JP2015090880A - 面発光レーザ素子、レーザ素子アレイ、光源および光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】短共振化可能な面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】ベース基板の上方に積層され、互いに光を反射する下側反射層および上側反射層と、下側反射層および上側反射層の間に設けられた活性層と、活性層および上側反射層の間に設けられた電流拡散層と、最下面の位置が、上側反射層の最下面の位置から、電流拡散層の最上面の位置までのいずれかの位置となるように、または、最下面の位置が上部反射層の最下面より上方であり上部反射層の周囲に、設けられたコンタクト層とを備え、下側反射層と上側反射層の最下面との間におけるメサポストを含む領域に共振領域が形成され、上側反射層の最下面の少なくとも一部に対応する共振領域におけるコンタクト層の吸光度は、共振領域以外におけるコンタクト層の吸光度よりも小さい面発光レーザ素子を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子、レーザ素子アレイ、光源および光モジュールに関する。

従来、上側反射層の直上にコンタクト層を有する面発光レーザ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ ２００９−２５２７５８号公報

上側反射層の材料として半導体材料を用いる場合は、上側反射層の直上にコンタクト層を形成することができる。しかしながら、上側反射層の材料として誘電体材料を用いる場合、誘電体材料は電気伝導率が低いので、上側反射層の直上にコンタクト層を形成することができない。そこで、上側反射層の下にコンタクト層を設ける構成が考えられる。また、電流拡散を目的として、コンタクト層の下方に電流拡散層を設ける構成が考えられる。

しかし、面発光レーザ素子を構成する層の中でも、電流拡散層およびコンタクト層は他の層と比較して吸光度が大きい。そこで、電流拡散層およびコンタクト層によるレーザ光の吸収を避けることを目的として、電流拡散層およびコンタクト層はそれぞれレーザ光の定在波の節の位置に配置されるよう設計される。つまり、発振波長をλとする場合に、電流拡散層とコンタクト層間の光路長がλ／２となるように、面発光レーザ素子は設計される。

上記のとおり、電流拡散層とコンタクト層との間の光路長をλ／２とする制約があるので、電流拡散層とコンタクト層の間の光路長を任意に短くすることはできない。このことは、面発光レーザ素子の共振器長を短くする上での制約となる。一方で、面発光レーザ素子の応答速度は共振器長に依存するので、例えば、１０Ｇｂｐｓ以上のような高速変調で用いられる面発光レーザ素子の場合は、特に共振器長を短くするという要求がある。

本発明の第１の態様においては、ベース基板の上方に積層され、互いに光を反射する下側反射層および上側反射層と、下側反射層および上側反射層の間に設けられた活性層と、活性層および上側反射層の間に設けられた電流拡散層と、最下面の位置が上側反射層の最下面の位置から電流拡散層の最上面の位置までのいずれかの位置となるように、または、最下面の位置が上部反射層の最下面より上方であり上部反射層の周囲に、設けられたコンタクト層とを備え、下側反射層と上側反射層の最下面との間におけるメサポストを含む領域に共振領域が形成され、上側反射層の最下面の少なくとも一部に対応する共振領域におけるコンタクト層の吸光度は、共振領域以外におけるコンタクト層の吸光度よりも小さい面発光レーザ素子を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。

本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の断面図を示す。 面発光レーザ素子１００における、スペーサ層１１０および上側反射層１１２の変形例である。 上側反射層１１２の他の変形例を示す。 図３のスペーサ層１０８より上の各層の拡大図である。 面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。 面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。 面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。 図７における上側反射層１１２およびコンタクト層１１１の変形例を示す。 面発光レーザ素子１００に中間反射層８０１を用いた他の構成例を示す。 面発光レーザ素子１００に中間反射層８０２を用いた他の構成例を示す。 面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る一次元レーザ素子アレイ１１０４および光源１１００を示す。 本発明の第２の実施形態に係る二次元レーザ素子アレイ１２０４および光源１１００を示す。 本発明の第３の実施形態に係る光モジュール１３００を示す。 光モジュール１３００の他の例を示す。 本発明の第４の実施形態に係る光通信システム１５００を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

なお、説明の便宜上、ベース基板１０１の表面と垂直な方向において、ベース基板１０１の表面から離れる方向を上とし、ベース基板１０１の表面に近づく方向を下と称する。また、面発光レーザ素子１００の各層においてベース基板１０１の表面と平行な面のうち、ベース基板１０１の表面から遠い面を上面、ベース基板１０１の表面に近い面を下面と称する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の断面を示す。面発光レーザ素子１００は、ベース基板１０１、下側反射層１０２、下側電極１０３、下側クラッド層１０４、活性層１０５、上側クラッド層１０６、電流狭窄層１０７、スペーサ層１０８、電流拡散層１０９、スペーサ層１１０、コンタクト層１１１、上側反射層１１２、および上側電極１１５を備える。また、面発光レーザ素子１００は、下側反射層１０２および上側反射層１１２に挟まれた領域に共振領域１１３を有する。

なお、本明細書において共振領域１１３とは、下側反射層１０２と上側反射層１１２の最下面との間におけるメサポスト１１７を含む領域を意味する。なお、本明細書においてメサポスト１１７とは、活性層を含むように形成された柱状の構造を指し、第１の実施形態においては下側クラッド層１０４からコンタクト層１１１までの積層構造のことを言う。

面発光レーザ素子１００は、コンタクト層１１１に貫通開口１１４を有する。当該貫通開口１１４には、上側反射層１１２が設けられる。これにより、上側反射層１１２は、スペーサ層１１０に接する。つまり、共振領域１１３において、コンタクト層１１１が存在しなくなる。よって、レーザ光がコンタクト層１１１で吸収されることを防ぐことができる。これにより、電流拡散層１０９とコンタクト層１１１との間における光路長の制約をなくすことができる。

ベース基板１０１は、例えばＧａＡｓの半導体基板である。ベース基板１０１上には、下側反射層１０２が形成される。下側反射層１０２の直上であって下側クラッド層１０４が設けられる領域以外の領域に、下側電極１０３が形成される。下側反射層１０２が半導体基板である場合、下側反射層１０２は下側電極１０３のコンタクト層としても機能する。なお、下側電極１０３は、例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ等の金属である。また、ベース基板１０１および下側反射層１０２がともに半導体材料である場合、ベース基板１０１の下側に下側電極１０３を形成してもよい。つまり、いわゆる裏面電極を形成してもよい。裏面電極を形成することにより、ベース基板１０１と下側電極１０３との接触面積を広くすることができる。したがって、ベース基板１０１と下側電極１０３との接触抵抗を下げることができる。

また、下側反射層１０２と下側クラッド層１０４との間にコンタクト層を別途設けてもよい。この場合は、下側反射層１０２を誘電体材料で形成することもできるので、簡易な装置を用いて、かつ、半導体材料を用いる場合に比べて安価に下側反射層１０２を形成することができる。さらにまた、下側反射層１０２と当該コンタクト層との間に第１の追加スペーサ層を設けてもよい。当該第１の追加スペーサ層に加えて、当該コンタクト層と下側クラッド層１０４との間に、下から順に、第２の追加スペーサ層および反射層を設けてもよい。なお、下から順に、下側反射層１０２、第１の追加スペーサ層、コンタクト層、第２の追加スペーサ層、反射層および下側クラッド層１０４の構成した場合において、第２の追加スペーサ層は省略してもよい。

下側反射層１０２および上側反射層１１２は、共振領域１１３で生じる内部光の少なくとも一部を互いに反射させることで内部光を共振させる。共振領域１１３において、内部光は共振され、レーザ光として出力される。下側反射層１０２および上側反射層１１２は、屈折率の異なる複数の半導体層または誘電体層が繰り返し積層して形成される。例えば、下側反射層１０２は、ＡｌＡｓ層およびＧａＡｓ層が繰り返し積層される。また、例えば、上側反射層１１２は、ＳｉＮ層およびＳｉＯ_２層が繰り返し積層される。この場合、各層の厚さをレーザ光の波長λに対し、光学長がλ／４程度に形成することで、反射率を高めることができる。

下側反射層１０２上に下側クラッド層１０４が形成される。また、下側クラッド層１０４の上に活性層１０５が形成される。下側クラッド層１０４を通じて、活性層１０５に電子もしくは正孔が注入される。下側クラッド層１０４は、ＩＩＩ族−Ｖ族半導体を含んでよい。本例では、下側クラッド層１０４から、活性層１０５に電子が注入される。例えば、下側クラッド層１０４は、ＧａＡｓ層にシリコン等のｎ型ドーパントをドープして形成される。

活性層１０５は、注入される電流の量に応じて光を生成する。活性層１０５は、ＩＩＩ族−Ｖ族半導体を含んでよい。例えば、活性層１０５は、ＧａＩｎＮＡｓ層およびＧａＡｓ層を繰り返し積層した量子井戸構造を有する。

上側クラッド層１０６は、活性層１０５上に形成される。上側クラッド層１０６を通じて、活性層１０５に正孔もしくは電子が注入される。上側クラッド層１０６は、ＩＩＩ族−Ｖ族半導体を含んでよい。本例では、上側クラッド層１０６から、活性層１０５に正孔が注入される。例えば、上側クラッド層１０６は、ＧａＡｓ層に炭素等のｐ型ドーパントをドープして形成される。

電流狭窄層１０７は、活性層１０５と上側反射層１１２との間であって、上側クラッド層１０６の上に形成される。電流狭窄層１０７は、電流拡散層１０９から活性層１０５へと流れる電流を狭窄する。電流狭窄層１０７は、例えばＡｌＡｓ等のＡｌ含有層を酸化した酸化層を有する。当該酸化層は、ベース基板１０１の表面と平行な面における中央部分において、非酸化部分を有する。酸化層中の非酸化部分は、酸化層中の非酸化部分以外の部分よりも抵抗が低い。したがって、電流は当該非酸化部分を通る。よって、非酸化部分は電流にとっての開口となる。当該開口は共振領域１１３内に形成される。当該開口を介して、活性層１０５に電流が供給される。

スペーサ層１０８は、電流狭窄層１０７上に形成される。さらに、電流拡散層１０９上にスペーサ層１１０が形成される。スペーサ層１０８および１１０は、複数種類の半導体材料を混晶化させたものであってよい。なお、スペーサ層１０８および１１０は、電流狭窄層１０７と電流拡散層１０９との間の光学的距離ならびに電流拡散層１０９とコンタクト層１１１との間の光学的距離をそれぞれ調整する。特に、スペーサ層１０８は、電流拡散層１０９が内部光の定在波の節に位置するように、電流拡散層１０９の位置を調整する。電流狭窄層１０７等の各層と定在波の腹および節との相対位置を調整する。

電流拡散層１０９は、電流拡散層１０９面内に電流を拡散させる。これにより、上側電極１１５下の電流拡散層１０９から共振領域１１３の電流拡散層１０９への電流拡散が促進される。電流拡散層１０９は、例えば、炭素をドープしたＧａＡｓで形成される。また、電流拡散層１０９のドープ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上としてよい。さらに、電流拡散層１０９の膜厚は、１０〜５０ｎｍ程度としてよい。

コンタクト層１１１には、共振領域１１３に対応する領域の全体に貫通開口１１４が設けられる。コンタクト層１１１は、最下面の位置が共振領域における上側反射層１１２の最下面の位置から電流拡散層１０９の最上面の位置までのいずれかの位置となるように、または、最下面の位置が上側反射層１１２の最下面より上方であり上側反射層１１２の周囲に、設けられる。上側電極１１５はコンタクト層１１１上に形成される。コンタクト層１１１は、上側電極１１５とスペーサ層１１０との間でオーミック接合を形成して、上側電極１１５から注入されたキャリアを活性層１０５に効率よく注入する。コンタクト層１１１は、例えば、炭素をドープしたＧａＡｓで形成される。また、コンタクト層１１１のドープ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上としてよい。また、コンタクト層１１１の膜厚は、１０〜５０ｎｍ程度としてよい。

ここで、上側電極１１５の開口径は、コンタクト層１１１の貫通開口１１４の開口径よりも大きくなるよう形成してよい。電極と比べて一般に光吸収の小さいコンタクト層１１１の貫通開口１１４の開口径を上側電極１１５の開口径よりも小さく形成することで、抵抗を小さく抑えた上で光吸収のロスを抑制することができ、好ましい。

コンタクト層１１１は、面発光レーザ素子が発振する光（例えば、発振波長１０６０ｎｍ）を吸収する性質をもつ。本明細書において、コンタクト層１１１が共振領域１１３において光を吸収する程度を吸光度と呼ぶ。吸光度は、コンタクト層１１１の媒質の吸収係数とコンタクト層１１１の層厚との積により定める。なお、共振領域１１３の上面にコンタクト層１１１が存在しない場合、当該共振領域１１３におけるコンタクト層１１１の吸光度は０とする。

なお、共振領域１１３におけるコンタクト層１１１の吸光度は０でなくともよい。上側反射層１１２の最下面の少なくとも一部に対応するコンタクト層１１１の吸光度が、共振領域１１３以外におけるコンタクト層１１１の吸光度よりも小さければ、共振領域１１３におけるコンタクト層１１１の吸光度を減らすことができる。この構成を用いる場合、コンタクト層１１１の位置をレーザ光の定在波の節から移動させたときであっても、レーザ光がコンタクト層１１１に吸収されることを抑制することができる。

上記本発明の第１の実施形態を用いることにより、上下の反射膜間にコンタクト層１１１が設けられるダブルイントラキャビティ構造の面発光レーザ素子１００において、共振領域１１３におけるコンタクト層１１１の光吸収を減らすことができる。従って、コンタクト層１１１の位置選択の自由度を上げることができる。つまり、電流拡散層１０９およびコンタクト層１１１の層間距離を短くすることができる。これにより、共振器長を短くすることにより緩和振動周波数を上げることがきる。緩和振動周波数の向上は、面発光レーザ素子の高速動作に有効である。

また、上記本発明の第１の実施形態において、高次横モードのレーザ光がコンタクト層１１１で吸収されるように、レーザ光の定在波の腹に対応する位置にコンタクト層１１１を配置することが好ましい。これにより、レーザ光のシングルモード性を向上させることもできる。

また、上記本発明の第１の実施形態において、コンタクト層１１１の貫通開口１１４の開口径は、電流狭窄層１０７の開口径よりも大きく、かつ、電流狭窄層１０７の開口を全て含むよう形成される。これにより、レーザ光の高次の横モードは、主として電流狭窄層１０７で調整される。また、コンタクト層１１１は基本横モードを遮断しない位置にある。したがって、基本横モードのしきい値上昇を抑制することができる。

図２は、面発光レーザ素子１００における、スペーサ層１１０および上側反射層１１２の変形例である。本例では、貫通開口１１４におけるスペーサ層１１０の開口は、コンタクト層１１１の最下面よりも深い。上側反射層１１２は、当該貫通開口１１４に形成される。貫通開口１１４における上側反射層１１２の最下面は、電流拡散層１０９までの距離がλ／４であってよい。

また、上側反射層１１２は、メサポスト１１７の上面および側面にも設けられる。つまり、上側反射層１１２は、コンタクト層１１１における上側電極１１５以外の上面、ならびに、コンタクト層１１１、スペーサ層１１０、電流拡散層１０９および下側クラッド層１０４等の側面に設けられる。

本明細書において、上側反射層１１２の最下面とは、貫通開口１１４における上側反射層１１２の最下面を指す。つまり、上側反射層１１２の最下面とは、共振領域１１３の一端となる面である。貫通開口１１４以外における上側反射層１１２は共振領域１１３を形成しないので、上側反射層１１２の最下面ではないとする。ただし、調整層が設けられる後述の実施例または不純物をドープすることにより形成されたコンタクト層が設けられる後述の実施例においては、上側反射層１１２の定義は各実施例に記載された定義に従うものとする。

図３は、上側反射層１１２の他の変形例を示す。本例の上側反射層１１２の少なくとも一部は、コンタクト層１１１上にも延在して形成される。つまり、上側反射層１１２は、共振領域１１３の外側におけるコンタクト層１１１の上面にも設けられる。コンタクト層１１１の共振領域１１３の少なくとも一部に対応する領域には貫通開口１１４が設けられる。また、上側反射層１１２の少なくとも一部は、貫通開口１１４の内部に配置される。

図４は、図３のスペーサ層１０８より上の各層の拡大図である。なお、説明の便宜上、各層の厚さは図３から変更している。また、波長λのレーザ光の定在波の様子をあわせて示す。また、面発光レーザ素子１００の上方向をＺ方向とした。

電流拡散層１０９の厚さ方向における略中央から上側反射層１１２の共振領域１１３における最下面までの光学的距離は、λ／４または３λ／４のいずれかに略等しい。なお、当該光学的距離は、電流拡散層１０９の厚さ方向における略中央と上側反射層１１２の最下面との光学的距離、および所定のばらつきを考慮して決定してよく、本願において略等しいとは、レーザ特性への影響を考慮し、±λ／１０の範囲とする。つまりここでは、λ／４または３λ／４のいずれかから±λ／１０の範囲とする。また上記光学的距離をλ／４と略等しくすれば、共振器内の光ロスを抑制しながら共振器長をより短くすることが可能となり、より好ましい。さらに、応答速度を向上できるので、共振器長をλと略等しく形成しても良い。

本明細書において共振器長とは、上側反射層１１２の最下面と、下側反射層１０２の最上面との光学的距離とする。面発光レーザ素子１００の発振波長をλとして、当該光学的距離がλに略等しい場合、面発光レーザ素子１００の共振器長はλとなる。

また、上側反射層１１２の最下面と、コンタクト層１１１の最下面とが略同一面内にあるようにしてよい。さらに、上側反射層１１２はリッジ形状であり、コンタクト層１１１は、上側反射層１１２の最下面から予め定められた高さまでの領域を囲んで設けてよい。また、上側反射層１１２はリッジ形状に限定されず、コンタクト層１１１およびメサポスト１１７の側面、下側電極１０３等を覆うように形成しても良い。上側反射層１１２は、共振領域１１３の外側における下側反射層１０２の上面にも設けられてよい。

図３および図４に示した例において、高次横モードは下側反射層１０２および上側反射層１１２の間で共振している間にコンタクト層１１１などにより吸収される。従って、レーザ光のシングルモード性を向上させることができる。面発光レーザ素子１００において、シングルモードのレーザ光のモードプロファイルの最大値は貫通開口１１４の中央付近に位置するので、コンタクト層１１１による吸収が小さい。一方で、高次横モードのレーザ光のモードプロファイルの最大値は、貫通開口１１４の中央から離れた位置、例えば、円周付近または外側に位置するので、コンタクト層１１１による吸収が大きいからである。

図５は、面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。図５は、スペーサ層１０８より上の各層の拡大図である。本例の面発光レーザ素子１００は、図１および図３に示した面発光レーザ素子１００に対し、調整層４１５をさらに備える点、および、コンタクト層１１１が共振領域１１３にも設けられる点が異なる。コンタクト層１１１は、開口４１４を有する。他の点は図１および図３に示したいずれかの面発光レーザ素子１００と同一である。なお、波長λのレーザ光の定在波の様子をあわせて示す。

本実施例において、上側反射層１１２の最下面とは、開口４１４における上側反射層１１２の最下面を指す。開口４１４には調整層４１５が設けられている場合は、上側反射層１１２の最下面は、調整層４１５よりもＺ方向の正側に位置する。上側反射層１１２の最下面は、上側反射層１１２が調整層４１５に接する位置にあってよい。

コンタクト層１１１は、共振領域１１３内に形成されたコンタクト層４１７および共振領域１１３外に形成されたコンタクト層４１６を備える。本例では、共振領域１１３の全体におけるコンタクト層４１７が、共振領域１１３以外におけるコンタクト層４１６より薄い。つまり、共振領域１１３におけるコンタクト層４１７は、Ｚ方向において、共振領域１１３以外のコンタクト層４１６よりも薄い。なお、共振領域１１３の少なくとも一部に対応するコンタクト層４１７が、共振領域１１３以外におけるコンタクト層４１６よりも薄く形成されてもよい。

これにより、共振領域１１３の少なくとも一部におけるコンタクト層１１１の吸光度を、共振領域１１３外におけるコンタクト層１１１の吸光度より低くすることができる。また、コンタクト層４１７の下面とコンタクト層４１６の下面とは、共通面内に設けられてよい。この場合、コンタクト層４１６はコンタクト層４１７よりも上側に突出する。なお、コンタクト層４１６はコンタクト層４１７よりも上側および下側の両側に突出してもよい。

また、本実施例の変形例として、開口４１４に調整層４１５を設けず、コンタクト層４１７上に接する位置に上側反射層１１２を設けてもよい。その場合は、上側反射層１１２の最下面は、上記の通り開口４１４における上側反射層１１２の最下面を指す。

調整層４１５は、共振領域１１３に形成されたコンタクト層４１７と上側反射層１１２の間に形成される。調整層４１５の材料は、半導体材料、複数種類の半導体材料を混晶化させたもの、誘電体材料、無機ガラス、または有機ガラス等であってよい。調整層４１５は、電流拡散層１０９の厚さ方向の略中央から上側反射層１１２までの光学的距離が、λ／４または３λ／４のいずれかに略等しくなるように設けられる。なお、上側反射層１１２は、共振領域１１３外にあるコンタクト層４１６の上面にも設けてよい。

図６は、面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。図６は、スペーサ層１０８より上の各層の拡大図である。本例の面発光レーザ素子１００は、図１および図３に示した面発光レーザ素子１００のコンタクト層１１１の代わりに、キャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８およびキャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９を備える。

本実施例では、キャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９の最下面と下側反射層１０２と間で共振領域１１３が形成される。そこで、本実施例においては、上側反射層１１２の最下面をキャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９の最下面とする。

本例では、キャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８およびキャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９は同一面内に形成される。また、キャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９は、共振領域１１３全体に対応して形成される。なお、キャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９は、共振領域１１３の少なくとも一部に対応して形成してもよい。キャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８は、キャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９の外側に形成される。他の点は、図１および図３に示したいずれかの面発光レーザ素子１００と同一である。なお、波長λのレーザ光の定在波の様子をあわせて示す。

本例において、キャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８およびキャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９を用いることで、上側反射層１１２直下におけるレーザ光の吸収係数を調整する。なお、本例においては、キャリア濃度Ｎ１をキャリア濃度Ｎ２よりも低くする。Ｎ１およびＮ２の値は、それぞれ１０^１７ｃｍ^−３および１０^１９ｃｍ^−３としてよい。

また、本例において、ＧａＡｓ等の半導体層の一部に不純物をドープすることでキャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８を形成してよい。この場合、キャリアがドープされている領域がキャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８に対応する。上側反射層１１２は、キャリア濃度Ｎ１のコンタクト層５１９の上面にのみ設けてもよいし、キャリア濃度Ｎ２のコンタクト層５１８の上面にも設けてもよい。なお、コンタクト層５１９は、キャリアをドープしない構成としてもよい。

図７は、面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。図７は、スペーサ層１０８より上の各層の拡大図である。本例の面発光レーザ素子１００は、図１から図６に示した面発光レーザ素子１００におけるスペーサ層１１０を除去している点が異なる。つまり、コンタクト層１１１の最下面は、電流拡散層１０９の最上面に接するように形成する。他の点は、図１から図６に示したいずれかの面発光レーザ素子１００と同一である。また、上側反射層１１２と電流拡散層１０９の間には調整層４１５を設けてよい。調整層４１５を設けることで、上側反射層１１２の最下面の位置を定在波の腹の位置にあわせることができる。当該構成により、除去されたスペーサ層１１０の厚みに応じて、共振器長を短くすることができる。

図８は、図７における上側反射層１１２およびコンタクト層１１１の変形例を示す。コンタクト層７１１のうち共振領域１１３に相当する部分は、エッチングにより一部が除去されている。具体的には、共振領域１１３におけるコンタクト層７１７の厚みが、共振領域１１３以外におけるコンタクト層７１６の厚みより薄い。つまり、共振領域１１３におけるコンタクト層７１１は、Ｚ方向において、共振領域１１３以外のコンタクト層７１１よりも薄い。ただし、共振領域１１３におけるコンタクト層７１１は、電流拡散層１０９に達するまでは除去されていない。これにより、コンタクト層７１１は、共振領域１１３に相当する部分の膜厚を共振領域１１３以外に相当する部分の膜厚よりも薄く形成する。また、上側反射層１１２と電流拡散層１０９の間には調整層４１５を設けてよい。なお、コンタクト層７１１は、コンタクト層７１１の最上面および最下面の間に、共振領域１１３における定在波の腹が配置されるように設けられる。

図９は、面発光レーザ素子１００に中間反射層８０１を用いた他の構成例を示す。本例の面発光レーザ素子２００は、上側反射層１１２の材料を誘電体材料とし、かつ、コンタクト層１１１の下側に、例えばＡｌＧａＡｓ系などの半導体材料で形成された中間反射層８０１を更に備える点が図１の面発光レーザ素子１００とは異なる。本例では、中間反射層８０１は、活性層１０５と電流狭窄層１０７との間に設けられる。なお、上側クラッド層１０６、活性層１０５、および下側クラッド層１０４による発光を担保するため、中間反射層８０１は、上側クラッド層１０６と電流狭窄層１０７との間に設けられる。

なお、本例における中間反射層８０１の位置は、活性層１０５と電流狭窄層１０７との間に限定されない。中間反射層８０１は、電流狭窄層１０７と電流拡散層１０９との間に設けられてもよい。また、これに代えて、中間反射層８０１は、電流拡散層１０９とコンタクト層１１１との間に設けられてもよい。さらに、中間反射層８０１は、活性層１０５と電流狭窄層１０７との間、電流狭窄層１０７と電流拡散層１０９との間、および電流拡散層１０９とコンタクト層１１１との間のうち、複数個所に設けてもよい。

中間反射層８０１を設けることにより、下側反射層１０２と中間反射層８０１との間、中間反射層８０１と上側反射層１１２との間、および下側反射層１０２と上側反射層１１２との間で内部光を反射させることができる。したがって、中間反射層８０１の位置に応じて、共振領域１１３内の定在波の波長が変わる。よって、中間反射層８０１の位置を調整することにより、発振波長λを変えることができる。

図１０は、面発光レーザ素子１００に中間反射層８０２を用いた他の構成例を示す。本例の面発光レーザ素子３００は、上側反射層１１２の材料を誘電体材料とし、かつ、コンタクト層１１１の下側に半導体材料で形成された中間反射層８０２を更に備える点が図１の面発光レーザ素子１００とは異なる。本例では、中間反射層８０２は、電流狭窄層１０７を上下から挟んで設けられる。

なお、本例における中間反射層８０２の位置は、電流狭窄層１０７を上下から挟む位置に限定されない。中間反射層８０２は、電流拡散層１０９を上下から挟んで設けられてもよい。中間反射層８０２を設けることにより、上述したような発振波長を調整すること、および、コンタクト層１１１よりも活性層１０５に近い位置でコンタクト領域を形成することができる。

さらに、中間反射層８０２は、電流狭窄層１０７を上下から挟み、かつ、電流拡散層１０９を上下から挟んで設けられてもよい。また、中間反射層８０２は、活性層１０５と電流狭窄層１０７との間、電流狭窄層１０７と電流拡散層１０９との間、および電流拡散層１０９とコンタクト層１１１との間のうち、一以上の個所に設け、かつ、電流狭窄層１０７を上下から挟み、および／または、電流拡散層１０９を上下から挟んで設けられてもよい。

図１１は、面発光レーザ素子１００の他の構成例を示す。本例の面発光レーザ素子１００は、図１および図３に示した面発光レーザ素子１００に対し、下側反射層１０２として誘電体反射層を用い、かつ、下側電極１０３を下側クラッド層１０４直上に形成させた点が異なる。他の点は図１および図３に示したいずれかの面発光レーザ素子１００と同一である。

図１１において、下側反射層１０２は、屈折率の異なる複数の誘電体層が繰り返し積層して形成された誘電体反射層である。このため、下側電極１０３は下側クラッド層１０４に直上に形成する。下側反射層１０２の材料としては、ＳｉＮ層およびＳｉＯ_２層の繰り返し積層を用いてよい。

図１２は、本発明の第２の態様に係る光源１１００を示す。光源１１００は、基材１１０１と、面発光レーザ素子１１０２と、制御回路１１０３と、一次元レーザ素子アレイ１１０４とを備える。制御回路１１０３は、基材１１０１の外に設けられる。制御回路１１０３は、一次元レーザ素子アレイ１１０４の面発光レーザ素子１１０２を制御する。つまり、制御回路１１０３は、一次元レーザ素子アレイ１１０４の各面発光レーザ素子１１０２にバイアス電圧と変調電圧を印加する。面発光レーザ素子１１０２は、電圧の印加に応じてその上部から所定の波長のレーザ光を出射する。

図１３は、光源１１００の他の例を示す。本例では、面発光レーザ素子１１０２は基材１１０１上において、二次元的に配列されている。制御回路１１０３は、二次元レーザ素子アレイ１２０４の各面発光レーザ素子１１０２にバイアス電圧と変調電圧を印加する。

図１４は、本発明の第３の態様に係る光モジュール１３００を示す。光モジュール１３００は、基材１１０１と、面発光レーザ素子１１０２と、光結合部１３０６と、レーザ光１３０５を伝搬する光導波路１３０７と、検出部１３０８と、制御回路１１０３とを備える。面発光レーザ素子１１０２は、基材１１０１に固定される。光結合部１３０６は、プリズム状の三角柱形状を有する透明な樹脂から形成される。光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２に対向する受光面と、光導波路１３０７に対向する出射面と、受光面及び出射面と４５度の角度で交わる反射面を有する。

光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２が出射したレーザ光１３０５を受光面で受け取り、反射面で反射し出射面から出射して光導波路１３０７に結合させる。つまり、光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２と光導波路１３０７とを光学的に結合する。出射面から出射されたレーザ光１３０５は、光導波路１３０７内を伝搬する。検出部１３０８は、光結合部１３０６の反射面を透過した光をモニターする。検出部１３０８は光信号を電気信号に変換し制御回路１１０３に送信する。制御回路１１０３は、検出部１３０８からの信号に基づいて面発光レーザ素子１１０２をフィードバック制御する。

光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２からのレーザ光１３０５を光導波路１３０７の方向に反射させる、鏡面加工された反射膜であってもよい。また、光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２からのレーザ光１３０５を、光導波路１３０７に集光させるレンズであってもよい。例えば、面発光レーザ素子１１０２および光導波路１３０７が対向して配置される場合、光結合部１３０６は、面発光レーザ素子１１０２および光導波路１３０７の間に配置される。

図１５は、光モジュール１３００の他の例を示す。本例では、光導波路１３０７の端面が光軸に対して略４５度傾斜するように加工され光結合部１３０６を構成している。端面には反射膜が形成され鏡面加工されている。面発光レーザ素子１１０２は、基材１１０１によって光結合部１３０６の下方に位置するように位置決めされている。出射されたレーザ光１３０５は光結合部１３０６で反射された後、光導波路１３０７内を伝搬する。

なお、光結合部１３０６は、図１４および図１５に示した構成以外にも、多様な構成を採用できる。例えば光結合部１３０６は、光導波路１３０７の心線の一端を光導波路１３０７の本体に対向させ、他端を面発光レーザ素子１１０２に対向して固定するハウジングを有する。

図１６は、本発明の第４の実施形態に係る光通信システム１５００を示す。光通信システム１５００は、２つの光送受信モジュール（１５０９、１５１０）を備える。２つの光送受信モジュール（１５０９、１５１０）は２本の光導波路１３０７を介して接続される。光送受信モジュール１５０９は、面発光レーザ素子１１０２を有する光モジュール１５０１と、受光素子１５０８を有する。光モジュール１５０１は面発光レーザ素子１１０２が出射したレーザ光を、光導波路１３０７を介して送信する。受光素子１５０８は、光導波路１３０７を介して送信された光信号を受信して、電気信号に変換する。光送受信モジュール１５１０は、面発光レーザ素子１１０２を有する光モジュール１５０１と、受光素子１５０８を有する。光送受信モジュール１５１０は、光モジュール１５０１と受光素子１５０８との位置関係が逆になっていることを除いて光送受信モジュール１５０９と同様の構成を有する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 面発光レーザ素子、１０１ ベース基板、１０２ 下側反射層、１０３ 下側電極、１０４ 下側クラッド層、１０５ 活性層、１０６ 上側クラッド層、１０７ 電流狭窄層、１０８ スペーサ層、１０９ 電流拡散層、１１０ スペーサ層、１１１ コンタクト層、１１２ 上側反射層、１１３ 共振領域、１１４ 貫通開口、１１５ 上側電極、１１７ メサポスト、２００ 面発光レーザ素子、３００ 面発光レーザ素子、４１４ 開口、４１５ 調整層、４１６ コンタクト層、４１７ コンタクト層、５１８ コンタクト層、５１９ コンタクト層、７１１ コンタクト層、７１６ コンタクト層、７１７ コンタクト層、８０１ 中間反射層、８０２ 中間反射層、１１００ 光源、１１０１ 基材、１１０２ 面発光レーザ素子、１１０３ 制御回路、１１０４ 一次元レーザ素子アレイ、１２０４ 二次元レーザ素子アレイ、１３００ 光モジュール、１３０５ レーザ光、１３０６ 光結合部、１３０７ 光導波路、１３０８ 検出部、１５００ 光通信システム、１５０１ 光モジュール、１５０８ 受光素子、１５０９ 光送受信モジュール、１５１０ 光送受信モジュール

Claims (22)

1. ベース基板の上方に積層され、互いに光を反射する下側反射層および上側反射層と、
   前記下側反射層および前記上側反射層の間に設けられた活性層と、
   前記活性層および前記上側反射層の間に設けられた電流拡散層と、
   最下面の位置が、前記上側反射層の最下面の位置から、前記電流拡散層の最上面の位置までのいずれかの位置となるように、または、最下面の位置が上部反射層の最下面より上方であり上部反射層の周囲に、設けられたコンタクト層と
   を備え、
   前記下側反射層および前記上側反射層の最下面の間におけるメサポストを含む領域に共振領域が形成され、
   前記上側反射層の最下面の少なくとも一部に対応する前記共振領域における前記コンタクト層の吸光度は、前記共振領域以外における前記コンタクト層の吸光度よりも小さい面発光レーザ素子。
2. 前記コンタクト層の前記共振領域の少なくとも一部に対応する領域には貫通開口が設けられ、
   前記上側反射層の少なくとも一部は、前記貫通開口の内部に配置される
   請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記コンタクト層の前記共振領域に対応する領域の全体に前記貫通開口が設けられる
   請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記上側反射層と、前記電流拡散層との光学的距離が、前記面発光レーザ素子の発振波長をλとして、λ／４または３λ／４のいずれかに略等しい
   請求項３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記上側反射層の最下面と、前記コンタクト層の最下面とが略同一面内にある
   請求項４に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記上側反射層の最下面と、前記下側反射層の最上面との光学的距離が前記面発光レーザ素子の発振波長をλとして、λに略等しい
   請求項４または５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記上側反射層はリッジ形状であり、
   前記コンタクト層は、前記上側反射層の最下面から予め定められた高さまでの領域を囲んで設けられる
   請求項５に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記活性層と前記上側反射層との間に電流狭窄層を備え、
   前記貫通開口の開口径が、前記電流狭窄層の開口径よりも大きい
   請求項３から７のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
9. 前記コンタクト層上に上側電極を備え、
   前記上側電極の開口径が、前記貫通開口の開口径よりも大きい
   請求項３から８のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
10. 前記共振領域の少なくとも一部に対応する前記コンタクト層が、前記共振領域以外における前記コンタクト層より薄い
    請求項１に記載の面発光レーザ素子。
11. 前記共振領域の全体における前記コンタクト層が、前記共振領域以外における前記コンタクト層より薄い
    請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
12. 前記コンタクト層および前記上側反射層の間に設けられた調整層を更に備え、
    前記調整層は、前記上側反射層と、前記電流拡散層との光学的距離が、前記面発光レーザ素子の発振波長をλとして、λ／４または３λ／４のいずれかに略等しくなるように設けられる
    請求項１１に記載の面発光レーザ素子。
13. 前記共振領域の少なくとも一部に対応する前記コンタクト層のキャリア濃度が、前記共振領域以外における前記コンタクト層のキャリア濃度より低い
    請求項１または１０に記載の面発光レーザ素子。
14. 前記共振領域の全体における前記コンタクト層のキャリア濃度が、前記共振領域以外における前記コンタクト層のキャリア濃度より低い
    請求項１３に記載の面発光レーザ素子。
15. 前記共振領域の少なくとも一部に対応する前記コンタクト層には不純物がドープされていない
    請求項１３に記載の面発光レーザ素子。
16. 前記コンタクト層は、前記コンタクト層の最上面および最下面の間に、前記共振領域における定在波の腹が配置されるように設けられる
    請求項１から１５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
17. 前記上側反射層は、前記共振領域の外側における前記下側反射層の上面にも設けられる
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
18. 前記コンタクト層の最下面が、前記電流拡散層の最上面に接している
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
19. 前記上部反射層は誘電体からなり、
    前記コンタクト層の下側に半導体で形成された中間反射層を更に備える
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
20. 基材と、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が、前記基材に一次元または二次元のアレイ状に設けられたレーザ素子アレイ。
21. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子と、
    前記面発光レーザ素子に印加する電圧を制御する制御回路と
    を備える光源。
22. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子と、
    前記面発光レーザ素子が出力するレーザ光を伝搬する光導波路と、
    前記面発光レーザ素子及び前記光導波路を光学的に結合する光結合部と
    を備える光モジュール。

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