JP2003133639A - 面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents
面発光型半導体レーザ素子Info
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
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- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1221—Detuning between Bragg wavelength and gain maximum
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- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 基本横モードで安定してシングルモード発振
する面発光型半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 本素子は、基板上に、一対の半導体多層
膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され
た活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を出
射する、酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子であ
る。本素子では、所定温度での基本横モードの共振波長
と共振器長との関係に基づいて、所定温度での基本横モ
ードの共振波長が利得ピーク波長以下になるように、共
振器長が設定されている。
する面発光型半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 本素子は、基板上に、一対の半導体多層
膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され
た活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を出
射する、酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子であ
る。本素子では、所定温度での基本横モードの共振波長
と共振器長との関係に基づいて、所定温度での基本横モ
ードの共振波長が利得ピーク波長以下になるように、共
振器長が設定されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、面発光型半導体レ
ーザ素子に関し、更に詳細には、基本横モードで安定し
てシングルモード発振するようにした、光データ伝送及
び光通信の分野の光源として最適な面発光型半導体レー
ザ素子に関するものである。
ーザ素子に関し、更に詳細には、基本横モードで安定し
てシングルモード発振するようにした、光データ伝送及
び光通信の分野の光源として最適な面発光型半導体レー
ザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】面発光型半導体レーザ素子は、基板に対
して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であっ
て、ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異な
り、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導
体レーザ素子を配列することが可能なこともあって、近
年、データ通信分野の光源として注目されている半導体
レーザ素子である。
して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であっ
て、ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異な
り、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導
体レーザ素子を配列することが可能なこともあって、近
年、データ通信分野の光源として注目されている半導体
レーザ素子である。
【０００３】面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓや
ＩｎＰといった半導体基板上に、例えばＧａＡｓ基板を
用いたときには、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ／ＡｌyＧａ(1-y)
Ａｓ等からなる対の半導体多層膜反射鏡を形成し、その
対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有する素子で
あり、基板と垂直にレーザ光を放射するものである（こ
こで、ｘ、ｙは、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓのモル組成比
であり、０≦ｙ＜ｘ≦１である）。特に、ＧａＡｓ系面
発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合
し、しかも、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａ
Ａｓ系ＤＢＲミラーを用いることができるので、０．８
μｍ〜１．０μｍ帯のレーザ素子として有望視されてい
る。
ＩｎＰといった半導体基板上に、例えばＧａＡｓ基板を
用いたときには、ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ／ＡｌyＧａ(1-y)
Ａｓ等からなる対の半導体多層膜反射鏡を形成し、その
対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有する素子で
あり、基板と垂直にレーザ光を放射するものである（こ
こで、ｘ、ｙは、ＧａＡｓおよびＡｌＡｓのモル組成比
であり、０≦ｙ＜ｘ≦１である）。特に、ＧａＡｓ系面
発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合
し、しかも、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａ
Ａｓ系ＤＢＲミラーを用いることができるので、０．８
μｍ〜１．０μｍ帯のレーザ素子として有望視されてい
る。
【０００４】また、注入電流領域を狭窄して、面発光型
半導体レーザ素子の電流効率を高め、閾値電流値を下げ
る電流狭窄構造には、イオン打込みによるｐｎ接合分離
式の電流狭窄構造と、選択酸化法により例えばＡｌＡｓ
層またはＡｌＧａＡｓ層のＡｌを選択的に酸化して部分
的にＡｌ酸化層に転化させた酸化層狭窄型の電流狭窄構
造とがある。酸化層狭窄型の電流狭窄構造は、電流狭窄
作用が確実で、しかも製作が比較的容易であることか
ら、面発光型半導体レーザ素子にも広く採用されてい
る。
半導体レーザ素子の電流効率を高め、閾値電流値を下げ
る電流狭窄構造には、イオン打込みによるｐｎ接合分離
式の電流狭窄構造と、選択酸化法により例えばＡｌＡｓ
層またはＡｌＧａＡｓ層のＡｌを選択的に酸化して部分
的にＡｌ酸化層に転化させた酸化層狭窄型の電流狭窄構
造とがある。酸化層狭窄型の電流狭窄構造は、電流狭窄
作用が確実で、しかも製作が比較的容易であることか
ら、面発光型半導体レーザ素子にも広く採用されてい
る。
【０００５】ここで、図２を参照して、酸化層狭窄型の
ＧａＡｓ系面発光型半導体レーザ素子の構成を説明す
る。図２は酸化層狭窄型のＧａＡｓ系面発光型半導体レ
ーザ素子の構成を示す斜視図である。酸化層狭窄型の面
発光型半導体レーザ素子１０は、図２に示すように、ｎ
−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−下部ＤＢＲミラー１４、
活性部１６、ｐ−上部ＤＢＲミラー１８、及び膜厚１０
ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層２０の積層構造を備えて
いる。
ＧａＡｓ系面発光型半導体レーザ素子の構成を説明す
る。図２は酸化層狭窄型のＧａＡｓ系面発光型半導体レ
ーザ素子の構成を示す斜視図である。酸化層狭窄型の面
発光型半導体レーザ素子１０は、図２に示すように、ｎ
−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−下部ＤＢＲミラー１４、
活性部１６、ｐ−上部ＤＢＲミラー１８、及び膜厚１０
ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層２０の積層構造を備えて
いる。
【０００６】ｎ−下部ＤＢＲミラー１４は、ｎ型Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを３５ペア積層し
た多層膜反射鏡構造として構成されていて、また、ｎ−
下部ＤＢＲミラー１４の最上層は、後述する電流狭窄構
造を形成するために、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓではなく、膜
厚５０ｎｍのＡｌＡｓ膜２５となっている。活性部１６
は、ノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部クラッド層１６
ａと、ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓとの多重量子井戸
構造１６ｂと、ノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部クラ
ッド層１６ｃとから構成されている。ｐ−上部ＤＢＲミ
ラー１８は、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1
Ａｓを２０．５ペア積層した多層膜反射鏡構造として構
成されている。
0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを３５ペア積層し
た多層膜反射鏡構造として構成されていて、また、ｎ−
下部ＤＢＲミラー１４の最上層は、後述する電流狭窄構
造を形成するために、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓではなく、膜
厚５０ｎｍのＡｌＡｓ膜２５となっている。活性部１６
は、ノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部クラッド層１６
ａと、ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓとの多重量子井戸
構造１６ｂと、ノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部クラ
ッド層１６ｃとから構成されている。ｐ−上部ＤＢＲミ
ラー１８は、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1
Ａｓを２０．５ペア積層した多層膜反射鏡構造として構
成されている。
【０００７】また、ｐ−キャップ層２０、ｐ−上部ＤＢ
Ｒミラー１８、活性部１６、及びｎ−下部ＤＢＲミラー
１４の上部層は、エッチング加工され、メサポスト２２
に成形されている。電流狭窄のため、ｎ−下部ＤＢＲミ
ラー１４の最上層であるＡｌＡｓ層２５は、高温水蒸気
によってメサポスト２２の周囲から選択的に酸化され、
環状のＡｌ酸化層２４となっている。また、Ａｌ酸化層
２４で囲まれた中央の未酸化のＡｌＡｓ層２５は、電流
注入口となっている。
Ｒミラー１８、活性部１６、及びｎ−下部ＤＢＲミラー
１４の上部層は、エッチング加工され、メサポスト２２
に成形されている。電流狭窄のため、ｎ−下部ＤＢＲミ
ラー１４の最上層であるＡｌＡｓ層２５は、高温水蒸気
によってメサポスト２２の周囲から選択的に酸化され、
環状のＡｌ酸化層２４となっている。また、Ａｌ酸化層
２４で囲まれた中央の未酸化のＡｌＡｓ層２５は、電流
注入口となっている。
【０００８】メサポスト２２の側壁及びｎ−下部ＤＢＲ
ミラー１４の下部層上には、ＳｉＮ X パッシベーション
膜２６が設けられ、更に、メサポスト２２は、平坦化、
熱伝導の良好化、寄生容量の低減、高速動作性の向上等
のために、その周りがポリイミド層２８で埋め込まれて
いる。メサポスト２２の上部には、リング状のｐ側電極
３０が、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２０と電気的に接続す
るように設けられ、また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面
にはｎ側電極３２が設けてある。
ミラー１４の下部層上には、ＳｉＮ X パッシベーション
膜２６が設けられ、更に、メサポスト２２は、平坦化、
熱伝導の良好化、寄生容量の低減、高速動作性の向上等
のために、その周りがポリイミド層２８で埋め込まれて
いる。メサポスト２２の上部には、リング状のｐ側電極
３０が、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２０と電気的に接続す
るように設けられ、また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面
にはｎ側電極３２が設けてある。
【０００９】ここで、図３から図５を参照して、従来の
面発光型半導体レーザ素子１０の作製方法を説明する。
図３（ａ）と（ｂ）、図４（ｃ）と（ｄ）、及び図５
（ｅ）と（ｆ）は、それぞれ、従来の面発光型半導体レ
ーザ素子１０を作製する際の工程毎の断面図である。先
ず、ｎ−ＧａＡｓ基板１２に酸処理を施して、基板面を
清浄化し、次いでＭＯＣＶＤ装置に投入し、図３（ａ）
に示すように、ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ
0.1Ａｓを３５ペア積層してｎ−下部ＤＢＲミラー１４
を形成する。尚、ｎ−下部ＤＢＲミラー１４の最上層に
は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓではなく、膜厚５０ｎｍのＡｌ
Ａｓ膜２５を成長させる。
面発光型半導体レーザ素子１０の作製方法を説明する。
図３（ａ）と（ｂ）、図４（ｃ）と（ｄ）、及び図５
（ｅ）と（ｆ）は、それぞれ、従来の面発光型半導体レ
ーザ素子１０を作製する際の工程毎の断面図である。先
ず、ｎ−ＧａＡｓ基板１２に酸処理を施して、基板面を
清浄化し、次いでＭＯＣＶＤ装置に投入し、図３（ａ）
に示すように、ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ
0.1Ａｓを３５ペア積層してｎ−下部ＤＢＲミラー１４
を形成する。尚、ｎ−下部ＤＢＲミラー１４の最上層に
は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓではなく、膜厚５０ｎｍのＡｌ
Ａｓ膜２５を成長させる。
【００１０】続いて、ノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓク
ラッド層１６ａ、ＧａＡｓ／Ａｌ0. 2Ｇａ0.8Ａｓとの多
重量子井戸構造１６ｂ、及びノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7
Ａｓクラッド層１６ｃを成長させる。次いで、ｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを２０．５ペア積
層してｐ−上部ＤＢＲミラー１８を形成し、続いてｐ−
ＧａＡｓキャップ層２０を成長させ、図３（ａ）に示す
ように、積層構造を形成する。
ラッド層１６ａ、ＧａＡｓ／Ａｌ0. 2Ｇａ0.8Ａｓとの多
重量子井戸構造１６ｂ、及びノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7
Ａｓクラッド層１６ｃを成長させる。次いで、ｐ−Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを２０．５ペア積
層してｐ−上部ＤＢＲミラー１８を形成し、続いてｐ−
ＧａＡｓキャップ層２０を成長させ、図３（ａ）に示す
ように、積層構造を形成する。
【００１１】次いで、プラズマＣＶＤ装置を用いてｐ−
ＧａＡｓキャップ層２０上にＳｉＮ X 膜３３を成膜す
る。続いて、レジスト膜（図示せず）をＳｉＮX 膜３３
上に成膜し、更にフォトリソグラフィ処理により、図３
（ｂ）に示すように、直径約４０ｎｍのレジストマスク
３４を形成する。
ＧａＡｓキャップ層２０上にＳｉＮ X 膜３３を成膜す
る。続いて、レジスト膜（図示せず）をＳｉＮX 膜３３
上に成膜し、更にフォトリソグラフィ処理により、図３
（ｂ）に示すように、直径約４０ｎｍのレジストマスク
３４を形成する。
【００１２】レジストマスク３４を形成した後、ＣＦ4
ガスをエッチングガスにして、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）法によりＳｉＮX 膜３３をエッチングし、次
いでＲＩＢＥ装置を用い、塩素ガスをエッチングガスに
して、図４（ｃ）に示すように、ｐ−キャップ層２０、
ｐ−上部ＤＢＲミラー１８、活性部１６、及びｎ−下部
ＤＢＲミラー１４の上部層をエッチングして、柱状のメ
サポスト２２を形成する。
ガスをエッチングガスにして、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）法によりＳｉＮX 膜３３をエッチングし、次
いでＲＩＢＥ装置を用い、塩素ガスをエッチングガスに
して、図４（ｃ）に示すように、ｐ−キャップ層２０、
ｐ−上部ＤＢＲミラー１８、活性部１６、及びｎ−下部
ＤＢＲミラー１４の上部層をエッチングして、柱状のメ
サポスト２２を形成する。
【００１３】エッチングが終了した後、レジストマスク
３４を除去する。次いで、４００℃の水蒸気雰囲気中に
約２５分間維持して、図４（ｃ）に示す積層構造に、い
わゆるウェット酸化処理を施す。ウエット酸化処理によ
り、図４（ｄ）に示すように、ｎ−下部ＤＢＲミラー１
４の最上層のＡｌＡｓ層２５中のＡｌが、メサポスト２
２の外周から酸化されてＡｌ2 Ｏ3 となり、メサポスト
２２の下部に絶縁性のＡｌ酸化層２４が形成される。一
方、酸化されなかったＡｌＡｓ領域２５は、電流注入口
として機能する。なお、Ａｌ酸化層２４によって囲まれ
た電流注入口、すなわちＡｌＡｓ領域２５の径Ｄは５μ
ｍである。ウェット酸化処理の終了後、ＲＩＥ法により
ＳｉＮX 膜３３を除去する。
３４を除去する。次いで、４００℃の水蒸気雰囲気中に
約２５分間維持して、図４（ｃ）に示す積層構造に、い
わゆるウェット酸化処理を施す。ウエット酸化処理によ
り、図４（ｄ）に示すように、ｎ−下部ＤＢＲミラー１
４の最上層のＡｌＡｓ層２５中のＡｌが、メサポスト２
２の外周から酸化されてＡｌ2 Ｏ3 となり、メサポスト
２２の下部に絶縁性のＡｌ酸化層２４が形成される。一
方、酸化されなかったＡｌＡｓ領域２５は、電流注入口
として機能する。なお、Ａｌ酸化層２４によって囲まれ
た電流注入口、すなわちＡｌＡｓ領域２５の径Ｄは５μ
ｍである。ウェット酸化処理の終了後、ＲＩＥ法により
ＳｉＮX 膜３３を除去する。
【００１４】次いで、図５（ｅ）に示すように、メサポ
スト２２上及び周囲、並びにメサポスト２２脇のｎ−下
部ＤＢＲミラー１４上に、プラズマＣＶＤ法により、Ｓ
ｉＮ X パッシベーション膜２６を成膜する。次いで、Ｓ
ｉＮX パッシベーション膜２６上にポリイミド層２８を
形成し、メサポスト２２を埋め込む。続いて、フォトリ
ソグラフィ処理により、メサポスト２２の上面のポリイ
ミド層２８を除去して、図５（ｅ）に示すように、Ｓｉ
ＮXパッシベーション膜２６を露出させる。
スト２２上及び周囲、並びにメサポスト２２脇のｎ−下
部ＤＢＲミラー１４上に、プラズマＣＶＤ法により、Ｓ
ｉＮ X パッシベーション膜２６を成膜する。次いで、Ｓ
ｉＮX パッシベーション膜２６上にポリイミド層２８を
形成し、メサポスト２２を埋め込む。続いて、フォトリ
ソグラフィ処理により、メサポスト２２の上面のポリイ
ミド層２８を除去して、図５（ｅ）に示すように、Ｓｉ
ＮXパッシベーション膜２６を露出させる。
【００１５】次いで、ＲＩＥ装置を用い、ＣＦ4 ガスを
エッチングガスにして、メサポスト２２上に露出したＳ
ｉＮX パッシベーション膜２６をエッチングして、ｐ側
電極３０形成用の直径３０μｍの窓を開け、続いて、Ａ
ｕＺｎ膜を蒸着させて、図５（ｆ）に示すように、リン
グ状のｐ側電極３０を形成する。ｐ側電極３０を形成し
た後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して、基板厚
さを２００μｍに調整し、次いで基板裏面にＡｕＧｅＮ
ｉ膜を蒸着させてｎ側電極３２を形成する。以上の工程
を経て、プロセスは終了する。続いて、ダイシングマシ
ーンを用いてダイシングして素子化を行い、図１に示す
ような面発光型半導体レーザ素子１０を作製することが
できる。
エッチングガスにして、メサポスト２２上に露出したＳ
ｉＮX パッシベーション膜２６をエッチングして、ｐ側
電極３０形成用の直径３０μｍの窓を開け、続いて、Ａ
ｕＺｎ膜を蒸着させて、図５（ｆ）に示すように、リン
グ状のｐ側電極３０を形成する。ｐ側電極３０を形成し
た後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して、基板厚
さを２００μｍに調整し、次いで基板裏面にＡｕＧｅＮ
ｉ膜を蒸着させてｎ側電極３２を形成する。以上の工程
を経て、プロセスは終了する。続いて、ダイシングマシ
ーンを用いてダイシングして素子化を行い、図１に示す
ような面発光型半導体レーザ素子１０を作製することが
できる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】光伝送分野で光源とし
て使用されている半導体レーザ素子から出射されるレー
ザ光には、シングルモードとマルチモードがある。シン
グルモードのレーザ光による光伝送は、マルチモードの
レーザ光による光伝送より高速でデータを伝送すること
ができるので、光伝送装置の光源に使用される面発光型
半導体レーザ素子は、縦モード、横モード共、シングル
モードでレーザ光を出射することが望まれている。とこ
ろで、上述の酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子
は、その構造上、縦モードはシングルモードになる。一
方、横モードは、電流注入領域となる未酸化のＡｌＡｓ
層２５と電流狭窄領域となるＡｌ酸化層２４との間の屈
折率差に基づき横モードが生じるが、その構造によって
は、基本モードとともに高次モードが発振する、いわゆ
るマルチモード発振となることがある。そこで、シング
ル横モード発振を実現するために、従来、上述のよう
に、電流注入領域を小さく、例えば５μｍ径に小さくし
て、基本横モード以外の高次横モードをカットオフする
ことが行われている。
て使用されている半導体レーザ素子から出射されるレー
ザ光には、シングルモードとマルチモードがある。シン
グルモードのレーザ光による光伝送は、マルチモードの
レーザ光による光伝送より高速でデータを伝送すること
ができるので、光伝送装置の光源に使用される面発光型
半導体レーザ素子は、縦モード、横モード共、シングル
モードでレーザ光を出射することが望まれている。とこ
ろで、上述の酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子
は、その構造上、縦モードはシングルモードになる。一
方、横モードは、電流注入領域となる未酸化のＡｌＡｓ
層２５と電流狭窄領域となるＡｌ酸化層２４との間の屈
折率差に基づき横モードが生じるが、その構造によって
は、基本モードとともに高次モードが発振する、いわゆ
るマルチモード発振となることがある。そこで、シング
ル横モード発振を実現するために、従来、上述のよう
に、電流注入領域を小さく、例えば５μｍ径に小さくし
て、基本横モード以外の高次横モードをカットオフする
ことが行われている。
【００１７】しかし、従来の酸化層狭窄構造の形成方
法、つまりメサポストの周囲から内方にＡｌを選択的に
酸化してＡｌ酸化層を形成するやり方では、Ａｌ酸化層
の幅、即ち電流注入領域の大きさを厳密に制御すること
が難しいために、基本横モード以外の高次横モードを所
望通りカットオフできないことがあるという問題があっ
た。その結果、従来の酸化層狭窄型の面発光型半導体レ
ーザ素子では、高次横モードが発振してしまうことがあ
り、シングル横モードで安定してレーザ光を発振させる
ことが難しかった。
法、つまりメサポストの周囲から内方にＡｌを選択的に
酸化してＡｌ酸化層を形成するやり方では、Ａｌ酸化層
の幅、即ち電流注入領域の大きさを厳密に制御すること
が難しいために、基本横モード以外の高次横モードを所
望通りカットオフできないことがあるという問題があっ
た。その結果、従来の酸化層狭窄型の面発光型半導体レ
ーザ素子では、高次横モードが発振してしまうことがあ
り、シングル横モードで安定してレーザ光を発振させる
ことが難しかった。
【００１８】そこで、本発明の目的は、基本横モードで
安定してシングルモード発振する面発光型半導体レーザ
素子を提供することである。
安定してシングルモード発振する面発光型半導体レーザ
素子を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】ところで、高次横モード
のレーザ光は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、基
本横モードのレーザ光よりも短波長である。本発明者
は、このことを利用し、基本横モードが最大の利得を持
つようにすることにより、高次横モードを抑制すること
を着想した。
のレーザ光は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、基
本横モードのレーザ光よりも短波長である。本発明者
は、このことを利用し、基本横モードが最大の利得を持
つようにすることにより、高次横モードを抑制すること
を着想した。
【００２０】面発光型半導体レーザ素子は、一対の多層
膜反射鏡で構成される共振器の長さによって決まる単一
の縦モードで発振する。この縦モードに対し、未酸化領
域と酸化領域の屈折率差にもとづく複数の横モードが存
在する。これらの横モードは、図６（ａ）及び（ｂ）に
示すように、互いに僅かずつ波長の異なる共振波長を持
ち、高次横モードほど波長が短く、基本横モードが最も
波長が長い。一方、活性層が光を増幅する度合いを表す
利得は、活性層材料のバンドギャップエネルギーで決ま
る波長範囲に存在する。活性層の利得曲線のピーク波長
をλgpとすると、従来の面発光型半導体レーザ素子で
は、図６（ａ）に示すように、基本横モードの共振波長
はλgpより波長が長い。
膜反射鏡で構成される共振器の長さによって決まる単一
の縦モードで発振する。この縦モードに対し、未酸化領
域と酸化領域の屈折率差にもとづく複数の横モードが存
在する。これらの横モードは、図６（ａ）及び（ｂ）に
示すように、互いに僅かずつ波長の異なる共振波長を持
ち、高次横モードほど波長が短く、基本横モードが最も
波長が長い。一方、活性層が光を増幅する度合いを表す
利得は、活性層材料のバンドギャップエネルギーで決ま
る波長範囲に存在する。活性層の利得曲線のピーク波長
をλgpとすると、従来の面発光型半導体レーザ素子で
は、図６（ａ）に示すように、基本横モードの共振波長
はλgpより波長が長い。
【００２１】本発明では、図６（ｂ）に示すように、所
定温度での基本横モードの共振波長と共振器長との関係
に基づいて、λgpが基本横モードの共振波長以上になる
ように、活性層厚さを設定する。この結果、高次モード
は基本モードより波長が短いの理由から、基本横モード
が大きな利得を持ち、高次横モードに対する利得は小さ
いので、高次横モードが発振し難くなる。λgpは、温度
により変化を受けるため、実際に使用する温度で上記条
件を満たすように、活性層厚さを設定することが必要で
ある。
定温度での基本横モードの共振波長と共振器長との関係
に基づいて、λgpが基本横モードの共振波長以上になる
ように、活性層厚さを設定する。この結果、高次モード
は基本モードより波長が短いの理由から、基本横モード
が大きな利得を持ち、高次横モードに対する利得は小さ
いので、高次横モードが発振し難くなる。λgpは、温度
により変化を受けるため、実際に使用する温度で上記条
件を満たすように、活性層厚さを設定することが必要で
ある。
【００２２】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、
基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体
多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に
直交する方向にレーザ光を出射する、酸化層狭窄型の面
発光型半導体レーザ素子において、所定温度での基本横
モードの共振波長が利得ピーク波長以下に設定されてい
ることを特徴としている。
基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、
基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体
多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に
直交する方向にレーザ光を出射する、酸化層狭窄型の面
発光型半導体レーザ素子において、所定温度での基本横
モードの共振波長が利得ピーク波長以下に設定されてい
ることを特徴としている。
【００２３】所定温度での基本横モードの共振波長が利
得ピーク波長以下にするには、例えば、基本横モードの
共振波長と共振器長との関係に基づいて、所定温度での
基本横モードの共振波長が利得ピーク波長以下になるよ
うに共振器長を設定する。
得ピーク波長以下にするには、例えば、基本横モードの
共振波長と共振器長との関係に基づいて、所定温度での
基本横モードの共振波長が利得ピーク波長以下になるよ
うに共振器長を設定する。
【００２４】本発明の好適な実施態様では、基本横モー
ドの共振波長と共振器長との関係に加えて、フォトルミ
ネッセンス法で求めた発光ピーク波長と活性層の膜厚と
の関係、及び発光ピーク波長と利得ピーク波長との関係
に基づいて、所定温度での基本横モードの共振波長が利
得ピーク波長以下になるように、共振器長が設定されて
いる。本発明でいう、基本横モードの共振波長と共振器
長との関係とは、共振器長＝基本横モード共振波長／屈
折率で規定される関係である。発光ピーク波長と活性層
の膜厚との関係とは、活性層の量子井戸中に形成される
電子と正孔のエネルギー準位で規定される関係である。
発光ピーク波長と利得ピーク波長との関係とは、材料に
固有で、かつ励起強度に依存し、実験的に求めることが
できる。尚、共振波長とは、面発光型半導体レーザ素子
の積層構造を形成したエピタキシャルウエハの分光反射
率測定により測定する波長であり、所定温度とは、面発
光型半導体レーザ素子の動作温度である。
ドの共振波長と共振器長との関係に加えて、フォトルミ
ネッセンス法で求めた発光ピーク波長と活性層の膜厚と
の関係、及び発光ピーク波長と利得ピーク波長との関係
に基づいて、所定温度での基本横モードの共振波長が利
得ピーク波長以下になるように、共振器長が設定されて
いる。本発明でいう、基本横モードの共振波長と共振器
長との関係とは、共振器長＝基本横モード共振波長／屈
折率で規定される関係である。発光ピーク波長と活性層
の膜厚との関係とは、活性層の量子井戸中に形成される
電子と正孔のエネルギー準位で規定される関係である。
発光ピーク波長と利得ピーク波長との関係とは、材料に
固有で、かつ励起強度に依存し、実験的に求めることが
できる。尚、共振波長とは、面発光型半導体レーザ素子
の積層構造を形成したエピタキシャルウエハの分光反射
率測定により測定する波長であり、所定温度とは、面発
光型半導体レーザ素子の動作温度である。
【００２５】本発明に係る面発光型半導体レーザ素子
は、利得ピーク波長の長短に関せず、適用でき、従っ
て、基板、多層膜反射鏡、クラッド層、活性層等の組成
に制約なく適用でき、例えばＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ
系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＮＡｓ系等に好適に適用でき
る。
は、利得ピーク波長の長短に関せず、適用でき、従っ
て、基板、多層膜反射鏡、クラッド層、活性層等の組成
に制約なく適用でき、例えばＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ
系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＮＡｓ系等に好適に適用でき
る。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素
子の実施形態の一例である。本実施形態例の面発光型半
導体レーザ素子は、所定温度での基本横モードの共振波
長が利得ピーク波長以下になっていることを除いて、図
２の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備え、
同じ方法で作製されている。
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素
子の実施形態の一例である。本実施形態例の面発光型半
導体レーザ素子は、所定温度での基本横モードの共振波
長が利得ピーク波長以下になっていることを除いて、図
２の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備え、
同じ方法で作製されている。
【００２７】本実施形態例では、所定温度での基本横モ
ードの共振波長を利得ピーク波長以下にするために、共
振器長、つまり活性部１６の厚さ（下部クラッド層の膜
厚、量子井戸の膜厚、上部クラッド層の膜厚の合計膜厚
ｄcav ）は、予め求めておいた共振波長と共振器長ｄ
cav との関係を用いて、共振波長が８４８ｎｍとなるよ
うに設定されている。ここで、共振波長λと共振器長ｄ
cav との関係とは、ｄcav ＝λ／ｎである。但し、ｎは
屈折率で、上下クラッド層材料Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓに
対する値とする。
ードの共振波長を利得ピーク波長以下にするために、共
振器長、つまり活性部１６の厚さ（下部クラッド層の膜
厚、量子井戸の膜厚、上部クラッド層の膜厚の合計膜厚
ｄcav ）は、予め求めておいた共振波長と共振器長ｄ
cav との関係を用いて、共振波長が８４８ｎｍとなるよ
うに設定されている。ここで、共振波長λと共振器長ｄ
cav との関係とは、ｄcav ＝λ／ｎである。但し、ｎは
屈折率で、上下クラッド層材料Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓに
対する値とする。
【００２８】共振波長は、面発光型半導体レーザ素子を
構成する積層構造を形成したエピタキシャルウエハの分
光反射率測定により測定される。また、フォトルミネッ
センス法で求めた発光ピーク波長をλPLとすると、量子
井戸のＧａＡｓ層の厚さｄwは、予め求めておいたλPL
とｄw との関係を用いて、λPL＝８４０ｎｍとなるよう
に設定する。発光ピーク波長λPLと利得ピーク波長との
関係から、電流注入により発生する利得ピーク波長は、
ほぼ８５０ｎｍになる。ここで、発光ピーク波長λPLと
井戸層の膜厚ｄw とは、図７に示すような関係を有す
る。また、発光ピーク波長λPLと利得ピーク波長との関
係は、エピタキシャルウエハから、長共振器の端面発光
型レーザを作って発振させることにより、知ることがで
きる。
構成する積層構造を形成したエピタキシャルウエハの分
光反射率測定により測定される。また、フォトルミネッ
センス法で求めた発光ピーク波長をλPLとすると、量子
井戸のＧａＡｓ層の厚さｄwは、予め求めておいたλPL
とｄw との関係を用いて、λPL＝８４０ｎｍとなるよう
に設定する。発光ピーク波長λPLと利得ピーク波長との
関係から、電流注入により発生する利得ピーク波長は、
ほぼ８５０ｎｍになる。ここで、発光ピーク波長λPLと
井戸層の膜厚ｄw とは、図７に示すような関係を有す
る。また、発光ピーク波長λPLと利得ピーク波長との関
係は、エピタキシャルウエハから、長共振器の端面発光
型レーザを作って発振させることにより、知ることがで
きる。
【００２９】本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子
の発振スペクトルを測定したところ、図１（ａ）に示す
ように、横モードは８４８ｎｍで単一のピークを示すシ
ングルモード発振であることが確認できた。
の発振スペクトルを測定したところ、図１（ａ）に示す
ように、横モードは８４８ｎｍで単一のピークを示すシ
ングルモード発振であることが確認できた。
【００３０】本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子
と比較するために、従来の面発光型半導体レーザ素子１
０の発振スペクトルを測定したところ、図１（ｂ）に示
すように、横モードは８４８ｎｍで大きなピークと、８
４６ｎｍと８４７ｎｍとの間にピークを示すマルチモー
ド発振であることが判った。従来の面発光型半導体レー
ザ素子１０で、共振器長、すなわちｄcav は、本実施形
態例の面発光型半導体レーザ素子と同様に、共振波長が
８４８ｎｍとなるように設定されている。また、λPLが
８３３ｎｍとなるように、量子井戸のＧａＡｓ層の厚さ
ｄw が設定されている。これにより、電流注入により発
生する利得ピーク波長は、ほぼ８４３ｎｍになってい
る。
と比較するために、従来の面発光型半導体レーザ素子１
０の発振スペクトルを測定したところ、図１（ｂ）に示
すように、横モードは８４８ｎｍで大きなピークと、８
４６ｎｍと８４７ｎｍとの間にピークを示すマルチモー
ド発振であることが判った。従来の面発光型半導体レー
ザ素子１０で、共振器長、すなわちｄcav は、本実施形
態例の面発光型半導体レーザ素子と同様に、共振波長が
８４８ｎｍとなるように設定されている。また、λPLが
８３３ｎｍとなるように、量子井戸のＧａＡｓ層の厚さ
ｄw が設定されている。これにより、電流注入により発
生する利得ピーク波長は、ほぼ８４３ｎｍになってい
る。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば、所定温度での基本横モ
ードの共振波長が利得ピーク波長以下になるように、例
えば所定温度での基本横モードの共振波長と共振器長と
の関係に基づいて、共振器長を設定して、基本横モード
が最大の利得を有するようにすることにより、高次横モ
ードを抑制し、基本横モードで安定してシングルモード
発振する面発光型半導体レーザ素子を実現している。
ードの共振波長が利得ピーク波長以下になるように、例
えば所定温度での基本横モードの共振波長と共振器長と
の関係に基づいて、共振器長を設定して、基本横モード
が最大の利得を有するようにすることにより、高次横モ
ードを抑制し、基本横モードで安定してシングルモード
発振する面発光型半導体レーザ素子を実現している。
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態
例及び従来例の面発光型半導体レーザ素子の発振スペク
トルを示すグラフである。
例及び従来例の面発光型半導体レーザ素子の発振スペク
トルを示すグラフである。
【図２】従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す
斜視断面図である。
斜視断面図である。
【図３】図３（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、従来の面発
光型半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図で
ある。
光型半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図で
ある。
【図４】図４（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図３（ｂ）
に続いて、従来の面発光型半導体レーザ素子を作製する
際の工程毎の断面図である。
に続いて、従来の面発光型半導体レーザ素子を作製する
際の工程毎の断面図である。
【図５】図５（ｅ）と（ｆ）は、それぞれ、図４（ｄ）
に続いて、従来の面発光型半導体レーザ素子を作製する
際の工程毎の断面図である。
に続いて、従来の面発光型半導体レーザ素子を作製する
際の工程毎の断面図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来の面
発光型半導体レーザ素子の利得曲線及び本発明に係る面
発光型半導体レーザ素子の利得曲線を示すグラフであ
る。
発光型半導体レーザ素子の利得曲線及び本発明に係る面
発光型半導体レーザ素子の利得曲線を示すグラフであ
る。
【図７】量子井戸厚さ（ｎｍ）と発光波長λPLとの関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
１０ 酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子
１２ ｎ−ＧａＡｓ基板
１４ ｎ−下部ＤＢＲミラー（ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを３５ペア積層） １６ 活性部 １８ ｐ−上部ＤＢＲミラー（ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを２０．５ペア積層） ２０ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ２２ メサポスト ２４ Ａｌ酸化層 ２５ ＡｌＡｓ層 ２６ ＳｉＮX パッシベーション膜 ２８ ポリイミド層 ３０ ｐ側電極 ３２ ｎ側電極 ３３ ＳｉＮX 膜 ３４ マスク
／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを３５ペア積層） １６ 活性部 １８ ｐ−上部ＤＢＲミラー（ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを２０．５ペア積層） ２０ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ２２ メサポスト ２４ Ａｌ酸化層 ２５ ＡｌＡｓ層 ２６ ＳｉＮX パッシベーション膜 ２８ ポリイミド層 ３０ ｐ側電極 ３２ ｎ側電極 ３３ ＳｉＮX 膜 ３４ マスク
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 品川 達志
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
Ｆターム(参考） 5F073 AA07 AA73 AB17 BA02 CA04
CB02 EA15
Claims (4)
- 【請求項１】 基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡
と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層
とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を出射する、
酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子において、 所定温度での基本横モードの共振波長が利得ピーク波長
以下に設定されていることを特徴とする面発光型半導体
レーザ素子。 - 【請求項２】 基本横モードの共振波長と共振器長との
関係に基づいて、所定温度での基本横モードの共振波長
が利得ピーク波長以下になるように、共振器長が設定さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半
導体レーザ素子。 - 【請求項３】 基本横モードの共振波長と共振器長との
関係に加えて、フォトルミネッセンス法で求めた発光ピ
ーク波長と活性層の膜厚との関係、及び発光ピーク波長
と利得ピーク波長との関係に基づいて、所定温度での基
本横モードの共振波長が利得ピーク波長以下になるよう
に、共振器長が設定されていることを特徴とする請求項
２に記載の面発光型半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 所定温度が面発光型半導体レーザ素子の
動作温度であることを特徴とする請求項１から３のうち
のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002052820A JP2003133639A (ja) | 2001-08-13 | 2002-02-28 | 面発光型半導体レーザ素子 |
| US10/214,787 US6829274B2 (en) | 2001-08-13 | 2002-08-06 | Surface emitting semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001245171 | 2001-08-13 | ||
| JP2001-245171 | 2001-08-13 | ||
| JP2002052820A JP2003133639A (ja) | 2001-08-13 | 2002-02-28 | 面発光型半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003133639A true JP2003133639A (ja) | 2003-05-09 |
Family
ID=26620467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002052820A Pending JP2003133639A (ja) | 2001-08-13 | 2002-02-28 | 面発光型半導体レーザ素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6829274B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003133639A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012099647A (ja) * | 2010-11-02 | 2012-05-24 | Canon Inc | 垂直共振器型面発光レーザ、画像形成装置 |
| US8594146B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-11-26 | Ricoh Company, Ltd. | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2016513889A (ja) * | 2013-03-15 | 2016-05-16 | プレビウム リサーチ インコーポレイテッド | 広帯域可変掃引光源 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7881359B2 (en) * | 1999-04-23 | 2011-02-01 | The Furukawa Electric Co., Ltd | Surface-emission semiconductor laser device |
| KR100374796B1 (ko) * | 2001-02-02 | 2003-03-03 | 삼성전기주식회사 | Ｐ형 전극과 활성층 사이에 효과적인 정공 확산을 위한 스페이서를 구비하는 ＧａＮ 면 발광 레이저 다이오드 및그 제조 방법 |
| WO2008029915A1 (fr) * | 2006-09-08 | 2008-03-13 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Dispositif d'émission de lumière à semiconducteur et son procédé de fabrication |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5825796A (en) * | 1996-09-25 | 1998-10-20 | Picolight Incorporated | Extended wavelength strained layer lasers having strain compensated layers |
| US6396865B1 (en) * | 2000-10-27 | 2002-05-28 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Vertical-cavity surface-emitting lasers with antiresonant reflecting optical waveguides |
-
2002
- 2002-02-28 JP JP2002052820A patent/JP2003133639A/ja active Pending
- 2002-08-06 US US10/214,787 patent/US6829274B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8594146B2 (en) | 2008-02-12 | 2013-11-26 | Ricoh Company, Ltd. | Surface emitting laser element, surface emitting laser array, optical scanning device, and image forming apparatus |
| JP2012099647A (ja) * | 2010-11-02 | 2012-05-24 | Canon Inc | 垂直共振器型面発光レーザ、画像形成装置 |
| JP2016513889A (ja) * | 2013-03-15 | 2016-05-16 | プレビウム リサーチ インコーポレイテッド | 広帯域可変掃引光源 |
| US20170373469A1 (en) | 2013-03-15 | 2017-12-28 | Praevium Research, Inc. | Widely tunable swept source |
| US10263394B2 (en) | 2013-03-15 | 2019-04-16 | Praevium Research, Inc. | Widely tunable swept source |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6829274B2 (en) | 2004-12-07 |
| US20030043871A1 (en) | 2003-03-06 |
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