JP2005222968A - 面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる面発光レーザ、波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法を実現することを目的にする。
【解決手段】 本発明は、半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を活性層の上側にエアギャップを介して設け、上部分布反射層と下部分布反射層とで光共振器を形成し半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに改良を加えたものである。本面発光レーザは、光共振器内部に設けられ、屈折率が変化する屈折率制御層を有する屈折率制御部を具備する。そして、上部分布反射層は、半導体微細加工技術によって形成され上下方向に可動であることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を活性層の上側にエアギャップを介して設け、上部分布反射層と下部分布反射層とで光共振器を形成し半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法に関し、詳しくは、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる波長可変な面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法に関するものである。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、半導体層を多層膜等で形成された分布反射層で挟み込んだ構造を有するものである。そして、半導体層は、活性層およびこの活性層を挟み込むスペーサ層（クラッド層とも呼ばれる）を含む多層で形成されている。このような面発光レーザは、光通信用光源や光計測用光源として用いられる。そのため、発振波長を変更できる波長可変な面発光レーザの開発が求められている。

図５は、広範囲にわたって波長可変な従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である（例えば、特許文献１参照）。図５において、ｎ型のＩｎＰ基板１０は、半導体基板であり、エッチングによりレーザ光の取り出し口が形成される。下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射）層１１は、下部分布反射層であり、基板１０の上に形成され、例えばｎ型のＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓ等の多層構造からなる。高屈折率のＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓは、少量（数％）のＡｌを入れることによってバンドギャップを広げ、光吸収を防いでいる。下部スペーサ層１２は、例えば、ｎ型のＩｎＡｌＡｓで、下部ＤＢＲ層１１の上に形成され、下部ＤＢＲ層１１と活性層１３との光学距離の調整を行う。

活性層１３は、例えばＩｎＧａＡｌＡｓで、下部スペーサ層１２の上に形成され、多重量子井戸（Multi Quantum Well）等が用いられる。上部スペーサ層１４は、例えばｐ型のＩｎＡｌＡｓで、活性層１３の上に形成される。上部電極１５は、レーザ光を取り出すため中央部が取り除かれ上部スペーサ層１４の上に形成される。

誘電体多層膜ミラー１６は、上部分布反射層であり、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなり、上部スペーサ層１４に接しない状態で上部スペーサ層１４の上方に形成される。なお、下部ＤＢＲ層１１、誘電体多層膜ミラー１６との間で光共振器が形成されている。エアギャップＡＧは、上部スペーサ層１４と誘電体多層膜ミラー１６との間の空間である。下部電極１７は、基板１０の下側（裏面）に形成される。

メンブレン１８は、例えばＳｉで、下側（メンブレン１８の基板加工時には表面となるが、貼り合わせ後の図５中の方向で説明する）に誘電体多層膜ミラー１６が蒸着される。なお、メンブレン１８は、ＭＥＭＳ（micro electro-mecanical system：可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム）であり、上下方向に可動となっている。

このような面発光レーザの製造方法を説明する。
基板１０上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）で、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４を順次形成する。そして、上部スペーサ層１４の上にフォトリソグラフィー法およびリフトオフ法を用いて、中央が円形状に取り除かれた上部電極１５を形成する。また、基板１０を、下部ＤＢＲ層１１の下側の面までエッチングして、中央に円形状となる光の取り出し口を形成する。残った基板１０の裏面に下部電極１７が形成される。

一方、化合物半導体とは別に、図示しないＳｉの基板にメンブレン１８を形成し、下側に誘電体多層膜ミラー１６を蒸着する。

そして、上部スペーサ層１４の上に設けられた電極１５と図示しないＳｉの基板とを貼り合わせる（例えば、ハンダや接着剤等）。

次に、図５に示す従来例の動作を説明する。
まず、レーザ光を発光させる動作を説明する。
上部電極１５と下部電極１７との間に電圧が印加されると上部電極１５から、上部スペーサ層１４、活性層１３、下部スペーサ層１２、下部ＤＢＲ層１１及び基板１０を通り下部電極１７まで電流が流れる。

このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１３において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板１０の取り出し口（つまり、基板１０の裏面）からレーザ光として出射される。

なお、図５において、注入された電流は上部電極１５から下部電極１７に向って流れるので、発光領域である活性層１３の上下方向から注入されているが、発光領域の横方向から電流を注入しても構わない。

このように、化合物半導体の基板１０上に形成された下部ＤＢＲ層１１と、活性層１３の上側にエアギャップＡＧを介して貼り合わせた誘電体多層膜ミラー１６とで光共振器を形成し、面発光レーザとして機能させている。

続いて、発振波長を変更させる動作を説明する。
図示しないＳｉの基板に設けられる電極に電圧を加えると、静電気力が発生する。この静電気力を駆動力としてメンブレン１８が上下に移動する。すなわち、誘電体多層膜ミラー１６も上下に移動するので、光共振器長（つまり、光共振器の間隔）が変化し、発振波長が変更される。

次に、エアギャップＡＧを設けずに、発振波長を変更する面発光レーザの従来例を説明する。図６は、従来の面発光レーザのその他の例を示す構成断面図である（例えば、特許文献２参照）。半導体基板２０の上に、下部ＤＢＲ層（下部分布反射層）２１、下部スペーサ層２２、活性層２３、上部スペーサ層２４、コンタクト層２５、多重量子井戸層２６、上部ＤＢＲ層（上部分布反射層）２７が形成される。

ここで、多重量子井戸層２６は、屈折率制御層である。また、多重量子井戸層２６の吸収端波長は、活性層２３の吸収端波長よりも短波長側になる。

さらに、上部ＤＢＲ層２７、多重量子井戸層２６は、面発光する中心部を残してコンタクト層２５まで周囲がエッチングされている。そして、上部ＤＢＲ層２７、コンタクト層２５それぞれの上に、上部電極２８ａ、２８ｂが設けられ、基板の裏面には、下部電極２９が設けられる。

このような図６に示す従来例の動作を説明する。
上部電極２８ｂと下部電極２９とに、上部電極２８ｂが高電位となるように電圧を印加する。これにより、上部電極２８ｂから下部電極２９に電流が流れ、活性層２３でレーザ発振し、レーザ光が出射される。

ここで、上部電極２８ａに上部電極２８ｂよりも低電位となる所定の電圧を印加して、多重量子井戸層２６に電界を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum-confined Stark Effect）によって多重量子井戸層２６の屈折率が変化する。これにより、光共振器の実効的な光路長が変化して、発振波長が変更される。

特開２００３−３１８４８５号公報（段落番号００２５−００６７、第１−３図） 特開平６−１８８５１８号公報（段落番号００１１−００２８、第１−３図）

図５に示す構造の面発光レーザは、エアギャップＡＧがあるので、誘電体多層膜ミラー１６を上下に大きく移動させる（つまり、エアギャップＡＧの間隔を変化させる）ことができる。これにより、エアギャップＡＧを有しない図６に示す面発光レーザと比較して、広い波長範囲（例えば、数十［ｎｍ］）にわたって連続的に発振波長を変更でき、波長可変面発光レーザとして動作することができる。

しかしながら、メンブレン１８を静電気力で機械的に可動するので、発振波長の変更に数［ｍｓ］の時間がかかり、非常に遅いという問題があった。図７を用いて説明する。図７は、図５に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。図７において、横軸は、時間であり、縦軸は、発振波長である。また、波長λ０は、現在の波長であり、波長λ１は、目標の発振波長であり、目標波長範囲λｓは、目標の発振波長λ１の±Δλの波長範囲である。通常、目標波長範囲λｓに面発光レーザの発振波長が収まるまでが、変更時間（または切替時間）と呼ばれる。

図７に示すように、高速にメンブレン１８を目標の発振波長λ１となる位置に移動させると、大きなハンチングが発生して長い時間に渡って発振波長変動を起こし、目標波長範囲λｓに収まるまで時間がかかる。逆に、低速にメンブレン１８を移動させると、ハンチングはほとんど発生しないが、やはり目標波長範囲λｓに収まるまで時間がかかる。仮にメンブレン１８を移動させる速度を最適にしても、発振波長変動が目標波長範囲λｓに収まるまでに数［ｍｓ］の時間がかかり、発振波長の変更が非常に遅いという問題があった。

一方、図６に示す構造の面発光レーザは、電気的に多重量子井戸層２６の屈折率を変化させるので、高速（例えば、数［ｎｓ］）に発振波長の変更を行うことができる。

しかしながら、屈折率の変化量が限られるため、発振波長を変更できる波長範囲が数［ｎｍ］程度と、非常に狭いという問題があった。

そこで本発明の目的は、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる面発光レーザ、この面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置および面発光レーザの発振波長制御方法を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を前記活性層の上側にエアギャップを介して設け、前記上部分布反射層と前記下部分布反射層とで光共振器を形成し前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザであって、
前記光共振器内部に設けられ、屈折率が変化する屈折率制御層を有する屈折率制御部を具備し、
前記上部分布反射層は、半導体微細加工技術によって形成され上下方向に可動であることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
屈折率制御部は、前記エアギャップに接して設けられることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体の表面にモノリシックに集積されることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体および前記上部分布反射層のそれぞれとは別チップに形成され、前記化合物半導体表面または前記上部分布反射層に貼り合わされることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部の屈折率制御層は、電流注入または電圧印加により屈折率変化する半導体接合層であることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、ショットキー電極を有し、
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ショットキー電極と接合され、半導体−金属ショットキー接合を構成し、電圧印加により屈折率変化することを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、絶縁体と金属とで構成されたＭＩＳ構造の電極を有し、
前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ＭＩＳ構造の電極と接合され、電圧印加により屈折率変化することを特徴とするものである。

請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、
屈折率制御部は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。

請求項９記載の発明は、
請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザと、
この面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長微調整回路と、
前記面発光レーザの上部分布反射層の上下方向の位置を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長粗調整回路と
を有し、前記発振波長微調整回路は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。

請求項１０記載の発明は、
請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更させると共に、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更させることを特徴とするものである。

請求項１１記載の発明は、
請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更し、
前記面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜８によれば、上部分布反射層が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を変更し、屈折率制御部が上部分布反射層とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。

また、使用環境の影響（例えば、振動、温度変動、衝撃）によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、屈折率制御部が上部分布反射層とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部が上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。

請求項３によれば、屈折率制御部がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。

請求項４によれば、屈折率制御部が、化合物半導体表面にモノリシックに集積されず、別チップとして作成され貼り合わされるので、化合物半導体表面との格子整合を考慮する必要がない。これにより、材料の選択の幅がひろがり、最適な材料で屈折率制御部を形成することができる。

請求項９によれば、発振波長粗調整回路が、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて発振波長を変更する。そして、発振波長微調整回路が、面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させ、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。

また、使用環境の影響によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、発振波長微調整回路が面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させる。これにより、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。

請求項１０によれば、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させると共に、屈折率制御部の屈折率を変化させて発振波長を変更させる。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。

請求項１１によれば、面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて発振波長を変更する。また、面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部の屈折率を変化させ、上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。

また、使用環境の影響（例えば、振動、温度変動、衝撃）によって、上部分布反射層が上下方向に移動しても、屈折率制御部の屈折率を変化させて上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第一の実施例］
図１は、本発明の第一の実施例を示す構成断面図である。ここで、図５と同一のものには同一符号を付し説明を省略する。
図１において、分離層１９が、下部ＤＢＲ層１１や活性層１３等からなる化合物半導体の表面（図１中、化合物半導体のエピ層となる上部スペーサ層１４の表面）の上に新たに形成される。また、分離層１９は、電気的な絶縁を行うものであり、例えば、ｐｎ接合層または高抵抗層である。

屈折率制御部３０が、下部ＤＢＲ層１１、誘電体多層膜ミラー１６とで形成される光共振器内部のエアギャップＡＧに接して新たに設けられる。また、屈折率制御部３０は、ｎ型のコンタクト層３１、多重量子井戸層３２、ｐ型のコンタクト層３３、屈折率制御用の上部電極３４、屈折率制御用の下部電極３５を有する。

ｎ型のコンタクト層３１は、分離層１９の上に形成される。なお、この分離層１９によってレーザ光を発光する化合物半導体と屈折率制御部３０とが電気的に絶縁されている。多重量子井戸層３２は、ｎ型のコンタクト層３１の上に形成される。ここで、多重量子井戸層３２は、屈折率制御層である。また、多重量子井戸層３２の吸収端波長は、活性層１３の吸収端波長よりも短波長側になる。つまり、多重量子井戸層３２は、活性層１３の発振波長に対して、透明になるバンドキャップをもつ。

ｐ型のコンタクト層３３は、多重量子井戸層３２の上に形成される。屈折率制御用の上部電極３４は、レーザ光を取り出すため中央部が取り除かれｐ型のコンタクト層３３の上に形成される。屈折率制御用の下部電極３５は、メサ加工されて多重量子井戸層３２、ｐ型のコンタクト層３３が取り除かれたｎ型のコンタクト層３１の周辺部の上に形成される。

このような面発光レーザの製造方法を説明する。
基板１０上に有機金属気相成長法で、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、分離層１９、ｎ型のコンタクト層３１、多重量子井戸層３２、ｐ型のコンタクト層３３を順次エピタキシャル成長させて形成する。その後、光の取り出し口が形成される部分を除き、エッチングでｎ型のコンタクト層３１、多重量子井戸層３２、ｐ型のコンタクト層３３の周辺部をエッチングしてメサ加工する。なお、ｎ型のコンタクト層３１の途中までエッチングする。

そして、中央が円形状に取り除かれた屈折率制御用の上部電極３４をｐ型のコンタクト層３３の上に形成する。また、ｎ型のコンタクト層３１の周辺部の上に屈折率制御用の下部電極３５を形成する。

さらに周辺部のｎ型のコンタクト層３１、分離層１９をエッチングした後、上部スペーサ層１４の上にフォトリソグラフィー法およびリフトオフ法を用いて、中央が円形状に取り除かれた上部電極（レーザダイオード用）１５を形成する。また、基板１０を、下部ＤＢＲ層１１の下側の面までエッチングして、中央に円形状となる光の取り出し口を形成する。残った基板１０の裏面に下部電極（レーザダイオード用）１７が形成される。

一方、化合物半導体とは別に、図示しないＳｉの基板にメンブレン１８を形成し、下側に誘電体多層膜ミラー１６を蒸着する。

そして、屈折率制御部３０付きの化合物半導体上の電極１５と図示しないＳｉの基板とを貼り合わせ（例えば、ハンダや接着剤等）、エアギャップＡＧを形成する。

次に、図１に示す面発光レーザの動作を説明する。
レーザ光を発光させる動作は図５に示す面発光レーザと同様なので説明を省略し、発振波長を変更する動作を説明する。また、図２は、図１に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。図２において、横軸は、時間であり、縦軸は、発振波長である。また、波長範囲λ２は、屈折率制御部３０が波長可変な波長範囲である。そして、図２（ａ）はＭＥＭＳによってメンブレン１８、誘電体多層膜ミラー１６を上下に移動させることによる発振波長変化の寄与分、すなわち屈折率制御部３０を用いないで発振波長を変更させたときの例を示した図である。図２（ｂ）は屈折率制御部３０の多重量子井戸層３２の屈折率を変化させることによる発振波長変化の寄与分の例を示した図である。図２（ｃ）は面発光レーザが出射するレーザ光の発振波長の特性例である。

図示しないＳｉの基板に設けられる電極に電圧を加えると、静電気力が発生する。この静電気力を駆動力としてメンブレン１８が上下に移動する。すなわち、誘電体多層膜ミラー１６も上下に移動するので、光共振器の間隔が変化し、発振波長が変更される。なお、メンブレン１８を目標の発振波長λ１となる位置に移動させる際、図２（ａ）に示すようにハンチングが波長範囲λ２に最も早く収まる速度で移動させるとよい。

また、メンブレン１８が上下に移動すると共に、屈折率制御部３０に設けられる屈折率制御用の上部電極３４、屈折率制御用の下部電極３５に電圧を印加して、多重量子井戸層３２に電界を印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果によって（例えば、田中俊一編者、他２名、「オプトエレクトロニクス用語辞典」、第１版、株式会社オーム社、平成８年１１月、ｐ５６７参照）、量子井戸構造中に閉じ込められた電子、正孔の波動関数および量子井戸順位が変化する。そのため、印加される電圧の増大とともに、励起子吸収のピークが長波長側に推移し、多重量子井戸層３２の屈折率が変化する。これにより、光共振器の実効的な光路長が変化して、発振波長が変更される。この際、図２（ｂ）に示すように誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動とは逆の方向に発振波長を変更させる。すなわち、屈折率制御部３０による広い波長範囲にわたる発振波長の変更と、誘電体多層膜ミラー１６による高速な発振波長の変更とを別々に行う。

従って、ＭＥＭＳによって誘電体多層膜ミラー１６を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更すると共に、屈折率制御部３０の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更する。その結果、図２（ｃ）に示すように、面発光レーザの発振波長は、ハンチングがキャンセルされ、素早く目標波長範囲λｓ（＝λ１±Δλ）に収まる。

このように、誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を大きく変更する。また、屈折率制御部３０が、誘電体多層膜ミラー１６による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部３０が誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速（例えば、数［μｓ］）に発振波長を変更することができる。

また、屈折率制御部３０がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。

［第二の実施例］
面発光レーザの構造には、図１に示す構成の他にも様々なものがあるが、光共振器内部にエアギャップを有する面発光レーザには、本発明を適用することが可能である。続いて、本発明の第二の実施例を示す。図３は本発明の第二の実施例を示した構成断面図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１に示す面発光レーザは、上部スペーサ層１４にｐ型を用いているため、素子抵抗が高く、光吸収も大きい。そこでｎ型の領域を多くした面発光レーザに本発明を適用した例である。

図３において、ｐ型の上部スペーサ層１４と上部電極１５との間に下から順に、高濃度のｐ型のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ等のトンネル接合層４０、高濃度のｎ型のＩｎＧａＡｓ等のトンネル接合層４１、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ等のスペーサ層４２、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ等のコンタクト層４３が設けられる。また、イオン注入領域４４は、上部スペーサ層１４、トンネル接合層４０、４１の周辺部に設けられる。

そして、化合物半導体表面（図３中、化合物半導体のエピ層となるコンタクト層４３の上面）に上に、分離層１９、屈折率制御部３０が形成される。

このような面発光レーザの製造方法を説明する。図１と異なる点を主に説明する。
基板１０上に有機金属気相成長法で、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４が形成される。そして、この上部スペーサ層１４の上に、ｐ型のトンネル接合層４０、ｎ型のトンネル接合層４１が順次形成され、トンネル接合を形成する。

この状態で、中心部分をマスキングして、その他の領域（周辺部分）に重たい元素（例えば、酸素、フッ素、珪素、鉄、アルミニウム、クロム等、またはこれらを組み合わせたもの）を上部スペーサ層１４に達するまでイオン注入して高抵抗化されたイオン注入領域４４を形成する。

その後、ｎ型のトンネル接合層４１の上にｎ型のスペーサ層４２、コンタクト層４３、分離層１９、ｎ型のコンタクト層３１、多重量子井戸層３２、ｐ型のコンタクト層３３を順次形成する。そして、メサ加工と屈折率制御用の電極３４、３５、レーザダイオード用の電極１５、１７を形成する。もちろん、上部電極１５は、コンタクト層４３の上に形成される。

続いて、図３に示す面発光レーザの動作を説明する。図１と異なる点を主に説明する。
上部電極１５と下部電極１７との間に電圧が印加されると上部電極１５から、コンタクト層４３、スペーサ層４２を経て、イオン注入領域４４を避けた低抵抗部分の中央部分のトンネル接合層４１へ電流（電子）が流れ、トンネル接合層４０で正孔に変換され、上部スペーサ層１４、活性層１３に電流（正孔）が流れる。さらに、活性層１３、下部スペーサ層１２、下部ＤＢＲ層１１及び基板１０を通り下部電極１７まで電流（電子）が流れる。

このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１３において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板１０の取り出し口（つまり、基板１０の裏面）からレーザ光として出射される。

そして、上部スペーサ層１４と下部スペーサ層１２の膜厚は、活性層１３に定在波の腹が、トンネル接合部分に定在波の節がくるように調整される。また、スペーサ層４２、コンタクト層４３、屈折率制御部３０のコンタクト層３１、３３の膜厚は、エアギャップＡＧとの境界面および多重量子井戸層３２に定在波の腹がくるように調整される。すなわち、上部スペーサ層１４、下部スペーサ層１２、スペーサ層４２、コンタクト層４３、屈折率制御部３０のコンタクト層３１、３３の膜厚でレーザ光の位相調整を行う。

また、誘電体多層膜ミラー１６と屈折率制御部３０によって発振波長を変更させる動作は図１に示す面発光レーザと同様なので説明を省略する。

このように、誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動して広い波長範囲わたって発振波長を大きく変更する。また、屈折率制御部３０が、誘電体多層膜ミラー１６による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更する。さらに、屈折率制御部３０が誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減する。これにより、広い波長範囲にわたって高速（例えば、数［μｓ］）に発振波長を変更することができる。

また、屈折率制御部３０がモノリシックに集積されるので、低コストで作成することができる。

［第三の実施例］
続いて、図１または図３に示す面発光レーザを用いた波長可変面発光レーザ装置を説明する。図４は、本発明の第三の実施例（波長可変面発光レーザ装置）を示した構成図である。ここで、図１〜図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図４において、面発光レーザ１００は、図１または図３に示す面発光レーザである。

発振波長微調整回路（以下、微調整回路と略す）５０は、受光手段５１、屈折率制御部３０用の駆動手段５２を有し、フィードバック回路を構成している。そして、微調整回路５０は、本装置の出力光として面発光レーザ１００から出射されるレーザ光の一部を受光し、受光したレーザ光の波長に基づいて、屈折率制御部３０の屈折率を制御する。受光手段５１は、例えば、分光器であり、面発光レーザ１００から出射されるレーザ光の一部を受光してレーザ光の発振波長を測定する。駆動手段５２は、受光手段５１の測定結果によって、屈折率制御部３０の屈折率を制御する。

発振波長粗調整回路（以下、粗調整回路と略す）６０は、メモリ６１、ＭＥＭＳを駆動する駆動手段６２を有し、メンブレン１８、誘電体多層膜ミラー１６を上下に移動させる。メモリ６１は、発振波長を変更させるために印加する電圧に関するデータが記憶される。駆動手段６２は、メモリ６１のデータに従って、ＭＥＭＳに電圧を印加してメンブレン１８、誘電体多層膜ミラー１６を上下方向に移動させる。

このような装置の動作を説明する。
図示しない設定部から、波長λ０から波長λ１に発振波長の変更が設定される。これにより、駆動手段６２がメモリ６１から波長λ０から波長λ１へ発振波長を変更するためのデータを読み出す。なお、メモリ６１には、メンブレン１８、誘電体多層膜ミラー１６を上下方向に移動して発振波長を変更する際に発生するハンチングが、波長範囲λ２に最も早く収まる電圧印加の値がデータとして記憶されている。なお、メモリ６１のデータは、装置の製造時やメンテナンス時にあらかじめ測定し、メモリ６１に格納するとよい。

そして、駆動手段６２によって誘電体多層膜ミラー１６が上下に移動し、発振波長が変更されるが、受光手段５１が面発光レーザ１００から出射されるレーザ光の波長を測定する。さらに、駆動手段５２が、この測定結果の波長と図示しない設定部で設定された波長λ１との誤差を求め、この誤差に基づいて、屈折率制御部３０の電極３４、３５に電圧を印加し、波長誤差を軽減または０にする。

このように、粗調整回路６０が、面発光レーザ１００の誘電体多層膜ミラー１６を上下方向に移動させて広い波長範囲にわたって発振波長を大きく変更する。また、微調整回路５０が、面発光レーザ１００からのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部３０の屈折率を変化させ、誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減または０にする。これにより、広い波長範囲にわたって高速に発振波長を変更することができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図１、図３に示す面発光レーザの屈折率制御部３０は、屈折率制御層に多重量子井戸層３２を設け、量子閉じ込めシュタルク効果によって光共振器の実効的な光路長を変更させ、発振波長を変更する構成を示したが、屈折率制御部３０は、電圧または電流によって、屈折率が変化される屈折率制御層を有するものならどのようなものを用いてもよい。例えば、以下のようにしてもよい。

（１）屈折率制御部３０は、屈折率制御層および上下の層でｐｉｎ構造として、電極３４、３５に電圧を印加または電流を流すことにより、ｉ領域の電界またはキャリア密度を制御し、屈折率制御層の屈折率を変化させてよい（例えば、特開平５−６３３０１号公報、段落番号０００７〜０００８）。

（２）屈折率制御部３０は、屈折率制御層をｐ型の半導体層とし、上部電極３４をショットキー電極にする。そして、屈折率制御層とショットキー電極とを接合し、半導体−金属ショットキー接合を構成してもよい。そして、ショットキー電極に電圧が印加されると、ｐ型の半導体層側に空乏層が広がる。これにより、キャリア分布が変化して屈折率が変化する（例えば、特開平８−２０４２８０号公報、段落番号００２１−００２３、第１−２図）。

（３）屈折率制御部３０は、屈折率制御層をｐ型の半導体層とする。また、屈折率制御層上に絶縁体の膜（例えば、ＳｉＯ２膜）と金属（例えば、Ａｕ）とで構成されたＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造の電極を設ける。そして、ＭＩＳ構造の電極に電圧が印加されると、ｐ型の半導体層側に空乏層が広がる。これにより、キャリア分布が変化して屈折率が変化する（例えば、特開平８−２０４２８０号公報、段落番号００２４−００３０、第３−４図）。なお、絶縁体の膜は、光吸収の少ない材料を選択するか、光吸収が少なくなるように極力薄くするとよい。

（４）屈折率制御層にピエゾ効果を有する材料を用いる。そして、電極３４、３５に電圧を印加することにより、光弾性効果によって屈折率制御層の屈折率を変化させてもよい。（例えば、特公平８−８３７５号公報、第２−３頁、第１−２図）。

また、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、屈折率制御用の上部電極３４、下部電極３５をレーザダイオード用の上部電極１５、下部電極１７と別に設ける構成を示したが、分離層１９を設けず、レーザダイオード用の上部電極１５と屈折率制御用の下部電極３５とを共通電位にしてもよい。または、分離層１９を設けず、電極１５、電極３５のどちらか片方のみを設け共用としてもよい。

また、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、レーザ光が、基板１０の取り出し口（つまり、基板１０の裏面）から下方向に出射される構成を示したが、メンブレン１８に取り出し口を設け、上方向に出射してもよい。この際、基板１０、下部電極１７は、取り出し口を設ける必要はない。

また、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、発振波長を波長λ０から波長λ１に変更する場合を例として説明したが、発振波長を安定化させてもよい。つまり、面発光レーザは、使用環境（例えば、振動、温度変動、衝撃等）によって、機械的に駆動される誘電体多層膜ミラー１６が上下に移動し、発振波長が変動してしまう。そこで、使用環境によって誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動した場合、屈折率制御部３０が発振波長変動を軽減するとよい。

このように、使用環境の影響によって、誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動しても、屈折率制御部３０が誘電体多層膜ミラー１６による発振波長の変更とは独立して高速に発振波長を変更し、屈折率制御部３０が誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。

また、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、発振波長を波長λ０から波長λ１に変更する場合、誘電体多層膜ミラー１６を上下方向に移動させると共に、屈折率制御部３０の屈折率を変化させて面発光レーザから出力されるレーザ光の発振波長を変更する構成を示したが、波長λ０と波長λ１との波長差が小さい場合（例えば、波長差が波長範囲λ２以下）は、誘電体多層膜ミラー１６を移動させずに屈折率制御部３０のみで高速に発振波長を変更してもよい。

また、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、メンブレン１８は、基板１０と平行に設ける構成を示したが、メンブレン１８を凸面または凹面としてもよい。すなわち、誘電体多層膜ミラー１６の形状が凸面または凹面となる。これにより、レーザ光の横モードの選択を行うことができる。

そして、図１、図３に示す面発光レーザにおいて、屈折率制御部３０を分離層１９を介して化合物半導体表面（図１なら上部スペーサ層１４の上面、図３ならコンタクト層４３の上面）にモノリシックに集積する構成を示したが、屈折率制御部３０は化合物半導体、ＭＥＭＳのそれぞれと別チップとして作成し、ハンダや接着剤等で化合物半導体表面や誘電体多層膜ミラー１６表面に貼り合わせても良い。貼り合わせの材質によって電気的に絶縁されるならば分離層１９を設けなくともよい。さらに、屈折率制御部３０は、化合物半導体表面や誘電体多層膜ミラー１６に接しないようにエアギャップＡＧに設けても良い。

このように屈折率制御部３０が、化合物半導体表面にモノリシックに集積されず、別チップとして作成され貼り合わされるので、化合物半導体表面との格子整合を考慮する必要がない。これにより、材料の選択の幅がひろがり、最適な材料で屈折率制御部３０を形成することができる。

さらに、図４に示す波長可変面発光レーザ装置において、微調整回路５０、粗調整回路６０によって、面発光レーザ１００の発振波長を波長λ０から波長λ１に変更する場合を例として説明したが、面発光レーザ１００から出射されるレーザ光の発振波長を安定化させてもよい。つまり、面発光レーザ１００は、使用環境によって、機械的に駆動される誘電体多層膜ミラー１６が上下に移動し、発振波長が変動してしまう。そこで、使用環境によって誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動した場合、微調整回路５０が波長変動による誤差を検出し、屈折率制御部３０を制御して発振波長変動を軽減または０にするとよい。

このように、使用環境の影響によって、誘電体多層膜ミラー１６が上下方向に移動しても、微調整回路５０が面発光レーザからのレーザ光の波長に基づいて屈折率制御部２０の屈折率を変化させる。これにより、誘電体多層膜ミラー１６の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減するので、波長が安定したレーザ光を出射することができる。

本発明の第一の実施例を示した構成断面図である。 図１に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。 本発明の第二の実施例を示した構成断面図である。 本発明の第三の実施例を示した構成断面図である。 従来の面発光レーザを一例を示した構成断面図である。 従来の面発光レーザのその他の例を示した構成断面図である。 図５に示す面発光レーザの発振波長を変更している時の特性を示した図である。

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ 下部ＤＢＲ層（下部分布反射層）
１３ 活性層
１６ 誘電体多層膜ミラー（上部分布反射層）
３０ 屈折率制御部
３２ 多重量子井戸層（屈折率制御層）
５０ 発振波長微調整回路
６０ 発振波長粗調整回路
１００ 面発光レーザ
ＡＧ エアギャップ

Claims (11)

1. 半導体基板と活性層との間に下部分布反射層をもち、上部分布反射層を前記活性層の上側にエアギャップを介して設け、前記上部分布反射層と前記下部分布反射層とで光共振器を形成し前記半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザであって、
   前記光共振器内部に設けられ、屈折率が変化する屈折率制御層を有する屈折率制御部を具備し、
   前記上部分布反射層は、半導体微細加工技術によって形成され上下方向に可動であることを特徴とする面発光レーザ。
2. 屈折率制御部は、前記エアギャップに接して設けられることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ。
3. 屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体の表面にモノリシックに集積されることを特徴とする請求項１または２記載の面発光レーザ。
4. 屈折率制御部は、前記活性層と前記下部分布反射層とを少なくとも有する化合物半導体および前記上部分布反射層のそれぞれとは別チップに形成され、前記化合物半導体表面または前記上部分布反射層に貼り合わされることを特徴とする請求項１または２記載の面発光レーザ。
5. 屈折率制御部の屈折率制御層は、電流注入または電圧印加により屈折率変化する半導体接合層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面発光レーザ。
6. 屈折率制御部は、ショットキー電極を有し、
   前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ショットキー電極と接合され、半導体−金属ショットキー接合を構成し、電圧印加により屈折率変化することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面発光レーザ。
7. 屈折率制御部は、絶縁体と金属とで構成されたＭＩＳ構造の電極を有し、
   前記屈折率制御部の屈折率制御層は、前記ＭＩＳ構造の電極と接合され、電圧印加により屈折率変化することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面発光レーザ。
8. 屈折率制御部は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の面発光レーザ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザと、
   この面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長微調整回路と、
   前記面発光レーザの上部分布反射層の上下方向の位置を制御して前記面発光レーザの発振波長を変更する発振波長粗調整回路と
   を有し、前記発振波長微調整回路は、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とする波長可変面発光レーザ装置。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
    前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更させると共に、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ発振波長を変更させることを特徴とする面発光レーザの発振波長制御方法。
11. 請求項１〜８のいずれかに記載の面発光レーザの発振波長制御方法において、
    発振波長粗調整回路が、前記面発光レーザの上部分布反射層を上下方向に移動させて光共振器の間隔を変化させ発振波長を変更し、
    発振波長微調整回路が、前記面発光レーザからのレーザ光の波長によって、前記面発光レーザの屈折率制御部の屈折率を変化させて光共振器の実効的な光路長を変化させ、前記上部分布反射層の上下方向への移動によって発生する発振波長変動を軽減することを特徴とする面発光レーザの発振波長制御方法。
    

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