JP2002359434A - Surface emission laser element and surface emission laser array using the same - Google Patents
Surface emission laser element and surface emission laser array using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、分布ブラッグ反射
器（DBR：Distributed Bragg Reflector）を共振器ミラ
ーとした面発光レーザ素子技術に係り、特に、発振閾値
電流を低減した面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子
を用いた面発光レーザアレイ、これらを用いた光インタ
ーコネクションシステム、および光ファイバ通信システ
ムや光LANシステムなどの光通信システムに関する。本
発明は、光伝送や光通信用の長波長帯の面発光レーザ素
子および面発光レーザアレイとして特に有用である。The present invention relates to a surface emitting laser device technology using a distributed Bragg reflector (DBR) as a resonator mirror, and more particularly to a surface emitting laser device having a reduced oscillation threshold current. The present invention relates to a surface emitting laser array using a surface emitting laser element, an optical interconnection system using the same, and an optical communication system such as an optical fiber communication system and an optical LAN system. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly useful as a long-wavelength surface emitting laser element and a surface emitting laser array for optical transmission and optical communication.
【０００２】[0002]
【従来の技術】基板に対して垂直方向に発光、発振する
いわゆる面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ:Vertical Cavi
ty Surface Emitting Laser；垂直空洞面発光型半導体
レーザ素子）は効率が高く、ビーム特性、縦モード特性
に優れている。さらに、２次元アレイ化に適しているこ
とから、光インターコネクションなどへの応用が研究さ
れている。2. Description of the Related Art A so-called VCSEL (Vertical Caviar) that emits and oscillates in a direction perpendicular to a substrate.
The ty Surface Emitting Laser (vertical cavity surface emitting semiconductor laser device) has high efficiency and excellent beam characteristics and longitudinal mode characteristics. Further, since it is suitable for a two-dimensional array, application to optical interconnection and the like is being studied.
【０００３】面発光レーザ素子は、端面発光型レーザと
比べて共振器長が短いことから、共振器ミラーには高い
反射率が必要とされ、１００％近い反射率が得られる分
布ブラッグ反射器が共振器ミラーに用いられている。分
布ブラッグ反射器は、屈折率の異なる２種の半導体層
（または誘電体層）をそれぞれ発振波長の１／４の光学
的厚さに交互に積層して作られている。A surface emitting laser element has a shorter resonator length than an edge emitting laser, so that a high reflectance is required for a resonator mirror, and a distributed Bragg reflector capable of obtaining a reflectance close to 100% is used. Used for resonator mirrors. The distributed Bragg reflector is formed by alternately laminating two kinds of semiconductor layers (or dielectric layers) having different refractive indexes to an optical thickness of １ ／ of the oscillation wavelength.
【０００４】面発光レーザ素子として、Al混晶の酸化物
による電流狭窄構造を有する０.８５μｍ帯，０.９８μ
ｍ帯の素子は公知である。例えば、Electronics Letter
s 31(1995) p560-562には、有機金属化学気相成長法（M
OCVD法；Metal Organic Chemical Vaper Deposition）
によって結晶成長されたInGaAs /GaAs量子井戸活性層
と、このInGaAs /GaAs量子井戸活性層の上下のAlAs/GaA
sからなる分布ブラッグ反射器を備えた素子の被選択酸
化電流狭窄構造について詳細に説明されている。As a surface emitting laser device, a 0.85 μm band, 0.98 μm band having a current confinement structure made of an Al mixed crystal oxide is used.
Elements in the m band are known. For example, Electronics Letter
s 31 (1995) p560-562 includes metal-organic chemical vapor deposition (M
OCVD method; Metal Organic Chemical Vaper Deposition)
InGaAs / GaAs quantum well active layer crystal-grown by AlAs / GaA above and below this InGaAs / GaAs quantum well active layer.
The selective oxidation current confinement structure of the device having the distributed Bragg reflector made of s is described in detail.
【０００５】この従来技術では、素子部の結晶成長の
後、素子部表面から基板表面までを直径２０μｍの円柱
形状にエッチングし、８０℃に加熱した水を窒素ガスで
バブリングして得られた水蒸気雰囲気中において４００
℃の温度でアニールを行い、円柱部の側面からAlAs層の
みを選択的に酸化し、直径５μｍの電流通路を円柱の中
央部に残して、円柱周辺部にAlOxによる電流狭窄構造を
形成している。AlOxは高い絶縁性を有しているため、酸
化が行われなかった領域に効率良く電流を狭窄すること
ができる。上述の素子は、この構造により７０μAとい
う極低閾値を実現している。In this prior art, after the crystal growth of the element portion, the water from the surface of the element portion to the substrate surface is etched into a columnar shape having a diameter of 20 μm, and water heated to 80 ° C. is bubbled with nitrogen gas. 400 in the atmosphere
Anneal at a temperature of ℃, selectively oxidize only the AlAs layer from the side of the column, leaving a 5 μm diameter current path in the center of the column, forming a current confinement structure with AlOx around the column. I have. Since AlOx has high insulating properties, current can be efficiently confined in a region where oxidation has not been performed. The above-described device realizes an extremely low threshold value of 70 μA by this structure.
【０００６】Alの酸化物（AlOx）は良質な絶縁体である
ため、分布ブラッグ反射器中に設けることにより、電流
注入が活性層の特定の領域に制限され、微小な注入電流
で高いキャリア密度が得られ、１ｍＡ以下の発振閾値電
流を得ることが可能となる。また、電流狭窄構造による
屈折率差により、安定に単一横モード発振を得ることが
可能となる。[0006] Since Al oxide (AlOx) is a good insulator, its current injection is limited to a specific region of the active layer by providing it in a distributed Bragg reflector. And an oscillation threshold current of 1 mA or less can be obtained. In addition, the single transverse mode oscillation can be stably obtained by the difference in the refractive index due to the current confinement structure.
【０００７】また、近年石英ファイバによる光通信や光
伝送用の光源として、面発光レーザ素子が注目されてお
り、InGaAs、GaAsSb、GaInNAs等の１.１μｍより長波長
の発光が得られる半導体レーザ材料が研究されている。In recent years, surface-emitting laser elements have attracted attention as light sources for optical communication and optical transmission using quartz fibers, and semiconductor laser materials such as InGaAs, GaAsSb, and GaInNAs that can emit light having a wavelength longer than 1.1 μm. Has been studied.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
０.８５μｍ帯の素子等でも電流狭窄層は分布ブラッグ
反射器の中に設けられているため活性層との距離が離れ
ており、分布ブラッグ反射器中に設けた電流狭窄層で一
旦狭窄されたキャリアが、熱運動によって再び拡散し、
狭窄の効果が低減するという問題がある。However, even in a conventional 0.85 .mu.m band device or the like, the current confinement layer is provided in the distributed Bragg reflector, so that the distance between the current confining layer and the active layer is large and the distributed Bragg reflection is small. The carrier once confined by the current confinement layer provided in the vessel is diffused again by thermal motion,
There is a problem that the effect of stenosis is reduced.
【０００９】また、石英ファイバを用いた高速通信に必
要とされる長波長帯の面発光レーザ素子は、従来の０.
８５μｍ、０.９８μｍ帯面発光レーザ素子に比べ長波
長であり、共振器スペーサー層の厚さがさらに厚くなる
ので、狭窄の効果がさらに低減してしまうという問題が
ある。A long-wavelength surface-emitting laser device required for high-speed communication using a quartz fiber is a conventional surface emitting laser device.
The wavelength is longer than that of the surface emitting laser device of 85 μm and 0.98 μm band, and the thickness of the cavity spacer layer is further increased, so that there is a problem that the effect of constriction is further reduced.
【００１０】本発明は、上記問題を解消し、発振閾値電
流が低く特性の優れた面発光レーザ素子（請求項１〜
６）、該面発光レーザ素子を用いた並列光インターコネ
クション用途等に好適な低消費電力、高速変調可能な面
発光レーザアレイ（請求項７）、高速伝送が可能な光イ
ンターコネクションシステム（請求項８）、および高速
通信が可能な光通信システム（請求項９）を提供するこ
とを目的としている。The present invention solves the above-mentioned problems, and has a surface emitting laser element having a low oscillation threshold current and excellent characteristics.
6) A surface emitting laser array capable of high-speed modulation with low power consumption and suitable for parallel optical interconnection applications using the surface emitting laser element (claim 7), and an optical interconnection system capable of high-speed transmission (claim) 8) and an optical communication system capable of high-speed communication (claim 9).
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次のような特徴ある構成を採用した。以
下、各請求項毎の構成について述べる。 （１）請求項１記載の発明では、活性層および共振器ス
ペーサー層を含む共振領域と、該共振領域を挟んで対向
する一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ
素子であって、Alを含む半導体混晶を酸化してなる電流
狭窄構造を共振器スペーサー層中に設けた構造とした。In order to achieve the above object, the present invention employs the following characteristic structure. Hereinafter, the configuration for each claim will be described. (1) The surface emitting laser device according to the first aspect of the present invention includes a resonance region including an active layer and a resonator spacer layer, and a pair of distributed Bragg reflectors opposed to each other with the resonance region interposed therebetween. A current confinement structure formed by oxidizing a semiconductor mixed crystal containing Al was provided in the resonator spacer layer.
【００１２】（２）請求項２記載の発明では、請求項１
記載の面発光レーザ素子において、共振器スペーサー層
と電流狭窄構造と活性層からなる共振器構造の光学的厚
さを、一波長光学的厚さより長いｎλ共振器構造（ｎ≧
２）とした。(2) According to the second aspect of the invention,
In the surface-emitting laser element described above, the optical thickness of the resonator structure including the resonator spacer layer, the current confinement structure, and the active layer is set to an nλ resonator structure (n ≧
2).
【００１３】ここで、「光学的厚さ」を次のように定義
する。対象としている波長λに対する媒質の屈折率をｎ
とした場合に、媒質中での光の波長はλ/ｎで与えられ
る。この厚さを一波長光学的厚さと定義する。また、媒
質の厚さをdとした場合、この媒質の光学的厚さは、d/
(λ/ｎ)と与えられる。共振器スペーサー層、Alを含ん
だ半導体混晶を酸化してなる電流狭窄構造、および活性
層からなる共振領域の光学的厚さの和が一波長に等しい
場合、この共振構造をλ共振器構造と呼ぶ。Here, “optical thickness” is defined as follows. Let n be the refractive index of the medium for the wavelength λ of interest.
In this case, the wavelength of light in the medium is given by λ / n. This thickness is defined as one wavelength optical thickness. When the thickness of the medium is d, the optical thickness of the medium is d /
(λ / n). When the sum of the optical thickness of the resonator spacer layer, the current confinement structure obtained by oxidizing a semiconductor mixed crystal containing Al, and the resonance region consisting of the active layer is equal to one wavelength, this resonance structure is changed to a λ resonator structure. Call.
【００１４】（３）請求項３記載の発明では、請求項１
または２記載の面発光レーザ素子において、Alを含む半
導体混晶を酸化してなる電流狭窄構造が活性層を挟んで
両側の共振器スペーサー中に設けられている構成とし
た。 （４）請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれ
かに記載の面発光レーザ素子において、共振器スペーサ
ー層と電流狭窄構造を形成する層との界面にAlの組成を
連続的に変化させた組成傾斜層、若しくはAl組成が異な
る１つ以上の層、若しくはこれらを組み合わせた層を含
んだ構成とした。(3) According to the third aspect of the invention,
Alternatively, in the surface emitting laser element described in 2, the current confinement structure obtained by oxidizing a semiconductor mixed crystal containing Al is provided in the resonator spacers on both sides of the active layer. (4) In the surface emitting laser element according to any one of the first to third aspects, the composition of Al is continuously formed at the interface between the cavity spacer layer and the layer forming the current confinement structure. , A composition gradient layer, or one or more layers having different Al compositions, or a combination of these layers.
【００１５】（５）請求項５記載の発明では、請求項１
〜４のいずれかに記載の面発光レーザ素子において、該
面発光レーザ素子の発振波長を１.１μｍより長波長と
した。 （６）請求項６記載の発明では、請求項１〜５のいずれ
かに記載の面発光レーザ素子において、活性層の材料を
GaInAs，GaNAs，GaInNAs，GaAsSb，GaInAsNSb混晶のい
ずれかとする構成とした。 （７）請求項７記載の発明では、請求項１〜６のいずれ
かに記載の面発光レーザ素子を用いて面発光レーザアレ
イを構成した。(5) In the invention according to claim 5, claim 1 is
In the surface emitting laser device according to any one of the above-described items 4, the oscillation wavelength of the surface emitting laser device is longer than 1.1 μm. (6) In the invention according to claim 6, in the surface emitting laser device according to any one of claims 1 to 5, the material of the active layer is
The structure was one of GaInAs, GaNAs, GaInNAs, GaAsSb, and GaInAsNSb mixed crystal. (7) According to the seventh aspect of the invention, a surface emitting laser array is formed by using the surface emitting laser element according to any one of the first to sixth aspects.
【００１６】（８）請求項８記載の発明では、請求項１
〜６のいずれかに記載の面発光レーザ素子、または請求
項７記載の面発光レーザアレイによって光インターコネ
クションシステムを構成した。本構成の光インターコネ
クションシステムでは、発振閾値電流が低減された請求
項１〜６のいずれかに記載の面発光レーザ素子、または
請求項７記載の面発光レーザアレイを光源に用いたこと
により、高速伝送が可能な光インターコネクションシス
テムとして動作する。(8) In the invention described in claim 8, according to claim 1,
An optical interconnection system was constituted by the surface emitting laser element according to any one of the above-described aspects, or the surface emitting laser array according to the seventh aspect. In the optical interconnection system of this configuration, by using the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 6 or the surface emitting laser array according to claim 7 having a reduced oscillation threshold current as a light source, It operates as an optical interconnection system capable of high-speed transmission.
【００１７】（９）請求項９記載の発明では、請求項１
〜６のいずれかに記載の面発光レーザ素子、または請求
項７記載の面発光レーザアレイによって光通信システム
を構成した。本構成の光通信システムでは、発振閾値電
流が低減された請求項１〜６のいずれかに記載の面発光
レーザ素子、または請求項７記載の面発光レーザアレイ
を光源に用いたことにより、高速通信が可能な光通信シ
ステムとして動作する。(9) According to the ninth aspect, in the first aspect,
An optical communication system is constituted by the surface emitting laser element according to any one of the above (6) to (6) or the surface emitting laser array according to the seventh aspect. In the optical communication system of this configuration, the surface emitting laser device according to any one of claims 1 to 6 or the surface emitting laser array according to claim 7 having a reduced oscillation threshold current is used as a light source, so that high speed operation is achieved. It operates as an optical communication system capable of communication.
【００１８】[0018]
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施例を詳細に説明する。 （１）実施例１（請求項１、２の実施例） 図１は、請求項１および２に係る面発光レーザ素子の実
施例を説明するための図であり、GaAsを活性層とした
０.８５μｍ帯面発光レーザ素子の例を示している。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. (1) Example 1 (Example of Claims 1 and 2) FIG. 1 is a view for explaining an example of a surface emitting laser device according to Claims 1 and 2, wherein a GaAs active layer is used. An example of a .85 μm band surface emitting laser device is shown.
【００１９】まず、図１を用いて請求項１の面発光レー
ザ素子を説明する。図１の面発光レーザ素子は、例えば
トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TM
G)、AsH３を原料とした有機金属化学気相成長法（MOCVD
法）によって結晶成長が行われる。First, the surface emitting laser device of claim 1 will be described with reference to FIG. The surface emitting laser device shown in FIG. 1 includes, for example, trimethyl aluminum (TMA), trimethyl gallium (TM)
G), metal organic chemical vapor deposition method in which the AsH 3 as a raw material (MOCVD
Method) to perform crystal growth.
【００２０】図１に示した面発光レーザ素子は、具体的
には、GaAs基板１０上にｎ-GaAsバッファー層を結晶成
長した後、Al０．９Ga０．１As/Al０．１５Ga０．８５A
sの４３ペアｎ-分布ブラッグ反射器１１による下部反射
鏡、Al０．１５Ga０．８５As共振器スペーサー層１２、
GaAs(8nm)/Al０．１５Ga０．８５As(2nm)多重量子井戸
活性層１３からなる共振領域、Al０．９Ga０．１As/Al
０．１５Ga０．８５Asの２６ペアｐ-分布ブラッグ反射
器１４からなる上部反射鏡、ｐ-Al０．１５Ga０ ．８５A
sコンタクト層１５が結晶成長されている。ここで、分
布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは発振波長の１
/４光学的厚さとし、活性層１３を含む共振領域の厚さ
は一波長光学的厚さとした。また、多重量子井戸構造の
井戸数は３とした。Specifically, the surface emitting laser device shown in FIG. 1 has a structure in which an n-GaAs buffer layer is crystal-grown on a GaAs substrate 10 and then Al 0.9 Ga 0.1 As / Al 0.15 Ga. 0.85 A
s 43 pairs n-distributed Bragg reflector 11, lower reflector, Al 0.15 Ga 0.85 As resonator spacer layer 12,
Resonant region composed of GaAs (8 nm) / Al 0.15 Ga 0.85 As (2 nm) multiple quantum well active layer 13, Al 0.9 Ga 0.1 As / Al
An upper reflector consisting of 26 pairs of p-distributed Bragg reflectors 14 of 0.15 Ga 0.85 As, p-Al 0.15 Ga 0 . 85 A
The s-contact layer 15 is crystal-grown. Here, the thickness of each layer constituting the distributed Bragg reflector is 1 of the oscillation wavelength.
The thickness of the resonance region including the active layer 13 was a one-wavelength optical thickness. The number of wells in the multiple quantum well structure was set to three.
【００２１】共振器構造におけるGaAs/Al０．１５Ga
０．８５As多重量子井戸活性層１３は、共振器スペーサ
ー層１２の中央に配置されている。また、共振器スペー
サー層中にはAlAs被選択酸化層（１５ｎｍ）１６を設け
る。AlAs被選択酸化層１６の位置は、発振光の回折を最
小とするように、共振器内の光の定在波の節となるよう
にした（後述する図２参照）。また、AlAs被選択酸化層
１６の厚さは、共振器の共振波長に影響を与えないよう
に酸化が可能な範囲でできるだけ薄くする必要がある。GaAs / Al 0.15 Ga in resonator structure
The 0.85 As multiple quantum well active layer 13 is disposed at the center of the resonator spacer layer 12. An AlAs selectively oxidized layer (15 nm) 16 is provided in the resonator spacer layer. The position of the AlAs selectively oxidized layer 16 was set to be a node of a standing wave of light in the resonator so as to minimize diffraction of oscillation light (see FIG. 2 described later). Further, the thickness of the AlAs selectively oxidized layer 16 needs to be as thin as possible within an oxidizable range so as not to affect the resonance wavelength of the resonator.
【００２２】次に、ｎ-分布ブラッグ反射器１１までの
各層を３０μｍ×３０μｍ角の柱状素子部を残してドラ
イエッチングよって除去した。次に、窒素ガス（N２）
によって８０℃に加熱した水をバブリングして得た雰囲
気中において４６０℃に加熱し、前述の柱状素子部の中
心に３μｍ×３μｍの電流通路を残し、横方向からAlAs
層を選択的に酸化して電流狭窄構造（AlAs選択酸化絶縁
部１６’）を設けた。次に、CVD法（Chemical Vapor De
position；化学気相成長法）によりSiO２を素子全面に
堆積させた。次に、ポリイミド１７をスピンコートによ
り塗布し、熱処理によって硬化させ、円柱上領域のポリ
イミドをドライエッチングにより除去した。Next, each layer up to the n-distribution Bragg reflector 11 was removed by dry etching except for a columnar element portion of 30 μm × 30 μm square. Next, nitrogen gas (N 2 )
Is heated to 460 ° C. in an atmosphere obtained by bubbling water heated to 80 ° C., leaving a current path of 3 μm × 3 μm at the center of the columnar element part, leaving AlAs in the lateral direction.
The layer was selectively oxidized to provide a current confinement structure (AlAs selective oxidation insulating portion 16 '). Next, the CVD method (Chemical Vapor De
position; chemical vapor deposition) to deposit SiO 2 on the entire surface of the device. Next, polyimide 17 was applied by spin coating, cured by heat treatment, and the polyimide on the column was removed by dry etching.
【００２３】次に、柱状素子部のポリイミド除去部分の
SiO２をウエットエッチングにより除去し、次工程の電
極リフトオフのために柱状素子部の中心にレジストパタ
ーンを形成した。次に、ｐ側電極材料（ｐ電極１８）の
蒸着を行って、レジスト上の電極材料のリフトオフを行
った。次に、アニールによりオーミック導通を取った。
次に、裏面研磨を行い、素子裏面にｎ電極材料（ｎ電極
１９）を蒸着し、アニールによってオーミック導通を取
り、図１に示す面発光レーザ素子を完成させた。Next, the polyimide removal portion of the columnar element portion
The SiO 2 was removed by wet etching, and a resist pattern was formed at the center of the columnar element for the electrode lift-off in the next step. Next, a p-side electrode material (p electrode 18) was deposited to lift off the electrode material on the resist. Next, ohmic conduction was obtained by annealing.
Next, the back surface was polished, an n-electrode material (n-electrode 19) was deposited on the back surface of the device, and ohmic conduction was obtained by annealing to complete the surface-emitting laser device shown in FIG.
【００２４】図２は、本実施例における面発光レーザ素
子内の光の定在波分布を示す図である。発振を生じるGa
As/Al０．１５Ga０．８５As多重量子井戸活性層１３は
光の定在波ａの腹に位置し、高い発振効率が得られてい
る。また、電流狭窄層となるAlAs選択酸化絶縁部１６’
は、光の回折の影響を小さく抑えるために定在波の節に
設けている。しかし、AlAs選択酸化絶縁部１６’の位置
は、必ずしもこの位置に限るものではなく、この位置以
外の共振器中に設けても良い。例えば、さらに活性層に
近い位置に設けることによって、より高い電流狭窄効果
を得ることができる。FIG. 2 is a diagram showing a standing wave distribution of light in the surface emitting laser device in this embodiment. Ga causing oscillation
The As / Al 0.15 Ga 0.85 As multiple quantum well active layer 13 is located at the antinode of the standing wave a of light, and high oscillation efficiency is obtained. Also, the AlAs selective oxidation insulating portion 16 ′ serving as a current confinement layer
Is provided at the node of the standing wave in order to reduce the influence of light diffraction. However, the position of the AlAs selective oxidation insulating portion 16 'is not necessarily limited to this position, and may be provided in a resonator other than this position. For example, a higher current confinement effect can be obtained by providing the layer closer to the active layer.
【００２５】本実施例では、GaAs/Al０．１５Ga
０．８５As多重量子井戸活性層１３とAlAs選択酸化絶縁
部１６’の距離は約６０ｎｍであり、分布ブラッグ反射
器中でGaAs/Al０．１５Ga０．８５As多重量子井戸活性
層１３に最も近い定在波ａの節の位置に設けた場合に比
べて約１２０ｎｍ近い位置（従来の１/３の距離）にな
っている。よって、正孔がAlAs選択酸化絶縁部１６’を
通過した後の拡散が少なくなり、発振閾値電流は低減す
る。In this embodiment, GaAs / Al 0.15 Ga
The distance between the 0.85 As multiple quantum well active layer 13 and the AlAs selective oxidation insulating portion 16 ′ is about 60 nm, and the distance between the 0.85 As multiple quantum well active layer 13 and the GaAs / Al 0.15 Ga 0.85 As multiple quantum well active layer 13 in the distributed Bragg reflector. The position is closer to about 120 nm (one-third of the distance in the past) than when provided at the node of the nearest standing wave a. Therefore, diffusion of holes after passing through the AlAs selective oxidation insulating portion 16 'is reduced, and the oscillation threshold current is reduced.
【００２６】なお、AlAs選択酸化絶縁部１６’を設ける
位置はｐ側だけでなく、活性層とｎ-分布ブラッグ反射
器の間の同様の位置に設けることができる。図３は、Al
As選択酸化絶縁部２６’を活性層２３とｎ-分布ブラッ
グ反射器２１の間の同様の位置に設けた場合の構成図で
ある（同図における参照番号２０〜２９は、図１の参照
番号１０〜１９に対応している）。電子は、正孔に対し
て、移動度が約一桁大きく、拡散長は約３倍長い。従っ
て、選択酸化絶縁部を通過した後のキャリアの広がりが
大きく、従来、正孔のように十分に狭窄効果を維持する
ことができなかった。しかし、請求項１記載の構造のよ
うに、共振器スペーサー層中に電流狭窄層となる選択酸
化絶縁部１６’または２６’を設けた場合は、活性層と
の距離を従来の１/３程度にできるので、電子に対して
も高い狭窄効果を得ることが可能となる。選択酸化絶縁
部は、通常“電流狭窄層”と呼ばれるものである。な
お、被選択酸化層としては、AlAsの他にもAl組成の大き
なAlGaAsを用いることができる。The position where the AlAs selective oxidation insulating portion 16 'is provided is not limited to the p-side, but may be provided at a similar position between the active layer and the n-distribution Bragg reflector. FIG.
FIG. 2 is a configuration diagram when an As selective oxidation insulating portion 26 ′ is provided at a similar position between the active layer 23 and the n − distribution Bragg reflector 21 (reference numerals 20 to 29 in FIG. 10-19). Electrons have a mobility about one order of magnitude higher than holes and a diffusion length about three times longer. Therefore, the carrier spreads after passing through the selective oxide insulating portion, and the narrowing effect as in the case of holes cannot be maintained conventionally. However, when the selective oxidation insulating portion 16 'or 26' serving as a current confinement layer is provided in the resonator spacer layer as in the structure of the first aspect, the distance from the active layer is about 1/3 of the conventional one. Therefore, a high confinement effect can be obtained even for electrons. The selective oxidation insulating portion is generally called a “current confinement layer”. As the layer to be selectively oxidized, AlGaAs having a large Al composition can be used in addition to AlAs.
【００２７】狭窄構造を通過したキャリアは熱運動によ
り再び拡散を始めるので、電流狭窄層となる選択酸化絶
縁部と発光部である活性層の距離が小さい程狭窄の効果
が大きい。請求項１のように、Al混晶の酸化物による電
流狭窄構造を、従来のように分布ブラッグ反射器中では
なく、分布ブラッグ反射器と活性層の間（共振器スペー
サー層中）に設けることにより、キャリアの広がりを小
さく抑えることができる。これによって、従来よりも発
振閾値電流を低減することが可能になる。Since carriers that have passed through the constriction structure begin to diffuse again due to thermal motion, the effect of the constriction is greater as the distance between the selective oxide insulating portion serving as the current confinement layer and the active layer serving as the light emitting portion is smaller. The current confinement structure of the Al mixed crystal oxide is provided between the distributed Bragg reflector and the active layer (in the resonator spacer layer), not in the conventional distributed Bragg reflector. Thereby, the spread of the carrier can be suppressed to be small. As a result, the oscillation threshold current can be reduced as compared with the related art.
【００２８】また、上述したように電流狭窄構造を共振
器スペーサー層中に設ける場合は活性層との距離を従来
の１/３程度にできるので、ｐ側に限らず、ｎ側に設け
ることによっても高い狭窄効果が得られ、発振閾値電流
を従来より低減することができる。また、発振閾値電流
が小さいことから、高速変調が可能である。以上から、
発振閾値電流が低く特性の優れた面発光レーザ素子を得
ることができる。When the current confinement structure is provided in the resonator spacer layer as described above, the distance from the active layer can be reduced to about 1/3 of the conventional structure. Thus, a high constriction effect can be obtained, and the oscillation threshold current can be reduced as compared with the related art. In addition, since the oscillation threshold current is small, high-speed modulation is possible. From the above,
A surface emitting laser device having a low oscillation threshold current and excellent characteristics can be obtained.
【００２９】次に、請求項２の実施例について説明す
る。本実施例において、共振器構造はλ共振器のみでは
なく、ｎλ（ｎ≧２）共振器構造とする。図４は、共振
器構造をｎλ（ｎ≧２）共振器構造とした例を示す図で
ある（同図における参照番号３０〜３９は、図１の参照
番号１０〜１９に対応している）。図４では、ｐ側分布
ブラッグ反射器３４と活性層３３の間のGaAs共振器スペ
ーサー層３２中の、活性層３３から最も近い光の定在波
の節の位置に電流狭窄層となる選択酸化絶縁部３６’を
設けている。Next, a second embodiment will be described. In this embodiment, the resonator structure is not only a λ resonator, but also an nλ (n ≧ 2) resonator structure. FIG. 4 is a diagram showing an example in which the resonator structure is an nλ (n ≧ 2) resonator structure (reference numerals 30 to 39 in FIG. 4 correspond to reference numerals 10 to 19 in FIG. 1). . In FIG. 4, the selective oxidation that becomes the current confinement layer at the position of the node of the standing wave of light closest to the active layer 33 in the GaAs resonator spacer layer 32 between the p-side distributed Bragg reflector 34 and the active layer 33 An insulating section 36 'is provided.
【００３０】従来、共振領域の厚い面発光レーザ素子で
は、ゼロ次横モード単一発振が崩れるまで（高次横モー
ドが発振し始めるまで）の最高発振出力が、λ共振器等
の単共振器長構造に比べて高いことが知られている。こ
のような構造では、活性層３３と分布ブラッグ反射器３
４との距離が離れているので、従来のように分布ブラッ
グ反射器中に電流狭窄のための選択酸化絶縁部を設けた
のでは、選択酸化絶縁部を通過した後に、キャリアの熱
拡散によって電流が再び広がってしまい、十分な狭窄効
果を得ることができない。Conventionally, in a surface emitting laser device having a thick resonance region, the maximum oscillation output until the zero-order transverse mode single oscillation collapses (until the higher-order transverse mode starts to oscillate) is a single resonator such as a λ resonator. It is known to be higher than long structures. In such a structure, the active layer 33 and the distributed Bragg reflector 3
Therefore, if a selective oxidation insulating portion for current confinement is provided in the distributed Bragg reflector as in the prior art because the distance from the selective oxidation insulating portion 4 is large, after passing through the selective oxidation insulating portion, the current is diffused by thermal diffusion of carriers. Spread again, and a sufficient stenosis effect cannot be obtained.
【００３１】しかし、本実施例のように共振器スペーサ
ー層３２中に選択酸化絶縁部３６’を設けることによっ
て、熱拡散による電流広がりは小さくなり、発振閾値電
流を低減することができる。図４の構成以外に、AlAs選
択酸化絶縁部を、ｎ側分布ブラッグ反射器３１と活性層
３３の間の同様の位置に設けることも可能である。However, by providing the selective oxidation insulating portion 36 'in the resonator spacer layer 32 as in this embodiment, the current spread due to thermal diffusion is reduced, and the oscillation threshold current can be reduced. In addition to the configuration shown in FIG. 4, it is also possible to provide an AlAs selective oxidation insulating portion at a similar position between the n-side distributed Bragg reflector 31 and the active layer 33.
【００３２】本実施例に示したこれらの素子の発振閾値
電流は、いずれも従来の０.８５μｍ帯面発光レーザ素
子に比べて低いものであった。以上のようにして、発振
閾値電流の低い面発光レーザ素子を得ることができる。The oscillation threshold currents of these devices shown in this embodiment were all lower than those of the conventional 0.85 μm surface emitting laser device. As described above, a surface emitting laser element having a low oscillation threshold current can be obtained.
【００３３】本実施例によれば、共振器スペーサー層中
に選択酸化絶縁部（電流狭窄層）を設けることによっ
て、選択酸化絶縁部（電流狭窄層）と活性層との距離を
短くできるので、狭窄の効果を良好に保つことができ
る。以上から、長共振器構造を有した面発光レーザ素子
の発振閾値電流を低減させることができ、特性の優れた
面発光レーザ素子を得ることができる。According to this embodiment, the distance between the selective oxidation insulating portion (current constriction layer) and the active layer can be shortened by providing the selective oxidation insulating portion (current confinement layer) in the resonator spacer layer. The effect of stenosis can be kept good. As described above, the oscillation threshold current of the surface emitting laser element having the long cavity structure can be reduced, and a surface emitting laser element having excellent characteristics can be obtained.
【００３４】（２）実施例２（請求項３、４の実施例） 図５は、請求項３および４に係る面発光レーザ素子の実
施例を説明するための図であり、GaAsを活性層とした
０.８５μｍ帯面発光レーザ素子の例を示している（同
図における参照番号４０〜４９は、図１の参照番号１０
〜１９に対応している）。(2) Embodiment 2 (Embodiments of Claims 3 and 4) FIG. 5 is a view for explaining an embodiment of the surface emitting laser device according to claims 3 and 4, wherein GaAs is an active layer. FIG. 1 shows an example of a 0.85 μm band surface emitting laser element (reference numerals 40 to 49 in FIG.
~ 19).
【００３５】まず、図５を用いて請求項３に係る面発光
レーザ素子を説明する。図５の帯面発光レーザ素子は、
実施例１と同様なGaAsを活性層４３とした０.８５μｍ
帯面発光レーザであり、選択酸化絶縁部４６’が、ｎ側
およびｐ側の両方に設けられている（請求項３）。本面
発光レーザ素子は、実施例１と同様の方法と手順によっ
て結晶成長および作製を行ったλ共振器構造を持つ面発
光レーザ素子であり、活性層４３を挟んで両側の共振器
スペーサー４２層中の光の定在波の節の位置にAlAs被選
択酸化層４６を設けている。First, a surface emitting laser device according to claim 3 will be described with reference to FIG. The band-emission laser device of FIG.
0.85 μm as the active layer 43 made of GaAs as in the first embodiment.
This is a band-emission laser, and the selective oxidation insulating portion 46 'is provided on both the n-side and the p-side (claim 3). The present surface emitting laser device is a surface emitting laser device having a λ resonator structure in which a crystal is grown and manufactured by the same method and procedure as in Example 1. The surface emitting laser device has two resonator spacers 42 on both sides of the active layer 43. An AlAs selectively oxidized layer 46 is provided at the position of the node of the standing light of the inside.
【００３６】本構成では、Alを含む半導体混晶を酸化し
てなる電流狭窄構造が活性層を挟んで両側の共振器スペ
ーサー層中に設けられる構成としている。請求項１のよ
うに、電子に対しても高い狭窄効果が期待できるので、
請求項３のように電流狭窄構造を活性層の両側に設ける
と、ｐ側のみに設けた場合に比べ、さらに発振閾値電流
を低減することができる。以上から、発振閾値電流が低
く特性の優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
なお、被選択酸化層としては、AlAsの他にもAl組成の大
きなAlGaAsを用いることができる。In this structure, a current confinement structure formed by oxidizing a semiconductor mixed crystal containing Al is provided in the resonator spacer layers on both sides of the active layer. As described in claim 1, a high constriction effect can be expected for electrons.
When the current confinement structure is provided on both sides of the active layer, the oscillation threshold current can be further reduced as compared with the case where the current confinement structure is provided only on the p-side. As described above, a surface emitting laser element having a low oscillation threshold current and excellent characteristics can be obtained.
As the layer to be selectively oxidized, AlGaAs having a large Al composition can be used in addition to AlAs.
【００３７】本実施例では、端側が酸化されてAlAs選択
酸化絶縁部４６’が形成されているAlAs被選択酸化層４
６の両側に、請求項４の実施例として電気抵抗を低減す
るためのAlGaAs組成傾斜層４６２を設けている。AlGaAs
組成傾斜層４６２では混晶組成を共振器スペーサー層の
材料であるAl０．１５Ga０．８５Asから、被選択酸化層
の材料であるAlAsに至るまで連続的に変化させている。In this embodiment, the AlAs selectively oxidized layer 4 in which the end side is oxidized to form the AlAs selective oxidation insulating portion 46 'is formed.
On both sides of the sixth embodiment, an AlGaAs composition gradient layer 462 for reducing electric resistance is provided as an embodiment of the present invention. AlGaAs
In the composition gradient layer 462, the mixed crystal composition is continuously changed from Al 0.15 Ga 0.85 As, which is the material of the resonator spacer layer, to AlAs, which is the material of the layer to be selectively oxidized.
【００３８】また、Al０．１５Ga０．８５As共振器スペ
ーサー層４２，AlAs被選択酸化層４６，AlGaAs組成傾斜
層４６２，GaAs/Al０．１５Ga０．８５As多重量子井戸
活性層４３を含む共振領域はλ共振器を構成しており、
GaAs/Al０．１５Ga０．８５As多重量子井戸活性層４３
は共振領域の中央の光の定在波の腹となる位置に設けら
れている。また、AlAs被選択酸化層４６の位置は、実施
例１と同様に発振光の回折を最小とするように、共振器
内の光の定在波の節となるようにした。この後、実施例
１と同様に加工を行い、図の面発光レーザ素子とした。Further, an Al 0.15 Ga 0.85 As resonator spacer layer 42, an AlAs selective oxidation layer 46, an AlGaAs composition gradient layer 462, a GaAs / Al 0.15 Ga 0.85 As multiple quantum well active layer 43. The resonance region including λ constitutes a λ resonator,
GaAs / Al 0.15 Ga 0.85 As multiple quantum well active layer 43
Is provided at the center of the resonance region at the antinode of the standing wave of light. Further, the position of the AlAs selectively oxidized layer 46 is set to be a node of a standing wave of light in the resonator so as to minimize the diffraction of the oscillating light as in the first embodiment. Thereafter, processing was performed in the same manner as in Example 1 to obtain the surface emitting laser device shown in FIG.
【００３９】このようにAlGaAs組成傾斜層４６２を設け
ることによって、AlAs被選択酸化層４６とAl０．１５Ga
０．８５As共振器スペーサー層４２のバンド不連続によ
るヘテロスパイクの発生を抑制することができる。ヘテ
ロスパイクが発生すると、キャリア注入の妨げとなるの
で素子を高抵抗化させてしまう。By providing the AlGaAs composition gradient layer 462 in this manner, the AlAs selectively oxidized layer 46 and the Al 0.15 Ga
The generation of hetero spikes due to band discontinuity of the 0.85 As resonator spacer layer 42 can be suppressed. The occurrence of heterospikes hinders the injection of carriers, which increases the resistance of the device.
【００４０】本実施例の構成とすることで、電気抵抗は
低くなり、動作電圧、素子発熱を低減できる。また、本
実施例ではAl組成を連続的に変化させたAlGaAs組成傾斜
層４６２を用いているが、この他にもAl組成の異なる２
つ以上のAlGaAs層を組み合わせて、ステップ状にAl組成
を変化させた構造を用いることもできる。また、被選択
酸化絶縁層と共振器スペーサー層の間の組成を持つAlGa
As層を１層のみ設けることによっても、電気抵抗を大き
く低減することができる。With the configuration of this embodiment, the electric resistance is reduced, and the operating voltage and the heat generation of the element can be reduced. In this embodiment, the AlGaAs composition gradient layer 462 in which the Al composition is continuously changed is used.
A structure in which the Al composition is changed stepwise by combining two or more AlGaAs layers can also be used. In addition, AlGa having a composition between the selected oxide insulating layer and the resonator spacer layer
Even if only one As layer is provided, the electric resistance can be greatly reduced.
【００４１】また、図５には、λ共振器構造を示した
が、図６のように、λ共振器構造よりも共振領域の長い
面発光レーザ素子に用いることもできる（同図における
参照番号５０〜５９，５６’，５６２は、図５の参照番
号４０〜４９，４６’，４６２に対応している）。図６
の素子では、６λ共振器構造とし、活性層から最も近い
光の低在波の節の位置に電流狭窄層（選択酸化絶縁部）
を設けている。前述のように、共振器長が長い面発光レ
ーザ素子ではλ共振器構造の面発光レーザ素子に比べ、
高いシングルモード発振出力が得られる。また、さらに
電流狭窄層（選択酸化絶縁部）の位置を共振器スペーサ
ー層中の活性層に近い位置としたことで発振閾値電流は
低減されている。FIG. 5 shows the λ resonator structure. However, as shown in FIG. 6, the λ resonator structure can be used for a surface emitting laser element having a longer resonance region than the λ resonator structure (reference numeral in FIG. 5). 50-59, 56 ', 562 correspond to reference numbers 40-49, 46', 462 in FIG. 5). FIG.
Element has a 6λ resonator structure, and a current confinement layer (selective oxide insulating part) is located at a node of a low-light wave closest to the active layer.
Is provided. As described above, a surface emitting laser element having a long cavity length has a larger wavelength than a surface emitting laser element having a λ resonator structure.
High single mode oscillation output is obtained. Further, the oscillation threshold current is reduced by setting the position of the current confinement layer (selective oxide insulating portion) closer to the active layer in the resonator spacer layer.
【００４２】以上のように、従来狭窄の効果が得られに
くかった電子に対しても、高い狭窄効果が得られるの
で、電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を活性層の両側に設
けて電子と正孔の両方について電流狭窄を行うことによ
って発振閾値電流をさらに低減することができる。ま
た、AlGaAs組成傾斜層によって高抵抗化を防止すること
ができるので低電圧動作が可能である。図に示した素子
の発振閾値電流、動作電圧はいずれも低かった。As described above, a high confinement effect can be obtained even for an electron in which the confinement effect has been difficult to obtain conventionally. Therefore, a current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided on both sides of the active layer to make the electrons and the electrons confined. By performing current confinement for both holes, the oscillation threshold current can be further reduced. In addition, since high resistance can be prevented by the AlGaAs composition gradient layer, low voltage operation is possible. Both the oscillation threshold current and the operating voltage of the device shown in the figure were low.
【００４３】請求項４では、酸化によってAlの酸化物を
形成する半導体層と共振器スペーサー層との界面にAl組
成が連続的に変化する層、若しくはAl組成の異なる１つ
以上の層、若しくはこれらを組み合わせた層を設けた。
電流狭窄構造となるAlGaAs被選択酸化層はAl組成が大き
いもの程酸化が容易であり、実質的にはAl組成０.９以
上のものが酸化層として用いられる。According to a fourth aspect of the present invention, at the interface between the semiconductor layer forming an Al oxide by oxidation and the resonator spacer layer, a layer in which the Al composition continuously changes, or at least one layer having a different Al composition, or A layer combining these was provided.
The AlGaAs selectively oxidized layer having a current confinement structure is easily oxidized as the Al composition is larger, and an Al layer having an Al composition of 0.9 or more is used as an oxide layer.
【００４４】しかし、AlGaAs系半導体材料の価電子帯バ
ンド不連続量は、Al組成の増加に伴って大きくなるの
で、酸化が容易な（Al組成が大きな）AlGaAs被選択酸化
層程、GaAs共振器スペーサー層との界面に大きなヘテロ
スパイク障壁が発生し、電流注入の大きな妨げとなる。
請求項４のように、AlGaAs被選択酸化層と、GaAs共振器
スペーサー層との界面にAl組成が連続的に変化する層、
または、Al組成が異なる一つ以上の層を設けることによ
って、ヘテロスパイクの発生を低減することができる。However, since the valence band discontinuity of the AlGaAs-based semiconductor material increases with an increase in the Al composition, the more easily oxidized (the larger the Al composition) the AlGaAs selective oxidation layer, the more the GaAs resonator. A large heterospike barrier is generated at the interface with the spacer layer, which greatly hinders current injection.
A layer in which the Al composition continuously changes at the interface between the AlGaAs selectively oxidized layer and the GaAs resonator spacer layer,
Alternatively, by providing one or more layers having different Al compositions, generation of heterospikes can be reduced.
【００４５】よって、AlAs層のような酸化の容易な層を
電流狭窄層（選択酸化絶縁部）に用いても素子抵抗を大
きくすることなく電流狭窄を行うことができる。さらに
共振器スペーサー層中に電流狭窄層（選択酸化絶縁部）
を設けているので電流狭窄の効率は高い。以上から発振
閾値電流、素子発熱が低減した面発光レーザ素子を得る
ことができる。Therefore, even when an easily oxidizable layer such as an AlAs layer is used as the current confinement layer (selective oxide insulating portion), current confinement can be performed without increasing the element resistance. In addition, a current confinement layer (selective oxidation insulating part) in the cavity spacer layer
, The efficiency of current constriction is high. As described above, it is possible to obtain a surface-emitting laser device with reduced oscillation threshold current and device heat generation.
【００４６】（３）実施例３（請求項５、６の実施例） 図７は、請求項５および６に係る面発光レーザ素子の実
施例を説明するための図であり、GaInNAsを活性層とし
た１.３μｍ帯面発光レーザ素子の例を示している（同
図における参照番号６０〜６９，６６’，６６２は、図
６の参照番号５０〜５９，５６’，５６２に対応してい
る）。(3) Embodiment 3 (Embodiments of Claims 5 and 6) FIG. 7 is a view for explaining an embodiment of a surface emitting laser device according to claims 5 and 6, wherein GaInNAs is used as an active layer. FIG. 6 shows an example of a 1.3 μm band surface emitting laser element (reference numerals 60 to 69, 66 ′, 662 in FIG. 6 correspond to reference numerals 50 to 59, 56 ′, 562 in FIG. 6). ).
【００４７】まず、図７を用いて請求項５に係る面発光
レーザ素子を説明する。図７において、活性層６３はGa
０．６３In０．３７N０．００５As０．９９５(7nm)/GaA
s(15nm)の多重量子井戸構造としている。図７の面発光
レーザ素子は、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)、
トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム（HM
I）、AsH３を原料とした有機金属気相成長法（MOCVD
法）によって結晶成長が行われている。First, a surface emitting laser device according to claim 5 will be described with reference to FIG. In FIG. 7, the active layer 63 is Ga
0.63 In 0.37 N 0.005 As 0.995 (7 nm) / GaA
It has a multiple quantum well structure of s (15 nm). The surface emitting laser device of FIG. 7 is, for example, trimethyl aluminum (TMA),
Trimethylgallium (TMG), trimethylindium (HM
I), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) using AsH 3
Method), crystal growth is performed.
【００４８】GaInNAs/GaAs活性層６３の窒素原料には、
ジメチルヒドラジン（DMHy）を用いており、実施例１の
面発光レーザ素子と同様な方法・手順によって作製を行
ったものである。下部反射鏡はAl０．９Ga０．１As/GaA
sの３０ペアｎ-分布ブラッグ反射器６１、上部反射鏡は
Al０．９Ga０．１As/GaAsの２６ペアｐ-分布ブラッグ反
射器６４を用いている。分布ブラッグ反射器を構成する
各層の厚さは、発振光λ（１.３μｍ）の１/４光学的厚
さとした。共振スペーサー層６２にGaAsを用い、共振器
スペーサー層中にAlAsによる被選択酸化層（１５ｎｍ）
６６が設けられている。The nitrogen source of the GaInNAs / GaAs active layer 63 includes:
Dimethyl hydrazine (DMHy) is used, and it is manufactured by the same method and procedure as the surface emitting laser element of Example 1. The lower reflector is Al 0.9 Ga 0.1 As / GaA
s 30 pairs n-distribution Bragg reflector 61, top reflector is
A 26 pair p-distributed Bragg reflector 64 of Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs is used. The thickness of each layer constituting the distributed Bragg reflector was / optical thickness of the oscillation light λ (1.3 μm). GaAs is used for the resonance spacer layer 62, and a selectively oxidized layer (15 nm) of AlAs is formed in the resonator spacer layer.
66 are provided.
【００４９】また、AlAs被選択酸化層６６の位置は、実
施例１と同様に発振光の回折を最小とするように、共振
器内の光の定在波の節となるようにしたが、高い電流狭
窄効果を得るために、さらに活性層６３に近い位置とし
ても良い。AlAs被選択酸化層６６の厚さは、共振器の共
振波長に影響を与えないように酸化が可能な限りに薄く
する必要がある。The position of the AlAs selectively oxidized layer 66 is set to be a node of the standing wave of light in the resonator so as to minimize the diffraction of the oscillating light as in the first embodiment. In order to obtain a high current confinement effect, the position may be further closer to the active layer 63. The thickness of the AlAs selectively oxidized layer 66 needs to be made as thin as possible so as not to affect the resonance wavelength of the resonator.
【００５０】被選択酸化層としては、AlAsの他にもAl組
成の大きなAlGaAsを用いることができる。AlAs被選択酸
化層６６の両側に請求項４の実施例として電気抵抗を低
減するためのAlGaAs組成傾斜層６６２を設けている。Al
GaAs組成傾斜層６６２では混晶組成を、共振器スペーサ
ー層の材料であるGaAsから、被選択酸化層６６の材料で
あるAlAsに至るまで連続的に変化させた。また、GaAs共
振器スペーサー層６２、AlAs被選択酸化層６６、AlGaAs
組成傾斜層６６２、GaInNAs多重量子井戸活性層６３を
含む共振領域はλ共振器を構成しており、活性層６３は
共振領域の中央の光の定在波の腹となる位置に設けられ
ている。この後、実施例１と同様に加工を行い、図７の
如き面発光レーザ素子とした。As the layer to be selectively oxidized, AlGaAs having a large Al composition can be used in addition to AlAs. An AlGaAs composition gradient layer 662 for reducing electric resistance is provided on both sides of the AlAs selectively oxidized layer 66 as the fourth embodiment. Al
In the GaAs composition gradient layer 662, the mixed crystal composition was continuously changed from GaAs, which is the material of the resonator spacer layer, to AlAs, which is the material of the selective oxidation layer 66. Also, a GaAs resonator spacer layer 62, an AlAs selectively oxidized layer 66, an AlGaAs
The resonance region including the composition gradient layer 662 and the GaInNAs multiple quantum well active layer 63 forms a λ resonator, and the active layer 63 is provided at the center of the resonance region at the antinode of the standing wave of light. . Thereafter, processing was performed in the same manner as in Example 1 to obtain a surface emitting laser device as shown in FIG.
【００５１】このようにAlGaAs組成傾斜層６６２を設け
ることによって、被選択酸化層６６とGaAs共振器スペー
サー層６２のバンド不連続によるヘテロスパイクの発生
を抑制することができる。ヘテロスパイクが発生する
と、キャリア注入の妨げとなるので素子を高抵抗化させ
てしまう。By providing the AlGaAs composition gradient layer 662 in this manner, it is possible to suppress the occurrence of hetero spikes due to band discontinuity between the selectively oxidized layer 66 and the GaAs resonator spacer layer 62. The occurrence of heterospikes hinders the injection of carriers, which increases the resistance of the device.
【００５２】本実施例の構成とすることでので、電気抵
抗は低くなり、動作電圧、素子発熱を低減できる。ま
た、本実施例ではAl組成を連続的に変化させたAlGaAs組
成傾斜層を用いているが、この他にもAl組成の異なる２
つ以上のAlGaAs層を組み合わせて、ステップ状にAl組成
を変化させた構造を用いることもできる。また、被選択
酸化層と共振器スペーサー層の間の組成を持つAlGaAs層
を１層のみ設けることによっても、電気抵抗を大きく低
減することができる。With the configuration of this embodiment, the electric resistance is reduced, and the operating voltage and the heat generation of the element can be reduced. In this embodiment, an AlGaAs composition gradient layer in which the Al composition is continuously changed is used.
A structure in which the Al composition is changed stepwise by combining two or more AlGaAs layers can also be used. Also, by providing only one AlGaAs layer having a composition between the selective oxidation layer and the resonator spacer layer, the electric resistance can be greatly reduced.
【００５３】図７の面発光レーザ素子の発振波長は１.
３μｍ帯であり、共振器構造を構成するGaAsスペーサー
層６２の厚さを０.８５μｍ帯面発光レーザ素子に比べ
約１.５倍程度厚くする必要がある。従って、従来と同
様に分布ブラッグ反射器中に電流狭窄層（選択酸化絶縁
部）を設けた場合に、電流狭窄層（選択酸化絶縁部）と
活性層との距離が離れてしまうために、電流狭窄効果が
低減してしまう。特に、発振波長が１.１μｍより長い
素子ではこの問題が顕著であり、発振波長が長波長化す
る程電流狭窄効果が低減する。The oscillation wavelength of the surface emitting laser device shown in FIG.
In the 3 μm band, the thickness of the GaAs spacer layer 62 constituting the resonator structure needs to be about 1.5 times as thick as the 0.85 μm band surface emitting laser device. Therefore, when the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided in the distributed Bragg reflector as in the conventional case, the distance between the current confinement layer (selective oxide insulating portion) and the active layer is increased. The stenosis effect is reduced. In particular, this problem is remarkable in an element having an oscillation wavelength longer than 1.1 μm, and the current confinement effect decreases as the oscillation wavelength increases.
【００５４】しかし、本実施例の素子は電流狭窄層（選
択酸化絶縁部）を共振器スペーサー層６２中の活性層６
３に最も近い光の定在波の節に設けており、活性層６３
と電流狭窄層（選択酸化絶縁部）の距離は約１００ｎｍ
と、電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を分布ブラッグ反射
器中の初めの光の定在波の節に設けた場合と比べ、約２
００ｎｍ近い位置となっている。従って、長波長帯の面
発光レーザ素子においても、高い電流狭窄効果が得ら
れ、発振閾値電流を効果的に低減することができる。However, in the device of this embodiment, the current confinement layer (selective oxidation insulating portion) is formed by the active layer 6 in the resonator spacer layer 62.
3 is provided at the node of the standing wave of light closest to the active layer 63.
And the distance between the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is about 100 nm
And a current confinement layer (selective oxide insulating portion) at a node of the first standing wave of light in the distributed Bragg reflector, which is about 2
The position is close to 00 nm. Therefore, a high current confinement effect is obtained even in a long-wavelength surface emitting laser device, and the oscillation threshold current can be effectively reduced.
【００５５】また、実施例１および実施例２と同様に長
共振領域を有した面発光レーザ素子についても、同様に
共振器スペーサー層中に電流狭窄層（選択酸化絶縁部）
を設けることができる。図８は、６λ共振器構造を有す
るGaInNAsを活性層とした面発光レーザ素子を示す図で
あり、共振器スペーサー層中に電流狭窄層（選択酸化絶
縁部）を設けている（同図における参照番号７０〜７
９，７６’，７６２は、図７の参照番号６０〜６９，６
６’，６６２に対応している）。Also, as in the case of the surface emitting laser element having the long resonance region as in the first and second embodiments, similarly, the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided in the cavity spacer layer.
Can be provided. FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting laser device using a GaInNAs having a 6λ resonator structure as an active layer, and a current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided in a resonator spacer layer (see FIG. 8). Number 70-7
9, 76 ', 762 are reference numerals 60 to 69, 6 in FIG.
6 ', 662).
【００５６】このような構造では、分布ブラッグ反射器
と活性層との距離が離れているので、従来のように分布
ブラッグ反射器中に電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を設
けた構造では十分な電流狭窄の効果が得られない。しか
し、本実施例のように共振器スペーサー層２２中に電流
狭窄層（選択酸化絶縁部）を設けることで、高い狭窄効
果を得ることができる。In such a structure, since the distance between the distributed Bragg reflector and the active layer is large, a structure in which the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided in the distributed Bragg reflector as in the related art is sufficient. The effect of the current constriction cannot be obtained. However, a high confinement effect can be obtained by providing a current confinement layer (selective oxide insulating portion) in the resonator spacer layer 22 as in this embodiment.
【００５７】本実施例の素子は、光の回折損失を低減す
るために、電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を光の定在波
の節の位置に設けたが、さらに活性層に近い位置に電流
狭窄層（選択酸化絶縁部）を設けることにより、より発
振閾値電流を低減することができる。また、低閾値電流
化により、素子の高速変調が可能となる。図の面発光レ
ーザ素子の発振閾値電流は低く、また変調周波数は高い
ものであった。石英シングルモードファイバと組み合わ
せることにより、高速光通信・光伝送を行うことができ
た。In the device of this embodiment, the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided at the position of the node of the standing wave of light in order to reduce the diffraction loss of light. The oscillation threshold current can be further reduced by providing a current confinement layer (selectively oxidized insulating portion). In addition, by lowering the threshold current, high-speed modulation of the element becomes possible. The oscillation threshold current of the surface emitting laser element shown in the figure was low and the modulation frequency was high. High-speed optical communication and optical transmission were achieved by combining with a quartz single-mode fiber.
【００５８】請求項５では、１.１μｍ帯よりも長波で
発振する面発光レーザ素子において、電流狭窄層（選択
酸化絶縁部）を設ける位置を分布ブラッグ反射器と活性
層の間の共振器スペーサー層中としている。面発光レー
ザ素子の共振器長は発振波長に対応しており、長波で発
振する素子程共振器長は長い。例えば、１.３μｍ帯の
面発光レーザ素子の共振器長は、従来の０.８５μｍ帯
面発光レーザ素子に比べ約１.５倍程度長い。According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser device which oscillates at a longer wavelength than the 1.1 μm band, the position where the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided is determined by setting the position of the resonator spacer between the distributed Bragg reflector and the active layer. It is in the layer. The cavity length of the surface emitting laser element corresponds to the oscillation wavelength, and the longer the element oscillates, the longer the cavity length. For example, the cavity length of the surface emitting laser device in the 1.3 μm band is about 1.5 times longer than that of the conventional surface emitting laser device in the 0.85 μm band.
【００５９】よって、従来のように分布ブラッグ反射器
中に電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を設けた場合には、
電流狭窄層（選択酸化絶縁部）によって注入電流領域を
制限しようとしても、電流狭窄層（選択酸化絶縁部）と
活性層の距離が長いので、キャリアの熱運動によって再
び電流注入領域が広がってしまうという問題があった。
請求項５のように電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を共振
器スペーサー層中に設けると、共振器スペーサー層が厚
くなった場合でも、活性層と電流狭窄層（選択酸化絶縁
部）との距離が短くできるので効率良く注入電流を狭窄
することができる。よって発振閾値電流が低減する。ま
た、単一横モード発振を得やすくなる。以上から、発振
閾値電流が低く特性の優れた面発光レーザ素子を得るこ
とができる。また、特に長波長面発光レーザ素子の場合
に大きな改善効果が得られる。Therefore, when a current confinement layer (selective oxide insulating portion) is provided in a distributed Bragg reflector as in the prior art,
Even if the injection current region is restricted by the current confinement layer (selective oxide insulating portion), the distance between the current confinement layer (selective oxide insulating portion) and the active layer is long, so that the thermal injection of the carrier causes the current injection region to expand again. There was a problem.
When the current confinement layer (selective oxidation insulating portion) is provided in the resonator spacer layer, the active layer and the current confinement layer (selective oxidation insulating portion) can be connected even if the resonator spacer layer becomes thick. Since the distance can be shortened, the injection current can be narrowed efficiently. Therefore, the oscillation threshold current decreases. Further, it becomes easy to obtain single transverse mode oscillation. As described above, a surface emitting laser element having a low oscillation threshold current and excellent characteristics can be obtained. In addition, a great improvement effect can be obtained particularly in the case of a long-wavelength surface emitting laser device.
【００６０】請求項６では、活性層の材料を、GaInAs，
GaNAs，GaInNAs，GaAsSb，GaInAsNSb混晶のいずれかと
した。これらの材料は、GaAs基板上に結晶成長が可能で
あり、反射率、熱伝導性、プロセス制御（結晶成長や、
Al(Ga)As混晶等の被選択酸化）の点において優れた特性
を持つAlGaAs系材料による分布ブラッグ反射器を用いて
１.１μｍより長波で発振する面発光レーザ素子を得る
ことができる。According to a sixth aspect, the material of the active layer is GaInAs,
One of GaNAs, GaInNAs, GaAsSb, and GaInAsNSb mixed crystal was used. These materials are capable of crystal growth on GaAs substrates, and reflectivity, thermal conductivity, process control (crystal growth,
A surface emitting laser device that oscillates at a longer wavelength than 1.1 μm can be obtained by using a distributed Bragg reflector made of an AlGaAs-based material having excellent characteristics in terms of (selective oxidation of Al (Ga) As mixed crystal or the like).
【００６１】特に、波長１.３μｍ帯のレーザ素子と、
石英シングルモードレーザと組み合わせることによっ
て、高速通信、高速伝送が可能になる。請求項６に挙げ
る材料の中でも、特にGaInNAs混晶材料は、キャリア閉
じ込め層となるGaAs層に対し、伝導帯のバンド不連続量
が大きく、電子のオーバーフローが低減できることから
素子の特性温度が大きく高温まで安定な発振を得ること
ができる。また、請求項１乃至５によって、高い電流狭
窄効果が得られるので、発振閾値電流が低く、高速変調
が可能な特性の優れた光通信、光伝送用途に好適な面発
光レーザ素子を得ることができる。In particular, a laser element having a wavelength of 1.3 μm band,
By combining with a quartz single mode laser, high-speed communication and high-speed transmission become possible. Among the materials described in claim 6, the GaInNAs mixed crystal material has a large characteristic discontinuity of the conduction band and a large electron temperature, and thus has a large characteristic temperature of the element, as compared with the GaAs layer serving as the carrier confinement layer. Stable oscillation can be obtained up to this. According to the first to fifth aspects, since a high current confinement effect is obtained, a surface emitting laser element suitable for optical communication and optical transmission applications having a low oscillation threshold current and excellent characteristics capable of high-speed modulation can be obtained. it can.
【００６２】（４）実施例４（請求項７の実施例） 図９は、請求項７に係る面発光レーザアレイの実施例を
説明するための図である。図９の面発光レーザアレイは
面発光レーザ素子を２次元に配列して作製したものであ
る。面発光レーザアレイ８０を構成する各面発光レーザ
素子部８１は、実施例１乃至３（請求項１乃至６に対
応）で説明した面発光レーザ素子である。また、面発光
レーザアレイ８０の裏面にはｎ側共通電極（図示せず）
が設けられており、各面発光レーザ素子部８１のｐ-電
極８３は個別に駆動するためのｐ側配線８４に接続され
ている。８２は光射出部である。(4) Fourth Embodiment (Embodiment 7) FIG. 9 is a view for explaining an embodiment of the surface emitting laser array according to the seventh embodiment. The surface emitting laser array shown in FIG. 9 is manufactured by arranging surface emitting laser elements two-dimensionally. Each surface emitting laser element unit 81 constituting the surface emitting laser array 80 is the surface emitting laser element described in the first to third embodiments (corresponding to claims 1 to 6). An n-side common electrode (not shown) is provided on the back surface of the surface emitting laser array 80.
Are provided, and the p-electrode 83 of each surface emitting laser element portion 81 is connected to a p-side wiring 84 for individually driving. 82 is a light emitting unit.
【００６３】面発光レーザアレイ８０を構成する各面発
光レーザ素子部８１は、実施例１乃至３に示したように
電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を共振器スペーサー層内
の活性層に近い位置に設けたことにより発振閾値電流を
低減することができ、アレイ集積した場合であっても動
作電流を小さくすることができる。また、発振閾値電流
が低いことから、高速光通信・光伝送が可能である。さ
らに、石英シングルモードファイバと組み合わせること
により高速光並列伝送を行うことができた。なお、アレ
イ構成は図９のように２次元配列に限らず１次元配列で
もよい。In each of the surface emitting laser element portions 81 constituting the surface emitting laser array 80, as shown in the first to third embodiments, the current confinement layer (selective oxide insulating portion) is close to the active layer in the resonator spacer layer. By providing them at the positions, the oscillation threshold current can be reduced, and the operating current can be reduced even when the array is integrated. Further, since the oscillation threshold current is low, high-speed optical communication / optical transmission is possible. Furthermore, high-speed optical parallel transmission was achieved by combining with a quartz single mode fiber. Note that the array configuration is not limited to the two-dimensional array as shown in FIG. 9, but may be a one-dimensional array.
【００６４】請求項１乃至４の素子は、発振閾値電流が
低いので、特にアレイのように大規模に集積した場合
に、消費電力低減の効果が大きく、請求項７では、消費
電力の小さな面発光レーザアレイを得ることができる。
また、発振閾値電流が小さいことから高速変調が可能で
ある。以上のように、並列光インターコネクション用途
等に好適な低消費電力、高速変調可能な面発光レーザア
レイ素子を得ることができる。Since the devices of claims 1 to 4 have a low oscillation threshold current, the effect of reducing power consumption is great especially when the devices are integrated on a large scale like an array. A light emitting laser array can be obtained.
In addition, high-speed modulation is possible because the oscillation threshold current is small. As described above, it is possible to obtain a surface emitting laser array element suitable for use in parallel optical interconnection and the like, which is capable of low power consumption and high speed modulation.
【００６５】（５）実施例５（請求項８の実施例） 図１０は、請求項８に係る光インターコネクションシス
テムの実施例を説明するための図である。図１０を用い
て、機器間並列光インターコネクションシステムの概念
図を用いて説明する。図１０のインターコネクションシ
ステムでは機器１（８５）と機器２（８６）の間を光フ
ァイバアレイ（石英シングルモードファイバアレイ８
７）を用いて接続したものである。(5) Embodiment 5 (Embodiment 8) FIG. 10 is a diagram for explaining an embodiment of the optical interconnection system according to claim 8. A description will be given using a conceptual diagram of a parallel optical interconnection system between devices with reference to FIG. In the interconnection system shown in FIG. 10, an optical fiber array (quartz single mode fiber array 8) is connected between device 1 (85) and device 2 (86).
7).
【００６６】送信側である機器１（８５）では請求項７
の面発光レーザアレイを用いた１次元レーザアレイモジ
ュール８５１とこれの駆動回路（図示省略）を備えてい
る。また、受信側である機器２（８６）では、フォトダ
イオードアレイモジュール８６１と信号検出回路（図示
省略）を備えている。In the device 1 (85) on the transmitting side, a seventh aspect is provided.
A one-dimensional laser array module 851 using the above surface emitting laser array and a drive circuit (not shown) for the module are provided. The device 2 (86) on the receiving side includes a photodiode array module 861 and a signal detection circuit (not shown).
【００６７】図１１に、面発光レーザアレイモジュール
の概要を示す。図１１のレーザアレイモジュールは、シ
リコン基板８８上に、１次元モノリシック面発光レーザ
アレイ８９、マイクロレンズアレイ９０、ファイバアレ
イを実装して構成されている。１次元面発光レーザアレ
イ８９は、ファイバに対向して設けられており、マイク
ロレンズアレイ９０を介してシリコン基板８８に形成し
たV溝に実装された石英シングルモードファイバ９１と
結合している。FIG. 11 shows an outline of the surface emitting laser array module. The laser array module of FIG. 11 is configured by mounting a one-dimensional monolithic surface emitting laser array 89, a microlens array 90, and a fiber array on a silicon substrate 88. The one-dimensional surface emitting laser array 89 is provided to face the fiber, and is coupled via a microlens array 90 to a quartz single-mode fiber 91 mounted in a V-groove formed in a silicon substrate 88.
【００６８】本実施例の光インターコネクションシステ
ムのように、石英シングルモードファイバ９１と請求項
６記載の面発光レーザ素子を用いた請求項７記載の１.
３μｍ帯面発光レーザアレイを用いることにより、高速
伝送が可能であった。これは、石英ファイバが１．３μ
ｍ帯に波長ゼロ分散を有しており、面発光レーザ素子の
発振スペクトルが狭いことに加え、特に、本発明の面発
光レーザ素子が共振器スペーサー層中に電流狭窄層を有
していることによって、キャリアの高い狭窄効果が得ら
れ、発振閾値電流が低減し、素子応答が向上した効果に
よるところが大きい。As in the optical interconnection system of this embodiment, a quartz single mode fiber 91 and the surface emitting laser element according to claim 6 are used.
High speed transmission was possible by using a 3 μm band surface emitting laser array. This is because the quartz fiber is 1.3μ
In addition to having a zero-wavelength dispersion in the m band, the oscillation spectrum of the surface emitting laser element is narrow, and in particular, the surface emitting laser element of the present invention has a current confinement layer in the resonator spacer layer. As a result, a high carrier narrowing effect is obtained, the oscillation threshold current is reduced, and the effect of improving the element response is largely due to the effect.
【００６９】この際、特にGaInNAs混晶による量子井戸
を活性層とした面発光レーザ素子では、例えばGaAsバリ
ア層との伝導帯バンド不連続量が大きく、材料特性的に
電子のオーバーフローが小さいので環境温度の変化に対
しても安定に動作する。In this case, in particular, in a surface emitting laser device using a quantum well of GaInNAs mixed crystal as an active layer, for example, the conduction band discontinuity with the GaAs barrier layer is large and the overflow of electrons is small due to the material characteristics. It operates stably even when the temperature changes.
【００７０】また、本発明の電流狭窄層を共振器スペー
サー層中に設けた、発振閾値電流の低い面発光レーザ素
子を光源として用いたことにより、従来の分布ブラッグ
反射器中に電流狭窄層を設けた面発光レーザ素子場合に
比べて素子の発振閾値電流が低減し、変調速度が増加し
た。よって、高速伝送が可能な光インターコネクション
システムを得ることができた。また、システムの消費電
力も小さかった。以上のように、高速伝送が可能か並列
光インターコネクションシステムを得ることができた。Further, by using a surface emitting laser device having a low oscillation threshold current, in which the current confinement layer of the present invention is provided in a resonator spacer layer, as a light source, the current confinement layer can be formed in a conventional distributed Bragg reflector. The oscillation threshold current of the device was reduced and the modulation speed was increased as compared with the surface emitting laser device provided. Therefore, an optical interconnection system capable of high-speed transmission was obtained. Also, the power consumption of the system was small. As described above, a parallel optical interconnection system could be obtained whether high-speed transmission was possible.
【００７１】本実施例では、並列光インターコネクショ
ンシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を
用いたシリアル伝送システムを構成することもできる。
また、機器間の他にも、ボード間、チップ間、チップ内
インターコネクションに応用することもできる。In this embodiment, the parallel optical interconnection system has been described as an example. However, a serial transmission system using a single element can be configured.
Further, the present invention can be applied to interconnection between boards, between chips, and within a chip, in addition to between devices.
【００７２】請求項８の光インターコネクションシステ
ムでは、光源に、共振器スペーサー層中に電流狭窄層を
設けた請求項１乃至６のいずれかに記載の面発光レーザ
素子あるいは請求項７記載の面発光レーザアレイを用い
ており、前述のように高いキャリアの狭窄効果を備えて
いる。従って、この面発光レーザ素子の発振閾値電流は
低く、高速応答が可能であり、この面発光レーザ素子を
用いた光インターコネクションシステムでは高速伝送が
可能となる。更に、請求項７の面発光レーザアレイを用
いた並列光インターコネクションシステムでは、個々の
素子の応答時間が速いことから、スキューが小さく高速
伝送が可能である。In the optical interconnection system according to the eighth aspect, the surface emitting laser device according to any one of the first to sixth aspects or the surface according to the seventh aspect, wherein the light source is provided with a current confinement layer in the resonator spacer layer. A light emitting laser array is used, and has a high carrier narrowing effect as described above. Therefore, the oscillation threshold current of this surface emitting laser element is low, and high-speed response is possible, and high-speed transmission is possible in an optical interconnection system using this surface emitting laser element. Furthermore, in the parallel optical interconnection system using the surface emitting laser array according to claim 7, since the response time of each element is fast, the skew is small and high-speed transmission is possible.
【００７３】請求項６に記載した活性層材料を用いるこ
とによって、１．３μｍ帯で発振する面発光レーザ素子
を得ることが可能になるので、本実施例のように、この
面発光レーザ素子と石英シングルモードファイバと組み
合わせることにより、高速伝送が可能なインターコネク
ションシステムを得ることができる。By using the active layer material described in claim 6, it becomes possible to obtain a surface emitting laser device oscillating in the 1.3 μm band. By combining with a quartz single mode fiber, an interconnection system capable of high-speed transmission can be obtained.
【００７４】更に、請求項６の活性層材料の中でも、特
にGaInNAs量子井戸を活性層とした面発光レーザ素子
は、例えばGaAsバリア層との伝導帯バンド不連続量が大
きく、材料特性的に電子のオーバーフローが小さいので
環境温度の変化に対しても安定に動作する。Further, among the active layer materials according to claim 6, in particular, a surface emitting laser device using a GaInNAs quantum well as an active layer has a large conduction band discontinuity with a GaAs barrier layer, for example. Operates stably even when the ambient temperature changes.
【００７５】また、GaAs基板上に結晶成長が可能なこと
によって反射特性、放熱性に優れ、酸化狭窄プロセスの
確立されたAlGaAs混晶による分布ブラッグ反射器を容易
に用いることができる。この際、発振波長が長波になっ
たことで、共振器スペーサー層が厚くなり、電流狭窄層
と活性層の距離が長くなりキャリアの狭窄効果が低減す
るが、請求項５に記載した面発光レーザ素子のように電
流狭窄層を共振器スペーサー層中に設けることで、従来
の０．８５μｍ帯、０．９８μｍ帯素子以上に高いキャ
リアの狭窄効果を得ることが可能となる。従って、１．
３μｍ帯においても素子の振閾値電流は低減し、素子の
動作速度が向上する。また、これを用いた光インターコ
ネクションシステムでは、従来に比べ、更に高速伝送が
可能となる。Further, since a crystal can be grown on a GaAs substrate, a distributed Bragg reflector made of an AlGaAs mixed crystal, which has excellent reflection characteristics and heat radiation properties and has an established oxidation confinement process, can be easily used. 6. The surface emitting laser according to claim 5, wherein the oscillation wavelength becomes longer, the cavity spacer layer becomes thicker, the distance between the current confinement layer and the active layer becomes longer, and the carrier confinement effect is reduced. By providing the current confinement layer in the resonator spacer layer as in the device, it is possible to obtain a higher carrier confinement effect than in the conventional 0.85 μm band or 0.98 μm band device. Therefore, 1.
Even in the 3 μm band, the threshold current of the device is reduced, and the operation speed of the device is improved. In addition, in an optical interconnection system using this, higher-speed transmission can be performed as compared with the related art.
【００７６】以上説明したように、請求項８では、高速
伝送が可能な光インターコネクションシステムを得るこ
とができる。As described above, according to the eighth aspect, an optical interconnection system capable of high-speed transmission can be obtained.
【００７７】（５）実施例６（請求項９の実施例） 図１２は、請求項９に係る光通信システムの一例とし
て、光LANシステムの実施例を説明するための図であ
る。(5) Sixth Embodiment (Embodiment 9) FIG. 12 is a view for explaining an embodiment of an optical LAN system as an example of the optical communication system according to the ninth embodiment.
【００７８】請求項9の実施例を、図１２の光LANシステ
ムの概念図を用いて説明する。図１２の光LANシステム
は、請求項1乃至６のいずれかに記載の面発光レーザ素
子あるいは請求項７記載の面発光レーザアレイ素子を用
いて光LANシステムを構成したものである。サーバー９
２とコアスイッチ９３の間、コアスイッチ９３と各スイ
ッチ９４の間、およびスイッチ９４と各端末９５の間の
光伝送の光源に、請求項１乃至６のいずれかに記載の面
発光レーザ素子あるいは請求項７記載の面発光レーザア
レイ素子が用いられている。また、各機器間は石英シン
グルモードファイバまたはマルチモードファイバによっ
て結合を行っている。このような光LANの物理層として
は、例えば1000BASE-LX等のギガビットイーサネット
（登録商標）が挙げられる。The ninth embodiment will be described with reference to the conceptual diagram of the optical LAN system shown in FIG. The optical LAN system shown in FIG. 12 is an optical LAN system using the surface emitting laser device according to any one of claims 1 to 6 or the surface emitting laser array device according to claim 7. Server 9
The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the light source for light transmission between the core switch 93 and the core switch 93, between the core switch 93 and each switch 94, and between the switch 94 and each terminal 95 is provided. The surface emitting laser array element according to claim 7 is used. Further, the respective devices are coupled by a quartz single-mode fiber or a multi-mode fiber. As a physical layer of such an optical LAN, for example, Gigabit Ethernet (registered trademark) such as 1000BASE-LX is used.
【００７９】図１２の光LANシステムでは、光源に、共
振器スペーサー層中に電流狭窄層を設けた請求項1乃至
６のいずれかに記載の面発光レーザ素子あるいは請求項
７記載の面発光レーザアレイを用いており、前述のよう
に高いキャリアの狭窄効果を備えている。従って、この
面発光レーザ素子の発振閾値電流は低く、高速応答が可
能であり、この面発光レーザ素子を用いた光通信システ
ムでは高速通信が可能となる。また、発振閾値電流が低
いことによって光源の消費電力が小さい。In the optical LAN system of FIG. 12, the surface emitting laser element according to claim 1 or 6, wherein a current confinement layer is provided in the resonator spacer layer in the light source. An array is used, and a high carrier narrowing effect is provided as described above. Therefore, the oscillation threshold current of this surface emitting laser element is low, and high-speed response is possible. In an optical communication system using this surface emitting laser element, high-speed communication becomes possible. Further, the power consumption of the light source is small due to the low oscillation threshold current.
【００８０】また、本実施例で機器間の接続に石英シン
グルモードファイバを用いた場合、請求項５および６の
１．３μｍ帯面発光レーザ素子を光源とすることで高速
通信が可能であった。これは、石英ファイバが１．３μ
ｍ帯に波長ゼロ分散を有しており、面発光レーザ素子の
発振スペクトルが狭いことに加え、特に、共振器スペー
サー層中に電流狭窄層を設けたことによって、キャリア
の高い狭窄効果が得られ、発振閾値電流が低減し、素子
応答が向上した効果によるところが大きい。When a quartz single-mode fiber is used for connection between devices in this embodiment, high-speed communication was possible by using the 1.3 μm band surface emitting laser element of the fifth and sixth aspects as a light source. . This is because the quartz fiber is 1.3μ
It has zero-wavelength dispersion in the m-band and has a narrow emission spectrum of the surface-emitting laser element, and in particular, a high confinement effect of carriers can be obtained by providing a current confinement layer in the cavity spacer layer. This is largely due to the effect that the oscillation threshold current is reduced and the element response is improved.
【００８１】また、同様に素子の低発振閾値化によっ
て、システムの消費電力も低減した。また、請求項６の
活性層材料の中でもGaInNAs混晶を用いたことによっ
て、従来のInP基板上に作製されるInGaAsP混晶による端
面型レーザを用いた同波長帯の通信システムに比べ、光
源の温度特性に優れ、温度制御、補償装置が不要であっ
た。また、前述の材料系では作製が難しい面発光レーザ
素子を容易に用いることができた。面発光レーザ素子で
は、アレイ化が容易で光ファイバとの結合率が高く、光
ファイバを用いた光通信システム光源として好適であっ
た。以上の様に、高速通信が可能な信頼性の高い光通信
システムを得ることができた。Similarly, the power consumption of the system was reduced by lowering the oscillation threshold of the device. Further, by using the GaInNAs mixed crystal among the active layer materials of claim 6, compared with a communication system in the same wavelength band using an end-face type laser made of InGaAsP mixed crystal manufactured on a conventional InP substrate, a light source of a light source is used. Excellent temperature characteristics, no need for temperature control and compensation device. Further, a surface emitting laser element, which is difficult to manufacture with the above-described material system, could be easily used. The surface emitting laser element is easy to form an array and has a high coupling rate with an optical fiber, and thus is suitable as a light source for an optical communication system using an optical fiber. As described above, a highly reliable optical communication system capable of high-speed communication was obtained.
【００８２】本実施例では、光通信システムの一例とし
て、光ファイバを用いたLANを示したが、光通信システ
ムとしてはこの他にもWANのようなものであって良い
し、LAN、およびWAN間を相互に結ぶ幹線系のようなもの
であっても良い。また、端末もサーバー、PCに限るもの
では無く、光ファイバによって通信、またはデータの授
受を行う情報機器端末、更にデータの交換、および中継
を行う交換機、および中継機を含む全ての光通信システ
ムに適用可能である。In this embodiment, a LAN using an optical fiber is shown as an example of the optical communication system. However, the optical communication system may be a WAN such as a LAN, a LAN, or a WAN. It may be something like a trunk system that connects between them. In addition, the terminal is not limited to a server or a PC, but may be applied to all optical communication systems including information equipment terminals that communicate or exchange data via optical fibers, exchanges that exchange and relay data, and repeaters. Applicable.
【００８３】請求項９の光通信システムでは、光源に、
共振器スペーサー層中に電流狭窄層を設けた請求項１乃
至６のいずれかに記載の面発光レーザ素子あるいは請求
項７記載の面発光レーザアレイを用いており、前述のよ
うに高いキャリアの狭窄効果を備えている。従って、こ
の面発光レーザ素子の発振閾値電流は低く、高速応答が
可能であり、この面発光レーザ素子を用いた光通信シス
テムでは高速通信が可能となる。また、発振閾値電流が
低いことによって光源の消費電力が小さい。In the optical communication system according to the ninth aspect, the light source includes:
The surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 6 or the surface emitting laser array according to claim 7, wherein a current confinement layer is provided in the resonator spacer layer, and a high carrier confinement as described above. Has an effect. Therefore, the oscillation threshold current of this surface emitting laser element is low, and high-speed response is possible. In an optical communication system using this surface emitting laser element, high-speed communication becomes possible. Further, the power consumption of the light source is small due to the low oscillation threshold current.
【００８４】更に、請求項5のように発振波長を１．１
μｍより長波にしたことによって、石英シングルモード
ファイバを用いた光通信システムを構築することができ
る。石英シングルモードファイバは、１．３μｍ帯にゼ
ロ波長分散を有しており、本発明の請求項５および６の
発振閾値電流が低く、高速変調が可能な１．３μｍ帯の
面発光レーザ素子を組み合わせた光通信システムでは、
従来の０．８５μｍ帯、０．９８μｍ帯の面発光レーザ
素子を用いた光通信システムでは難しかった高速通信が
可能であるという大きな効果が得られる。Further, the oscillation wavelength is set to 1.1.
By making the wavelength longer than μm, an optical communication system using a silica single mode fiber can be constructed. The quartz single mode fiber has a zero wavelength dispersion in the 1.3 μm band, and the surface emitting laser device in the 1.3 μm band capable of high-speed modulation with a low oscillation threshold current according to claims 5 and 6 of the present invention. In the combined optical communication system,
A great effect is obtained that high-speed communication, which was difficult in the conventional optical communication system using the surface emitting laser element of the 0.85 μm band and the 0.98 μm band, is possible.
【００８５】また、請求項６の活性層材料の中でも、特
にGaInNAs混晶による量子井戸を活性層とした面発光レ
ーザ素子では、例えば、GaAsバリア層等に対し、伝導帯
のバンド不連続量が大きく、電子のオーバーフローが小
さいので環境温度の変化に対して安定に動作することに
加え、GaAs基板上に結晶成長が可能なことによって反射
特性、放熱性に優れ、酸化狭窄プロセスの確立されたAl
GaAs混晶による分布ブラッグ反射器を用いることができ
る。Further, among the active layer materials according to the sixth aspect, in a surface emitting laser element using a quantum well of GaInNAs mixed crystal as an active layer, the band discontinuity of the conduction band is smaller than that of a GaAs barrier layer or the like. It is large and has a small electron overflow, so it operates stably against changes in environmental temperature.Also, it has excellent reflection characteristics and heat dissipation due to the ability to grow crystals on a GaAs substrate.
A distributed Bragg reflector made of GaAs mixed crystal can be used.
【００８６】従って、従来のInP基板上に作製されるInG
aAsP混晶を用いた端面型レーザによる光通信システムに
比べ、光源の温度特性に優れている。また、前述の材料
系では作製が難しい面発光レーザ素子を容易に得ること
ができる。面発光レーザ素子では、アレイ化が容易で光
ファイバとの結合率が高く、光ファイバを用いた光通信
システム光源として好適である。Therefore, InG fabricated on a conventional InP substrate
The light source has superior temperature characteristics compared to an optical communication system using an end-face laser using an aAsP mixed crystal. In addition, a surface emitting laser element that is difficult to manufacture with the above-described material system can be easily obtained. The surface emitting laser element is suitable as a light source of an optical communication system using an optical fiber because it can be easily arrayed and has a high coupling rate with an optical fiber.
【００８７】また、前述のように、電流狭窄層を、共振
器スペーサー層中に設けることによって、従来の０．８
５μｍ帯、および０．９８μｍ帯面発光レーザ以上に高
いキャリアの狭窄効果を得ることができる。従って、
１．３μｍ帯においても素子の振閾値電流は低減し、素
子の動作速度が向上する。以上のように、請求項１乃至
６のいずれかに記載の面発光レーザ素子あるいは請求項
７記載の面発光レーザアレイを用いることによって高速
通信が可能な信頼性の高い光通信システムを得ることが
できる。As described above, by providing the current confinement layer in the resonator spacer layer, the conventional
It is possible to obtain a carrier narrowing effect higher than that of the surface emitting laser in the band of 5 μm or 0.98 μm. Therefore,
Even in the 1.3 μm band, the threshold current of the device is reduced, and the operation speed of the device is improved. As described above, a highly reliable optical communication system capable of high-speed communication can be obtained by using the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 6 or the surface emitting laser array according to claim 7. it can.
【００８８】[0088]
【発明の効果】以上詳細に述べたように、本発明によれ
ば、発振閾値電流が低く特性の優れた面発光レーザ素子
（請求項１〜６）、該面発光レーザ素子を用いた並列光
インターコネクション用途等に好適な低消費電力、高速
変調可能な面発光レーザアレイ（請求項７）、高速伝送
が可能な光インターコネクションシステム（請求項
８）、および高速通信が可能な光通信システム（請求項
９）を実現することができる。As described above in detail, according to the present invention, a surface emitting laser device having low oscillation threshold current and excellent characteristics (claims 1 to 6), and a parallel light using the surface emitting laser device A low power consumption, high speed modulation surface emitting laser array suitable for interconnection use or the like (claim 7), an optical interconnection system capable of high speed transmission (claim 8), and an optical communication system capable of high speed communication (claim 8) Claim 9 can be realized.
【図１】実施例１（請求項１および２）に係る、GaAsを
活性層とした０.８５μｍ帯面発光レーザ素子の実施例
を説明するための図である。FIG. 1 is a view for explaining an example of a 0.85 μm band surface emitting laser device using GaAs as an active layer according to Example 1 (claims 1 and 2).
【図２】面発光レーザ素子内の光の定在波分布を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a standing wave distribution of light in a surface emitting laser element.
【図３】電流狭窄層（選択酸化絶縁部）を活性層とｎ-
分布ブラッグ反射器の間に設けた場合の構成図である。FIG. 3 shows that a current confinement layer (selective oxide insulating portion) is formed by an active layer and an n-
It is a block diagram in the case of providing between distributed Bragg reflectors.
【図４】共振器構造をｎλ（ｎ≧２）共振器構造とした
例を示す図であるFIG. 4 is a diagram showing an example in which the resonator structure is an nλ (n ≧ 2) resonator structure.
【図５】実施例２（請求項３および４）に係る、GaAsを
活性層とした０.８５μｍ帯面発光レーザ素子の実施例
を説明するための図である。FIG. 5 is a view for explaining an example of a 0.85 μm band surface emitting laser device using GaAs as an active layer according to Example 2 (claims 3 and 4).
【図６】λ共振器構造を有する面発光レーザ素子の例を
示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a surface emitting laser element having a λ resonator structure.
【図７】実施例３（請求項５および６）に係る、GaInNA
sを活性層とした１.３μｍ帯面発光レーザ素子の実施例
を説明するための図である。FIG. 7 shows a GaInNA according to a third embodiment (claims 5 and 6).
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of a 1.3 μm band surface emitting laser device using s as an active layer.
【図８】６λ共振器構造を有するGaInNAsを活性層とす
る面発光レーザ素子を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting laser device having a 6λ resonator structure and using GaInNAs as an active layer.
【図９】実施例４（請求項７）に係る面発光レーザアレ
イの実施例を説明するための図である。FIG. 9 is a view for explaining an example of the surface emitting laser array according to Example 4 (claim 7).
【図１０】実施例５（請求項８）に係る光インターコネ
クションシステムの概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram of an optical interconnection system according to a fifth embodiment (claim 8).
【図１１】実施例５（請求項８）に係るレーザアレイモ
ジュールの概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram of a laser array module according to a fifth embodiment (claim 8).
【図１２】実施例６（請求項９）に係る光ＬＡＮシステ
ム（光通信システムの一例）の概念図である。FIG. 12 is a conceptual diagram of an optical LAN system (an example of an optical communication system) according to a sixth embodiment (claim 9).
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０：ｎ−GaAs
基板、 １１，２１，３１，４１，５１，６１，７１：ｎ−分布
ブラッグ反射器、 １２，２２，３２，４２，５２，６２，７２：スペーサ
ー層、 １３，２３，３３，４３，５３，６３，７３：多重量子
井戸活性層、 １４，２４，３４，４４，５４，６４，７４：ｐ−分布
ブラッグ反射器、 １５，２５，３５，４５，５５，６５，７５：コンタク
ト層、 １６，２６，３６，４６，５６，６６，７６：AlAs被選
択酸化層、 １６’，２６’，３６’，４６’，５６’，６６’，７
６’：選択酸化絶縁部（電流狭窄層）、 １７，２７，３７，４７，５７，６７，７７：ポリイミ
ド、 １８，２８，３８，４８，５８，６８，７８：ｐ−電
極、 １９，２９，３９，４９，５９，６９，７９：ｎ−電
極、 ４６２，５６２，６６２，７６２：AlGaAs組成傾斜層、 ８０：面発光レーザアレイ、 ８１：面発光レーザ素子部、 ８２：光出射部、 ８３：ｐ−電極、 ８４：ｐ側配線。 ８５：機器１、 ８５１：面発光レーザアレイモジュール、 ８６：機器２、 ８６１：フォトダイオードアレイモジュール、 ８７：石英シグナルモードファイバアレイ、 ８８：シリコン基板、 ８９：一次元面発光レーザアレイ、 ９０：マイクロレンズアレイ、 ９１：石英シグナルモードファイバ、 ９２：サーバー、 ９３：コアスイッチ、 ９４：スイッチ、 ９５：端末。10, 20, 30, 40, 50, 60, 70: n-GaAs
Substrate: 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71: n-distribution Bragg reflector; 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72: spacer layer, 13, 23, 33, 43, 53, 63, 73: multiple quantum well active layer; 14, 24, 34, 44, 54, 64, 74: p-distribution Bragg reflector; 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75: contact layer, 16, 26, 36, 46, 56, 66, 76: AlAs selectively oxidized layer, 16 ', 26', 36 ', 46', 56 ', 66', 7
6 ': selective oxidation insulating portion (current constriction layer), 17, 27, 37, 47, 57, 67, 77: polyimide, 18, 28, 38, 48, 58, 68, 78: p-electrode, 19, 29 , 39, 49, 59, 69, 79: n-electrode, 462, 562, 662, 762: AlGaAs composition gradient layer, 80: surface emitting laser array, 81: surface emitting laser element portion, 82: light emitting portion, 83 : P-electrode, 84: p-side wiring. 85: device 1, 851: surface emitting laser array module, 86: device 2, 861: photodiode array module, 87: quartz signal mode fiber array, 88: silicon substrate, 89: one-dimensional surface emitting laser array, 90: micro Lens array, 91: quartz signal mode fiber, 92: server, 93: core switch, 94: switch, 95: terminal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 孝志 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 伊藤 彰浩 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 上西 盛聖 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA03 BA05 CA04 5F073 AA51 AA74 AA89 AB05 AB17 AB27 AB28 BA02 BA09 CA04 CA05 CA07 CA17 CA20 CB02 DA27 EA02 EA14 EA29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Takashi Takahashi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Akihiro Ito 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock In Ricoh Company (72) Inventor Seishin Uenishi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Company (reference) 2H037 AA01 BA03 BA05 CA04 5F073 AA51 AA74 AA89 AB05 AB17 AB27 AB28 BA02 BA09 CA04 CA05 CA07 CA17 CA20 CB02 DA27 EA02 EA14 EA29
Claims (9)
共振領域と、該共振領域を挟んで対向する一対の分布ブ
ラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子であって、Al
を含む半導体混晶を酸化してなる電流狭窄構造が前記共
振器スペーサー層中に設けられていることを特徴とする
面発光レーザ素子。1. A surface emitting laser device comprising: a resonance region including an active layer and a resonator spacer layer; and a pair of distributed Bragg reflectors opposed to each other with the resonance region interposed therebetween.
A surface-emitting laser device characterized in that a current confinement structure formed by oxidizing a semiconductor mixed crystal including: is provided in the resonator spacer layer.
て、前記共振器スペーサー層と前記電流狭窄構造と前記
活性層からなる共振器構造の光学的厚さが、一波長光学
的厚さより長いｎλ共振器構造（ｎ≧２）であることを
特徴する面発光レーザ素子。2. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein an optical thickness of the resonator structure including the resonator spacer layer, the current confinement structure, and the active layer is nλ longer than a one-wavelength optical thickness. A surface emitting laser device having a resonator structure (n ≧ 2).
子において、前記電流狭窄構造が前記活性層を挟んで両
側の共振器スペーサー中に設けられていることを特徴と
する面発光レーザ素子。3. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the current confinement structure is provided in resonator spacers on both sides of the active layer.
光レーザ素子において、前記共振器スペーサー層と前記
電流狭窄構造を形成する層との界面にAlの組成を連続的
に変化させた組成傾斜層、若しくはAl組成が異なる１つ
以上の層、若しくはこれらを組み合わせた層を含んでい
ることを特徴とする面発光レーザ素子。4. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the composition of Al is continuously changed at an interface between the cavity spacer layer and the layer forming the current confinement structure. A surface-emitting laser device comprising a composition gradient layer, one or more layers having different Al compositions, or a combination thereof.
光レーザ素子において、発振波長が１.１μｍより長波
であることを特徴とする面発光レーザ素子。5. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the oscillation wavelength is longer than 1.1 μm.
光レーザ素子において、前記活性層の材料が、GaInAs，
GaNAs，GaInNAs，GaAsSb，GaInAsNSb混晶のいずれかで
あることを特徴とする面発光レーザ素子。6. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the material of the active layer is GaInAs,
A surface emitting laser device comprising any of GaNAs, GaInNAs, GaAsSb, and GaInAsNSb mixed crystals.
光レーザ素子を用いたことを特徴とする面発光レーザア
レイ。7. A surface-emitting laser array using the surface-emitting laser element according to claim 1.
光レーザ素子または請求項７記載の面発光レーザアレイ
を用いて構成されたことを特徴とする光インターコネク
ションシステム。8. An optical interconnection system comprising the surface emitting laser device according to claim 1 or the surface emitting laser array according to claim 7.
光レーザ素子または請求項７記載の面発光レーザアレイ
を用いて構成されたことを特徴とする光通信システム。9. An optical communication system comprising the surface emitting laser element according to claim 1 or the surface emitting laser array according to claim 7.
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