JP2005093742A

JP2005093742A - Surface emitting laser and laser module using it

Info

Publication number: JP2005093742A
Application number: JP2003325479A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nidou; 正明仁道
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-04-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface emitting laser capable of achieving lower power or no laser driver IC and direct modulation operation by a digital LSI, and to provide a module capable of realizing high density optical wiring. <P>SOLUTION: This surface emitting laser has an active layer in an optical resonator constructed of a first and a second Bragg reflection mirrors, and outputs a laser beam in the thickness direction of the active layer. The laser has a semiconductor layer for modulation capable of changing an optical absorption coefficient to the laser beam by an electrical means, at an intermediate location between one of the first and the second Bragg reflection mirrors and the active layer. The semiconductor layer for modulation and the active layer are subjected to DC electric separation from each other, and the intensity of the laser beam is modulated by modulating the optical absorption coefficient. The surface emitting laser module is used in the form wherein the output of the laser driver IC for driving the surface emitting laser is terminated by a resistor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面発光レーザおよびこれを用いたレーザモジュールに関し、特に、光通信の光源として用いられる、光変調器を備えた面発光レーザおよびこれを用いたレーザモジュールに関するものである。 The present invention relates to a surface emitting laser and a laser module using the same, and more particularly to a surface emitting laser provided with an optical modulator and a laser module using the same used as a light source for optical communication.

近年、面発光レーザ技術の進展により面発光レーザが実用的となり、様々な光通信用途への適用が検討されている。0.85μm帯では面発光レーザの量産が行われており、長波長帯面発光レーザについても量産化を目指した開発が行われている。面発光レーザは、従来の端面発光型レーザに比べて集積化が容易で低消費電力、安価などのメリットが期待され、これを用いることにより低消費電力で安価な光送信モジュールの実現が期待されている。さらに、ボード間あるいはチップ間光通信である光インターコネクションにおいては、小さい領域に密に光送信モジュールを実装する必要があり、このような用途には低消費電力の面発光レーザを用いた光送信モジュールが必須と考えられている。 In recent years, surface-emitting lasers have become practical due to the progress of surface-emitting laser technology, and their application to various optical communication applications is being studied. Surface-emitting lasers are mass-produced in the 0.85 μm band, and long-wavelength surface-emitting lasers are also being developed for mass production. Surface-emitting lasers are easier to integrate than conventional edge-emitting lasers, and are expected to offer advantages such as low power consumption and low cost. By using this, low-power consumption and low-cost optical transmission modules are expected to be realized. ing. Furthermore, in optical interconnection, which is optical communication between boards or between chips, it is necessary to mount optical transmission modules densely in a small area. For such applications, optical transmission using a surface-emitting laser with low power consumption is required. Modules are considered essential.

図８は、従来技術による0.85μm帯面発光レーザの構造例を示す断面図である（従来技術１）。ｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー８２、ｎ型クラッド層８３、活性層８４、ｐ型クラッド層８５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８６、ｐ型ブラッグ反射ミラー８７が順次形成されている。電流狭窄のために、ｐ型層領域には電流開口を持った絶縁層８８が形成されている。電極は、ｐ型ブラッグ反射ミラー８７に接してｐ側電極９１、ｎ型クラッド層８３に接してｎ側電極９２がそれぞれ形成されている。ｐ側電極９１にはレーザ光を取り出すための開口９０が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー８２、８７によりレーザ共振器が形成されるが、これらミラーの反射率を９９％程度の高反射率にして共振器のミラー損失を数ｃｍ^−１と小さくし、さらに絶縁層８８の電流開口を５〜１０μmφとして電流を小さい領域に閉じ込めることにより、低い発振閾値が得られる。前期絶縁層８８の電流開口のサイズは、レーザ光の横モードを整形するためにも小さいことが必要であり、このサイズが小さいほど安定した基本横モード発振が得られる。また、寄生容量低減のために、ｐ型層、絶縁層、活性層の外縁はポスト形状８９にエッチング加工されている。このような面発光レーザにおいて、低発振閾値電流1ｍＡ程度、光出力数ｍＷ程度が得られ、２ｍＷ程度の平均光出力で１０ＧＨｚ程度の変調帯域が得られている。図９には、図８の面発光レーザの駆動回路の例を示す。デジタルＬＳＩ９６のI／Oポートからの電圧信号Ｖｍは、アナログＩＣであるレーザドライバＩＣ９５に入力され、レーザ変調電流Ｉmに変換され、ｐ側電極９１とｎ側電極９２を通して面発光レーザチップ９４に入力される。レーザドライバＩＣ９５は、レーザ変調電流Ｉｍに重畳してレーザにＤＣバイアス電流I_DCを供給する機能も持っている。面発光レーザチップ９４における活性層周辺のｐｎ接合はダイオード９３で表されている。デジタルＬＳＩ９６とレーザドライバＩＣ９５は５０Ωインピーダンスの入出力で設計されており、Ｖｍからの波形劣化の小さいＩｍを面発光レーザに流すためには、面発光レーザのDCバイアス時のシリーズ抵抗は50Ωに近いことが望ましい。また、レーザドライバＩＣ９５は低消費電力のＳｉ−ＣＭＯＳ−ＩCであることが望ましく、この場合、３．３V電源であれば面発光レーザの動作電圧は２．３Ｖ以下であることが必要になる。Ｓｉ−ＣＭＯＳトランジスタ1段での電圧降下が１Ｖ程度必要となっているためである。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structural example of a 0.85 μm band-emitting laser according to the prior art (prior art 1). On the n-type GaAs substrate 81, an n-type Bragg reflection mirror 82, an n-type cladding layer 83, an active layer 84, a p-type cladding layer 85, a p-type AlGaAs layer 86, and a p-type Bragg reflection mirror 87 are sequentially formed. An insulating layer 88 having a current opening is formed in the p-type layer region for current confinement. As for the electrode, a p-side electrode 91 is formed in contact with the p-type Bragg reflection mirror 87, and an n-side electrode 92 is formed in contact with the n-type cladding layer 83. The p-side electrode 91 has an opening 90 for extracting laser light. A laser resonator is formed by the two Bragg reflection mirrors 82 and 87. The reflectivity of these mirrors is set to a high reflectivity of about 99%, the mirror loss of the resonator is reduced to several cm ⁻¹ , and an insulating layer is further formed. A low oscillation threshold value can be obtained by confining the current in a small region by setting 88 current openings to 5 to 10 μmφ. The size of the current opening in the insulating layer 88 needs to be small in order to shape the transverse mode of the laser beam, and the smaller the size, the more stable fundamental transverse mode oscillation is obtained. Further, the outer edges of the p-type layer, the insulating layer, and the active layer are etched into a post shape 89 to reduce parasitic capacitance. In such a surface emitting laser, a low oscillation threshold current of about 1 mA and an optical output number of about mW are obtained, and a modulation band of about 10 GHz is obtained with an average optical output of about 2 mW. FIG. 9 shows an example of a drive circuit for the surface emitting laser shown in FIG. A voltage signal Vm from the I / O port of the digital LSI 96 is input to a laser driver IC 95 which is an analog IC, converted into a laser modulation current Im, and a surface emitting laser chip 94 through a p-side electrode 91 and an n-side electrode 92. Is input. Laser driver IC95 also has the function of supplying the DC bias current I _DC to the laser is superimposed on the laser modulation current Im. A pn junction around the active layer in the surface emitting laser chip 94 is represented by a diode 93. The digital LSI 96 and the laser driver IC 95 are designed with an input / output of 50Ω impedance. In order to flow Im with small waveform deterioration from Vm to the surface emitting laser, the series resistance at the time of DC bias of the surface emitting laser is close to 50Ω. It is desirable. The laser driver IC 95 is desirably a low power consumption Si-CMOS-IC. In this case, if the power supply is 3.3 V, the operating voltage of the surface emitting laser needs to be 2.3 V or less. This is because the voltage drop in one stage of the Si-CMOS transistor is required to be about 1V.

以上に示したような従来技術１の面発光レーザが広く使われているが、この他に光変調器を集積した面発光レーザも提案されている。従来技術１の面発光レーザは、直接電流変調によりレーザ光強度を変調するものであるが、活性層電流が時間的に変化することによりレーザ波長が時間的に変化する。長距離光通信の場合、このようなレーザ光が光ファイバを通った後は光波形が劣化するため、光信号の伝送帯域が制限される。光変調器集積型面発光レーザは、このような波長変動を抑制して伝送帯域を増大するために提案されている。以下に、このような面発光レーザの従来例を示す。 Although the surface emitting laser of the prior art 1 as described above is widely used, a surface emitting laser in which an optical modulator is integrated has also been proposed. The surface emitting laser according to the prior art 1 modulates the laser light intensity by direct current modulation, but the laser wavelength changes with time as the active layer current changes with time. In the case of long-distance optical communication, after such laser light passes through an optical fiber, the optical waveform deteriorates, so that the transmission band of the optical signal is limited. An optical modulator integrated surface emitting laser has been proposed in order to suppress such wavelength fluctuation and increase a transmission band. A conventional example of such a surface emitting laser will be described below.

図１０は、従来技術による光変調器集積型面発光レーザの構造例を示す断面図である（従来技術２：例えば、特許文献１参照）。ｎ型基板１０１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｐ型コンタクト層１０６、ノンドープブラッグ反射ミラー１０７、ｐ型コンタクト層１０８が順次形成されている。電極は、ｐ型コンタクト層１０６に接してｐ側電極１０９および１１０、ｐ型コンタクト層１０８に接してｐ側電極１１１、ｎ型基板１０１に接してｎ側電極１１２がそれぞれ形成されている。また、ｎ側電極１１２には、レーザ光を取り出すために開口が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー１０２、１０７によりレーザ共振器が形成されるが、この場合のノンドープブラッグ反射ミラー１０７には、ミラーとして機能する多層膜構造以外に、電圧によって光吸収係数が変化する量子井戸層が挿入されており、吸収型光変調器を構成している。面発光レーザの動作は、ｐ側電極１０９とｎ側電極１１２の間に順バイアス電圧Ｖ_DCを印加し、活性層１０４を発光させる。このときｐ側電極１１０とｐ側電極１１１の間に電圧を印加しない場合は、ノンドープブラッグ反射ミラー１０７はレーザ光に対して透明であり、Ｖ_DCによるバイアス電流が発振しきい値電流以上であれば、面発光レーザは発振する。ｐ側電極１１０とｐ側電極１１１の間に電圧を印加すると、ノンドープブラッグ反射ミラー１０７内部の量子井戸層の光吸収係数は増大し、ノンドープブラッグ反射ミラー１０７はレーザ光に対して損失となって、面発光レーザの光出力が低下、あるいは発振が停止する。このように、Ｖ_DCは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の電圧Ｖｍを変化させることによって、レーザ光は変調される。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a conventional optical modulator integrated surface emitting laser (conventional technique 2: see, for example, Patent Document 1). An n-type Bragg reflection mirror 102, an n-type cladding layer 103, an active layer 104, a p-type cladding layer 105, a p-type contact layer 106, a non-doped Bragg reflection mirror 107, and a p-type contact layer 108 are sequentially formed on the n-type substrate 101. Has been. As for the electrodes, p-side electrodes 109 and 110 are formed in contact with the p-type contact layer 106, a p-side electrode 111 is formed in contact with the p-type contact layer 108, and an n-side electrode 112 is formed in contact with the n-type substrate 101. The n-side electrode 112 has an opening for extracting laser light. The laser resonator is formed by the two Bragg reflection mirrors 102 and 107. In this case, the non-doped Bragg reflection mirror 107 has a quantum well layer whose light absorption coefficient changes depending on the voltage, in addition to the multilayer structure functioning as a mirror. Are inserted to form an absorption type optical modulator. In the operation of the surface emitting laser, a forward bias voltage V _DC is applied between the p-side electrode 109 and the n-side electrode 112 to cause the active layer 104 to emit light. At this time, when no voltage is applied between the p-side electrode 110 and the p-side electrode 111, the non-doped Bragg reflection mirror 107 is transparent to the laser beam, and the bias current due to V _DC is greater than or equal to the oscillation threshold current. For example, the surface emitting laser oscillates. When a voltage is applied between the p-side electrode 110 and the p-side electrode 111, the light absorption coefficient of the quantum well layer inside the non-doped Bragg reflection mirror 107 increases, and the non-doped Bragg reflection mirror 107 becomes a loss with respect to the laser light. The optical output of the surface emitting laser is reduced or the oscillation is stopped. In this way, the laser beam is modulated by changing the voltage Vm of the optical modulator while applying a bias current with V _DC being constant.

図１１は、従来技術による光変調器集積型面発光レーザの第2の構造例を示す断面図である（従来技術３：例えば、特許文献２参照）。ｎ型基板１２１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー１２２、ｎ型クラッド層１２３、活性層１２４、ｐ型クラッド層１２５、ｐ型ブラッグ反射ミラー１２６、ｐ型コンタクト層１２７、高抵抗層１２８、ｎ型クラッド層１２９、多重量子井戸層１３０、ｐ型クラッド層１３１が順次形成されている。電極は、ｐ型コンタクト層１２７に接してｐ側電極１３２、ｎ型クラッド層１２９に接してｎ側電極１３３、ｐ型クラッド層１３１に接してｐ側電極１３４、ｎ型基板１２１に接してｎ側電極１３５がそれぞれ形成されている。ｐ側電極１３４には、レーザ光を取り出すために開口が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー１２２、１２６によりレーザ共振器が形成される。この共振器の外側に、電圧によって光吸収係数が変化する多重量子井戸層１３０がｎ型クラッド層１２９とｐ型クラッド層１３１に挟まれて挿入されており、電圧によって吸収係数が変化する光変調器を構成している。面発光レーザの動作は、ｐ側電極１３２とｎ側電極１３５の間に順バイアス電圧Ｖ_DCを印加し、活性層１２４を発光させる。このときｐ側電極１３４とｎ側電極１３３の間に電圧を印加しない場合は、多重量子井戸層１３０はレーザ光に対して透明であり、Ｖ_DCによる活性層電流が発振しきい値電流以上であれば、面発光レーザは発振する。ｐ側電極１３４とｎ側電極１３３の間に逆バイアス電圧Ｖｍを印加すると、多重量子井戸層１３０の光吸収係数は増大し、レーザ出力は低下する。このように、Ｖ_DCは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の電圧Ｖｍを変化させることによって、レーザ光は変調される。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing a second structural example of a surface-emitting laser integrated with an optical modulator according to the prior art (conventional technique 3: see, for example, Patent Document 2). On an n-type substrate 121, an n-type Bragg reflection mirror 122, an n-type cladding layer 123, an active layer 124, a p-type cladding layer 125, a p-type Bragg reflection mirror 126, a p-type contact layer 127, a high resistance layer 128, an n-type A clad layer 129, a multiple quantum well layer 130, and a p-type clad layer 131 are sequentially formed. The electrodes are in contact with the p-type contact layer 127, the p-side electrode 132, the n-type cladding layer 129 is in contact with the n-side electrode 133, the p-type cladding layer 131 is in contact with the p-side electrode 134, and the n-type substrate 121 is in contact with n Side electrodes 135 are respectively formed. An opening is formed in the p-side electrode 134 for extracting laser light. Two Bragg reflection mirrors 122 and 126 form a laser resonator. Outside this resonator, a multiple quantum well layer 130 whose optical absorption coefficient changes depending on the voltage is inserted between the n-type cladding layer 129 and the p-type cladding layer 131, and the optical modulation whose absorption coefficient changes depending on the voltage. Make up the vessel. In the operation of the surface emitting laser, a forward bias voltage V _DC is applied between the p-side electrode 132 and the n-side electrode 135 to cause the active layer 124 to emit light. If no voltage is applied between the p-side electrode 134 and the n-side electrode 133 at this time, the multiple quantum well layer 130 is transparent to the laser light, and the active layer current due to V _DC is equal to or higher than the oscillation threshold current. If so, the surface emitting laser oscillates. When a reverse bias voltage Vm is applied between the p-side electrode 134 and the n-side electrode 133, the light absorption coefficient of the multiple quantum well layer 130 increases and the laser output decreases. In this way, the laser beam is modulated by changing the voltage Vm of the optical modulator while applying a bias current with V _DC being constant.

図１２は、従来技術による光変調器集積型面発光レーザの第３の構造例を示す断面図である（従来技術４：例えば、特許文献３参照）。高抵抗基板１４１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー１４２、ｎ型クラッド層１４３、活性層１４４、ｐ型クラッド層１４５、ｐ型ブラッグ反射ミラー１４６、ｐ型コンタクト層１４７、ｐ型クラッド層１４８、多重量子井戸層１４９、ｎ型クラッド層１５０、ｎ型ブラッグ反射ミラー１５１が順次形成されている。電極は、ｐ型コンタクト層１４７に接してｐ側電極１５２、１５３、ｎ型ブラッグ反射ミラー１５１に接してｎ側電極１５４、ｎ型クラッド層１４３に接してｎ側電極１５５がそれぞれ形成されている。ｎ側電極１５４には、レーザ光を取り出すために開口が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー１４２、１４６によりレーザ共振器が形成される。この共振器の外側に、電圧によって光吸収係数が変化する多重量子井戸層１４９がｐ型クラッド層１４８とｎ型クラッド層１５０に挟まれて挿入されており、光変調器を構成している。さらにこの場合は、２つのブラッグ反射ミラー１４６、１５１により光変調器がレーザ共振器とは別の共振器内部に配置されている。面発光レーザの動作は、ｐ側電極１５２とｎ側電極１５５の間に順バイアス電圧Ｖ_DCを印加し、活性層１４４を発光させる。このときｐ側電極１５３とｎ側電極１５４の間に電圧を印加しない場合は、多重量子井戸層１４９はレーザ光に対して透明であり、Ｖ_DCによる活性層電流が発振しきい値電流以上であれば、面発光レーザは発振する。ｐ側電極１５３とｎ側電極１５４の間に逆バイアス電圧Ｖｍを印加すると、多重量子井戸層１４９の光吸収係数は増大し、レーザ出力は低下する。吸収型光変調器がレーザ共振器とは別の共振器内部に配置されているために、光変調器の光吸収変化は、このような共振器がない場合に比べて実効的に大きい変化となる。このように、Ｖ_DCは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の電圧Ｖｍを変化させることによって、レーザ光は変調される。
特開平６−２９１４０６号公報特公平７−９３４７３号公報特開平５−１５２６７４号公報 FIG. 12 is a cross-sectional view showing a third structural example of a surface-emitting laser integrated with an optical modulator according to the prior art (prior art 4: see, for example, Patent Document 3). On the high-resistance substrate 141, an n-type Bragg reflection mirror 142, an n-type cladding layer 143, an active layer 144, a p-type cladding layer 145, a p-type Bragg reflection mirror 146, a p-type contact layer 147, a p-type cladding layer 148, multiple layers A quantum well layer 149, an n-type cladding layer 150, and an n-type Bragg reflection mirror 151 are sequentially formed. As for the electrodes, p-side electrodes 152 and 153 are in contact with the p-type contact layer 147, an n-side electrode 154 is in contact with the n-type Bragg reflection mirror 151, and an n-side electrode 155 is in contact with the n-type cladding layer 143. . An opening is formed in the n-side electrode 154 to extract laser light. A laser resonator is formed by the two Bragg reflection mirrors 142 and 146. Outside this resonator, a multiple quantum well layer 149 whose optical absorption coefficient varies with voltage is inserted between a p-type cladding layer 148 and an n-type cladding layer 150 to constitute an optical modulator. Furthermore, in this case, the optical modulator is disposed inside the resonator different from the laser resonator by the two Bragg reflecting mirrors 146 and 151. In the operation of the surface emitting laser, a forward bias voltage V _DC is applied between the p-side electrode 152 and the n-side electrode 155 to cause the active layer 144 to emit light. At this time, when no voltage is applied between the p-side electrode 153 and the n-side electrode 154, the multiple quantum well layer 149 is transparent to the laser light, and the active layer current due to V _DC is equal to or higher than the oscillation threshold current. If so, the surface emitting laser oscillates. When a reverse bias voltage Vm is applied between the p-side electrode 153 and the n-side electrode 154, the light absorption coefficient of the multiple quantum well layer 149 increases and the laser output decreases. Since the absorption type optical modulator is arranged inside a resonator different from the laser resonator, the optical absorption change of the optical modulator is an effective large change compared to the case without such a resonator. Become. In this way, the laser beam is modulated by changing the voltage Vm of the optical modulator while applying a bias current with V _DC being constant.
JP-A-6-291406 Japanese Patent Publication No. 7-93473 JP-A-5-152673

しかしながら、従来技術の面発光レーザには以下の問題点がある。
初めに、広く使われている従来技術１の面発光レーザの問題点について示す（図８、図９参照）。従来技術１の面発光レーザの第1の問題点は、面発光レーザ自身の問題である。光インターコネクションなどの中短距離光通信の場合は、従来技術１のように面発光レーザ波長が時間的に変動する直接電流変調でもよいが、この場合でも以下の問題がある。面発光レーザを電流変調するレーザドライバＩＣは、入出力回路の特性インピーダンスが５０Ωに整合するように設計されることが多い。以下の説明は特性インピーダンス５０Ωの場合について行うが、５０Ω以外の特性インピーダンスの場合も同様である。面発光レーザを５０Ωインピーダンスに整合させるには、ＤＣバイアス時の面発光レーザのシリーズ抵抗を５０Ωとすることが必要であるが、これは必ずしも容易ではない。ｐ型層において電流が流れる領域を小さく制限しているため、ｐ型層バルク抵抗や層界面抵抗、特に多層構造のp型ブラッグ反射ミラー８７での界面抵抗の影響を受けやすく、シリーズ抵抗が容易に５０Ωを超えてしまい、高周波反射増大のために高周波波形が劣化してしまう。この問題は、ｐ型層の高濃度ドーピングにより緩和されるが、ｐ型不純物拡散による活性層発光効率の低下などの問題により、ｐ濃度増大には限界がある。特に、１．１μm以上の長波長面発光レーザでは、ｐ濃度の増大は価電子帯間吸収の増大を招き、これにより閾値上昇およびスロープ効率低下が発生するために、ｐ濃度の許容限界値が低く、抵抗を下げることが難しい。ｐ濃度を上げる以外に抵抗値を下げるために効果的なのは前記高抵抗層１２の電流開口サイズを大きくすることであるが、このとき横モードは高次モードが混入しやすくなる。さらに、シリーズ抵抗が高いと、変調帯域を確保する為には寄生容量とシリーズ抵抗で決まるＣＲ帯域を確保するために、寄生容量低減の要求が厳しくなる、という問題も発生する。また、素子歩留まりの観点からは、前記高抵抗層１２の電流開口サイズのばらつきによって抵抗値がばらつき、例えば10ＧＨｚ動作できる素子歩留まりが悪化するという問題がある。このように、高帯域かつレーザドライバICに整合したシリーズ抵抗を持ち、かつ横モードの安定した面発光レーザを高歩留まりで得ることは困難な状況にある。 However, the conventional surface emitting laser has the following problems.
First, problems of the surface emitting laser of the prior art 1 that is widely used will be described (see FIGS. 8 and 9). The first problem of the surface emitting laser of prior art 1 is the problem of the surface emitting laser itself. In the case of medium and short-distance optical communication such as optical interconnection, direct current modulation in which the surface emitting laser wavelength varies with time as in the prior art 1 may be used, but even in this case, there are the following problems. A laser driver IC for current-modulating a surface emitting laser is often designed so that the characteristic impedance of the input / output circuit matches 50Ω. The following description will be made for a characteristic impedance of 50Ω, but the same applies to a characteristic impedance other than 50Ω. In order to match the surface emitting laser to 50Ω impedance, the series resistance of the surface emitting laser at the time of DC bias needs to be 50Ω, but this is not always easy. Since the region where the current flows in the p-type layer is limited to a small size, it is easily affected by the p-type layer bulk resistance and layer interface resistance, especially the interface resistance in the p-type Bragg reflection mirror 87 having a multilayer structure, and series resistance is easy. When the frequency exceeds 50Ω, the high frequency waveform deteriorates due to the increase in high frequency reflection. This problem is alleviated by high concentration doping of the p-type layer, but there is a limit to increase of the p concentration due to problems such as a decrease in the luminous efficiency of the active layer due to p-type impurity diffusion. In particular, in a long-wavelength surface emitting laser of 1.1 μm or more, an increase in the p concentration causes an increase in absorption between valence bands, thereby causing an increase in threshold and a decrease in slope efficiency. Low and difficult to reduce resistance. In order to reduce the resistance value in addition to increasing the p concentration, it is effective to increase the current opening size of the high resistance layer 12, but at this time, the lateral mode is likely to be mixed with a higher order mode. Further, when the series resistance is high, there is a problem that in order to secure the modulation bandwidth, the CR bandwidth determined by the parasitic capacitance and the series resistance is secured, so that the requirement for reducing the parasitic capacitance becomes severe. Further, from the viewpoint of device yield, there is a problem in that the resistance value varies due to the variation of the current opening size of the high resistance layer 12, and the device yield capable of operating at, for example, 10 GHz deteriorates. As described above, it is difficult to obtain a surface emitting laser having a series resistance matched to the laser driver IC with a high bandwidth and having a stable transverse mode at a high yield.

従来技術１の面発光レーザの第2の問題点は、面発光レーザを駆動する回路構成にある。面発光レーザ自身は１０mW程度の低い消費電力であるが、レーザドライバＩＣは数百ｍＷの消費電力である。その原因は、ＬＳＩからの低電圧デジタル信号を電流変調信号に変換するためにトランジスタを数段必要とするためである。さらに、面発光レーザのシリーズ抵抗が高く動作電圧が高い場合は、高い電源電圧が必要になり、レーザドライバＩＣの消費電力はさらに増大する。従って、レーザドライバＩＣの低電力化を可能とする面発光レーザは、光送信モジュールの低電力化にとって必須なものとなってきている。このような面発光レーザは、チップ間光インターコネクションの分野で特に必要性が増大している。レーザドライバＩＣの消費電力が大きいと、面発光レーザおよびデジタルＬＳＩとの熱干渉を回避する必要があり、実装密度が制限されてしまう。これは、高密度の光配線を必要とするチップ間光インターコネクションでは特に大きい問題である。従って、レーザドライバＩＣの低電力化を可能とする面発光レーザ、さらにはレーザドライバＩＣを不要化してデジタルＬＳＩにより直接変調可能な面発光レーザは、チップ間光インターコネクションにおけるキーデバイスとなる。 The second problem of the surface emitting laser of prior art 1 is the circuit configuration for driving the surface emitting laser. The surface emitting laser itself has a low power consumption of about 10 mW, while the laser driver IC has a power consumption of several hundred mW. This is because several stages of transistors are required to convert a low-voltage digital signal from the LSI into a current modulation signal. Further, when the series resistance of the surface emitting laser is high and the operating voltage is high, a high power supply voltage is required, and the power consumption of the laser driver IC is further increased. Accordingly, surface emitting lasers that can reduce the power consumption of laser driver ICs have become indispensable for reducing the power consumption of optical transmission modules. Such a surface emitting laser is particularly in need in the field of optical interconnection between chips. When the power consumption of the laser driver IC is large, it is necessary to avoid thermal interference with the surface emitting laser and the digital LSI, and the mounting density is limited. This is a particularly serious problem in inter-chip optical interconnection that requires high-density optical wiring. Therefore, a surface emitting laser that can reduce the power of the laser driver IC, and a surface emitting laser that can be directly modulated by a digital LSI without using the laser driver IC are key devices in the optical interconnection between chips.

次に、従来技術２〜４の面発光レーザの問題点について示す。これらは光変調器を集積化した面発光レーザである。これらのレーザでは、活性層にDCバイアス電流を流しておき、光変調器に変調電圧を印加してレーザ光を変調する。従って、レーザドライバＩＣには光変調器の変調電圧印加のみを分担させ、DCバイアスを別の回路で供給することができる。変調電圧印加を５０Ωインピーダンスで低振幅電圧で行うことができれば、変調波形を劣化させることなくレーザドライバＩＣの消費電力を低減することができる。しかしながら、これを行うためには以下の３つの条件を同時に満たさなければならない。第1に、光変調器の駆動回路に並列に５０Ω抵抗を挿入して５０Ωインピーダンス終端を行うこと、第2に、光変調器のレーザ光消光比を一定以上に保ったまま変調電圧を低減すること、第3に、光変調器とレーザDCバイアスの間の電気的な分離を行うこと、である。第1の条件は、レーザドライバＩＣからの出力電圧波形を劣化させずに光変調器に入力するために必要である。第2の条件において、変調電圧低減の目安は１Ｖ以下であるが、０．５Ｖ以下が実現できれば、レーザドライバＩＣを用いることなく低電圧デジタルＣＭＯＳ−ＬＳＩのＩ／Ｏポートによる面発光レーザの直接変調動作も可能になる。第3の条件の条件における電気的な分離は、変調による電気的な変化がDCバイアス電流に影響しないために必要であり、直流的な分離が最低条件である。良好なレーザ光変調波形を得るためには、交流的な分離もされていることが望ましい。しかしながら、従来技術２〜４の面発光レーザでは、以上の条件を満たしていない。そもそも、従来技術２〜４の面発光レーザでは、レーザドライバＩＣとのインピーダンス整合やその低消費電力化、電圧変調波形の劣化抑制といった課題認識も述べられておらず、その対策も示されていない。以下、特に第2、第3の条件に関して、各従来技術における問題点を述べる。 Next, problems of the surface emitting lasers of the conventional techniques 2 to 4 will be described. These are surface emitting lasers integrated with an optical modulator. In these lasers, a DC bias current is passed through the active layer, and a modulation voltage is applied to the optical modulator to modulate the laser light. Therefore, the laser driver IC can share only the modulation voltage application of the optical modulator, and the DC bias can be supplied by another circuit. If the modulation voltage can be applied with a 50 Ω impedance and a low amplitude voltage, the power consumption of the laser driver IC can be reduced without degrading the modulation waveform. However, to do this, the following three conditions must be met simultaneously: First, a 50Ω resistor is inserted in parallel with the optical modulator drive circuit to terminate the 50Ω impedance. Second, the modulation voltage is reduced while maintaining the laser light extinction ratio of the optical modulator above a certain level. And third, to provide electrical isolation between the optical modulator and the laser DC bias. The first condition is necessary for inputting the output voltage waveform from the laser driver IC to the optical modulator without deteriorating. In the second condition, the standard for reducing the modulation voltage is 1 V or less. However, if 0.5 V or less can be realized, the surface emitting laser is directly connected to the I / O port of the low-voltage digital CMOS-LSI without using a laser driver IC. Modulation operation is also possible. The electrical separation under the condition of the third condition is necessary because the electrical change due to the modulation does not affect the DC bias current, and the direct current separation is the minimum condition. In order to obtain a good laser light modulation waveform, it is desirable to perform alternating current separation. However, the surface emitting lasers of the conventional techniques 2 to 4 do not satisfy the above conditions. In the first place, in the surface emitting lasers of the conventional techniques 2 to 4, there is no mention of problems such as impedance matching with the laser driver IC, low power consumption, and suppression of deterioration of the voltage modulation waveform, and no countermeasures are shown. . Hereinafter, the problems in the conventional techniques will be described particularly with respect to the second and third conditions.

従来技術２（図１０参照）の面発光レーザでは、光吸収変調層である量子井戸層がレーザ共振器と外部との境界であるノンドープブラッグ反射ミラー１０７内に埋め込まれている。反射ミラー１０７は屈折率の異なる層を交互に積層したものであるが、高い光反射率を得るために周期数は多く、通常数μmの厚さとなる。厚いノンドープ層であるため、高い電圧を両端に印加しないと層内部に置かれた量子井戸層に十分な電界をかけられない。また、ブラッグ反射ミラーは光反射層であるため、この層における光強度は必然的に小さく、この層内部の光吸収変調層の光吸収係数が変化してもレーザ光損失の増加効果は小さい。そのため、大きい光吸収係数変化が必要であり、高い電界を必要とする。以上の結果、光変調器の低電圧化が難しく、第2の条件を満たすことができない。また、光吸収変調層を含むノンドープブラッグ反射ミラー１０７とレーザ活性層１０４は、ｐ型クラッド層１０５、ｐ型コンタクト層１０６を介して直流的に繋がっている。このように光変調器とレーザの間の直流的な分離がなされていないために、光変調器への変調電圧の入力によってDCバイアス電圧がゆらぎ、結果的にレーザ光変調波形が歪んだものとなる。以上のように、第3の条件が満たされていない。
従来技術３（図１１参照）の面発光レーザでは、光吸収変調層である多重量子井戸層１３０がレーザ共振器外部にあり、層厚方向しか光吸収長を持たない。従って、レーザ光を十分な消光比で変調するためには、光吸収変調層の光吸収係数変化は非常に大きい必要があり、そのためには光吸収変調層における大きい電界、すなわち高い電圧を必要とする。従って、光変調器の低電圧化が難しく、第2の条件を満たすことができない。第3の条件については、高抵抗層１２８によって多重量子井戸層１３０とレーザ活性層１２４の間の直流的な分離がなされている。 In the surface emitting laser of Conventional Technology 2 (see FIG. 10), a quantum well layer that is a light absorption modulation layer is embedded in a non-doped Bragg reflection mirror 107 that is a boundary between the laser resonator and the outside. The reflection mirror 107 is formed by alternately laminating layers having different refractive indexes. However, in order to obtain a high light reflectance, the number of periods is large, and the thickness is usually several μm. Since it is a thick non-doped layer, a sufficient electric field cannot be applied to the quantum well layer placed inside the layer unless a high voltage is applied to both ends. In addition, since the Bragg reflection mirror is a light reflection layer, the light intensity in this layer is inevitably small, and even if the light absorption coefficient of the light absorption modulation layer inside this layer changes, the effect of increasing the laser light loss is small. Therefore, a large light absorption coefficient change is required, and a high electric field is required. As a result, it is difficult to lower the voltage of the optical modulator, and the second condition cannot be satisfied. Further, the non-doped Bragg reflection mirror 107 including the light absorption modulation layer and the laser active layer 104 are connected in a direct current manner through the p-type cladding layer 105 and the p-type contact layer 106. As described above, since there is no direct current separation between the optical modulator and the laser, the DC bias voltage fluctuates due to the input of the modulation voltage to the optical modulator, and as a result, the laser light modulation waveform is distorted. Become. As described above, the third condition is not satisfied.
In the surface emitting laser of Conventional Technology 3 (see FIG. 11), the multiple quantum well layer 130 that is a light absorption modulation layer is outside the laser resonator and has a light absorption length only in the layer thickness direction. Therefore, in order to modulate the laser light with a sufficient extinction ratio, the light absorption coefficient change of the light absorption modulation layer needs to be very large, and for that purpose, a large electric field in the light absorption modulation layer, that is, a high voltage is required. To do. Therefore, it is difficult to lower the voltage of the optical modulator, and the second condition cannot be satisfied. With respect to the third condition, the high resistance layer 128 provides direct current separation between the multiple quantum well layer 130 and the laser active layer 124.

従来技術４（図１２参照）の面発光レーザは、光吸収変調層である多重量子井戸層１４９をレーザ共振器のためのｐ型ブラッグ反射ミラー１４６とレーザ共振器外部のｎ型ブラッグ反射ミラー１５１ではさみ、２つのブラッグ反射ミラーによる共振器効果で実効的な光吸収量をエンハンスして光変調器の低電圧化を図ったものである。しかしながら、ｎ型ブラッグ反射ミラー１４２とｐ型ブラッグ反射ミラー１４６で構成されるレーザ共振器外部にブラッグ反射ミラー１５１が存在することにより、複合共振器が形成され、レーザ発振自体が不安定なものとなる。以上のように、本従来技術では第2の条件については従来技術３より改善されるが、複合共振器効果によるレーザ発振不安定性というマイナスの効果が生じる。また、光吸収変調層である多重量子井戸層１４９とレーザ活性層１４４は、ｐ型クラッド層１４５、ｐ型ブラッグ反射ミラー１４６、ｐ型コンタクト層１４７を介して直流的に繋がっている。このように光変調器とレーザの間の直流的な分離がなされていないために、光変調器への変調電圧の入力によってDCバイアス電圧がゆらぎ、結果的にレーザ光変調波形が歪んだものとなる。以上のように、第3の条件が満たされていない。 In the surface emitting laser of Prior Art 4 (see FIG. 12), a multiple quantum well layer 149, which is a light absorption modulation layer, is divided into a p-type Bragg reflection mirror 146 for the laser resonator and an n-type Bragg reflection mirror 151 outside the laser resonator. In the meantime, the effective light absorption amount is enhanced by the resonator effect by the two Bragg reflection mirrors, and the voltage of the optical modulator is lowered. However, the presence of the Bragg reflection mirror 151 outside the laser resonator composed of the n-type Bragg reflection mirror 142 and the p-type Bragg reflection mirror 146 forms a composite resonator, and the laser oscillation itself is unstable. Become. As described above, in the present prior art, the second condition is improved from the prior art 3, but a negative effect of laser oscillation instability due to the composite resonator effect occurs. Further, the multiple quantum well layer 149 that is a light absorption modulation layer and the laser active layer 144 are connected in a direct current manner through a p-type cladding layer 145, a p-type Bragg reflection mirror 146, and a p-type contact layer 147. As described above, since there is no direct current separation between the optical modulator and the laser, the DC bias voltage fluctuates due to the input of the modulation voltage to the optical modulator, and as a result, the laser light modulation waveform is distorted. Become. As described above, the third condition is not satisfied.

[発明の目的]
本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、第1に、高速変調が可能かつ横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることのできる面発光レーザ構造を提供することにある。第2に、レーザドライバＩＣを低電力化できる面発光レーザ、さらにはレーザドライバＩＣを不要化してデジタルＬＳＩにより直接変調動作できる面発光レーザを提供することにある。第3に、デジタルＬＳＩあるいはレーザドライバＩＣと多チャンネルの面発光レーザを実装して多チャンネルの光配線を実現するレーザモジュールにおいて、上記の面発光レーザを用いて高密度の光配線を実現できるモジュールを提供することにある。 [Object of the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and firstly, to provide a surface-emitting laser structure capable of obtaining a surface-emitting laser capable of high-speed modulation and having a stable transverse mode at a high yield. It is in. A second object is to provide a surface emitting laser capable of reducing the power consumption of the laser driver IC, and further providing a surface emitting laser capable of performing a direct modulation operation by a digital LSI without using the laser driver IC. Third, in a laser module that implements multi-channel optical wiring by mounting a digital LSI or laser driver IC and a multi-channel surface-emitting laser, a module that can realize high-density optical wiring using the above-described surface-emitting laser Is to provide.

上記の目的を達成するため、本発明によれば、第1の反射ミラーと第２の反射ミラーとで構成された光共振器内部に活性層を有し、レーザ光を前記活性層の層厚方向に出力する面発光レーザにおいて、前記第1の反射ミラーと第２の反射ミラーのいずれかと前記活性層との間に前記レーザ光に対する光吸収係数を電気的な手段で変化させることが可能な変調用半導体層を有し、該変調用半導体層と前記活性層とが電気的に分離されていることを特徴とする面発光レーザ、が提供される。
そして、好ましくは、前記光共振器内に含まれる層構造が半導体基板上に形成されており、該半導体基板面内のレーザ発振に寄与する領域以外の領域において、前記半導体基板上に抵抗体が形成されており、前記抵抗体は、前記変調用半導体層と並列に接続される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, an active layer is provided inside an optical resonator composed of a first reflecting mirror and a second reflecting mirror, and a laser beam is passed through the thickness of the active layer. In the surface emitting laser that outputs in the direction, it is possible to change the light absorption coefficient for the laser light between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror and the active layer by an electric means. There is provided a surface emitting laser having a modulation semiconductor layer, wherein the modulation semiconductor layer and the active layer are electrically separated.
Preferably, the layer structure included in the optical resonator is formed on a semiconductor substrate, and a resistor is provided on the semiconductor substrate in a region other than the region contributing to laser oscillation in the surface of the semiconductor substrate. The resistor is connected in parallel with the modulation semiconductor layer.

［作用］
本発明の面発光レーザは、2つの反射ミラーに挟まれた活性層を有するレーザ共振器内部に、電気的な手段でレーザ光に対する光吸収係数の変化する変調層を設け、この変調層の光吸収係数を変調することによりレーザ光の変調を行うものである。このような変調層には、電界印加すなわち電圧印加によって光吸収係数の変化する量子井戸層を用いることが出来る。面発光レーザのミラー損失は、共振器を構成する2つのブラッグ反射ミラーの反射率が99％程度のため数ｃｍ^−１程度である。変調層をレーザ共振器内部に設けることにより、レーザ光変調に必要な光吸収変調量もミラー損失と同程度の数ｃｍ^−１程度ですむ。また、レーザ共振器内部では光強度の大きい場所に変調層を配置できる。これらにより、本発明の面発光レーザに含まれる変調層は、小さい光吸収係数変化でレーザ光を変調することができる。必要な光吸収係数変化が小さいと変調層は数百nm以下の厚さで十分となるため、変調層両面に低い電圧をかけても高い電界強度を得ることができる。変調層に必要な光吸収係数変化が小さいこと、変調層が薄くてよいこと、の2点により変調動作に必要な電圧は大きく低減できる。また、以上の構成では、変調器のための余分なブラッグ反射ミラーを持たないため複合共振器効果が生じることはなく、安定なレーザ発振が得られる。
変調層とレーザ活性層は、直流電気的には分離がなされているため、変調層に変調電圧を加えても活性層に流れるDCバイアス電流の変動を抑えてレーザ光平均出力の変動を抑えることができる。この電気的な分離は変調層とレーザ活性層の間にｐｎ接合を挿入することによっても実現できるが、高抵抗層によって分離されていることが望ましい。ｐｎ接合による分離ではｐｎ接合容量による高周波結合が問題になるが、高抵抗層による分離ではこのような容量を低くできるためである。 [Action]
The surface emitting laser of the present invention is provided with a modulation layer whose optical absorption coefficient changes with respect to laser light by an electrical means inside a laser resonator having an active layer sandwiched between two reflecting mirrors. The laser beam is modulated by modulating the absorption coefficient. As such a modulation layer, a quantum well layer whose light absorption coefficient is changed by electric field application, that is, voltage application, can be used. The mirror loss of the surface emitting laser is about several cm ⁻¹ because the reflectance of the two Bragg reflecting mirrors constituting the resonator is about 99%. By providing the modulation layer inside the laser resonator, the amount of light absorption modulation necessary for the laser light modulation can be about several cm ⁻¹ which is the same as the mirror loss. In addition, the modulation layer can be disposed in a place where the light intensity is high inside the laser resonator. Accordingly, the modulation layer included in the surface emitting laser according to the present invention can modulate the laser light with a small change in light absorption coefficient. When the required change in light absorption coefficient is small, the modulation layer is sufficient if it has a thickness of several hundred nm or less, so that a high electric field strength can be obtained even when a low voltage is applied to both sides of the modulation layer. The voltage required for the modulation operation can be greatly reduced by the two points that the change in the light absorption coefficient necessary for the modulation layer is small and the modulation layer may be thin. Further, in the above configuration, since there is no extra Bragg reflection mirror for the modulator, the composite resonator effect does not occur, and stable laser oscillation can be obtained.
Since the modulation layer and the laser active layer are separated from each other in terms of direct current, even if a modulation voltage is applied to the modulation layer, the fluctuation of the DC bias current flowing in the active layer is suppressed to suppress the fluctuation of the average laser light output. Can do. This electrical separation can also be realized by inserting a pn junction between the modulation layer and the laser active layer, but it is desirable that the separation be performed by a high resistance layer. This is because the high-frequency coupling due to the pn junction capacitance becomes a problem in the separation by the pn junction, but the capacitance can be lowered by the separation by the high resistance layer.

本発明の面発光レーザの駆動回路構成については、活性層へのDCバイアス電流を独立した回路で与え、レーザドライバＩＣには前記変調層の変調動作を行わせる。変調動作は電圧変調なので、抵抗体で前記変調層の両面が終端された回路構成で用いる。前記抵抗体は、面発光レーザチップ外部に実装される抵抗体、あるいは面発光レーザチップの基板上に形成された抵抗体である。抵抗体の抵抗値は、レーザドライバＩＣ出力インピーダンスに整合した値とすることが望ましい。以上により、DCバイアス回路における面発光レーザのシリーズ抵抗がどのような値でも、レーザドライバＩＣから見える抵抗は変調層の終端抵抗体の抵抗値である。以上の結果、レーザドライバＩＣ出力波形に対して変調層の変調電圧波形は劣化の少ないものが得られる。このように、レーザドライバＩＣ動作はインピーダンス整合のとれた変調動作でよいため、ＩＣのトランジスタは少なくてすみ、さらに変調電圧が低くてよいので、レーザドライバＩＣの低消費電力化が実現される。さらに、短距離のチップ間光インターコネクションなどレーザ光消光比が小さくてよい用途では、変調電圧が０．５Ｖ以下でも変調動作できるため、レーザドライバＩＣ自体が不要となり、デジタルＬＳＩのＩ／Ｏポートからの低電圧信号で面発光レーザを直接駆動することができる。 With respect to the drive circuit configuration of the surface emitting laser of the present invention, a DC bias current to the active layer is given by an independent circuit, and the laser driver IC is caused to perform the modulation operation of the modulation layer. Since the modulation operation is voltage modulation, it is used in a circuit configuration in which both sides of the modulation layer are terminated with a resistor. The resistor is a resistor mounted outside the surface emitting laser chip or a resistor formed on the substrate of the surface emitting laser chip. It is desirable that the resistance value of the resistor be a value that matches the output impedance of the laser driver IC. Thus, whatever the series resistance of the surface emitting laser in the DC bias circuit is, the resistance seen from the laser driver IC is the resistance value of the termination resistor of the modulation layer. As a result, the modulation voltage waveform of the modulation layer is less deteriorated than the laser driver IC output waveform. As described above, since the laser driver IC operation may be a modulation operation with impedance matching, the number of transistors in the IC can be reduced, and the modulation voltage can be lower, so that the power consumption of the laser driver IC can be reduced. Furthermore, in applications where the laser light extinction ratio may be small, such as short-distance chip-to-chip optical interconnections, the modulation operation can be performed even with a modulation voltage of 0.5 V or less, eliminating the need for the laser driver IC itself and the digital LSI I / O port. The surface-emitting laser can be directly driven by a low voltage signal from.

多チャンネルの面発光レーザを用いて多チャンネルの光伝送路を密に配置する面発光レーザモジュールでは、前記抵抗体を面発光レーザチップ外部に実装する構成となっていると、抵抗体の実装スペースが面発光レーザチャンネル間隔を一定以上に制限する。そこで、前記抵抗体を面発光レーザチップ内に集積すれば、面発光レーザとレーザドライバICまたはデジタルLSIは整合したインピーダンスの配線でつなぐだけでよく、抵抗体の実装サイズに制限されずに面発光レーザチャンネル間隔を小さくすることができる。この結果、高密度の多チャンネル光伝送路を内蔵したレーザモジュールが実現できる。 In a surface-emitting laser module in which multi-channel surface-emitting lasers are used to densely arrange a multi-channel optical transmission path, the resistor is mounted outside the surface-emitting laser chip. Limits the surface emitting laser channel spacing to a certain level or more. Therefore, if the resistor is integrated in the surface emitting laser chip, the surface emitting laser and the laser driver IC or digital LSI need only be connected with matched impedance wiring, and the surface emitting light is not limited by the mounting size of the resistor. Laser channel spacing can be reduced. As a result, a laser module incorporating a high-density multi-channel optical transmission line can be realized.

［効果］
本発明の第1の効果は、面発光レーザ自身の改善にある。変調用の層構造とDCバイアスの層構造が少なくとも直流電気的に分離しており、それぞれを独立な回路で駆動するため、DCバイアスのためのシリーズ抵抗がどのような値であっても変調回路のインピーダンス整合をとることができる。変調回路における素子抵抗値は面発光レーザ共振器外部に設けた終端抵抗体の値で決まるため、DCバイアスのシリーズ抵抗とは独立に決めることができ、また終端抵抗の値は正確に決めることができる。従って、発振閾値、スロープ効率、ビーム形状を適正化する方向でｐ型層のｐ濃度、電流狭窄開口サイズを最適化することができる。これは、特にｐ濃度を増大することによって低抵抗化を図ろうとするとレーザ特性を悪化させるという問題が顕著な長波長面発光レーザでは、特に顕著なメリットとなる。電流狭窄の電流開口サイズの製造ばらつきによりDCバイアスのシリーズ抵抗がばらついても、変調回路のインピーダンス整合は変わらない。以上は、前記抵抗体が面発光レーザチップに対して外付けの場合でも、面発光レーザチップ内部に集積する場合でも同様である。後者の場合は、単に抵抗体のサイズとキャリア濃度をコントロールするだけでよく、製造ばらつきは簡単に抑制できる。以上の結果、、高帯域動作が可能で、かつ横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることができる。 [effect]
The first effect of the present invention is the improvement of the surface emitting laser itself. The modulation layer structure and the DC bias layer structure are at least galvanically separated, and each is driven by an independent circuit. Therefore, the modulation circuit can be used regardless of the series resistance for the DC bias. Impedance matching can be achieved. Since the element resistance value in the modulation circuit is determined by the value of the termination resistor provided outside the surface emitting laser resonator, it can be determined independently of the DC bias series resistance, and the termination resistance value can be determined accurately. it can. Therefore, it is possible to optimize the p concentration of the p-type layer and the current confinement aperture size in the direction of optimizing the oscillation threshold, slope efficiency, and beam shape. This is a particularly remarkable merit in a long-wavelength surface emitting laser in which the problem of deteriorating laser characteristics when attempting to reduce the resistance by increasing the p concentration is particularly significant. Even if the DC bias series resistance varies due to manufacturing variations in the current aperture size of the current confinement, the impedance matching of the modulation circuit does not change. The above is the same whether the resistor is externally attached to the surface emitting laser chip or integrated inside the surface emitting laser chip. In the latter case, the size of the resistor and the carrier concentration need only be controlled, and manufacturing variations can be easily suppressed. As a result, a surface emitting laser capable of high-band operation and having a stable transverse mode can be obtained with a high yield.

本発明の第２の効果は、面発光レーザを変調駆動する回路構成にある。本発明にかかる変調層を用いれば低い変調電圧でレーザ変調が可能である。このため、レーザドライバＩＣは低電源電圧かつ少ないトランジスタ数で済み、レーザドライバＩＣの消費電力が大幅に低減できる。さらに、レーザ光消光比が大きい必要がない場合など、変調電圧が0.５Ｖ以下で済む場合は、レーザドライバＩＣ自体が不要となり、低電圧デジタルＬＳＩのＩ／Ｏポートで直接、面発光レーザを変調できる。特に小型・低消費電力が要求されるチップ間光インターコネクション用途ではこの効果は大きく、ＬＳＩ直近に多チャンネルの面発光レーザを配置して、高密度の光配線を実現できる。さらに、終端抵抗体を面発光レーザと集積化した構造では、面発光レーザとレーザドライバＩＣは整合したインピーダンスの配線で繋ぐだけでよい。この場合は、外部抵抗体を実装する必要がないため、抵抗体のサイズに制限されずに面発光レーザのチャンネル間隔を小さくすることができ、高密度の光配線を内蔵したレーザモジュールを実現できる。
なお、レーザドライバＩＣの入出力インピーダンスは特に制限されるものではなく、入出力インピーダンスに合わせて前記抵抗体の抵抗値を調整することは容易であり、また以上に述べた発明の効果は同様である。
以上に述べた効果は、面発光レーザの材料および発振波長に制限されるものではない。特に１．３μm帯あるいは１．５μm帯の長波長面発光レーザにおいては、ｐ型層のｐ濃度を高くして抵抗を下げる必要のないことは大きいメリットである。この波長帯の面発光レーザでは、ｐ濃度の増大により、価電子帯間吸収が増加し、発振閾値が上昇しスロープ効率が低下するためである。従来の長波長帯面発光レーザでは、他の特性を悪化させることなく変調抵抗を低減することが最大の課題の一つとなっている。本発明の半導体レーザでは、この課題を解決することができる。 The second effect of the present invention resides in a circuit configuration for modulating and driving the surface emitting laser. When the modulation layer according to the present invention is used, laser modulation can be performed with a low modulation voltage. Therefore, the laser driver IC requires a low power supply voltage and a small number of transistors, and the power consumption of the laser driver IC can be greatly reduced. Furthermore, when the modulation voltage is 0.5 V or less, such as when the laser light extinction ratio does not need to be large, the laser driver IC itself is not necessary, and the surface emitting laser is directly connected to the I / O port of the low voltage digital LSI. Can be modulated. In particular, this effect is significant in applications for chip-to-chip optical interconnections that require small size and low power consumption. A multi-channel surface emitting laser can be arranged in the immediate vicinity of the LSI to realize high-density optical wiring. Further, in the structure in which the termination resistor is integrated with the surface emitting laser, the surface emitting laser and the laser driver IC need only be connected by the matched impedance wiring. In this case, since it is not necessary to mount an external resistor, the channel spacing of the surface emitting laser can be reduced without being limited by the size of the resistor, and a laser module incorporating a high-density optical wiring can be realized. .
The input / output impedance of the laser driver IC is not particularly limited, and it is easy to adjust the resistance value of the resistor according to the input / output impedance, and the effects of the invention described above are the same. is there.
The effects described above are not limited by the surface emitting laser material and the oscillation wavelength. In particular, in a 1.3 μm band or 1.5 μm band long-wavelength surface emitting laser, it is a great merit that it is not necessary to increase the p concentration of the p-type layer to lower the resistance. This is because in the surface emitting laser in this wavelength band, the absorption between valence bands increases due to the increase of the p concentration, the oscillation threshold increases, and the slope efficiency decreases. In the conventional long wavelength surface emitting laser, reducing the modulation resistance without deteriorating other characteristics is one of the biggest problems. The semiconductor laser of the present invention can solve this problem.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態として面発光レーザの断面図が示されている。図2は、第１の実施の形態の面発光レーザを駆動する回路構成の概略図である。図1に示すように、本実施の形態の面発光レーザは、高抵抗ＧａＡｓ基板1、ｎ型ブラッグ反射ミラー2、第1のｎクラッド層3、多重量子井戸層4、第1のｐクラッド層5、高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6、第2のｎクラッド層7、多重量子井戸活性層8、第2のｐクラッド層9、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラッグ反射ミラー１１を積層した層構造を有する。多重量子井戸活性層8およびｐ型層9から１１はポスト形状１３に加工され、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０の外側には高抵抗層１２が形成されている。電極としては、レーザ光が放射される開口１４を持ったリング状部を含みｐ型ブラッグ反射ミラー１１表面に接するｐ側電極１５と、第2のｎクラッド層7に接するｎ側電極１６と、第1のｐクラッド層5に接するｐ側電極１７と、第1のｎクラッド層3に接するｎ側電極１８と、の合計4つの電極がある。また、図2において、面発光レーザチップ２０には、高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6により直流的に分離されたダイオード２１と２２が含まれている。ダイオード２１は第2のｎクラッド層7、多重量子井戸活性層8、第2のｐクラッド層9、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラッグ反射ミラー１１を含むダイオードであり、ｐ側電極１５とｎ側電極１６を介して順バイアスすることにより、多重量子井戸活性層8を発光させる。このときｐ側電極１５とｎ側電極１６にはDCバイアス電圧Ｖ_DCが印加される。ｎ型ブラッグ反射ミラー2とｐ型ブラッグ反射ミラー１１により共振器が形成され、発振閾値電流以上でレーザ発振する。一方、ダイオード２２は、ｎ型ブラッグ反射ミラー2、第1のｎクラッド層3、多重量子井戸層4、第1のｐクラッド層5を含むダイオードであり、ｐ側電極１７とｎ側電極１８を介して逆電圧を印加することにより、多重量子井戸層4の光吸収係数を変化させる。このときｐ側電極１７とｎ側電極１８には変調電圧Ｖｍが印加される。また、図2において、Ｖｍは５０ΩインピーダンスのレーザドライバＩＣにより印加されるため、５０Ωの終端抵抗１９を並列に挿入することでインピーダンスマッチングを取っている。この場合の終端抵抗１９は面発光レーザチップ外部に実装されるチップ抵抗である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
Referring to FIG. 1, a sectional view of a surface emitting laser is shown as a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of a circuit configuration for driving the surface emitting laser according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the surface emitting laser of the present embodiment includes a high-resistance GaAs substrate 1, an n-type Bragg reflection mirror 2, a first n-clad layer 3, a multiple quantum well layer 4, and a first p-clad layer. 5. A layer structure in which a high-resistance AlGaAs layer 6, a second n-clad layer 7, a multiple quantum well active layer 8, a second p-clad layer 9, a p-type AlGaAs layer 10, and a p-type Bragg reflection mirror 11 are stacked. . The multiple quantum well active layer 8 and the p-type layers 9 to 11 are processed into a post shape 13, and a high resistance layer 12 is formed outside the p-type AlGaAs layer 10. As electrodes, a p-side electrode 15 that includes a ring-shaped portion having an opening 14 through which laser light is emitted and is in contact with the surface of the p-type Bragg reflection mirror 11, an n-side electrode 16 that is in contact with the second n-cladding layer 7, There are a total of four electrodes, a p-side electrode 17 in contact with the first p-cladding layer 5 and an n-side electrode 18 in contact with the first n-cladding layer 3. In FIG. 2, the surface emitting laser chip 20 includes diodes 21 and 22 separated in a direct current manner by the high-resistance AlGaAs layer 6. The diode 21 is a diode including a second n-clad layer 7, a multiple quantum well active layer 8, a second p-clad layer 9, a p-type AlGaAs layer 10, and a p-type Bragg reflection mirror 11. By forward-biasing through the side electrode 16, the multiple quantum well active layer 8 emits light. At this time, a DC bias voltage V _DC is applied to the p-side electrode 15 and the n-side electrode 16. A resonator is formed by the n-type Bragg reflection mirror 2 and the p-type Bragg reflection mirror 11, and laser oscillation occurs at an oscillation threshold current or more. On the other hand, the diode 22 is a diode including an n-type Bragg reflection mirror 2, a first n-clad layer 3, a multiple quantum well layer 4, and a first p-clad layer 5. The p-side electrode 17 and the n-side electrode 18 are connected to each other. The light absorption coefficient of the multiple quantum well layer 4 is changed by applying a reverse voltage through the multiple quantum well layer 4. At this time, the modulation voltage Vm is applied to the p-side electrode 17 and the n-side electrode 18. In FIG. 2, Vm is applied by a 50Ω impedance laser driver IC, and impedance matching is achieved by inserting a 50Ω termination resistor 19 in parallel. In this case, the terminating resistor 19 is a chip resistor mounted outside the surface emitting laser chip.

本実施例1の面発光レーザは、DCバイアスして面発光レーザを発振させる回路とレーザ光を変調する回路が高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6により直流的に分離しており、面発光レーザをDCバイアスする抵抗が高くても、変調駆動するレーザドライバＩＣから見える素子抵抗は終端抵抗１９で決まるため、終端抵抗の抵抗値を５０Ωとしておけば面発光レーザの特性がばらついても常に５０Ω終端とすることができる。従って、面発光レーザの設計では、高周波回路の抵抗を考慮することなく、ｐ型層の不純物濃度、高抵抗層１２の電流開口サイズを決めることができ、発振閾値を低減し、スロープ効率を増大させ、かつ良好なビーム形状が得られるように設計することができる。以上の結果、高帯域動作が可能で、かつ横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることができる。さらに、光吸収変調量は小さくて済むため、変調を行うレーザドライバＩＣの電圧振幅は低くてよい。さらに、レーザドライバＩＣには入力変調電圧を電流変調に変換するトランジスタも不要であるため、レーザドライバＩＣの消費電力を大きく低減することができる。以上により、低消費電力かつ低コストの光送信モジュールを得ることが出来る。さらに、レーザ光消光比の低くて済む用途では変調電圧を０．５Ｖ以下にでき、このときはレーザドライバＩＣを無くしてデジタルＬＳＩにより直接面発光レーザを駆動することもできる。 In the surface emitting laser according to the first embodiment, the circuit for oscillating the surface emitting laser by DC bias and the circuit for modulating the laser light are separated in a DC manner by the high resistance AlGaAs layer 6, and the surface emitting laser is DC biased. Even if the resistance is high, the element resistance that can be seen from the laser driver IC to be modulated is determined by the termination resistor 19. Therefore, if the resistance value of the termination resistor is 50Ω, the termination is always 50Ω even if the characteristics of the surface emitting laser vary. it can. Therefore, in the surface emitting laser design, the impurity concentration of the p-type layer and the current opening size of the high resistance layer 12 can be determined without considering the resistance of the high frequency circuit, thereby reducing the oscillation threshold and increasing the slope efficiency. And can be designed to obtain a good beam shape. As a result, a surface emitting laser capable of high-band operation and having a stable transverse mode can be obtained with a high yield. Furthermore, since the amount of light absorption modulation may be small, the voltage amplitude of the laser driver IC that performs modulation may be low. Furthermore, since the laser driver IC does not require a transistor that converts the input modulation voltage into current modulation, the power consumption of the laser driver IC can be greatly reduced. As described above, an optical transmission module with low power consumption and low cost can be obtained. Furthermore, in applications where the laser light extinction ratio is low, the modulation voltage can be reduced to 0.5 V or less. In this case, the surface emitting laser can be directly driven by the digital LSI without the laser driver IC.

以上に示した構成において、高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6をｎ型若しくはｐ型半導体層に変えても、あるいはｎ型層とｐ型層との積層構造（下層がｎ型）としても、あるいは絶縁層としても、あるいはこの層を無くしても、多重量子井戸層4と多重量子井戸活性層8の直流的な分離は可能である。ここで、高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6には例えばFeドープのＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。また、これに代えて例えばＡｌＡｓ層やＡｌリッチのＡｌＧａＡｓ層を酸化して形成される絶縁層を用いることもできる。高抵抗ＡｌＧａＡｓ層6に代えてｐｎ接合により直流的な分離を行うこともできるが、ｎ型層とｐ型層が隣り合うためｐｎ接合容量が発生し、高周波的には結合が発生しやすい。この場合は、複数のｐｎ接合を積層方向に形成してｐｎ接合容量を直列構成にして容量を低減することもできる。本実施例のように高抵抗層とすると、あるいは絶縁層を用いると容量を低減しやすく、高周波的にも分離しやすいので望ましい。また、半導体基板は高抵抗ＧａＡｓ基板1を用いているが、これをｎ型基板に置き代えてもよい。ｐ型基板に置き代えることも可能であるが、この場合は基板上の半導体層の導電型について適当な置換が必要になる。導電型基板の場合は、電極18を基板裏面に形成することも出来る。 In the structure shown above, even if the high resistance AlGaAs layer 6 is changed to an n-type or p-type semiconductor layer, or a stacked structure of an n-type layer and a p-type layer (the lower layer is n-type), or as an insulating layer However, even if this layer is omitted, the multi-quantum well layer 4 and the multi-quantum well active layer 8 can be separated in a direct current. Here, as the high resistance AlGaAs layer 6, for example, an Fe-doped AlGaAs layer can be used. Alternatively, for example, an insulating layer formed by oxidizing an AlAs layer or an Al-rich AlGaAs layer may be used. Although DC separation can be performed by a pn junction instead of the high-resistance AlGaAs layer 6, a pn junction capacitance is generated because the n-type layer and the p-type layer are adjacent to each other, and coupling is likely to occur at a high frequency. In this case, a plurality of pn junctions can be formed in the stacking direction, and the pn junction capacitance can be configured in series to reduce the capacitance. It is desirable to use a high resistance layer as in this embodiment, or to use an insulating layer because the capacity can be easily reduced and separation can be easily performed at high frequencies. Further, although the high-resistance GaAs substrate 1 is used as the semiconductor substrate, it may be replaced with an n-type substrate. A p-type substrate can be substituted, but in this case, appropriate substitution is required for the conductivity type of the semiconductor layer on the substrate. In the case of a conductive substrate, the electrode 18 can be formed on the back surface of the substrate.

上述した第１の実施の形態の面発光レーザは、多重量子井戸活性層８においてレーザ発振を行なわせ、多重量子井戸層４により光吸収を行なわせるものであったが、多重量子井戸活性層８と多重量子井戸層４の配置を逆にして、ｐ側電極１７とｎ側電極１８との間の多重量子井戸活性層で発振を行なわせ、ｐ側電極１５とｎ側電極１６との間の多重量子井戸層で光吸収を行なわせるようにしてもよい。 In the surface emitting laser according to the first embodiment described above, laser oscillation is performed in the multiple quantum well active layer 8 and light absorption is performed by the multiple quantum well layer 4. And the arrangement of the multiple quantum well layers 4 are reversed so that oscillation occurs in the multiple quantum well active layer between the p-side electrode 17 and the n-side electrode 18, and between the p-side electrode 15 and the n-side electrode 16. Light absorption may be performed in the multiple quantum well layer.

［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態では、終端抵抗１９をチップ抵抗の外付けにより設置していたが、これを面発光レーザチップ内に集積化することもできる。そのための構成として第2の実施の形態を、図3に示す。図4には、本実施の形態の面発光レーザを駆動する回路構成の概略図を示す。図3において、図1に示した第1の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。本実施の形態の、図1に示した第1の実施の形態との差異は、ｎ型ブラッグ反射ミラー2と第1のｎクラッド層3からなる抵抗体２３を面発光レーザチップ内に形成したことである。このような抵抗体はエッチング加工により形成することができる。また、本実施の形態では、図3に示すように、電極１７、１８、１５を引き回すための絶縁体として、ポリイミド層２４、２５、２６が形成されている。抵抗体２３は、電極１７、１８と図3の紙面奥行き方向で異なった場所で接している。抵抗体２３の図３紙面内の幅と紙面奥行き方向の長さおよび層厚を適当に設定することにより、５０Ω終端に必要な５０Ω抵抗が得られる。 [Second Embodiment]
In the first embodiment, the termination resistor 19 is installed by externally attaching a chip resistor. However, it can be integrated in the surface emitting laser chip. As a configuration for that purpose, a second embodiment is shown in FIG. FIG. 4 shows a schematic diagram of a circuit configuration for driving the surface emitting laser according to the present embodiment. In FIG. 3, parts that are the same as the parts of the first embodiment shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. The present embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that a resistor 23 including an n-type Bragg reflector 2 and a first n-cladding layer 3 is formed in a surface emitting laser chip. That is. Such a resistor can be formed by etching. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, polyimide layers 24, 25, and 26 are formed as insulators for routing the electrodes 17, 18, and 15. The resistor 23 is in contact with the electrodes 17 and 18 at different locations in the depth direction of the drawing sheet of FIG. By appropriately setting the width of the resistor 23 in FIG. 3 in the drawing, the length in the depth direction of the drawing, and the layer thickness, the 50Ω resistance required for the 50Ω termination can be obtained.

図4の駆動回路構成においては、面発光レーザチップ２７内部に終端抵抗となる抵抗体２３が形成されている。バイアス電圧Ｖ_DCおよび変調電圧Ｖｍのかけ方は第１の実施の形態と同様である。図５に、第2の実施の形態の表面構造の例を示す。電極１７と１８の間に抵抗体２３が形成されているのがわかる。なお、本実施の形態では、抵抗体２３の抵抗値を正確に制御して作成するためには、半導体基板に高抵抗ＧａＡｓ基板1を用いることが望ましい。 In the drive circuit configuration of FIG. 4, a resistor 23 serving as a termination resistor is formed inside the surface emitting laser chip 27. The method of applying the bias voltage V _DC and the modulation voltage Vm is the same as in the first embodiment. FIG. 5 shows an example of the surface structure of the second embodiment. It can be seen that a resistor 23 is formed between the electrodes 17 and 18. In the present embodiment, it is desirable to use the high resistance GaAs substrate 1 as the semiconductor substrate in order to accurately control and create the resistance value of the resistor 23.

この第２の実施の形態の面発光レーザについても、多重量子井戸活性層８と多重量子井戸層４の配置を逆にして、ｐ側電極１７とｎ側電極１８との間の多重量子井戸活性層で発振を行なわせ、ｐ側電極１５とｎ側電極１６との間の多重量子井戸層側で光吸収を行なわせるようにしてもよい。この場合、終端抵抗となる抵抗体は例えば第２のｎクラッド層７を利用して形成することができる。すなわち、レーザ共振器が形成される領域以外の場所で第２のｎクラッド層７をエッチング分離して抵抗体とし、この抵抗体と導通する異なる2つの場所にｐ側電極１５とｎ側電極１６とを接続する。 Also in the surface emitting laser according to the second embodiment, the arrangement of the multiple quantum well active layer 8 and the multiple quantum well layer 4 is reversed, and the multiple quantum well activity between the p-side electrode 17 and the n-side electrode 18 is achieved. Oscillation may be performed in the layer, and light absorption may be performed on the multiple quantum well layer side between the p-side electrode 15 and the n-side electrode 16. In this case, a resistor serving as a termination resistor can be formed using, for example, the second n-clad layer 7. That is, the second n-clad layer 7 is separated by etching at a place other than the region where the laser resonator is formed to form a resistor, and the p-side electrode 15 and the n-side electrode 16 are placed at two different locations that are electrically connected to the resistor. And connect.

図6および図7は、それぞれ第1の実施形態、第2の実施形態の面発光レーザを用いたレーザモジュールの例を示す。構造がわかり易いように、配線を優先的に表示した透視図となっている。面発光レーザの実装は、電極表面が配線基板と対向するフリップチップ実装となっている。面発光レーザおよびレーザドライバＩＣはアレイ構造となっているが、単一のレーザおよびレーザドライバＩＣをアレイ状に並べてもよい。図６において、第1の実施形態の面発光レーザをアレイ状に配置した面発光レーザアレイ２８と、終端抵抗１９となるチップ抵抗と、アレイレーザドライバＩＣ２９とを回路基板３０上に配置し、配線３１で面発光レーザアレイ２８と、変調回路終端用のチップ抵抗（１９）と、アレイレーザドライバＩＣ２９とを接続している。図には表示していないが、DCバイアス回路については、ドライバＩＣ２９の回路と電極１５、１６とが回路基板３０内部の、配線３１とは異なる層の配線を介して繋がっている。 FIGS. 6 and 7 show examples of laser modules using the surface emitting lasers of the first embodiment and the second embodiment, respectively. For easy understanding of the structure, the wiring is preferentially displayed. The surface-emitting laser is mounted by flip chip mounting with the electrode surface facing the wiring board. Although the surface emitting laser and the laser driver IC have an array structure, a single laser and a laser driver IC may be arranged in an array. In FIG. 6, a surface emitting laser array 28 in which the surface emitting lasers of the first embodiment are arranged in an array, a chip resistor serving as a termination resistor 19, and an array laser driver IC 29 are arranged on a circuit board 30 and wiring A surface emitting laser array 28, a chip resistor (19) for terminating the modulation circuit, and an array laser driver IC 29 are connected at 31. Although not shown in the drawing, with respect to the DC bias circuit, the circuit of the driver IC 29 and the electrodes 15 and 16 are connected to each other via a wiring in a layer different from the wiring 31 inside the circuit board 30.

一方、図７において、第２の実施形態の面発光レーザをアレイ状に配置した面発光レーザアレイ３２と、アレイレーザドライバ２９とを回路基板３０上に配置し、配線３１で面発光レーザアレイ３２と、アレイレーザドライバ２９とを接続している。図には表示していないが、アレイレーザドライバ２９のDCバイアス回路は、電極１５、１６と回路基板３０内部の、配線３１とは異なる層の配線を介して繋がっている。この場合は変調回路終端抵抗である抵抗体２３は、面発光レーザアレイ３２内部に集積化されている。 On the other hand, in FIG. 7, the surface emitting laser array 32 in which the surface emitting lasers of the second embodiment are arranged in an array and the array laser driver 29 are arranged on the circuit board 30, and the surface emitting laser array 32 is formed by the wiring 31. And the array laser driver 29 are connected. Although not shown in the drawing, the DC bias circuit of the array laser driver 29 is connected to the electrodes 15 and 16 via wiring in a layer different from the wiring 31 inside the circuit board 30. In this case, the resistor 23 which is a modulation circuit termination resistor is integrated in the surface emitting laser array 32.

図6および図7のモジュール構造を比較すると、大きな差は面発光レーザアレイのレーザ間隔にある。図６では、チップ抵抗の大きさに制限されて、アレイ間隔を一定以上近づけることができない。通常の標準的なチップ抵抗は、０．５mm角または０．６×０．３mmであるため、アレイ間隔は５００μm程度以上となってしまう。一方、図７のモジュール構造では、チップ抵抗の大きさに制限されずにアレイ間隔を小さくすることができる。集積化された抵抗体２３は、厚さ・幅・長さを調節して電極１７および１８の間隔を小さくできるためである。この結果、面発光レーザアレイ間隔100μm程度も可能である。従って、図６のモジュール構造に比べて5倍以上の光配線密度を得ることができる。 Comparing the module structures of FIGS. 6 and 7, the major difference is the laser spacing of the surface emitting laser array. In FIG. 6, the array interval cannot be made closer than a certain value due to the limit of the chip resistance. Since the normal standard chip resistance is 0.5 mm square or 0.6 × 0.3 mm, the array interval is about 500 μm or more. On the other hand, in the module structure of FIG. 7, the array interval can be reduced without being limited by the size of the chip resistor. This is because the integrated resistor 23 can adjust the thickness, width, and length to reduce the distance between the electrodes 17 and 18. As a result, a surface emitting laser array interval of about 100 μm is possible. Therefore, it is possible to obtain an optical wiring density that is five times or more that of the module structure of FIG.

本発明による面発光レーザの第１の実施形態を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a surface emitting laser according to the present invention. 本発明による面発光レーザの第１の実施形態における駆動回路を示す概略図。1 is a schematic diagram showing a drive circuit in a first embodiment of a surface emitting laser according to the present invention. 本発明による面発光レーザの第２の実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the surface emitting laser by this invention. 本発明による面発光レーザの第２の実施形態における駆動回路を示す概略図。Schematic which shows the drive circuit in 2nd Embodiment of the surface emitting laser by this invention. 本発明による第２の実施形態の面発光レーザにおける表面構造を示す図。The figure which shows the surface structure in the surface emitting laser of 2nd Embodiment by this invention. 本発明による第１の実施形態の面発光レーザを用いたモジュール構造を示す平面図。The top view which shows the module structure using the surface emitting laser of 1st Embodiment by this invention. 本発明による第２の実施形態の面発光レーザを用いたモジュール構造を示す平面図。The top view which shows the module structure using the surface emitting laser of 2nd Embodiment by this invention. 従来技術１による面発光レーザの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser by the prior art 1. FIG. 従来技術１による面発光レーザの駆動回路を示す図。The figure which shows the drive circuit of the surface emitting laser by the prior art 1. FIG. 従来技術２による面発光レーザの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser by the prior art 2. FIG. 従来技術３による面発光レーザの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser by the prior art 3. FIG. 従来技術４による面発光レーザの構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the surface emitting laser by the prior art 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１高抵抗ＧａＡｓ基板
２、８２、１０２、１２２、１４２、１５１ｎ型ブラッグ反射ミラー
３第1のｎクラッド層
４多重量子井戸層
５第1のｐクラッド層
６高抵抗ＡｌＧａＡｓ層
７第2のｎクラッド層
８多重量子井戸活性層
９第2のｐクラッド層
１０ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１１、８７、１２６、１４６ｐ型ブラッグ反射ミラー
１２高抵抗層
１３ポスト形状
１４、９０開口
１５、１７、９１、１０９、１１０、１１１、１３２、１３４、１５２、１５３ｐ側電極
１６、１８、９２、１１２、１３３、１３５、１５４、１５５ｎ側電極
１９終端抵抗
２０、２７、９４面発光レーザチップ
２１、２２、９３ダイオード
２３抵抗体
２４、２５、２６ポリイミド層
２８、３２面発光レーザアレイ
２９アレイレーザドライバＩＣ
３０回路基板
３１配線
８１ｎ型ＧａＡｓ基板
８３、１０３、１２３、１２９、１４３、１５０ｎ型クラッド層
８４、１０４、１２４、１４４活性層
８５、１０５、１２５、１３１、１４５、１４８ｐ型クラッド層
８６ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
８８絶縁層
８９ポスト形状
９５レーザドライバＩＣ
９６デジタルＬＳＩ
１０１、１２１ｎ型基板
１０６、１０８、１２７、１４７ｐ型コンタクト層
１０７ノンドープブラッグ反射ミラー
１２８高抵抗層
１３０、１４９多重量子井戸層
１４１高抵抗基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High resistance GaAs substrate 2, 82, 102, 122, 142, 151 n-type Bragg reflection mirror 3 1st n clad layer 4 Multiple quantum well layer 5 1st p clad layer 6 High resistance AlGaAs layer 7 2nd n Clad layer 8 Multiple quantum well active layer 9 Second p-clad layer 10 p-type AlGaAs layers 11, 87, 126, 146 p-type Bragg reflector 12 high resistance layer 13 post shape 14, 90 openings 15, 17, 91, 109 110, 111, 132, 134, 152, 153 p-side electrodes 16, 18, 92, 112, 133, 135, 154, 155 n-side electrodes 19 termination resistors 20, 27, 94 surface emitting laser chips 21, 22, 93 Diode 23 Resistors 24, 25, 26 Polyimide layers 28, 32 Surface emitting laser array 29 Array laser driver IC
30 circuit substrate 31 wiring 81 n-type GaAs substrate 83, 103, 123, 129, 143, 150 n-type cladding layer 84, 104, 124, 144 active layer 85, 105, 125, 131, 145, 148 p-type cladding layer 86 p-type AlGaAs layer 88 insulating layer 89 post shape 95 laser driver IC
96 Digital LSI
101, 121 n-type substrate 106, 108, 127, 147 p-type contact layer 107 non-doped Bragg reflection mirror 128 high resistance layer 130, 149 multiple quantum well layer 141 high resistance substrate

Claims

第1の反射ミラーと第２の反射ミラーとで構成された光共振器内部に活性層を有し、レーザ光を前記活性層の層厚方向に出力する面発光レーザにおいて、前記第1の反射ミラーと第２の反射ミラーのいずれかと前記活性層との間に前記レーザ光に対する光吸収係数を電気的な手段で変化させることが可能な変調用半導体層を有し、該変調用半導体層と前記活性層とが電気的に分離されていることを特徴とする面発光レーザ。 In a surface-emitting laser having an active layer inside an optical resonator composed of a first reflecting mirror and a second reflecting mirror and outputting laser light in the layer thickness direction of the active layer, the first reflecting A modulation semiconductor layer capable of changing a light absorption coefficient for the laser beam by an electric means between any one of a mirror and a second reflection mirror and the active layer; and A surface-emitting laser, wherein the active layer is electrically separated.

前記変調用半導体層と前記活性層との間に高抵抗層または絶縁層またはｐｎ接合を有する半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。 2. The surface emitting laser according to claim 1, wherein a semiconductor layer having a high resistance layer, an insulating layer, or a pn junction is formed between the modulation semiconductor layer and the active layer.

前記変調用半導体層が量子井戸層を含んでおり、該量子井戸層は層厚方向の電界により前記レーザ光に対する光吸収係数が変化するようにバンドギャップおよび層厚が調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。 The modulation semiconductor layer includes a quantum well layer, and the quantum well layer has a band gap and a layer thickness adjusted so that a light absorption coefficient for the laser beam is changed by an electric field in a layer thickness direction. The surface emitting laser according to claim 1 or 2.

前記変調用半導体層が第1のｐ型層と第1のｎ型層に挟まれており、前記活性層が第２のｐ型層と第２のｎ型層に挟まれており、前記第1のｐ型層および第1のｎ型層とそれぞれ導通する第１および第２の電極、第２のｐ型層および第２のｎ型層とそれぞれ導通する第３および第４の電極を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ。 The modulation semiconductor layer is sandwiched between a first p-type layer and a first n-type layer, the active layer is sandwiched between a second p-type layer and a second n-type layer, 1st and 2nd electrodes which are electrically connected to 1 p-type layer and 1st n-type layer, respectively, and 3rd and 4th electrodes which are respectively electrically connected to 2nd p-type layer and 2nd n-type layer The surface emitting laser according to claim 1, wherein

前記光共振器内に含まれる層構造が半導体基板上に形成されており、該半導体基板面内のレーザ発振に寄与する領域以外の領域において、前記半導体基板上に抵抗体が形成されており、前記第1の電極および前記第２の電極が、それぞれ異なる場所で前記抵抗体と電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。 The layer structure included in the optical resonator is formed on a semiconductor substrate, and a resistor is formed on the semiconductor substrate in a region other than the region contributing to laser oscillation in the semiconductor substrate surface, 5. The surface emitting laser according to claim 4, wherein the first electrode and the second electrode are electrically connected to the resistor at different locations.

前記半導体基板が高抵抗半導体基板であることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。 6. The surface emitting laser according to claim 5, wherein the semiconductor substrate is a high resistance semiconductor substrate.

前記抵抗体が、光共振器が形成される領域を構成する一部の半導体層と同一の層構造により形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の面発光レーザ。 The surface emitting laser according to claim 5 or 6, wherein the resistor is formed by the same layer structure as a part of semiconductor layers constituting a region where an optical resonator is formed.

第1の反射ミラーと第２の反射ミラーとで構成された光共振器内部に活性層を有し、レーザ光を前記活性層の層厚方向に出力する面発光レーザにおいて、前記光共振器に隣接した領域に前記光共振器が形成される領域を構成する一部の半導体層と同一の層構造により形成された抵抗体を有することを特徴とする面発光レーザ。 In a surface emitting laser having an active layer inside an optical resonator composed of a first reflecting mirror and a second reflecting mirror and outputting laser light in the layer thickness direction of the active layer, the optical resonator includes A surface-emitting laser comprising a resistor formed in the adjacent layer with the same layer structure as a part of a semiconductor layer constituting a region where the optical resonator is formed.

前記第1の反射ミラーと第２の反射ミラーのいずれかと前記活性層との間に前記レーザ光に対する光吸収係数を電気的な手段で変化させることが可能な変調用半導体層を有することを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ。 A modulation semiconductor layer capable of changing a light absorption coefficient for the laser light by an electric means is provided between one of the first reflection mirror and the second reflection mirror and the active layer. The surface emitting laser according to claim 8.

前記変調用半導体層が第1のｐ型層と第1のｎ型層に挟まれており、前記第1のｐ型層および第1のｎ型層とそれぞれ導通する第１および第２の電極を有し、前記抵抗体が第1および第２の電極に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。 The modulation semiconductor layer is sandwiched between a first p-type layer and a first n-type layer, and is electrically connected to the first p-type layer and the first n-type layer, respectively. The surface emitting laser according to claim 9, wherein the resistor is connected to the first and second electrodes.

面発光レーザを駆動する集積回路チップと面発光レーザを含むレーザモジュールにおいて、面発光レーザは請求項４記載の面発光レーザであり、前記集積回路チップの面発光レーザ駆動出力が前記第1の電極、前記第2の電極に接続されており、さらに前記第１の電極と前記第２の電極には抵抗素子が接続されており、前記集積回路チップの面発光レーザ駆動出力が前記抵抗素子により終端されていることを特徴とするレーザモジュール。 5. A laser module including an integrated circuit chip for driving a surface emitting laser and a surface emitting laser, wherein the surface emitting laser is the surface emitting laser according to claim 4, and the surface emitting laser drive output of the integrated circuit chip is the first electrode. Are connected to the second electrode, and a resistance element is connected to the first electrode and the second electrode, and the surface emitting laser drive output of the integrated circuit chip is terminated by the resistance element. The laser module characterized by the above-mentioned.

面発光レーザを駆動する集積回路チップと面発光レーザを含むレーザモジュールにおいて、面発光レーザは請求項５、６、７または１０のいずれかに記載の面発光レーザであり、前記集積回路チップの面発光レーザ駆動出力が前記第1の電極、前記第2の電極に接続されており、前記集積回路チップの面発光レーザ駆動出力が前記抵抗体により終端されていることを特徴とするレーザモジュール。 A laser module including an integrated circuit chip for driving a surface emitting laser and a surface emitting laser, wherein the surface emitting laser is the surface emitting laser according to any one of claims 5, 6, 7 and 10, and the surface of the integrated circuit chip A laser module, wherein a light emitting laser driving output is connected to the first electrode and the second electrode, and a surface emitting laser driving output of the integrated circuit chip is terminated by the resistor.

面発光レーザがアレイ状に形成されて化合物半導体集積回路を構成し、前記集積回路チップと前記化合物半導体集積回路とが同一回路基板上に搭載されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザモジュール。 The surface emitting laser is formed in an array to form a compound semiconductor integrated circuit, and the integrated circuit chip and the compound semiconductor integrated circuit are mounted on the same circuit board. The laser module described.

前記集積回路チップが、デジタル集積回路であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載のレーザモジュール。
The laser module according to claim 11, wherein the integrated circuit chip is a digital integrated circuit.