領域19bを活性層4に近接して配置することが好まし
い。
Next, a description will be given of which mirror layer the selective oxidation region 19b is arranged in. As described above, the selective oxidation region 19b has a current confinement function. From the viewpoint of confining the current and increasing the density of the current flowing into the active layer 4, the selective oxidation region 19b is preferably arranged in a position close to the active layer 4. When the selective oxidation region 19b is arranged at a position separated from the active layer 4, the selective oxidation region 1
This is because the current confined by 9b diffuses again before the current flows into the active layer 4 and the current density decreases. Therefore, from the viewpoint of suppressing the oscillation threshold value to be low, it is preferable to dispose the selective oxidation region 19b close to the active layer 4.

【0041】一方、活性層4に近接して配置された場合
には他の問題が生じる。選択酸化領域19bは、いった
んAlAs層その他を積層してメサ状に加工した後に、
水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸素原子を外部か
ら導入して選択的に酸化をすることで形成される。酸素
原子を外部から導入することによって、当初の結晶秩序
が損傷を受けるため、選択酸化領域19b中には転位が
生じる。したがって、選択酸化領域19bが活性層4に
あまりに近接する場合、選択酸化領域中の転位が活性層
4の結晶構造にも影響を与え、面発光レーザ素子として
の信頼性が低下する。そのため、面発光レーザ素子の信
頼性を確保するという観点からは、選択酸化領域19b
を活性層4から離隔して配置することが好ましい。
On the other hand, when it is arranged close to the active layer 4, another problem occurs. The selective oxidation region 19b is formed by laminating an AlAs layer or the like once and processing it into a mesa,
It is formed by introducing oxygen atoms from the outside by heating in a steam atmosphere to selectively oxidize. By introducing oxygen atoms from the outside, the initial crystal order is damaged, so that dislocations occur in the selective oxidation region 19b. Therefore, when the selective oxidation region 19b is too close to the active layer 4, dislocations in the selective oxidation region also affect the crystal structure of the active layer 4, and the reliability as a surface emitting laser device is reduced. Therefore, from the viewpoint of ensuring the reliability of the surface emitting laser element, the selective oxidation region 19b is formed.
Is preferably separated from the active layer 4.

【0042】上記のように、発振閾値の抑制と面発光レ
ーザ素子の信頼性の確保とはトレードオフの関係にある
ため、選択酸化領域19bの積層方向の位置に関しては
最適値が存在する。そのため、本願発明者等は、面発光
レーザ素子について選択酸化領域19bの位置を積層方
向に変化させてその特性を調べ、最適値を導いている。
As described above, since there is a trade-off relationship between the suppression of the oscillation threshold value and the securing of the reliability of the surface emitting laser element, there is an optimum value for the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction. Therefore, the inventors of the present application have determined the optimum value by changing the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction of the surface emitting laser element and examining its characteristics.

【0043】具体的には、出射波長が850nm程度の
面発光レーザ素子(以下、「850nm帯面発光レーザ
素子」と言う)について、選択酸化領域を配置する位置
を積層方向に変化させて、閾値電流の値および面発光レ
ーザ素子の信頼性について測定をおこなった。測定対象
を850nm帯面発光レーザ素子としたのは、850n
m帯面発光レーザ素子は既に広く研究されており、特性
もよく把握されているためである。そのため、選択酸化
領域以外の部分による測定結果への影響を排除すること
が可能で、選択酸化領域が面発光レーザ素子の特性に与
える影響を把握できる。なお、測定に用いた850nm
帯面発光レーザ素子の構造は、光共振器の光学長のよう
な波長に対応した部分以外については、本実施の形態1
にかかる面発光レーザ素子と同一の構造を有するものと
する。
Specifically, in a surface emitting laser device having an emission wavelength of about 850 nm (hereinafter referred to as "850 nm band surface emitting laser device"), the position where the selective oxidation region is arranged is changed in the stacking direction to set the threshold value. The current value and the reliability of the surface emitting laser device were measured. The measurement target is a 850 nm surface emitting laser device,
This is because the m-band surface emitting laser device has been extensively studied and its characteristics have been well understood. Therefore, it is possible to eliminate the influence of the portion other than the selective oxidation region on the measurement result, and to understand the influence of the selective oxidation region on the characteristics of the surface emitting laser device. 850 nm used for measurement
The structure of the band-emission laser device is the same as that of the first embodiment except the part corresponding to the wavelength such as the optical length of the optical resonator.
It has the same structure as the surface-emitting laser device according to the present invention.

【0044】本願発明者等は、図2(a)〜(c)に示
すように第1周期目のミラー層、第3周期目のミラー層
および第5周期目のミラー層にそれぞれ選択酸化領域1
9b−1、19b−2、19b−3および電流注入領域
19a−1、19a−2、19a−3を形成したλ共振
器を有する850nm帯面発光レーザ素子について、そ
の閾値電流と信頼性について測定をおこなった。その結
果、第1周期目のミラー層に選択酸化領域19b−1を
配置した場合には信頼性に問題があり、実用に供するに
は妥当でないとの結果が得られたが、第3周期目のミラ
ー層に選択酸化領域19b−2を配置した場合には、信
頼性も高く、閾値電流も低い値を有した。さらに、第5
周期目のミラー層に選択酸化領域19b−3を配置した
場合には、信頼性は確保できたものの、閾値電流が第3
周期目のミラー層に配置した場合に比して増加する傾向
が見られた。第5周期目のミラー層に配置した場合の閾
値電流の増加は許容範囲内であったため、本願発明者等
は、850nm帯面発光レーザ素子について、第3周期
目乃至第5周期目のミラー層に選択酸化領域を配置する
ことが好ましいと結論づけた。
As shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c), the inventors of the present invention have selectively oxidized regions on the mirror layer of the first period, the mirror layer of the third period and the mirror layer of the fifth period, respectively. 1
9b-1, 19b-2, 19b-3 and the threshold current and reliability of the 850 nm band surface emitting laser device having the λ resonator having the current injection regions 19a-1, 19a-2, 19a-3 formed therein. Was done. As a result, when the selective oxidation region 19b-1 was arranged in the mirror layer in the first cycle, there was a problem in reliability, and it was found that it was not suitable for practical use. When the selective oxidation region 19b-2 was arranged in the mirror layer of No. 3, the reliability was high and the threshold current was low. Furthermore, the fifth
When the selective oxidation region 19b-3 was arranged in the mirror layer of the cycle, the reliability was secured, but the threshold current was the third.
There was a tendency to increase compared with the case where it was arranged on the mirror layer at the cycle. Since the increase of the threshold current in the case of being arranged in the mirror layer of the fifth period is within the allowable range, the inventors of the present application have found that for the 850 nm band surface emitting laser element, the mirror layer of the third period to the fifth period It was concluded that it is preferable to place a selective oxidation region in the.

【0045】測定に用いた850nm帯面発光レーザ素
子は、出射波長の相違により上部クラッド層の膜厚、低
屈折率層および高屈折率層の膜厚は本実施の形態1にか
かる面発光レーザ素子と相違する。そのため、本実施の
形態1において選択酸化領域19bの積層方向の位置を
最適化するにあたって、上記測定結果に関して活性層中
心からの距離を参考にした。測定に用いた850nm帯
面発光レーザ素子において、活性層中心から第3周期目
のミラー層下端までの距離は390nmであり、第5周
期目のミラー層下端までの距離は660nmである。こ
の値を参考にして、本実施の形態1にかかる面発光レー
ザ素子では、選択酸化領域19bが配置されるミラー層
について、その下端が活性層4の中心から370nm〜
680nmの範囲に存在するものに定めた。
In the 850 nm band surface emitting laser device used for the measurement, the film thickness of the upper cladding layer and the film thicknesses of the low refractive index layer and the high refractive index layer are the surface emitting laser according to the first embodiment due to the difference in the emission wavelength. Different from the element. Therefore, in optimizing the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction in the first embodiment, the distance from the center of the active layer was referred to in the above measurement result. In the 850 nm surface emitting laser device used for the measurement, the distance from the center of the active layer to the lower end of the mirror layer in the third period is 390 nm, and the distance to the lower end of the mirror layer in the fifth period is 660 nm. With reference to this value, in the surface-emission laser device according to the first embodiment, the lower end of the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is arranged is 370 nm to the center of the active layer 4.
It was determined to exist in the range of 680 nm.

【0046】この数値範囲に適するミラー層として、本
実施の形態1では、第1周期目のミラー層を選択してい
る。第1周期目のミラー層は、活性層4の中心からの距
離が375nmとなるためである。また、ミラー層内の
位置について、既に説明したように上部反射層に設ける
場合には、選択酸化領域19bは低屈折率層の上面近傍
に配置することが好ましい。したがって、これらの観点
から、選択酸化領域19bの積層方向の位置は図1に示
す場所に決定される。
In the first embodiment, the mirror layer of the first period is selected as the mirror layer suitable for this numerical range. This is because the first mirror layer has a distance of 375 nm from the center of the active layer 4. Regarding the position in the mirror layer, when it is provided in the upper reflection layer as described above, it is preferable that the selective oxidation region 19b is arranged near the upper surface of the low refractive index layer. Therefore, from these viewpoints, the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction is determined to be the position shown in FIG.

【0047】次に、単一横モード発振を実現する観点か
ら選択酸化領域19bの水平方向の幅および積層方向の
膜厚の最適化について順に説明する。なお、選択酸化領
域19bの水平方向の幅は、電流注入領域19の径を最
適化することで決定されるため、以下では主に電流注入
領域19aの径の最適化について説明する。
Next, optimization of the horizontal width of the selective oxidation region 19b and the film thickness in the stacking direction will be described in order from the viewpoint of realizing single transverse mode oscillation. Since the horizontal width of the selective oxidation region 19b is determined by optimizing the diameter of the current injection region 19, the optimization of the diameter of the current injection region 19a will be mainly described below.

【0048】まず、選択酸化領域19bの幅によって決
定される電流注入領域19aの径の最適化について説明
する。一般に、電流注入領域19aの径を小さくするこ
とで単一横モード発振を実現することが可能である。一
方、電流注入領域19aの径が小さくなるにつれて回折
損失に起因して閾値電流が増加するという問題が生じ、
閾値電流の増加を抑制するためには電流注入領域19a
の径を大きくする必要がある。したがって、閾値電流抑
制と単一横モード発振可能条件との間にもトレードオフ
の関係が成立し、電流注入領域19aの径には最適値が
存在する。
First, optimization of the diameter of the current injection region 19a determined by the width of the selective oxidation region 19b will be described. In general, it is possible to realize single transverse mode oscillation by reducing the diameter of the current injection region 19a. On the other hand, as the diameter of the current injection region 19a becomes smaller, there arises a problem that the threshold current increases due to diffraction loss,
In order to suppress the increase of the threshold current, the current injection region 19a
It is necessary to increase the diameter of. Therefore, there is a trade-off relationship between the threshold current suppression and the single transverse mode oscillation enable condition, and the diameter of the current injection region 19a has an optimum value.

【0049】そのため、本願発明者等は、850nm帯
面発光レーザ素子について、電流注入領域の径を変化さ
せた場合の発振横モードについて測定をおこない、電流
注入領域の径の最適値を調べた。具体的には、図2
(b)に示すように、選択酸化領域を第3周期目のミラ
ー層に挿入し、選択酸化領域の膜厚は20nmに固定し
て、電流注入領域19aの径を変動させ、閾値電流およ
び横モードの態様について測定をおこなった。
Therefore, the inventors of the present application measured the oscillation transverse mode of the 850 nm band-emission laser device when the diameter of the current injection region was changed, and examined the optimum value of the diameter of the current injection region. Specifically, FIG.
As shown in (b), the selective oxidation region is inserted in the mirror layer of the third period, the thickness of the selective oxidation region is fixed to 20 nm, the diameter of the current injection region 19a is changed, and the threshold current and the lateral current are changed. The mode was measured.

【0050】測定の結果、単一横モード発振が可能な電
流注入領域の径の最大値は、3.5μmであった。ま
た、径が3.5μmの場合には閾値電流の値も許容範囲
以下に抑制することができた。なお、後述する実効屈折
率差については、この面発光レーザ素子においては0.
0165であった。
As a result of the measurement, the maximum value of the diameter of the current injection region in which single transverse mode oscillation was possible was 3.5 μm. Further, when the diameter was 3.5 μm, the value of the threshold current could be suppressed to be within the allowable range. Regarding the effective refractive index difference described later, this surface emitting laser element has a difference of 0.
It was 0165.

【0051】この結果を踏まえ、本願発明者等は実施の
形態1にかかる面発光レーザ素子の電流注入領域19a
の径について、3.5μm以上であることを条件とし
た。これは、閾値電流の増加の抑制に関しては、面発光
レーザ素子の出射波長との相関関係に乏しく、850n
m帯面発光レーザ素子において閾値電流が許容範囲に抑
制される場合には、1300nmの場合でも同様に許容
範囲内に抑制できると考えられるためである。ただし、
本願発明者等は、出射波長の比に対応して電流注入領域
19aの径も大きくすることがより好ましいと考え、電
流注入領域19aの径の最適値は、3.5μmに(13
00/850)を乗算した5.3μmであるとした。
On the basis of this result, the inventors of the present application have found that the current injection region 19a of the surface emitting laser device according to the first embodiment.
The condition was that the diameter was 3.5 μm or more. This is because the suppression of the increase in the threshold current has a poor correlation with the emission wavelength of the surface emitting laser element,
This is because when the threshold current is suppressed within the allowable range in the m-band surface emitting laser element, it is considered that the threshold current can be suppressed within the allowable range even at 1300 nm. However,
The inventors of the present application consider that it is more preferable to increase the diameter of the current injection region 19a in accordance with the ratio of emission wavelengths, and the optimum value of the diameter of the current injection region 19a is 3.5 μm (13
00/850) and 5.3 μm.

【0052】次に、このような電流注入領域19aの径
に関する条件の下で、単一横モード発振を実現するため
に必要な選択酸化領域19bの膜厚の最適値について検
討する。横モード発振については、電流注入領域19a
の径のみならず、屈折率導波型導波路における実効屈折
率差も影響を与えるためである。以下では、まず、実効
屈折率差について簡潔に説明し、実効屈折率差の最適値
を導出した上で、最適値を実現するのに必要な選択酸化
領域19bの膜厚の条件を導出する。
Next, under the conditions relating to the diameter of the current injection region 19a, the optimum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b necessary for realizing the single transverse mode oscillation will be examined. For transverse mode oscillation, the current injection region 19a
This is because the effective refractive index difference in the refractive index waveguide type waveguide has an influence as well as the diameter. In the following, first, the effective refractive index difference will be briefly described, the optimum value of the effective refractive index difference will be derived, and then the condition of the film thickness of the selective oxidation region 19b necessary to realize the optimum value will be derived.

【0053】上述したように、選択酸化領域19bが存
在することで本実施の形態1にかかる面発光レーザ素子
は屈折率導波型導波路を備える。屈折率導波型導波路と
は、たとえば図3に示すように、電流注入領域19aを
含む積層方向領域である第1領域21と、選択酸化領域
19bを含む第2領域22、23とにおけるそれぞれの
等価屈折率の差である実効屈折率差に起因して、第1領
域21が導波路として機能している構造をいう。屈折率
導波型導波路の構造は、面発光レーザ素子の屈折率分布
によって説明される。具体的には、水平方向の光閉じ込
めを第1領域21、第2領域22、23の等価屈折率を
持つプレーナ導波路に等価的に置き換えて評価すること
で、屈折率導波型導波路の構造および横モードについて
解析することができる。
As described above, due to the presence of the selective oxidation region 19b, the surface emitting laser device according to the first embodiment has a refractive index waveguide type waveguide. For example, as shown in FIG. 3, the index-guided waveguide is formed in a first region 21 that is a stacking direction region including a current injection region 19a and second regions 22 and 23 that include a selective oxidation region 19b. The structure in which the first region 21 functions as a waveguide due to the difference in effective refractive index which is the difference in equivalent refractive index of The structure of the index-guided waveguide is explained by the refractive index distribution of the surface emitting laser device. Specifically, the optical confinement in the horizontal direction is equivalently replaced by the planar waveguide having the equivalent refractive index of the first region 21, and the second regions 22 and 23, and is evaluated. The structure and transverse modes can be analyzed.

【0054】たとえば、本実施の形態1にかかる面発光
レーザ素子において、選択酸化領域19bの屈折率は電
流注入領域19aを形成するAlAsの屈折率に比して
小さな値を有する。したがって、第2領域22、23の
等価屈折率は第1領域21の等価屈折率よりも小さな値
を有し、活性層4から生じる光は第1領域21中を導波
されて外部に出射される。屈折率導波型導波路の構造
は、第1領域21の等価屈折率と第2領域22、23の
等価屈折率の差分値である実効的屈折率差に対応するた
め、実効屈折率差によって光の導波の態様は変化する。
For example, in the surface emitting laser device according to the first embodiment, the refractive index of the selective oxidation region 19b has a smaller value than the refractive index of AlAs forming the current injection region 19a. Therefore, the equivalent refractive index of the second regions 22 and 23 has a smaller value than the equivalent refractive index of the first region 21, and the light generated from the active layer 4 is guided in the first region 21 and emitted to the outside. It The structure of the refractive index waveguide type waveguide corresponds to the effective refractive index difference which is the difference between the equivalent refractive index of the first region 21 and the equivalent refractive index of the second regions 22 and 23. The manner in which light is guided varies.

【0055】単一横モード発振を実現することが可能な
電流注入領域19aの径Φcと実効的屈折率差Δnとの
関係は、出射波長λを用いて、 Φc∝λ/(Δn)1/2・・・・(1) と近似できることが知られている。したがって、850
nm帯面発光レーザ素子について得られた測定結果と
(1)式とを用いて、本実施の形態1にかかる面発光レ
ーザ素子における選択酸化領域19bの水平方向の幅お
よび膜厚を決定することができる。
The relationship between the diameter Φ c of the current injection region 19a capable of realizing single transverse mode oscillation and the effective refractive index difference Δn is Φ c ∝λ / (Δn) using the emission wavelength λ. It is known that it can be approximated as 1/2 ... (1). Therefore, 850
To determine the horizontal width and the film thickness of the selective oxidation region 19b in the surface emitting laser device according to the first embodiment by using the measurement result obtained for the nm band surface emitting laser device and the formula (1). You can

【0056】まず、閾値電流の増加を抑えるために、電
流注入領域19aの径が最低でも3.5μmとなる場合
の実効屈折率差Δnの条件式は、測定結果および(1)
式から、 Φc(λ=1.3μm)/Φc(λ=0.85μm)={1.3/(Δn)1/2}/{0.85/(0 .0165)1/2}・・・・(2) と求められる。ここで、Φc(λ=0.85μm)=3.5
μmのため、(2)式の右辺の値が1以上となれば、本
実施の形態1にかかる面発光レーザ素子においても電流
注入領域19aの径が3.5μm以上となる。(2)式
をΔnについて計算すると、上記条件を満たすために
は、実効屈折率差Δnに関してΔn≦0.038となれ
ばよい。実効屈折率差Δnの値は選択酸化領域19bの
膜厚によって制御することができるため、この条件から
選択酸化領域19bの膜厚の最大値を求めることができ
る。また、(1)式より、実効屈折率差Δnを850n
m帯面発光レーザ素子の測定結果と同様に0.0165
とすれば、電流注入領域19aの径も波長比に対応して
1.5倍となるためより好ましい。
First, in order to suppress an increase in the threshold current, the conditional expression of the effective refractive index difference Δn when the diameter of the current injection region 19a is at least 3.5 μm is the measurement result and (1).
From the formula, Φ c (λ = 1.3 μm) / Φ c (λ = 0.85 μm) = {1.3 / (Δn) 1/2 } / {0.85 / (0.0165) 1/2 } ... (2 ) Is required. Where Φ c (λ = 0.85 μm) = 3.5
Since the value is 1 μm or more on the right side of the equation (2), the diameter of the current injection region 19a is 3.5 μm or more even in the surface emitting laser element according to the first embodiment. When the equation (2) is calculated for Δn, Δn ≦ 0.038 may be satisfied for the effective refractive index difference Δn in order to satisfy the above condition. Since the value of the effective refractive index difference Δn can be controlled by the film thickness of the selective oxidation region 19b, the maximum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b can be obtained from this condition. Further, from the equation (1), the effective refractive index difference Δn is 850n.
As with the measurement result of the m-band surface emitting laser device, 0.0165
If so, the diameter of the current injection region 19a also becomes 1.5 times as large as the wavelength ratio, which is more preferable.

【0057】ここで、選択酸化領域19bの積層方向の
位置を考慮して当業者に既知の計算をおこなうことで上
記実効屈折率差を実現するのに必要な選択酸化領域19
bの膜厚を導出することが可能である。結論として、本
実施の形態1では選択酸化領域19bが1層目のミラー
層に配置されており、実効屈折率差Δnを0.038以
下とするためには選択酸化領域19bの膜厚を32nm
以下とすればよい。また、実効屈折率差を0.0165
とした場合の選択酸化領域19bの膜厚は13nmとな
る。したがって、本実施の形態1にかかる面発光レーザ
素子で単一横モード発振を実現するためには、選択酸化
領域19bの膜厚は32nm以下とし、より好ましくは
13nm以下とする必要がある。
Here, the selective oxidation region 19 necessary for realizing the above-mentioned effective refractive index difference is calculated by performing a calculation known to those skilled in the art in consideration of the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction.
It is possible to derive the film thickness of b. In conclusion, in the first embodiment, the selective oxidation region 19b is arranged in the first mirror layer, and the thickness of the selective oxidation region 19b is 32 nm in order to set the effective refractive index difference Δn to 0.038 or less.
The following may be done. In addition, the effective refractive index difference is 0.0165.
In that case, the film thickness of the selective oxidation region 19b is 13 nm. Therefore, in order to realize the single transverse mode oscillation in the surface emitting laser device according to the first embodiment, the film thickness of the selective oxidation region 19b needs to be 32 nm or less, and more preferably 13 nm or less.

【0058】次に、選択酸化領域19bの膜厚の最小値
について検討する。既に述べたように、選択酸化領域1
9bは、いったんAlAs層を積層した後に、水蒸気雰
囲気中で酸素原子を導入して選択酸化することで形成す
る。ここで、選択酸化領域19bを形成する際に、Al
As層の膜厚があまりに薄いと酸素原子の導入が困難と
なり選択酸化領域19bを形成することが難しくなる。
酸素原子を導入するのに最低限必要となる選択酸化領域
19bの膜厚は6nmとされ、より好ましく10nm以
上の膜厚を有することで選択酸化を容易に行うことが可
能である。
Next, the minimum value of the film thickness of the selective oxidation region 19b will be examined. As described above, the selective oxidation region 1
9b is formed by first stacking an AlAs layer and then introducing oxygen atoms in a water vapor atmosphere to perform selective oxidation. Here, when the selective oxidation region 19b is formed, Al
If the As layer is too thin, it becomes difficult to introduce oxygen atoms and it becomes difficult to form the selective oxidation region 19b.
The film thickness of the selective oxidation region 19b that is the minimum required for introducing oxygen atoms is 6 nm, and the film thickness of 10 nm or more is more preferable so that the selective oxidation can be easily performed.

【0059】以上の議論から、閾値電流を低く抑制しつ
つ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領
域19bの膜厚dの範囲は、 6nm≦d≦32nm・・・・(3) となる。また、迅速に選択酸化が可能でかつ電流注入領
域19aの径を大きくとることができる膜厚dのより好
ましい範囲は、 10nm≦d≦13nm・・・・(4) となる。選択酸化領域19bは、(4)式を満たす膜厚
を有することがより好ましいため、本実施の形態1で
は、選択酸化領域19bの膜厚を13nm、電流注入領
域19aの径を5.3μmとしている。
From the above discussion, the range of the film thickness d of the selective oxidation region 19b required to realize the single transverse oscillation mode while suppressing the threshold current to a low level is 6 nm ≦ d ≦ 32 nm ... (3 ). Further, a more preferable range of the film thickness d that allows rapid selective oxidation and allows the current injection region 19a to have a large diameter is 10 nm ≦ d ≦ 13 nm (4). Since it is more preferable that the selective oxidation region 19b has a film thickness that satisfies the expression (4), the thickness of the selective oxidation region 19b is 13 nm and the diameter of the current injection region 19a is 5.3 μm in the first embodiment. There is.

【0060】なお、本願発明者等は、上記条件を満たす
面発光レーザ素子を実際に作製してその特性を調べた。
具体的には、n型GaAsの(100)面基板上にn型
のGaAsバッファ層を0.1μmだけ積層し、n型の
Al0.9Ga0.1AsおよびGaAsからなるミラー層を3
4.5層積層して下部反射層を形成した。また、活性層
は3重の量子井戸層を備え、活性層を含む光共振器の光
学長は2λとした。さらに、p型のAl0.9Ga0.1Asお
よびGaAsからなるミラー層を25層積層して上部反
射層を形成した。これらの半導体層はガスソースMBE
(Molecular Beam Epitaxy)法、MBE法、MOCVD
(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法のいず
れかによって成長され、p型不純物として炭素(C)、
n型不純物としてシリコン(Si)をドープした。Al
As層は上部反射層の最下層(すなわち、第1周期目)
のミラー層を形成するAl0.9Ga0.1As層の上端部に
配置し、その膜厚を12nmとした。そして、メサ状に
形成した部分の水平断面の外径を40μmとし、メサ形
成後420℃の水蒸気雰囲気中で20分間保持すること
で選択酸化領域を形成した。酸化されなかったAlAs
層によって形成される電流注入領域の径は5.2μmと
した。
The inventors of the present application actually manufactured a surface emitting laser element satisfying the above conditions and examined its characteristics.
Specifically, an n-type GaAs buffer layer of 0.1 μm is laminated on an (100) plane substrate of n-type GaAs,
3 mirror layers made of Al 0.9 Ga 0.1 As and GaAs
The lower reflective layer was formed by stacking 4.5 layers. The active layer has a triple quantum well layer, and the optical resonator including the active layer has an optical length of 2λ. Further, 25 mirror layers made of p-type Al 0.9 Ga 0.1 As and GaAs were laminated to form an upper reflection layer. These semiconductor layers are gas source MBE
(Molecular Beam Epitaxy) method, MBE method, MOCVD
(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method to grow carbon (C) as a p-type impurity,
Silicon (Si) was doped as an n-type impurity. Al
The As layer is the bottom layer of the upper reflection layer (that is, the first period)
The Al 0.9 Ga 0.1 As layer forming the mirror layer of No. 2 was arranged at the upper end portion, and the film thickness was set to 12 nm. Then, the outer diameter of the horizontal cross section of the mesa-shaped portion was set to 40 μm, and after the formation of the mesa, it was held in a steam atmosphere at 420 ° C. for 20 minutes to form a selective oxidation region. AlAs not oxidized
The diameter of the current injection region formed by the layers was 5.2 μm.

【0061】このように製造した面発光レーザ素子につ
いて発振特性を調べたところ、閾値電流の値が0.5m
A、スロープ効率が0.25W/Aであり、100℃以
上で連続発振が可能であった。また、注入電流値が10
mA以下であれば単一横モード発振が可能で、10Gb
it/sで直接変調した光信号を伝送用光ファイバに入
射させたところ、伝送可能距離は15km以上であり、
15km伝送後の光信号のアイパターンは良好なものが
得られた。
When the oscillation characteristics of the surface emitting laser device manufactured as described above were examined, the threshold current value was 0.5 m.
A, the slope efficiency was 0.25 W / A, and continuous oscillation was possible at 100 ° C. or higher. The injection current value is 10
Single transverse mode oscillation is possible at 10 mA or less
When the optical signal directly modulated by it / s was made incident on the optical fiber for transmission, the transmittable distance was 15 km or more,
A good eye pattern of the optical signal after transmission for 15 km was obtained.

【0062】(変形例)次に、実施の形態1の変形例に
かかる面発光レーザ素子の構造について説明する。図4
は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面
図である。実施の形態1においては、選択酸化領域19
bが配置されるミラー層を第1周期目のミラー層とした
が、第2周期目のミラー層に配置することも可能であ
る。第2周期目のミラー層は、活性層4の中心から下端
までの距離が580nmであるため、積層方向の位置に
ついて規定した370nm〜680nmの数値範囲に包
含され、信頼性の確保および閾値電流の抑制が可能なた
めである。
(Modification) Next, the structure of the surface emitting laser element according to the modification of the first embodiment will be described. Figure 4
FIG. 8 is a sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a modification. In the first embodiment, the selective oxidation region 19
Although the mirror layer in which b is arranged is the mirror layer in the first period, it may be arranged in the mirror layer in the second period. Since the distance from the center of the active layer 4 to the lower end of the mirror layer in the second period is 580 nm, it is included in the numerical range of 370 nm to 680 nm defined for the position in the stacking direction, ensuring the reliability and ensuring the threshold current. This is because it can be suppressed.

【0063】選択酸化領域19bが配置されるミラー層
が第2周期目となるため、電流注入領域19aの径を維
持し、実効屈折率差を維持するためには選択酸化領域1
9bの膜厚は変化する。第2領域22、23の等価屈折
率は、選択酸化領域19bの積層方向の位置によっても
変化するためである。計算によって求めた結果、電流注
入領域19aの径が3.5μm以上であって、選択酸化
が可能となる膜厚dの範囲は、 6nm≦d≦46nm・・・・・(5) であり、電流注入領域19aの径が5.3μm以上とな
り、かつ十分選択酸化が可能となる膜厚dの範囲は、 10nm≦d≦20nm・・・・・(6) となる。
Since the mirror layer in which the selective oxidation region 19b is arranged becomes the second period, in order to maintain the diameter of the current injection region 19a and maintain the effective refractive index difference, the selective oxidation region 1 is used.
The film thickness of 9b changes. This is because the equivalent refractive index of the second regions 22 and 23 also changes depending on the position of the selective oxidation region 19b in the stacking direction. As a result of calculation, the range of the film thickness d in which the diameter of the current injection region 19a is 3.5 μm or more and the selective oxidation is possible is 6 nm ≦ d ≦ 46 nm (5), The range of the film thickness d in which the diameter of the current injection region 19a is 5.3 μm or more and sufficient selective oxidation is possible is 10 nm ≦ d ≦ 20 nm (6).

【0064】(実施の形態2)次に、実施の形態2にか
かる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態2
にかかる面発光レーザ素子は、図5にも示すように、1
300nmの出射波長を有し、下部クラッド層、活性層
および上部クラッド層によって形成される光共振器の光
学長が出射光の波長と等しい構造を有する。具体的に
は、本実施の形態2にかかる面発光レーザ素子は、基板
1上に下部反射層2が積層された構造を有する。また、
下部反射層2の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に
形成された領域上に順次下部クラッド層26、活性層
4、上部クラッド層27および上部反射層6が積層され
ている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状にな
るよう形成されている。さらに、上部反射層6上にはコ
ンタクト層7が積層され、コンタクト層7上には、中央
に電流注入領域を備えた円環形状からなるp側電極8が
配置され、基板1下面にはn側電極9が配置されてい
る。そして、上部クラッド層27内部には、メサ中央付
近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入
領域29aに隣接して設けられた選択酸化領域29bに
より電流狭窄層30が配置されている。なお、本実施の
形態2において、実施の形態1と同一もしくは類似の符
号を付した部分については、特に断らない限り、同一若
しくは類似の構造を有し、同一若しくは類似の機能を発
揮するものとする。
(Second Embodiment) Next, a surface emitting laser device according to a second embodiment will be described. Embodiment 2
As shown in FIG. 5, the surface emitting laser device according to
The structure has an emission wavelength of 300 nm, and the optical length of the optical resonator formed by the lower clad layer, the active layer and the upper clad layer is equal to the wavelength of the emitted light. Specifically, the surface emitting laser element according to the second embodiment has a structure in which the lower reflective layer 2 is laminated on the substrate 1. Also,
The upper region of the lower reflective layer 2 is formed in a mesa shape, and the lower clad layer 26, the active layer 4, the upper clad layer 27, and the upper reflective layer 6 are sequentially stacked on the mesa-shaped region. The mesa shape is formed so that the horizontal cross section is circular. Further, a contact layer 7 is laminated on the upper reflective layer 6, a ring-shaped p-side electrode 8 having a current injection region in the center is arranged on the contact layer 7, and an n-side electrode is formed on the lower surface of the substrate 1. The side electrode 9 is arranged. The current confinement layer 30 is disposed inside the upper cladding layer 27 by the selective oxidation region 29b disposed near the center of the mesa and adjacent to the current injection region 29a having a circular horizontal cross section. There is. In addition, in the second embodiment, the parts having the same or similar reference numerals to those of the first embodiment have the same or similar structure and exhibit the same or similar functions unless otherwise specified. To do.

【0065】本実施の形態2において、下部クラッド層
26、活性層4および上部クラッド層27によって形成
されるλ共振器28の光学長は出射光の波長と等しい。
そのため、選択酸化領域29bの積層方向の位置および
膜厚の最適値については、実施の形態1とは異なる。以
下で、出射波長が1300nmであって、λ共振器28
を有する面発光レーザ素子の選択酸化領域29bの最適
化について、説明する。
In the second embodiment, the optical length of the λ resonator 28 formed by the lower clad layer 26, the active layer 4 and the upper clad layer 27 is equal to the wavelength of the emitted light.
Therefore, the optimum position of the selective oxidation region 29b in the stacking direction and the film thickness are different from those in the first embodiment. In the following, the emission wavelength is 1300 nm and the λ resonator 28
The optimization of the selective oxidation region 29b of the surface emitting laser device having the above will be described.

【0066】まず、選択酸化領域29bの積層方向の位
置の最適化について説明する。実施の形態1において、
選択酸化領域29bは、その活性層側の端面が活性層4
の中心から370nm〜680nmの範囲に存在するミ
ラー層内に配置することが好ましいことを本願発明者等
は導いている。本実施の形態2においては、λ共振器2
8の光学長の相違を考慮して適切なミラー層を決定する
必要があり、これに適合するミラー層として、第2周期
目のミラー層を選択している。第2周期目のミラー層の
活性層4の中心からの距離は、392nmであって、上
記条件に適合するためである。また、第2周期目のミラ
ー層において、選択酸化領域29bは低屈折率層の活性
層から遠い側に配置することが好ましいのは実施の形態
1と同様である。これにより、選択酸化領域29bの積
層方向の位置は図5に示す位置に決定される。
First, optimization of the position of the selective oxidation region 29b in the stacking direction will be described. In the first embodiment,
The end surface of the selective oxidation region 29b on the active layer side is the active layer 4
The inventors of the present application have found that it is preferable to dispose it in the mirror layer existing in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the. In the second embodiment, the λ resonator 2
It is necessary to determine an appropriate mirror layer in consideration of the difference in optical length of No. 8, and the mirror layer of the second period is selected as a mirror layer suitable for this. This is because the distance from the center of the active layer 4 of the mirror layer in the second period is 392 nm, which meets the above conditions. Also, in the mirror layer in the second period, it is preferable that the selective oxidation region 29b is arranged on the side of the low refractive index layer far from the active layer, as in the first embodiment. As a result, the position of the selective oxidation region 29b in the stacking direction is determined to the position shown in FIG.

【0067】次に、選択酸化領域29bの水平方向の幅
によって規定される電流注入領域29aの径の最適化に
ついて説明する。実施の形態1においても説明したよう
に、電流注入領域29aの径は閾値電流の増加の抑制並
びに単一横モード発振の実現という観点から定められる
ものであって、光共振器の光学長とは無関係に決定され
ている。したがって、実施の形態1と同様の議論が成立
し、850nm帯面発光レーザ素子についての測定結果
から、電流注入領域29aの径は、3.5μm以上とな
る必要があり、波長比を考慮すると、5.3μmである
ことがより好ましい。
Next, optimization of the diameter of the current injection region 29a defined by the horizontal width of the selective oxidation region 29b will be described. As described in the first embodiment, the diameter of the current injection region 29a is determined from the viewpoint of suppressing the increase of the threshold current and realizing the single transverse mode oscillation, and is the optical length of the optical resonator. It is decided independently. Therefore, the same argument as in the first embodiment is established, and the diameter of the current injection region 29a needs to be 3.5 μm or more from the measurement result of the 850 nm band surface emitting laser device. Considering the wavelength ratio, More preferably, it is 5.3 μm.

【0068】最後に、選択酸化領域29bの膜厚の最適
化について説明する。単一横モード発振を実現する観点
からは、図3で示す第1領域21と第2領域22、23
の実効屈折率差と電流注入領域29aの径との間には
(1)式の関係が成立し、電流注入領域29aの径が
3.5μm以上で単一横モード発振が可能な条件は、実
効屈折率差が0.038以下となる必要があり、電流注
入領域29aの径が5.3μmの場合に単一横モード発
振するためには、実効屈折率差は0.0165となる。
Finally, optimization of the film thickness of the selective oxidation region 29b will be described. From the viewpoint of realizing single transverse mode oscillation, the first region 21 and the second regions 22 and 23 shown in FIG.
The relationship of the equation (1) is established between the effective refractive index difference and the diameter of the current injection region 29a, and the condition that the single transverse mode oscillation is possible when the diameter of the current injection region 29a is 3.5 μm or more is: The effective refractive index difference needs to be 0.038 or less, and in order to perform single transverse mode oscillation when the diameter of the current injection region 29a is 5.3 μm, the effective refractive index difference is 0.0165.

【0069】このような実効屈折率差を実現するために
必要な、選択酸化領域29bの膜厚を決定するにあたっ
て、実施の形態2においては図6に示すグラフを利用す
る。図6は、λ共振器を有する面発光レーザ素子につい
て、選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化
領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示しているグラフ
である(K.D.Choquette et al., Proceedings of SPIE
Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 300
3, pp.194-200, 1997.)。図6において、曲線l1は第
1周期目に選択酸化層を配置した場合を示し、以下、曲
線l2、l3、l4、l5は、それぞれ第2周期目、第3周
期目、第4周期目、第5周期目に選択酸化領域を配置し
た場合を示している。グラフの横軸は選択酸化領域の膜
厚を示し、グラフの縦軸は、実効屈折率差を示す。
In determining the film thickness of the selective oxidation region 29b necessary to realize such an effective refractive index difference, the graph shown in FIG. 6 is used in the second embodiment. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the film thickness of the selective oxidation region and the effective refractive index difference for each mirror layer in which the selective oxidation region is arranged in the surface emitting laser device having the λ resonator (KDChoquette et. al., Proceedings of SPIE
Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 300
3, pp.194-200, 1997.). In FIG. 6, the curve l 1 shows the case where the selective oxidation layer is arranged in the first cycle, and hereinafter, the curves l 2 , l 3 , l 4 , and 15 are respectively in the second cycle, the third cycle, The case where the selective oxidation regions are arranged in the fourth period and the fifth period is shown. The horizontal axis of the graph shows the film thickness of the selective oxidation region, and the vertical axis of the graph shows the effective refractive index difference.

【0070】本実施の形態2にかかる面発光レーザ素子
では、選択酸化領域29bは第2周期目のミラー層内に
配置されているため、図6のグラフにおいて曲線l2
参照する。曲線l2を参照することで、実効屈折率差が
0.038以下となるためには、膜厚は32nm以下と
なることが必要であることが分かる。また、実効屈折率
差が0.0165となるためには、膜厚は13nmとな
ることが分かる。
In the surface-emission laser device according to the second embodiment, the selective oxidation region 29b is arranged in the mirror layer of the second period, so the curve l 2 is referred to in the graph of FIG. By referring to the curve l 2 , it can be seen that the film thickness needs to be 32 nm or less in order for the effective refractive index difference to be 0.038 or less. Further, it can be seen that the film thickness becomes 13 nm in order for the effective refractive index difference to be 0.0165.

【0071】膜厚の最小値については実施の形態1と同
様の議論が成立するため、この結果、閾値電流を低く抑
制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択
酸化領域29bの膜厚dの範囲は、 6nm≦d≦32nm・・・・(7) となり、迅速に選択酸化が可能で、電流注入領域29a
の径を大きくとることができる膜厚dのより好ましい範
囲は、 10nm≦d≦13nm・・・・(8) となる。以上によって実施の形態2にかかる面発光レー
ザ素子において、選択酸化領域29bの構造が最適化さ
れる。
Since the same discussion as in the first embodiment is established regarding the minimum value of the film thickness, as a result, the selective oxidation region 29b necessary for realizing the single lateral oscillation mode while suppressing the threshold current low. The range of the film thickness d is 6 nm ≦ d ≦ 32 nm (7), which enables rapid selective oxidation, and the current injection region 29a.
The more preferable range of the film thickness d in which the diameter can be increased is 10 nm ≦ d ≦ 13 nm (8). As described above, in the surface emitting laser device according to the second embodiment, the structure of the selective oxidation region 29b is optimized.

【0072】(変形例)次に、実施の形態2の変形例に
かかる面発光レーザ素子について説明する。図7は、変
形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図であ
り、選択酸化領域29bが、第3周期目のミラー層に配
置されている点が実施の形態2と異なる。
(Modification) Next, a surface emitting laser device according to a modification of the second embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the surface emitting laser element according to the modification, which is different from the second embodiment in that the selective oxidation region 29b is arranged in the mirror layer in the third period.

【0073】既に述べたように、実施の形態2において
も、活性層4の中心から370nm〜680nmの範囲
に下端が存在するミラー層内に選択酸化領域29bを配
置することが可能である。出射波長が1300nmで、
光共振器の光学長が出射光の波長と等しい場合におい
て、第3周期目のミラー層の下端は活性層4の中心から
596nmだけ離隔しており、上記範囲に含まれること
が分かる。そのため、第3周期目のミラー層に選択酸化
領域29b−1を配置する構造とすることが可能であ
る。
As described above, also in the second embodiment, it is possible to arrange the selective oxidation region 29b in the mirror layer having the lower end in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer 4. The emission wavelength is 1300 nm,
It can be seen that when the optical length of the optical resonator is equal to the wavelength of the emitted light, the lower end of the mirror layer in the third period is separated from the center of the active layer 4 by 596 nm and is included in the above range. Therefore, it is possible to have a structure in which the selective oxidation region 29b-1 is arranged in the mirror layer in the third period.

【0074】電流注入領域29a−1の径および実効屈
折率差の条件については、実施の形態2にかかる面発光
レーザ素子と同様に考えることができる。結論として
は、電流注入領域29a−1の径は3.5μm以上、好
ましくは5.3μmであり、実効屈折率差については、
0.038以下となる必要があり、好ましくは0.01
65となる。
The conditions of the diameter of the current injection region 29a-1 and the difference in effective refractive index can be considered as in the surface emitting laser device according to the second embodiment. In conclusion, the diameter of the current injection region 29a-1 is 3.5 μm or more, preferably 5.3 μm, and the effective refractive index difference is
It must be 0.038 or less, preferably 0.01
It becomes 65.

【0075】図6に示すグラフによって、上記実効屈折
率差を満たす膜厚について調べる。変形例にかかる面発
光レーザ素子は、選択酸化領域29b−1が第3周期目
のミラー層に配置されているため、図において曲線l3
を参照する必要がある。曲線l3によれば、実効屈折率
差が0.038以下となるためには膜厚は46nm以下
となる必要があり、実効屈折率差が0.0165となる
ために必要な膜厚は20nmである。以上で変形例にか
かる選択酸化領域29b−1の構造の最適化は終了す
る。
The film thickness satisfying the above effective refractive index difference is examined by the graph shown in FIG. In the surface emitting laser element according to the modified example, the selective oxidation region 29b-1 is arranged in the mirror layer in the third period, so that the curve l 3 in the drawing is used.
Need to refer to. According to the curve l 3 , the film thickness needs to be 46 nm or less for the effective refractive index difference to be 0.038 or less, and the film thickness required for the effective refractive index difference to be 0.0165 is 20 nm. Is. With the above, the optimization of the structure of the selective oxidation region 29b-1 according to the modification is completed.

【0076】なお、実施の形態1、2およびこれらの変
形例を用いて本発明にかかる面発光レーザ素子を説明し
たが、上記説明以外の構造を採用することも可能であ
る。たとえば、実施の形態1、2およびこれらの変形例
においては、面発光レーザ素子の出射波長は1300n
mとしていた。本発明はこれに限定せず、850nm以
上の長波長を有する面発光レーザ素子についても選択酸
化領域の構造の最適化が可能である。以下、このことに
ついて説明する。
Although the surface emitting laser device according to the present invention has been described with reference to the first and second embodiments and their modifications, structures other than those described above can be adopted. For example, in the first and second embodiments and the modifications thereof, the emission wavelength of the surface emitting laser element is 1300n.
It was m. The present invention is not limited to this, and the structure of the selective oxidation region can be optimized even for a surface emitting laser device having a long wavelength of 850 nm or more. This will be described below.

【0077】まず、選択酸化領域のミラー層内における
位置については、低屈折率層の活性層から見て遠い側の
界面近傍に配置することが好ましいことが出射波長に関
わらず成立する。そして、どのミラー層内に配置するか
についても、決定要因は閾値電流の増加の抑制および信
頼性の確保の観点からおこなわれ、これらの観点は出射
波長との相関関係に乏しい。さらに、電流注入領域の径
についても850nm帯面発光レーザ素子に関する測定
結果から導出しており、既に述べたように出射波長に関
係なく測定結果を用いている。選択酸化領域の膜厚につ
いても、必要な実効屈折率差をするための膜厚を既知の
方法によって導出すればよい。したがって、850nm
以上の長波長面発光レーザ素子に関して、実施の形態1
または2に記載した手法を用いて選択酸化領域の構造の
最適化を行うことができる。なお、同様の理由により、
異なる光学長の光共振器を備えた面発光レーザ素子につ
いても、選択酸化領域の構造の最適化を行うことができ
る。ここで、選択酸化領域の積層方向の位置について、
選択酸化領域を配置するミラー層の下端の位置が活性層
の中心から370nm〜680nmの範囲としている
が、選択酸化領域自体の位置に関しては、ミラー層を構
成する低屈折率層の膜厚も考慮して、活性層の中心から
の距離の上限を780nmとすることが好ましい。
First, it is preferable that the position of the selective oxidation region in the mirror layer is arranged near the interface of the low refractive index layer on the side far from the active layer regardless of the emission wavelength. The deciding factor regarding which mirror layer is arranged is also from the viewpoint of suppressing an increase in threshold current and ensuring reliability, and these viewpoints have a poor correlation with the emission wavelength. Further, the diameter of the current injection region is also derived from the measurement result for the 850 nm band surface emitting laser device, and as described above, the measurement result is used regardless of the emission wavelength. Regarding the film thickness of the selective oxidation region, the film thickness for obtaining the necessary effective refractive index difference may be derived by a known method. Therefore, 850 nm
Regarding the above long-wavelength surface emitting laser device, Embodiment 1
Alternatively, the method described in 2 can be used to optimize the structure of the selective oxidation region. For the same reason,
The structure of the selective oxidation region can be optimized also for the surface emitting laser device having the optical resonators of different optical lengths. Here, regarding the position of the selective oxidation region in the stacking direction,
The position of the lower end of the mirror layer in which the selective oxidation region is arranged is in the range of 370 nm to 680 nm from the center of the active layer. However, regarding the position of the selective oxidation region itself, the film thickness of the low refractive index layer forming the mirror layer is also taken into consideration. Then, the upper limit of the distance from the center of the active layer is preferably 780 nm.

【0078】また、p型不純物として炭素を用いる以外
に、亜鉛(Zn)やベリリウム(Be)を使用すること
ができる。n型不純物についても同様で、シリコン以外
のドーパントを使用しても良い。
Besides using carbon as the p-type impurity, zinc (Zn) or beryllium (Be) can be used. The same applies to n-type impurities, and dopants other than silicon may be used.

【0079】また、選択酸化領域および電流注入領域を
形成する半導体材料としてAlAsを用いたが、これ以
外にも、AlxGa1-xAs(0.97≦x<1)を使用して
も選択酸化が可能であり、電流注入領域を形成すること
も可能である。
Although AlAs was used as the semiconductor material for forming the selective oxidation region and the current injection region, Al x Ga 1-x As (0.97 ≦ x <1) may be used instead of AlAs. It is also possible to form a current injection region.

【0080】また、上部反射層および下部反射層を構成
するミラー層について、低屈折率層をAlxGa1-xAs
(0.5≦x≦1)で構成し、高屈折率層をAlxGa
1-xAs(0≦x≦0.2)で構成した場合にも、出射
波長の光を反射することが可能であり、ミラー層として
機能することが可能である。また、低屈折率層および高
屈折率層について、互いの境界面付近において、低屈折
率層と高屈折率層との屈折率差を緩和するような組成傾
斜層を配置した構造としても良い。
In the mirror layers constituting the upper reflection layer and the lower reflection layer, the low refractive index layer is made of Al x Ga 1-x As.
(0.5 ≦ x ≦ 1) and the high refractive index layer is made of Al x Ga.
Even in the case of 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2), it is possible to reflect light having an emission wavelength and function as a mirror layer. Further, the low-refractive index layer and the high-refractive index layer may have a structure in which a composition gradient layer for relaxing the difference in the refractive index between the low-refractive index layer and the high-refractive index layer is disposed near the boundary between them.

【0081】また、基板についても、GaAs基板以外
に、InP基板、GaInAs基板等のものを用いても
本発明にかかる面発光レーザ素子を実現することが可能
である。
The surface emitting laser device according to the present invention can be realized by using an InP substrate, a GaInAs substrate, or the like as the substrate other than the GaAs substrate.

【0082】また、活性層について、3重の量子井戸層
およびこれらを分離する障壁層からなる構造ではなく、
単一の量子井戸層で構成しても良いし、それ以外の数の
量子井戸層を有する構造としても良い。また、量子井戸
層について、GaInAs系やGaAsSb系の半導体
材料で形成することが可能である。さらに、量子井戸層
ではなく、(Ga)InAs等によって形成される量子
ドットとしても良い。また、単純にダブルヘテロ構造の
面発光レーザ素子としても良い。
Further, the active layer is not a structure composed of a triple quantum well layer and a barrier layer separating them,
It may be configured with a single quantum well layer, or may have a structure having other number of quantum well layers. Also, the quantum well layer can be formed of a GaInAs-based or GaAsSb-based semiconductor material. Further, the quantum dots may be formed of (Ga) InAs or the like instead of the quantum well layer. Further, it may be simply a surface emitting laser element having a double hetero structure.

【0083】また、面発光レーザ素子を形成する半導体
材料について、導電型を反対にすることも可能である。
たとえば、基板、下部クラッド層、下部反射層をp型半
導体によって形成し、上部反射層、上部クラッド層をn
型半導体によって形成しても良い。
It is also possible to reverse the conductivity type of the semiconductor material forming the surface emitting laser element.
For example, the substrate, the lower clad layer, and the lower reflective layer are formed of p-type semiconductor, and the upper reflective layer and the upper clad layer are n-type.
It may be formed of a mold semiconductor.

【0084】さらに、選択酸化領域および電流注入領域
からなる電流狭窄層についてはp型反射層内に配置する
ことが好ましいが、n型反射層内に配置しても同様の議
論が成立し、同等の効果を発揮することが可能である。
Further, the current confinement layer consisting of the selective oxidation region and the current injection region is preferably arranged in the p-type reflection layer, but the same argument can be established even if the current confinement layer is arranged in the n-type reflection layer. It is possible to exert the effect of.

【0085】(実施の形態3)次に、実施の形態3にか
かる光送受信器について説明する。図8は、実施の形態
3にかかる光送受信器の構造を示すブロック図である。
本実施の形態3にかかる光送受信器は、光信号を送受信
するための光送信部34および光受信部35を有するト
ランシーバ31と、電気信号をトランシーバ31に入力
する信号多重化回路32と、トランシーバ31が受信し
た光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路
33とを有する。
(Third Embodiment) Next, an optical transmitter / receiver according to a third embodiment will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the structure of the optical transceiver according to the third embodiment.
The optical transmitter / receiver according to the third exemplary embodiment includes a transceiver 31 having an optical transmitter 34 and an optical receiver 35 for transmitting and receiving an optical signal, a signal multiplexing circuit 32 for inputting an electric signal to the transceiver 31, and a transceiver. 31 has a signal separation circuit 33 for separating an electric signal obtained from the optical signal received.

【0086】光送信部34は、信号多重化回路32から
入力された電気信号を光信号に変換して送信するための
ものである。具体的には、光送信部34は、光信号を出
射する面発光レーザ素子36と、入力された電気信号に
基づいて面発光レーザ素子36を制御する制御回路37
と、面発光レーザ素子36から出射された光信号を外部
に出力するための出力光学系38とを有する。
The optical transmitter 34 is for converting the electric signal inputted from the signal multiplexing circuit 32 into an optical signal and transmitting it. Specifically, the optical transmitter 34 includes a surface emitting laser element 36 that emits an optical signal, and a control circuit 37 that controls the surface emitting laser element 36 based on the input electrical signal.
And an output optical system 38 for outputting the optical signal emitted from the surface emitting laser element 36 to the outside.

【0087】光送信部34に含まれる面発光レーザ素子
36には、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ
素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子36は、
閾値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発
振が可能である。
As the surface emitting laser element 36 included in the optical transmitter 34, the surface emitting laser element according to the first or second embodiment is used. Therefore, the surface emitting laser element 36 is
It has a low threshold current, high reliability, and single transverse mode oscillation is possible.

【0088】光受信部35は、外部から受信した光信号
を電気信号に変換して信号分離回路33に出力するため
のものである。具体的には、光受信部35は、光信号を
受信して電気信号に変換するための光電変換素子39
と、光信号を光電変換素子39に導くための入力光学系
40と、光電変換素子39から出力される電気信号を増
幅する増幅回路41とを有する。光電変換素子39は、
受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。
光電変換素子39としては、フォトダイオードの他、光
抵抗などを用いることが可能である。
The optical receiver 35 is for converting an optical signal received from the outside into an electric signal and outputting it to the signal separation circuit 33. Specifically, the light receiving unit 35 receives the optical signal and converts it into an electric signal.
And an input optical system 40 for guiding an optical signal to the photoelectric conversion element 39, and an amplifier circuit 41 for amplifying an electric signal output from the photoelectric conversion element 39. The photoelectric conversion element 39 is
An electric signal is output based on the intensity of the received optical signal.
As the photoelectric conversion element 39, a photo resistance or the like can be used in addition to the photodiode.

【0089】信号多重化回路32は、外部から入力され
る複数の電気信号を多重化して1本の電気信号にするた
めのものである。多重化されて得られた1本の電気信号
は、トランシーバ31を構成する光送信部34に出力さ
れる。
The signal multiplexing circuit 32 serves to multiplex a plurality of electric signals input from the outside into one electric signal. One electric signal obtained by being multiplexed is output to the optical transmission unit 34 included in the transceiver 31.

【0090】信号分離回路33は、トランシーバ31を
構成する光受信部35から得られた電気信号について、
複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部
35で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいる
ため、光信号を光電変換して得られる電気信号について
も、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する
必要があるためである。
The signal separation circuit 33, with respect to the electric signal obtained from the optical receiving section 35 constituting the transceiver 31,
It is for separating into a plurality of electric signals. Since the optical signal received by the optical receiver 35 originally includes a plurality of signals, an electrical signal obtained by photoelectrically converting the optical signal also needs to be separated into a plurality of electrical signals in order to extract information. Because there is.

【0091】本実施の形態3にかかる光送受信器の動作
について説明する。実施の形態3にかかる光送受信器
は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのも
のである。最初に、送信動作について説明する。
The operation of the optical transmitter / receiver according to the third embodiment will be described. The optical transceiver according to the third embodiment is for transmitting and receiving a plurality of electric signals. First, the transmission operation will be described.

【0092】まず、外部から入力された複数の電気信号
は、信号多重化回路32で単一の電気信号に変換され
る。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路32
から制御回路37に入力され、制御回路37は、この電
気信号に基づいて面発光レーザ素子36に注入する電流
を制御する。具体的には、制御回路37によって、電気
信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ
素子36から出射される。なお、面発光レーザ素子36
は、実施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子か
らなるため、最大10Gbit/sで直接光変調が可能
である。そのため、大量の情報を光信号に付加して送信
することが可能である。面発光レーザ素子36から出力
された光信号は、出力光学系38を介して外部に出力さ
れる。以上で送信動作が終了する。
First, a plurality of electric signals input from the outside are converted into a single electric signal by the signal multiplexing circuit 32. Then, this single electric signal is converted into the signal multiplexing circuit 32.
Is input to the control circuit 37, and the control circuit 37 controls the current to be injected into the surface emitting laser element 36 based on this electric signal. Specifically, the control circuit 37 causes the surface emitting laser element 36 to emit an optical signal having a waveform corresponding to the electrical signal waveform. The surface emitting laser device 36
Since is composed of the surface emitting laser device according to the first or second embodiment, direct light modulation is possible at a maximum of 10 Gbit / s. Therefore, a large amount of information can be added to the optical signal and transmitted. The optical signal output from the surface emitting laser element 36 is output to the outside via the output optical system 38. This completes the transmission operation.

【0093】次に、受信動作について説明する。外部か
ら伝送されてきた光信号は、入力光学系40を介して入
射し、光電変換素子39によって受信される。光電変換
素子39は受信した光信号の強度変化に対応した波形を
有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気
信号は増幅回路41に入力される。外部から入力された
光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子
39から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅
回路41によってその強度を増幅される。その後、増幅
された電気信号は信号分離回路33に入力され、複数の
電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
Next, the receiving operation will be described. The optical signal transmitted from the outside enters through the input optical system 40 and is received by the photoelectric conversion element 39. The photoelectric conversion element 39 has a function of outputting an electric signal having a waveform corresponding to the intensity change of the received optical signal, and the converted electric signal is input to the amplifier circuit 41. Since the intensity of the optical signal input from the outside is generally weak, the intensity of the electric signal output from the photoelectric conversion element 39 is also weak, and the intensity is amplified by the amplifier circuit 41. Then, the amplified electric signal is input to the signal separation circuit 33 and separated into a plurality of electric signals. This completes the reception operation.

【0094】本実施の形態3にかかる光送受信器は、実
施の形態1または2にかかる面発光レーザ素子を有す
る。そのため、実施の形態3においては、面発光レーザ
素子36の閾値電流が低い値を有し、高い信頼性を有す
る。また、10Gbit/sで直接変調可能であり、大
量の情報を有する光信号を出力することが可能である。
さらに、出力する光信号を光ファイバによって伝送した
場合、伝送可能な距離は15km以上となり、長距離伝
送が可能となる。
The optical transmitter / receiver according to the third embodiment has the surface emitting laser element according to the first or second embodiment. Therefore, in the third embodiment, the surface emitting laser element 36 has a low threshold current and high reliability. Moreover, it is possible to directly modulate at 10 Gbit / s, and it is possible to output an optical signal having a large amount of information.
Furthermore, when the output optical signal is transmitted by an optical fiber, the transmittable distance becomes 15 km or more, and long-distance transmission becomes possible.

【0095】(実施の形態4)次に、実施の形態4にか
かる光通信システムについて説明する。図9は、実施の
形態4にかかる光通信システムの構造を示す模式図であ
る。実施の形態4にかかる光通信システムは、実施の形
態1または2にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使
用している。具体的には、本実施の形態4にかかる面発
光レーザ素子は、信号多重化回路42と、信号多重化回
路42に接続された制御回路43と、制御回路43に接
続された面発光レーザ素子44と、伝送用光ファイバ4
6と、面発光レーザ素子44と伝送用光ファイバ46の
一端とを光結合させるための光学系45とを有する。ま
た、伝送用光ファイバ46の他端と光学系47を介して
光結合した光電変換素子48と、光電変換素子48と接
続された増幅回路49と、増幅回路49と接続された信
号分離回路50とを有する。
(Fourth Embodiment) Next, an optical communication system according to the fourth embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of the optical communication system according to the fourth embodiment. The optical communication system according to the fourth embodiment uses the surface-emission laser device according to the first or second embodiment as a signal light source. Specifically, the surface-emission laser device according to the fourth embodiment includes a signal multiplexing circuit 42, a control circuit 43 connected to the signal multiplexing circuit 42, and a surface-emission laser device connected to the control circuit 43. 44 and optical fiber 4 for transmission
6 and an optical system 45 for optically coupling the surface emitting laser element 44 and one end of the transmission optical fiber 46. Further, a photoelectric conversion element 48 optically coupled to the other end of the transmission optical fiber 46 via an optical system 47, an amplifier circuit 49 connected to the photoelectric conversion element 48, and a signal separation circuit 50 connected to the amplifier circuit 49. Have and.

【0096】信号多重化回路42で得られた単一の電気
信号は制御回路43に入力され、この電気信号に基づい
て制御回路43は面発光レーザ素子44に注入する電流
について制御をおこなう。これにより、面発光レーザ素
子44から出力される光信号は、信号多重化回路42で
得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レー
ザ素子44から出力された光信号は光学系45を介して
伝送用光ファイバ46の一端に入射し、伝送用光ファイ
バ46中を伝送する。
The single electric signal obtained by the signal multiplexing circuit 42 is input to the control circuit 43, and the control circuit 43 controls the current to be injected into the surface emitting laser element 44 based on this electric signal. As a result, the optical signal output from the surface-emission laser device 44 has a waveform corresponding to the electrical signal obtained by the signal multiplexing circuit 42. The optical signal output from the surface emitting laser element 44 is incident on one end of the transmission optical fiber 46 via the optical system 45 and is transmitted through the transmission optical fiber 46.

【0097】そして、伝送用光ファイバ46中を伝送し
た光信号は、伝送用光ファイバ46の他端から出射し、
光学系47を介して光電変換素子48に入射する。光電
変換素子48は、受信した光信号に基づく電気信号を出
力し、増幅回路49で増幅された後に信号分離回路50
に入力される。
The optical signal transmitted through the transmission optical fiber 46 is emitted from the other end of the transmission optical fiber 46,
The light enters the photoelectric conversion element 48 via the optical system 47. The photoelectric conversion element 48 outputs an electric signal based on the received optical signal, and after being amplified by the amplifier circuit 49, the signal separation circuit 50.
Entered in.

【0098】信号分離回路50は、入力された電気信号
について、信号多重化回路42で多重化される前の個々
の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにし
て本実施の形態4にかかる光通信システムは情報の伝送
をおこなう。
The signal separation circuit 50 separates the input electric signal into individual electric signals before being multiplexed by the signal multiplexing circuit 42 to restore information. In this way, the optical communication system according to the fourth embodiment transmits information.

【0099】本実施の形態4にかかる光通信システムで
は、送信側の信号光源として、実施の形態1または2に
かかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、低
閾値で信頼性が高い信号光源を使用することが可能であ
る。また、単一横モード発振が可能であるため、伝送途
上で信号波形が崩れることもなく、確実に光信号を伝送
することができる。具体的には、伝送用光ファイバ46
のファイバ長を15km以上としても10Gbit/s
で直接変調した光信号を伝送することが可能である。
In the optical communication system according to the fourth embodiment, the surface emitting laser element according to the first or second embodiment is used as the signal light source on the transmitting side. Therefore, it is possible to use a signal light source with a low threshold and high reliability. Moreover, since the single transverse mode oscillation is possible, the optical signal can be reliably transmitted without the signal waveform being disturbed during the transmission. Specifically, the transmission optical fiber 46
10 Gbit / s even if the fiber length of 15 km or more
It is possible to transmit an optical signal directly modulated by.

【0100】また、実施の形態1または2にかかる面発
光レーザ素子は出射波長を850nm〜1650nmの
範囲で変化させることができるため、伝送用光ファイバ
46において低損失となる波長を選択することが可能で
ある。また、これらの波長帯において、既存の光通信シ
ステムを利用することができるという利点も有する。た
とえば、出射波長を980nmとして、伝送用光ファイ
バ46の途上にEDFA(Erbium Doped Fiber Amplifi
er)を配置する構造としても良い。この場合、EDFA
によって光信号の強度を増幅することができるので、伝
送距離をさらに延伸させることができる。同様に、TD
FA、ラマン増幅器等を用いても良い。
Further, since the surface emitting laser device according to the first or second embodiment can change the emission wavelength in the range of 850 nm to 1650 nm, it is possible to select the wavelength with which the transmission optical fiber 46 has a low loss. It is possible. Further, there is an advantage that the existing optical communication system can be used in these wavelength bands. For example, with an emission wavelength of 980 nm, an EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifi
er) may be arranged. In this case, EDFA
Since the intensity of the optical signal can be amplified by this, the transmission distance can be further extended. Similarly, TD
FA, Raman amplifier or the like may be used.

【0101】[0101]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1〜11の
発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化したため、
閾値電流を低い値に抑制し、高い信頼性を有し、単一横
モード発振が可能で、10Gbit/sで直接変調をお
こなえ、長距離伝送が可能な面発光レーザ素子を提供で
きるという効果を奏する。
As described above, according to the inventions of claims 1 to 11, since the structure of the selective oxidation region is optimized,
It is possible to provide a surface emitting laser device that suppresses the threshold current to a low value, has high reliability, can perform single transverse mode oscillation, can directly modulate at 10 Gbit / s, and can transmit over a long distance. Play.

【0102】また、請求項12〜14の発明によれば、
選択酸化領域の構造を最適化した面発光レーザを用いる
構成としたため、単一横モード発振が可能で、長距離伝
送が可能なトランシーバ、光送受信器および光通信シス
テムを提供できるという効果を奏する。
According to the invention of claims 12 to 14,
Since the surface emitting laser having the optimized structure of the selective oxidation region is used, it is possible to provide a transceiver, an optical transceiver, and an optical communication system capable of single transverse mode oscillation and capable of long-distance transmission.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施の形態1にかかる面発光レーザ素子の構造
を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a surface emitting laser device according to a first embodiment.

【図2】(a)〜(c)は、測定に用いた850nm帯
面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
2A to 2C are cross-sectional views showing the structure of an 850 nm surface-emitting laser device used for measurement.

【図3】実効屈折率差について説明するための模式的な
図である。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an effective refractive index difference.

【図4】実施の形態1の変形例にかかる面発光レーザ素
子の構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a modification of the first embodiment.

【図5】実施の形態2にかかる面発光レーザ素子の構造
を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a structure of a surface emitting laser device according to a second embodiment.

【図6】選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択
酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示すグラフで
ある。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the film thickness of the selective oxidation region and the effective refractive index difference for each mirror layer in which the selective oxidation region is arranged.

【図7】実施の形態2の変形例にかかる面発光レーザ素
子の構造を示す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view showing a structure of a surface emitting laser element according to a modified example of the second embodiment.

【図8】実施の形態3にかかる光送受信機の構造を示す
ブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a structure of an optical transceiver according to a third exemplary embodiment.

【図9】実施の形態4にかかる光通信システムの構造を
示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram showing a structure of an optical communication system according to a fourth exemplary embodiment.

【図10】従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図
である。
FIG. 10 is a sectional view showing a structure of a conventional surface emitting laser device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 下部反射層 3、26 下部クラッド層 4 活性層 5、27 上部クラッド層 6 上部反射層 7 コンタクト層 8 p側電極 9 n側電極 10、17 高屈折率層 11、16 低屈折率層 12、18 ミラー層 13a〜13d 障壁層 14a〜14d 量子井戸層 15 2λ共振器 19a、29a、29a−1 電流注入領域 19b、29b、29b−1 選択酸化領域 20,30 電流狭窄層 28 λ共振器 31 トランシーバ 32、42 信号多重化回路 33、50 信号分離回路 34 光送信部 35 光受信部 36、44 面発光レーザ素子 37、43 制御回路 38 出力光学系 39、48 光電変換素子 40 入力光学系 41、49 増幅回路 45、47 光学系 46 伝送用光ファイバ 1 substrate 2 Lower reflective layer 3, 26 Lower clad layer 4 Active layer 5,27 Upper clad layer 6 Upper reflective layer 7 Contact layer 8 p-side electrode 9 n-side electrode 10,17 High refractive index layer 11, 16 Low refractive index layer 12, 18 Mirror layer 13a to 13d Barrier layer 14a-14d quantum well layer 15 2 λ resonator 19a, 29a, 29a-1 Current injection region 19b, 29b, 29b-1 selective oxidation region 20, 30 Current constriction layer 28 λ resonator 31 transceiver 32, 42 signal multiplexing circuit 33, 50 Signal separation circuit 34 Optical transmitter 35 Optical receiver 36,44 surface emitting laser device 37, 43 Control circuit 38 Output optical system 39, 48 Photoelectric conversion element 40 Input optical system 41, 49 Amplification circuit 45, 47 Optical system 46 Optical fiber for transmission

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、下部反射層、下部クラッド
層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層し
た構造を備え、前記基板に対して垂直方向にレーザ発振
する面発光レーザ素子であって、 前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、
前記活性層中心から370nm以上、780nm以下の
距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選択酸化
領域と、 該選択酸化領域に挟まれて配置された電流注入領域と、 を備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折
率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折
率との差分値が0.038以下であることを特徴とする
面発光レーザ素子。
1. A surface emitting laser device having a structure in which a lower reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper reflective layer are sequentially laminated on a substrate, and oscillates in a direction perpendicular to the substrate. Which is inside the lower reflective layer or the upper reflective layer,
The current injection includes: a selective oxidation region arranged in a region separated from the center of the active layer by a distance of 370 nm to 780 nm in the stacking direction; and a current injection region sandwiched between the selective oxidation regions. A surface emitting laser element, wherein a difference value between an effective refractive index of a stacking direction region including a region and an effective refractive index of a stacking direction region including the selective oxidation region is 0.038 or less.
【請求項2】 前記上部反射層および前記下部反射層
は、出射波長の1/4の光学長を有する低屈折率層およ
び高屈折率層の2層構造を備えたミラー層を複数積層し
て形成され、 前記選択酸化領域は、いずれかのミラー層における前記
低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に
配置されていることを特徴とする請求項1に記載の面発
光レーザ素子。
2. The upper reflective layer and the lower reflective layer are formed by laminating a plurality of mirror layers each having a two-layer structure of a low refractive index layer and a high refractive index layer having an optical length of ¼ of an emission wavelength. 2. The surface emitting device according to claim 1, wherein the selective oxidation region is formed and is disposed in the vicinity of a position where the electric field intensity distribution in the low refractive index layer in any one of the mirror layers is minimum. Laser device.
【請求項3】 前記活性層は、1260nm以上、13
60nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッ
ド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波
長の2倍の光学長を有し、 前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層におい
て、前記活性層側より第1周期目に積層されたミラー層
内に配置されていることを特徴とする請求項1または2
に記載の面発光レーザ素子。
3. The active layer has a thickness of 1260 nm or more, 13
An optical resonator that emits laser light having a wavelength of 60 nm or less, and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser light; 3. The selective oxidation region is arranged in the mirror layer laminated in the first period from the active layer side in the upper or lower reflective layer.
The surface emitting laser device described in 1.
【請求項4】 前記活性層は、1260nm以上、13
60nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッ
ド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波
長と等しい光学長を有し、 前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層におい
て、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層
内に配置されていることを特徴とする請求項1または2
に記載の面発光レーザ素子。
4. The active layer has a thickness of 1260 nm or more, 13
An optical resonator that emits a laser beam having a wavelength of 60 nm or less, and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length equal to the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation is performed. 3. The region is arranged in the upper or lower reflective layer in a mirror layer laminated in a second period from the side of the active layer.
The surface emitting laser device described in 1.
【請求項5】 前記選択酸化領域は、6nm以上、32
nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項3また
は4に記載の面発光レーザ素子。
5. The selective oxidation region has a thickness of 6 nm or more and 32.
The surface emitting laser element according to claim 3, which has a film thickness of not more than nm.
【請求項6】 前記選択酸化領域は、10nm以上、1
3nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項3ま
たは4に記載の面発光レーザ素子。
6. The selective oxidation region is 10 nm or more, 1
The surface emitting laser element according to claim 3, which has a film thickness of 3 nm or less.
【請求項7】 前記活性層は、1260nm以上、13
60nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッ
ド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波
長の2倍の光学長を有し、 前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層におい
て、前記活性層側より第2周期目に積層されたミラー層
内に配置されていることを特徴とする請求項1または2
に記載の面発光レーザ素子。
7. The active layer has a thickness of 1260 nm or more, 13
An optical resonator that emits laser light having a wavelength of 60 nm or less, and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length that is twice the wavelength of the laser light; 3. The selective oxidation region is arranged in the mirror layer laminated in the second period from the side of the active layer in the upper or lower reflective layer.
The surface emitting laser device described in 1.
【請求項8】 前記活性層は、1260nm以上、13
60nm以下の波長を有するレーザ光を出射し、 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッ
ド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波
長と等しい光学長を有し、 前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層におい
て、前記活性層側より第3周期目に積層されたミラー層
内に配置されていることを特徴とする請求項1または2
に記載の面発光レーザ素子。
8. The active layer comprises 1260 nm or more, 13
An optical resonator that emits a laser beam having a wavelength of 60 nm or less, and is formed by the lower clad layer, the active layer, and the upper clad layer has an optical length equal to the wavelength of the laser beam, and the selective oxidation is performed. 3. The region is arranged in the upper or lower reflective layer in a mirror layer laminated in a third period from the side of the active layer.
The surface emitting laser device described in 1.
【請求項9】 前記選択酸化領域は、6nm以上、46
nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項7また
は8に記載の面発光レーザ素子。
9. The selective oxidation region is 6 nm or more, 46
9. The surface emitting laser element according to claim 7, which has a film thickness of not more than nm.
【請求項10】 前記選択酸化領域は、10nm以上、
20nm以下の膜厚を有することを特徴とする請求項7
または8に記載の面発光レーザ素子。
10. The selective oxidation region is 10 nm or more,
8. A film having a film thickness of 20 nm or less.
Alternatively, the surface emitting laser device according to item 8.
【請求項11】 前記基板はGaAsによって形成さ
れ、前記低屈折率層はAlxGa1-xAs(0.5≦x≦
1)を含み、前記高屈折率層はAlxGa1-xAs(0≦
x≦0.2)を含み、前記選択酸化領域はAlxGa1-x
As(0.97≦x≦1)を選択酸化して形成されるこ
とを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の
面発光レーザ素子。
11. The substrate is made of GaAs, and the low refractive index layer is made of Al x Ga 1-x As (0.5 ≦ x ≦).
1), and the high refractive index layer is formed of Al x Ga 1-x As (0 ≦
x ≦ 0.2), and the selective oxidation region is Al x Ga 1-x
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the surface emitting laser element is formed by selectively oxidizing As (0.97 ≦ x ≦ 1).
【請求項12】 請求項1〜11のいずれか一つに記載
の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて
前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御
回路とを有する光送信部と、 外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する
光電変換素子を有する光受信部と、 を備えたことを特徴とするトランシーバ。
12. A surface emitting laser element according to claim 1, and a control circuit for controlling a current value injected into the surface emitting laser element based on an inputted electric signal. A transceiver comprising: an optical transmitter; and an optical receiver having a photoelectric conversion element that receives an optical signal incident from the outside and converts the optical signal into an electric signal.
【請求項13】 請求項1〜11のいずれか一つに記載
の面発光レーザ素子と、 複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、 該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記
面発光レーザ素子を制御する制御回路と、 外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する
光電変換素子と、 該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信
号に分離する信号分離回路と、 を備えたことを特徴とする光送受信器。
13. The surface emitting laser device according to claim 1, a signal multiplexing circuit for multiplexing a plurality of electrical signals, and an electrical signal output from the signal multiplexing circuit. A control circuit for controlling the surface emitting laser element based on the above, a photoelectric conversion element for receiving an optical signal incident from the outside and converting it into an electric signal, and an electric signal output from the photoelectric conversion element are separated into a plurality of electric signals. An optical transmitter / receiver, comprising:
【請求項14】 請求項1〜11のいずれか一つに記載
の面発光レーザ素子と、 該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、 前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から
入射し、伝送する伝送用光ファイバと、 該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受
信して電気信号に変換する光電変換素子と、 を備えたことを特徴とする光通信システム。
14. The surface emitting laser element according to claim 1, a control circuit for controlling the surface emitting laser element, and an optical signal emitted from the surface emitting laser element from one end. An optical communication system comprising: a transmission optical fiber which is incident and transmitted; and a photoelectric conversion element which receives the optical signal incident from the other end of the transmission optical fiber and converts the optical signal into an electric signal. .
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