JP2008034795A - 面発光型半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ光の発振モード数を削減することができ、かつ、単純に電流狭窄層の径を小さくする場合よりも高出力化の可能な面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】本発明に係る面発光型半導体レーザ１００は，下部ミラー１０と、下部ミラー１０の上方に形成された活性層１０３と、活性層の上方に形成された上部ミラー２０と、を含み、上部ミラーは、複数の空孔６０が形成された第１領域７０と、第１領域７０の内側であって、空孔が形成されていない第２領域７２と、を含み、第２領域は、平面視において、円形であり、該円形は、活性層のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径を有し、空孔は、エネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり，高次の共振モード成分では負になる深さを有する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る面発光型半導体レーザ１００は，下部ミラー１０と、下部ミラー１０の上方に形成された活性層１０３と、活性層の上方に形成された上部ミラー２０と、を含み、上部ミラーは、複数の空孔６０が形成された第１領域７０と、第１領域７０の内側であって、空孔が形成されていない第２領域７２と、を含み、第２領域は、平面視において、円形であり、該円形は、活性層のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径を有し、空孔は、エネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり，高次の共振モード成分では負になる深さを有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
近年、面発光型半導体レーザの用途の多様化や、光通信の情報量の拡大などにより、面発光型半導体レーザの発振モード数を削減しつつ高出力化することが望まれている。例えば、酸化狭窄層を有する面発光型半導体レーザでは、酸化狭窄層の開口径を小さくすることにより、モード数を削減することができる。
一方、半導体レーザの出力は、注入される電流値とともに大きくなり、ある電流値において最大値（ロールオフ点）に達する。半導体レーザでは、電流注入によりデバイス温度が上昇するとともに、利得スペクトルがシフトし、ある温度で利得が最大値を迎えるためである。例えば面発光型半導体レーザの酸化狭窄層の開口径が小さい場合には、デバイス温度が上昇しやすく、低い電流値でロールオフ点に達するため、十分な出力を得られない場合がある。そこで、デバイス温度の上昇を防止するために、例えば下記特許文献１には、電流狭窄部に達する溝を発光部の周辺部に掘り、この溝上に直接電極を形成することにより、発熱部から電極までの距離を短くして放熱性を高める技術が開示されている。
特開２００３−８６８９５号公報
本発明の目的は、レーザ光の発振モード数を削減することができ、かつ、単純に電流狭窄層の径を小さくする場合よりも高出力化の可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。
本発明に係る第１の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率が、前記低次の共振モード成分では正になり、前記高次の共振モード成分では負になる深さを有する。
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率が、前記低次の共振モード成分では正になり、前記高次の共振モード成分では負になる深さを有する。
この面発光型半導体レーザによれば、例えば、電流狭窄層の開口部径などによらず、シングルモード化や高次モードの削減を図ることができる。このことは、後述する数値計算例においても確認されている。その結果、ロールオフ点に至る電流値は、ほとんど変化しないため、面発光型半導体レーザの出力をほとんど減少させることなく、シングルモード化や高次モードの削減を図ることができる。従って、本発明によれば、レーザ光の発振モード数を削減することができ、かつ、単純に電流狭窄層の径を小さくする場合よりも高出力化の可能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に形成された他の特定のもの（以下「Ｂ」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂが形成されているような場合と、Ａ上に他のものを介してＢが形成されているような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係る第２の面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率において、低次の共振モード成分と高次の共振モード成分のエネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる深さを有する。
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率において、低次の共振モード成分と高次の共振モード成分のエネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる深さを有する。
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記円形は、前記エネルギー増加率差が最大となる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が最大となる深さを有することができる。
前記円形は、前記エネルギー増加率差が最大となる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が最大となる深さを有することができる。
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記低次の共振モード成分は、０次の共振モード成分であり、
前記高次の共振モード成分は、１次以上の共振モード成分であることができる。
前記低次の共振モード成分は、０次の共振モード成分であり、
前記高次の共振モード成分は、１次以上の共振モード成分であることができる。
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記活性層のエネルギー増加率は、時間領域差分法により求められることができる。
前記活性層のエネルギー増加率は、時間領域差分法により求められることができる。
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいて、
前記活性層のエネルギー増加率は、２次元時間領域差分法により求められることができる。
前記活性層のエネルギー増加率は、２次元時間領域差分法により求められることができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１． まず、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００について説明する。
図１は、面発光型半導体レーザ１００を概略的に示す断面図であり、図２は、面発光型半導体レーザ１００を概略的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
面発光型半導体レーザ１００は、図１に示すように、基板１０１と、下部ミラー１０と、活性層１０３と、上部ミラー２０と、絶縁層１１０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含むことができる。
基板１０１としては、例えば第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
基板１０１上には、例えば第１導電型の下部ミラー１０が形成されている。下部ミラー１０は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーであることができる。低屈折率層は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）からなることができる。高屈折率層は、例えば、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）からなることができる。低屈折率層と高屈折率層の１ペアが例えば３７．５ペア積層されて、下部ミラー１０が形成されることができる。
下部ミラー１０の上には、活性層１０３が形成されている。活性層１０３は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層１０３には、例えば、不純物がドーピングされていないことができる。
活性層１０３の上には、例えば第２導電型（例えばｐ型）の上部ミラー２０が形成されている。上部ミラー２０は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ミラーであることができる。低屈折率層は、例えば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）からなることができる。高屈折率層は、例えば、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）からなることができる。低屈折率層と高屈折率層の１ペアが例えば２５ペア積層されて、上部ミラー２０が形成されることができる。
上部ミラー２０は、１つまたは複数の空孔６０が形成された第１領域７０と、第１領域７０の内側であって、空孔６０が形成されていない第２領域７２と、を含む。第１領域７０は、第２領域７２の外側に設けられている。第２領域７２は、図２に示すように、平面視において円形である。この円形は、例えば、時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）により求めた活性層１０３のエネルギー増加率が、活性層１０３において共振する光のうち、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径ｒ１を有することができる。また、この円形は、例えば、ＦＤＴＤ法により求めた活性層１０３のエネルギー増加率において、活性層１０３において共振する光の低次の共振モード成分と高次の共振モード成分のエネルギー増加率差が、空孔６０が存在しない場合のエネルギー増加率差よりも大きくなる半径ｒ１を有することができる。これらのことについては、後に詳述する。本実施形態では、この半径ｒ１を「空孔６０の内径」とも呼ぶこととする。平面視において、第２領域７２の中心は、柱状部３０の中心や電流狭窄層１０５の中心と同一または略同一とすることができる。
また、本実施形態では、第２領域７２の平面形状の円形の半径ｒ１を、電流狭窄層１０５の開口部の半径ｒ０よりも小さくすることができる。これにより、後の数値計算例で述べるが、空孔６０を深くしていき、電流狭窄層１０５で決定されるレーザ光の発振モードを、空孔６０による光閉じ込めに移行させることができる。
空孔６０は、例えば、ＦＤＴＤ法により求めた活性層１０３のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる深さを有することができる。また、空孔６０は、例えば、ＦＤＴＤ法により求めた活性層１０３のエネルギー増加率において、低次の共振モード成分と高次の共振モード成分のエネルギー増加率差が、空孔６０が存在しない場合のエネルギー増加率差よりも大きくなる深さを有することができる。これらのことについては、後に詳述する。
空孔６０は、上部ミラー２０の厚み方向に延伸して設けられている。空孔６０は、例えば、回転対称であって同ピッチ間隔に複数配列されている。図示の例では、空孔６０の数は６個であるが、その数は適宜増減可能である。空孔６０は、平面視における第２領域７２の中心に対して、２回以上の回転対称となる位置に配列されることができる。例えば図２に示す空孔６０は、６回の回転対称性を有している。空孔６０の平面形状は、例えば図示のような扇状などである。例えば扇状の空孔６０は、図２に示すように、その先端（２つの直線が交わる点）が第２領域７２の外縁に位置するように設けられることができる。扇状の形の２つの直線の成す角は、例えば図２に示すような鋭角（例えば３０度など）であることができる。扇状の空孔６０が有する円弧は、例えば第２領域７２の平面形状の円と同心の円９０（半径ｒ２）の円弧であることができる。本実施形態では、この半径ｒ２を「空孔６０の外径」と呼ぶこととする。空孔６０の外径ｒ２は、電流狭窄層１０５の開口部の半径ｒ０以下であってもｒ０以上であっても良い。空孔６０は、例えば、上部ミラー２０を貫通して形成されることもできる。
下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０は、垂直共振器を構成することができる。下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０を構成する各層の組成および層数は、必要に応じて適宜調整されることができる。上部ミラー２０、活性層１０３、および下部ミラー１０の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）３０を構成することができる。柱状部３０の平面形状は、例えば円形などである。
また、図１に示すように、例えば、上部ミラー２０を構成する層のうちの少なくとも１層を電流狭窄層１０５とすることができる。電流狭窄層１０５は、活性層１０３に近い領域に形成されている。電流狭窄層１０５としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ層を酸化したものなどを用いることができる。電流狭窄層１０５は、開口部を有する絶縁層であり、リング状に形成されている。
基板１０１の裏面（下部ミラー１０側とは逆側の面）には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、基板１０１を介して、下部ミラー１０と電気的に接続されている。第１電極１０７は、例えば、下部ミラー１０の上面上に形成されることもできる。
上部ミラー２０および絶縁層１１０の上には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、上部ミラー２０と電気的に接続されている。第２電極１０９の平面形状は、例えばリング状などである。第２電極１０９は、柱状部３０上に開口部を有する。開口部の平面形状は、例えば円形などである。該開口部によって、上部ミラー２０の上面上に第２電極１０９の設けられていない領域が形成される。この領域のうちの少なくとも一部からレーザ光が出射される。第２電極１０９には、例えば引き出し線８０の一端が接続されている。引き出し線８０の他端は、例えば電極パッド（図示せず）と接続されていることができる。
絶縁層１１０は、下部ミラー１０の上に形成されている。絶縁層１１０は、柱状部３０を取り囲むように形成されている。絶縁層１１０は、第２電極１０９と下部ミラー１０を電気的に分離させることができる。
２． 次に、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。
図３および図４は、図１に示す本実施形態の面発光型半導体レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
（１）まず、図３に示すように、基板１０１として、例えばｎ型ＧａＡｓ基板を用意する。次に、基板１０１の上に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜１５０を形成する。半導体多層膜１５０は、下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０を構成する半導体層を順に積層したものである。なお、上部ミラー２０を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電流狭窄層１０５となる層とすることができる。電流狭窄層１０５となる層としては、例えば、Ａｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
（２）次に、図４に示すように、半導体多層膜１５０をパターニングし、所望の形状の下部ミラー１０、活性層１０３、および上部ミラー２０を形成する。これにより、柱状部３０が形成される。半導体多層膜１５０のパターニングは、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術等を用いて行われることができる。
次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部３０が形成された基板１０１を投入することにより、前述の電流狭窄層１０５となる層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５を形成する。
（３）次に、図１および図２に示すように、下部ミラー１０上に、柱状部３０を取り囲むように絶縁層１１０を形成する。まず、例えばスピンコート法等を用いて全面にポリイミド樹脂等からなる絶縁層を形成する。次に、例えばＣＭＰ法等を用いて柱状部３０の上面を露出させる。次に、例えばリソグラフィ技術およびエッチング技術等を用いて絶縁層をパターニングする。このようにして所望の形状の絶縁層１１０を形成することができる。
（４）次に、図１および図２に示すように、上部ミラー２０の第１領域７０に空孔６０を形成する。この際、上部ミラー２０の第２領域７２には、空孔６０は形成されない。空孔６０は、例えば、リソグラフィ技術およびエッチング技術、または、ＥＢ（Electron Beam）加工技術などを用いて形成されることができる。
（５）次に、図１および図２に示すように、第１電極１０７および第２電極１０９を形成する。これらの電極は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組み合わせ等により、所望の形状に形成されることができる。なお、各電極を形成する順番は、特に限定されない。
（６）以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００が得られる。
３． 次に、数値計算例について説明する。
本数値計算例では、２次元時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を用いて、面発光型半導体レーザ（本実施形態の例および比較例を含む）について光学シミュレーションを行った。円周方向の屈折率変化に関しては、下記式を用いて平均屈折率化した。
各数値計算サンプルの構造は、以下の通りである。
基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ基板（屈折率３．６２）
下部ミラー１０の１ペア：ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
下部ミラー１０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
下部ミラー１０のペア数：３７．５ペア
活性層１０３：ＧａＡｓ層（屈折率３．６２０１）とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層（屈折率３．４２９７）とからなる量子井戸構造を３層重ねた３ＱＷ構造
活性層１０３の厚さ：２５１．１９５ｎｍ
上部ミラー２０の１ペア：ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
上部ミラー２０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
上部ミラー２０のペア数：２５ペア
絶縁層１１０：ポリイミド樹脂（屈折率１．７８）
面発光型半導体レーザ１００の外部空間４０：空気（屈折率１．００）
柱状部３０の傾斜角（ポスト傾斜角）θｐ：８０度
平面視における柱状部３０の外径（ポスト径）：約５０μｍ
柱状部３０における下部ミラー１０のペア数：４ペア
電流狭窄層１０５：活性層１０３上の１層目のＡｌＧａＡｓ層を酸化したもの（屈折率１．６）
電流狭窄層１０５の厚さ：３０ｎｍ
電流狭窄層１０５の開口部の半径ｒ０：６．５μｍ
上部ミラー２０の第２領域７２の半径（空孔６０の内径）ｒ１：２．５μｍ、４．０μｍ
空孔６０の外径ｒ２：９．５μｍ
空孔６０の平面形状における２つの直線の成す角：３０度
空孔６０の数：６
空孔６０の深さ（上部ミラー２０のペア数を単位とする）：０ペア、５ペア、５．５ペア、１０ペア、１０．５ペア、１２ペア、１２．５ペア、１５ペア、１５．５ペア、２０ペア、２０．５ペア
設計波長（面発光型半導体レーザ１００において生じる光のうち強度が最大である光の波長）λ：８５０ｎｍ
各数値計算サンプルに対して、２次元ＦＤＴＤ法を用いて、０次の共振モード成分（以下「０次モード」ともいう）と１次の共振モード成分（以下「１次モード」ともいう）の活性層１０３のエネルギー増加率を計算した結果を図６および図７に示す。図６は、上部ミラー２０の第２領域７２の半径ｒ１が２．５μｍの場合であり、図７は、４．０μｍの場合である。横軸は、空孔６０の深さであり、縦軸は、活性層１０３のエネルギー増加率である。
下部ミラー１０の１ペア：ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
下部ミラー１０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
下部ミラー１０のペア数：３７．５ペア
活性層１０３：ＧａＡｓ層（屈折率３．６２０１）とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層（屈折率３．４２９７）とからなる量子井戸構造を３層重ねた３ＱＷ構造
活性層１０３の厚さ：２５１．１９５ｎｍ
上部ミラー２０の１ペア：ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）と、その上に形成されたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率３．５２５）
上部ミラー２０の１ペアの厚さ：１２９．９８１ｎｍ
上部ミラー２０のペア数：２５ペア
絶縁層１１０：ポリイミド樹脂（屈折率１．７８）
面発光型半導体レーザ１００の外部空間４０：空気（屈折率１．００）
柱状部３０の傾斜角（ポスト傾斜角）θｐ：８０度
平面視における柱状部３０の外径（ポスト径）：約５０μｍ
柱状部３０における下部ミラー１０のペア数：４ペア
電流狭窄層１０５：活性層１０３上の１層目のＡｌＧａＡｓ層を酸化したもの（屈折率１．６）
電流狭窄層１０５の厚さ：３０ｎｍ
電流狭窄層１０５の開口部の半径ｒ０：６．５μｍ
上部ミラー２０の第２領域７２の半径（空孔６０の内径）ｒ１：２．５μｍ、４．０μｍ
空孔６０の外径ｒ２：９．５μｍ
空孔６０の平面形状における２つの直線の成す角：３０度
空孔６０の数：６
空孔６０の深さ（上部ミラー２０のペア数を単位とする）：０ペア、５ペア、５．５ペア、１０ペア、１０．５ペア、１２ペア、１２．５ペア、１５ペア、１５．５ペア、２０ペア、２０．５ペア
設計波長（面発光型半導体レーザ１００において生じる光のうち強度が最大である光の波長）λ：８５０ｎｍ
各数値計算サンプルに対して、２次元ＦＤＴＤ法を用いて、０次の共振モード成分（以下「０次モード」ともいう）と１次の共振モード成分（以下「１次モード」ともいう）の活性層１０３のエネルギー増加率を計算した結果を図６および図７に示す。図６は、上部ミラー２０の第２領域７２の半径ｒ１が２．５μｍの場合であり、図７は、４．０μｍの場合である。横軸は、空孔６０の深さであり、縦軸は、活性層１０３のエネルギー増加率である。
図６に示すように、低次の共振モード（０次の横モード）成分のエネルギー増加率が正であって、高次の共振モード（１次の横モード）成分のエネルギー増加率が負である空孔６０の深さの範囲Ａが存在することが分かる。即ち、この範囲Ａの空孔６０の深さでは、１次モードはレーザ発振に至らず、０次モードのみがレーザ発振に至る。また、２次以上の横モード共振成分も、１次モードと同様に、レーザ発振には至らない。従って、面発光型半導体レーザ１００から出射されるレーザ光のシングルモード化が可能となる。この範囲Ａとしては、例えば、空孔６０の深さが７ペア以上１２ペア以下などである。
また、図６に示すように、空孔６０の深さを０ペア（即ち空孔６０が存在しない場合）から深くしていくと、上部ミラー２０の反射率が低下し、０次モードも１次モードも、活性層１０３のエネルギー増加率が減少していく。この際、１次モードの方が、第２領域７２の中心から離れた部分に存在する割合が多いため、空孔６０による影響が大きく、活性層１０３のエネルギー増加率が減少しやすい。従って、活性層１０３のエネルギー増加率において、０次モードと１次モードのエネルギー増加率差は大きくなっていく。そして、空孔６０の深さが例えば１０．５ペアである場合に、エネルギー増加率差は最大となる（図に示すエネルギー増加率差Ｂ）。
さらに空孔６０を深くしていくと、０次モードも１次モードも、活性層１０３のエネルギー増加率が増大していく。この際、１次モードの方が、活性層１０３のエネルギー増加率が増大しやすい。従って、エネルギー増加率差は小さくなっていく。そして、空孔６０の深さが例えば１５ペアである場合（図中Ｃの場合）に、エネルギー増加率差は最小となる。これは、電流狭窄層１０５で決定されていた共振モードが、徐々に空孔６０による光閉じ込めに移行して、モード径が小さくなり、上部ミラー２０の反射率への空孔６０による影響がほとんどなくなるためである。
さらに空孔６０を深くしていくと、空孔６０による光閉じ込めに移行したモードに対しても、上部ミラー２０の反射率への空孔６０による影響が現われてくる。即ち、上部ミラー２０の反射率が低下し、０次モードも１次モードも、活性層１０３のエネルギー増加率が減少していく。この際、１次モードの方が、第２領域７２の中心から離れた部分に存在する割合が多いため、空孔６０による影響が大きく、活性層１０３のエネルギー増加率が減少しやすい。従って、活性層１０３のエネルギー増加率において、０次モードと１次モードのエネルギー増加率差は大きくなっていく。
以上の結果から、０次モードと１次モードのエネルギー増加率差が、空孔６０が存在しない場合のエネルギー増加率差Ｘよりも大きくなる空孔６０の深さの範囲Ｄが存在することが分かる。即ち、この範囲Ｄの空孔６０の深さでは、空孔６０が存在しない場合に比べて、０次モードに対する１次モードのレーザ光の強度が低減される。また、２次以上の横モード共振成分も、１次モードと同様に、０次モードに対する強度が低減される。従って、空孔６０の深さが範囲Ｄ内にある面発光型半導体レーザ１００では、空孔６０が存在しない場合に比べて、低次（０次）の共振モード成分に対する高次（１次以上）の共振モード成分の低減を図ることができる。この範囲Ｄとしては、例えば、空孔６０の深さが０．５ペア以上１３．５ペア以下および１６ペア以上２０．５ペア以下などである。なお、図６には、便宜上、空孔６０の深さが１３．５ペアおよび１６ペアである付近に、空孔６０が存在しない場合のエネルギー増加率差Ｘに等しいエネルギー増加率差を示す矢印を記載してある。
また、図７に示すように、上部ミラー２０の第２領域７２の半径ｒ１が大きい場合（４．０μｍ）には、空孔６０を深くしても空孔６０による上部ミラー２０の反射率の減少は少なく、空孔６０による横方向の光閉じ込め効果により、活性層１０３のエネルギー増加率は増大する。この際、高次（１次）の共振モード成分の方が、第２領域７２の中心から離れた部分に存在する割合が多いため、空孔６０による影響が大きく、活性層１０３のエネルギー増加率が増大しやすい。従って、図７に示す例では、シングルモード化や高次モードの削減・低減を図るには不適切であることが分かる。
上述した図６および図７から分かるように、上部ミラー２０の反射率への空孔６０による影響は大きく、発振モードを決定する要因も空孔６０の深さによって変化する。これらを考慮して得られた本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００によれば、上述したように、シングルモード化や高次モードの削減・低減を図ることができる。なお、例えば、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００の発振モードを単に光ファイバのモードと仮定してシングルモード化の条件を算出した場合には、上述した空孔６０の深さによる光閉じ込め状態の変化、反射率低下の影響などが十分に考慮されず、実際にはシングルモード化を図れない場合がある。特に、光ファイバのモードと仮定して算出する場合は、空孔６０を深くするほど第２領域７２とその外部との屈折率差が大きくなり、全反射条件を満足しやすくなるため、シングルモード化に不利と解釈される。これに対し、本提案によれば、むしろ空孔６０を深くすることで積極的に反射率を低減させて、シングルモード化を図ることが可能である。本提案によれば、空孔６０の内径ｒ１をシングルモード径より大きくしても、反射率低減によって高次の共振モードがレーザ発振に至らないようにすることができる。
また、上述した数値計算例では、低次の共振モード成分として０次の共振モード成分を用い、高次の共振モード成分として１次の共振モード成分を用いてシミュレーションを行ったが、本実施形態はこれらに限定されるわけではない。低次の共振モード成分は、高次の共振モード成分に対して、次数の低いものであれば良い。従って、例えば、低次の共振モード成分として２次以下の共振モード成分を用い、高次の共振モード成分として３次以上の共振モード成分を用いることなども可能である。
４． 本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００によれば、電流狭窄層１０５の開口部径や厚さ、ポスト（柱状部３０）の傾斜角θや外径などによらず、シングルモード化や高次モードの削減・低減を図ることができる。その結果、ロールオフ点に至る電流値は、ほとんど変化しないため、面発光型半導体レーザ１００の出力をほとんど減少させることなく、シングルモード化や高次モードの削減・低減を図ることができる。従って、本実施形態によれば、レーザ光の発振モード数を削減することができ、かつ、単純に電流狭窄層の径を小さくする場合よりも高出力化の可能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
５． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、上述した本発明の実施形態に係る面発光型半導体レーザは、例えば、排熱構造を有する素子、フリップチップ構造を有する素子、静電破壊（ＥＳＤ）対策構造を有する素子、モニタフォトダイオード（ＭＰＤ）を有する素子、インクジェットマイクロレンズを有する素子、誘電体ミラーを有する素子、ＣＡＮやセラミックパッケージを用いたＯＳＡ（Optical Sub-Assembly）などの光モジュール、それらを組み込んだ光伝送装置などに適用されることができる。
また、例えば、エピタキシャルリフトオフ（ＥＬＯ）法などを用いる場合、面発光型半導体レーザ１００の基板１０１は切り離されることができる。即ち、面発光型半導体レーザ１００は、基板１０１を有しないことができる。
１０ 下部ミラー、２０ 上部ミラー、３０ 柱状部、６０ 空孔、７０ 第１領域、７２ 第２領域、８０ 引き出し線、１００ 面発光型半導体レーザ、１０１ 基板、１０３ 活性層、１０５ 電流狭窄層、１０７ 第１電極、１０９ 第２電極、１１０ 絶縁層，１５０ 半導体多層膜
Claims (6)
- 下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率が、低次の共振モード成分では正になり、高次の共振モード成分では負になる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率が、前記低次の共振モード成分では正になり、前記高次の共振モード成分では負になる深さを有する、面発光型半導体レーザ。 - 下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、を含み、
前記上部ミラーは、複数の空孔が形成された第１領域と、該第１領域の内側であって、空孔が形成されていない第２領域と、を含み、
前記第２領域は、平面視において、円形であり、
前記円形は、前記活性層のエネルギー増加率において、低次の共振モード成分と高次の共振モード成分のエネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が、前記空孔が存在しない場合の前記エネルギー増加率差よりも大きくなる深さを有する、面発光型半導体レーザ。 - 請求項２において、
前記円形は、前記エネルギー増加率差が最大となる半径を有し、
前記空孔は、前記エネルギー増加率差が最大となる深さを有する、面発光型半導体レーザ。 - 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記低次の共振モード成分は、０次の共振モード成分であり、
前記高次の共振モード成分は、１次以上の共振モード成分である、面発光型半導体レーザ。 - 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記活性層のエネルギー増加率は、時間領域差分法により求められる、面発光型半導体レーザ。 - 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記活性層のエネルギー増加率は、２次元時間領域差分法により求められる、面発光型半導体レーザ。
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