JP2013045803A - 半導体レーザおよび光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品との結合が容易な半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザ１０は、モノリシックに形成された発光部２０と光制御部３０とを有する。ｎ型のＧａＡｓ基板１００には、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、電流狭窄層１０６と、ｐ型の上部ＤＢＲとが積層される。光制御部３０は、発光部２０で発せられた光を基板の主面と略平行な方向に伝播させ、かつ伝播された光を吸収または増幅する。また、光制御部３０の表面には、反射部１２４が形成され、反射部１２４は、上部ＤＢＲ１０８からから入射された光を収束させ、一定方向へ反射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザおよび光伝送装置に関する。

近年、光リンク伝送容量が加速度的に増加しており、〜１００Ｇｂｓ程度の高速伝送可能で低消費電力な光源が必要とされている。このような光源に面発光型半導体レーザを用いるためには、面発光型半導体レーザの変調速度をさらに高速にしなければならない。面発光型半導体レーザを高速変調する方法の１つに、基板上に面発光型半導体レーザと横導波路とをモノリシックに形成し、横導波路から面発光型半導体レーザに光を注入することで、面発光型半導体レーザの出射光をスイッチングまたは変調するものがある（特許文献１）。さらに、光伝送容量の増加は、面発光型半導体レーザの高出力化を必要とする。例えば、面発光型半導体レーザの光出射面に凹部によって囲まれた光閉じ込め領域を形成することで、モード数を削減し、高出力化が図られている（特許文献２）。

また、特許文献３は、モードロック端面発光型半導体レーザに関するものであるが、逆バイアス電圧を印加し変調要素の屈折率を変化させることで光を吸収する光吸収器セクションや、順方向バイアス電圧を印加することで光ゲインを発生する活性セクションを形成し、高速変調や高出力化を可能にしている。

特開平１１−２７４６４０号公報 特開２００７−１８９０３３号公報 特開２０１０−３９３０号公報

本発明は、光ファイバ等の光伝送部材と結合が容易な半導体レーザを提供することを目的とする。

請求項１は、基板と、前記基板上に形成され、第１の活性領域、第１の活性領域を挟むように構成された第１の垂直共振器、および第１の活性領域に駆動電流を供給するための第１の電極を含む発光部と、前記基板上に形成され、前記発光部で発せられた光を前記基板の主面と略平行な方向に伝播させ、かつ伝播された光を吸収または増幅する光制御部とを有し、前記光制御部は、第２の活性領域、第２の活性領域を挟むように構成された第２の垂直共振器、制御電流を供給するための第２の電極、第２の垂直共振器上に形成された反射部とを有し、前記反射部は、第２の垂直共振器からの光を入射し、入射した光を一定方向へ反射させる、半導体レーザ。
請求項２は、前記反射部は、第２の垂直共振器からの光を入射する入射面、入射された光を反射する反射面、反射された光を前記一定方向に出射する出射面とを有し、前記反射面は、前記入射面に対して傾斜している、請求項１に記載の半導体レーザ。
請求項３は、前記反射部は、前記入射面から入射された光を収束し、収束した光を前記出射面から出射させる、請求項１または２に記載の半導体レーザ。
請求項４は、前記反射部は、第２の垂直共振器上に結晶成長された半導体層である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項５は、前記半導体層は、第１の端部と、当該第１の端部に対向する第２の端部とを有し、第１の端部は、第１の膜厚および第１の幅を有し、第２の端部は、第１の膜厚よりも大きい第２の膜厚および第１の幅よりも狭い第２の幅を有し、第２の端部は、反射部の出射面を形成する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項６は、前記光制御部は、前記発光部の等価屈折率よりも等価屈折率が小さい低等価屈折率領域と、前記低等価屈折率領域よりも等価屈折率が高い高等価屈折率領域とを含み、前記反射部は、前記高等価屈折率領域が延在する方向に延在する、請求項１ないし５いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項７は、前記反射部は、前記高等価屈折率領域と重複する位置に形成される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項８は、前記低等価屈折率領域は、第２の垂直共振器内に形成された溝である、請求項６に記載の半導体レーザ。
請求項９は、前記出射面は、略円形または略正方形である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項１０は、前記光制御部は、第２の電極に順方向バイアスの制御電流が供給されたとき、伝播された光を増幅する、請求項１ないし９いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項１１は、前記光制御部は、第２の電極に逆バイスの制御電流が供給されたとき、伝播された光を吸収する、請求項１ないし９いずれか１つに記載の半導体レーザ。
請求項１２は、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の半導体レーザと、前記反射部の出射面から出射された光と結合される光伝送部材と、を有する光伝送装置。
請求項１３は、光伝送装置はさらに、第１の電極に駆動電流を供給し、第２の電極に制御電流を供給する駆動手段を含む、請求項１２に記載の光伝送装置。

請求項１の発明によれば、反射部を備えていない構成と比べて、光伝送部材との結合を容易にすることができる。
請求項２の発明によれば、入射された光の反射を容易にすることができる。
請求項３の発明によれば、光伝送部材との結合効率を向上させることができる。
請求項４の発明によれば、反射部の形成を容易にすることができる。
請求項５の発明によれば、反射部の出射面の形状の選択を容易することができる。
請求項６、７の発明によれば、第２の垂直共振器からの光を効率的に反射部に入射させることができる。
請求項８の発明によれば、発光部の光を光制御部へ容易に伝播させることができる。
請求項９の発明によれば、光伝送部材との結合を容易にすることができる。
請求項１０の発明によれば、レーザ光の光量を増加することができる。
請求項１１の発明によれば、レーザ光の変調を行うことができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの模式的な平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施例に係る半導体レーザの等価屈折率と光閉じ込め分布を示す図である。 第１の実施例に係る半導体レーザの光分布の計算結果を示すグラフである。 図４（ａ）は、反射部の構成例を示す図、図４（ｂ）は、反射部の製造方法例を説明する図である。 本発明の実施例に係る反射部の他の構成例を示す図である。 第発明の実施例に係る半導体レーザの光増幅量を示すグラフである。 本発明の実施例に係る半導体レーザを利用した光伝送装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る半導体レーザを利用した光伝送装置の一構成例を示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図面を参照して説明する。また、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの模式的な平面図、図１（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図である。同図に示すように、本実施例の半導体レーザ１０は、光を発光する発光部２０と、発光部２０で発せられた光を横方向に伝播する横導波路として機能しかつ光の吸収または増幅等の制御を行う光制御部３０とを基板上に含んでいる。

発光部２０は、典型的な面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode: VCSEL）と同様に構成される。すなわち、発光部２０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０４、活性領域１０４上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層して構成される。発光部２０の平面形状は、図１(ａ)に示すように略半円状である。

ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、高屈折率層と低屈折率層の積層として、例えば、Ａｌ_0.92Ｇａ_0.08Ａｓ層とＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ層とのペアを複数積層する。各層の厚さは、λ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層する。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＧａＡｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層である。ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、高屈折率層と低屈折率層の積層として、例えば、Ａｌ_0.92Ｇａ_0.08Ａｓ層とＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ層とのペアを複数積層する。各層の厚さは、λ／４ｎ_ｒであり、これらを交互に２４周期積層する。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層（またはＡｌＡｓ層）からなる電流狭窄層１０６が形成される。また、上部ＤＢＲ１０８の最上層に、ｐ型ＧａＡｓからなる不純物濃度が高い（例えば、１×１０^1９ｃｍ^-3）コンタクト層を形成するようにしてもよい。電流狭窄層１０６は、下部ＤＢＲ１０２や上部ＤＢＲ１０８よりもＡｌ組成が高く、酸化工程において酸化が早く進む。図１（ａ）に示すような半円筒状のポストを酸化すると、電流狭窄層１０６には、ポストの側壁から内部に向けて選択的に酸化された酸化領域１０６Ａ（図１（ｂ）のハッチングされた部分）が形成される。これにより、酸化領域１０６Ａによって囲まれた非酸化領域１０６Ｂが形成される。非酸化領域１０６Ｂの平面形状は、ほぼポスト構造の平面形状を反映した形状となる。図１（ａ）に示す破線１０６Ｃは、酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂの境界を示している。

非酸化領域１０６Ｂの半円部分の直径は、基本横モード発振される程度の大きさであり、例えば、約３ミクロン以下である。酸化領域１０６Ａの屈折率は、約１．７であり、非酸化領域（Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ）１０６Ｂの屈折率は、約３．０であり、屈折率の高い非酸化領域１０６Ｂ内に光を閉じ込めることが可能になる。また、酸化領域１０６Ａは、高抵抗領域であるため、電極から注入されたキャリアは、導電領域である非酸化領域１０６Ｂを通過することで、キャリア密度が増加され、活性領域１０４に注入される。

上部ＤＢＲ１０８上には、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成される金属製の半円状のｐ側電極１１０が形成され、ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０８と電気的に接続される。好ましくは、ｐ側電極１１０は、電流狭窄層１０６の非酸化領域１０６Ｂの真上を覆うように、すなわち重複するように形成され、さらに好ましくは、ｐ側電極１１０は、発光部２０の上部ＤＢＲ１０８の略全域を覆うように形成される。従って、発光部２０は、通常のＶＣＳＥＬと異なり、上部ＤＢＲ１０８の最上層からレーザ光を出射しないことに留意すべきである。また、基板１００の裏面には、ｎ側電極１１２が形成される。このｎ側電極１１２は、光制御部３０にも共通である。

こうして、基板１００上には、垂直共振器構造をもつ発光部２０が形成され、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１２との間に順方向の駆動信号を印加することで、活性領域１０４から光が発生され、レーザ光が励起される。但し、上記したように、上部ＤＢＲ１０８の表面は、ｐ型電極１１０によって被覆されているため、レーザ光は、ｐ側電極１１０によって内部に反射される。

半導体レーザ１０には、発光部２０の側部に横導波路としての光制御部３０がモノリシックに形成される。光制御部３０は、発光部２０で発生されたレーザ光を導くための相対的に等価屈折率が小さい低等価屈折率領域１２０と、低等価屈折率領域１２０から導かれた光を伝播する高等価屈折率領域のスローライト部１２２と、スローライト部１２２上に形成された反射部１２４とを有する。好ましくは、光制御部３０は、発光部２０と同一の半導体層を用いて構成される。なお、本明細書中で用いられる等価屈折率とは、基板に対して垂直方向に積層している、屈折率の異なる半導体多層膜の実効的な屈折率（多層膜の屈折率を単層の屈折率とみなす）を、等価屈折率法によって求められたものを指す。

好ましくは、低等価屈折率領域１２０は、上部ＤＢＲ１０８内に形成されたトレンチ（溝）１２０によって形成される。トレンチ１２０は、好ましくは、図１（ａ）に示す酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂとの境界１０６Ｃの内側、すなわち非酸化領域１０６と重複する位置に形成され、基板と略垂直方向に一定の深さを有する。より好ましくは、トレンチ１２０は、ｐ側電極１１０の端部に隣接するように形成される。このように、境界１０６Ｃの内側の非酸化領域１０６Ｂと重複する位置にトレンチ１２０を形成するのは、発光部２０で発生された光をスローライト部１２２に容易に導くためであり、トレンチ１２０は、発光部２０の光が効率良くスローライト部１２２に漏洩されるような位置、深さ、幅（Ｄ２）で形成される。トレンチ１２０の形状は問わないが、本実施例では、矩形状に形成される。また、発光部２０の非酸化領域１０６Ｂの実質的な径Ｄ１を２μｍ、トレンチ１２０の幅Ｄ２を１μｍ、スローライト部１２２の長手方向に延在する距離Ｄ３を６μｍで形成している。

図２は、半導体レーザ１０の等価屈折率と光閉じ込め分布の関係を示している。同図において、階段状の線が等価屈折率を示し、曲線は、光閉じ込め分布を表している。低等価屈折率ＮＬの領域Ｄ０（図１（ａ）を参照）は、発光部２０の酸化領域１０６Ａに対応し、高等価屈折率ＮＨの領域Ｄ１は、発光部２０の非酸化領域１０６Ｂに対応する。低等価屈折率ＮＬの領域Ｄ２は、光制御部３０のトレンチ１２０に対応し、高等価屈折率ＮＨの領域Ｄ３は、光制御部３０のスローライト部１２２の非酸化領域１０６Ｂに対応する。

高低の等価屈折率ＮＬ、ＮＨとなる領域Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が連続的に形成されることで、発光部２０で発生された光は、上部ＤＢＲ１０８の最上層から出射されることなく、領域Ｄ１に閉じ込められる。領域Ｄ１に閉じ込められた基本横モードの光Ｌｉｎはガウシアン分布となるが、トレンチ１２０（領域Ｄ２）は、光Ｌｉｎを完全に光を閉じ込めるのではなく、その裾野の一部の光をスローライト部１２２へ導く。発光部２０において垂直共振されるレーザ光であっても、レーザ光は、垂直方向から若干の傾斜角または広がり角をもっている。このため、裾野から漏洩した光は、低等価屈折率の領域Ｄ２を介して高等価屈折率ＮＨの領域Ｄ３へ導波される。スローライト部１２２に導かれた光は、スローライト部１２２の非酸化領域１０６Ｂ内に閉じ込められた状態で、垂直共振器内を傾斜角の方向で共振されながら基板の主面と略水平方向に伝播される。

スローライト部１２２を伝播された光は、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０８の間で反射されながら進行するため、スローライト部１２２の水平方向の距離Ｄ３が小さくとも、実際に光が走行する距離（光路長）は、その距離Ｄ３の数百倍に相当する。このため、スローライト部１２２を水平方向に伝播する光の速度は、あたかも光の速度が遅延されたかのように、ゆっくりとした光にみえる。

図３は、発光部２０から光制御部３０へ伝搬された光の光分布の計算結果を示すグラフである。横軸は、距離（μｍ）、縦軸は、相対強度である。同図において、０−２μｍの範囲は、非酸化領域１０６Ｂの径Ｄ１に対応し、相対強度の大きなガウシアン分布のレーザ発振が生じる。２−３μｍの範囲は、トレンチ１２０の幅Ｄ２に対応し、ここでは、相対強度の小さな光が生じる。３−９μｍの範囲は、スローライト部１２２の距離Ｄ３に対応し、スローライト部１２２に閉じ込められて伝播するレーザ光を示している。但し、図３は、光制御部３０により光の増幅または吸収を行っていないときの光分布を示している。

光制御部３０は、図１に示すように、スローライト部１２２の上面、すなわち、上部ＤＢＲ１０８上に反射部１２４を有する。反射部１２４は、スローライト部１２２からの光を入射し、入射した光を基板の主面と略平行な方向に反射する。反射部１２４は、図１（ａ）に示すように、スローライト部１２２の非酸化領域１０６Ｂが延在する方向に延在し、好ましくは、反射部１２４は、酸化領域１０６Ｂの略全部と重複する位置に形成される。図１（ａ）に示す例では、反射部１２４は、スローライト部１２２の距離Ｄ３よりも幾分短く形成されているが、反射部１２４は、トレンチ１２０と隣接するように距離Ｄ３の長さで形成されてもよいし、距離Ｄ３よりも長くても良い。

図４（ａ）は、反射部１２４を模式的に示した斜視図である。同図に示すように、反射部１２４は、スローライト部１２２からの光を入射する入射面１２４Ａと、入射した光を反射する反射面１２４Ｂと、反射面１２４で反射された光を出射する出射面１２４Ｃとを有している。ここでは、反射部１２４の一方の端部は、幅Ｗ１、膜厚Ｈ１であり、他方の端部は、幅Ｗ２、膜厚Ｈ２であり、Ｗ１＞Ｗ２、Ｈ１＜Ｈ２の関係にある。反射部１２４の幅Ｗ１は、好ましくは、スローライト部１２２の非酸化領域１０６Ｂの幅よりも大きく、幅Ｗ２は、非酸化領域１０６Ｂの幅と等しいかそれよりも幾分大きいことが望ましい。反射面１２４Ｂは、入射面１２４Ａに対して傾斜しており、入射された光を出射面１２４に向けて反射する。また、反射面１２４Ｂは、幅Ｗ２から幅Ｗ１に向けて入射された光を収束させる。

図４（ｂ）は、反射部１２４の製造方法の例を説明する図である。同図に示すように、ＧａＡｓウエハー(基板)Ｗ上のスローライト部１２２の表面、すなわち上部ＤＢＲ１０８の最上層に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）あるいは窒化シリコン膜（ＳｉＮ）などの誘電体膜からなる一対のパターン１３０が公知のフォトリソ工程を用いて形成される。パターン１３０は、一定の膜厚を有し、その平面形状は、形成されるべき反射膜１２４の形状に応じて適宜選択されるが、図１（ａ）に示すような台形状の反射部１２４を形成する場合には、例えば、平面形状が三角形のパターン１３０を並置させ、両パターンの間に、幅Ｗ１、幅Ｗ２の台形状の開口部を形成する。この開口部によって、上部ＤＢＲ１０８の表面が露出される。

次に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）により、スローライト部１２２上に、化合物半導体層を再結晶成長させると、化合物半導体層は、パターン１３０の開口部上にパターン成長され、これにより、幅Ｗ１、幅Ｗ２を有する台形状の反射部１２４が形成される。ここで、Ｗ２＜Ｗ１の関係にあるため、幅Ｗ２の膜厚Ｈ２は、幅Ｗ１の膜厚Ｈ１よりも大きくなる。幅Ｗ１、Ｗ２、パターン１３０の対向する側面（エッジ）の基板に対する傾斜角、再結晶成長時間などを適宜調整することにより、膜厚Ｈ１、Ｈ２が調整され、これにより、反射面１２４Ｂの傾斜角、出射面１２４Ｃの形状を調整することができる。

反射部１２４をパターン成長により形成する場合には、好ましくは、下地の半導体層と格子定数が一致するかまたは近似される材料が用いられる。また、反射部１２４は、スローライト部１２２からの光の吸収が少なく、かつ入射された光を反射面１２４Ｂで反射させる屈折率をもつ材料が選択される。例えば、発光部２０が発するレーザ光が８５０ｎｍの波長であるとき、反射部１２４は、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓなどから構成される。この中では、光の吸収が少なく、酸化し難いＧａＩｎＰがより好ましい。

なお、反射部１２４は、ＭＯＣＶＤによるパターン成長以外の方法で形成されるものであってもよい。例えば、スローライト部１２２の表面に、光の吸収が少なく、一定の屈折率を持つ材料を形成し、当該材料をエッチングなどすることにより、所望の形状の反射部１２４を得るようにしてもよい。

上記の例では、反射面１２４Ｂの傾斜が線形に変化する例を示しているが、これに限らず、反射面１２４Ｂの傾斜は、図５（ａ）に示すような湾曲もしくは曲面を持つように変化されるものであってもよいし、図５（ｂ）に示すように階段状に変化するものであってもよい。要は、反射面１２４Ｂは、入射面１２４Ａからの光を出射面１２４Ｃに向けて反射させることができる形状であればよい。

また、出射面１２４Ｃの形状は、異方性のない形状であることが好ましく、例えば、図５（ｃ）に示すように円形であることが望ましい。また、出射面１２４Ｃの形状が図４（ａ）に示すような矩形状である場合には、幅Ｗ２＝Ｈ２であることが望ましい。さらに、出射面１２４Ｃは、図５（ｄ）に示すように、頂部が半円となるような半円形状またはドーム形状であってもよい。要は、入射面１２４Ａから入射された光のプロファイルの異方性が抑制されるか低減されるように、出射面１２４Ｃの形状（または幅Ｗ２、膜厚Ｈ２）が選択される。さらに出射面１２４Ｃの大きさは、収束されたレーザ光が光ファイバなどの光伝送部品と容易に結合できるように選択される。

再び図１を参照すると、光制御部３０は、スローライト部１２２の上面に一対のｐ側電極２１０を備えている。一対のｐ側電極２１０は、好ましくは、反射部１２４を挟むように配置され、スローライト部１２２の上部ＤＢＲ１０８と電気的に接続される。光制御部３０と発光部２０とは、上部ＤＢＲ１０８の一部を介して電気的に接続されているが、発光部２０のｐ側電極１１０から注入されたキャリアは、トレンチ１２０の存在により光制御部３０へ流れ込まず、その大部分は、直下の非酸化領域１０６Ｂを介して活性領域１０４へ注入されるので、発光部２０と光制御部３０との動作が、実質的に干渉することはない。なお、必要に応じて、トレンチ１２０の幅等を縦方向に延ばすことで、光制御部３０と発光部２０の間の抵抗値を増大させたり、あるいはイオンインプラ（注入）等を用いて電気的に断絶することも可能である。

光制御部３０は、横導波路として機能することに加えて、発光部２０からの光を外部変調する機能を有する。第１の好ましい態様では、光制御部３０が選択的に光の吸収を行う光吸収器として機能する例を説明する。発光部２０のｐ側電極１１０とｎ側電極１１２との間には、常時、順方向バイアスの駆動電流が印加され、発光部２０においてレーザ発振された光は、ｐ側電極１１０によって反射されるため、より多くの光が光制御部３０へ導かれる。

一方、光制御部３０のｐ型電極２１０とｎ側電極との間には、逆バイアスの周波数ｆの駆動パルス信号が印加される。スローライト部１２２に逆バイアス電圧が印加されると、活性領域１０４の屈折率が変化しそこを通る光が吸収される。このような光の吸収原理は、電界吸収型（Electro Absorption：ＥＡ）の変調器として知られている。ＥＡ変調器は、半導体ヘテロ結合で形成された量子井戸に電界を印加すると、吸収端が長波長側にシフトする性質を用いて変調を行う。

発光部２０から横方向に導き出されたレーザ光Ｌｍは、スローライト部１２２の下部ＤＢＲ１０２から上部ＤＢＲ１０８の垂直共振器内を反射されながら水平方向に伝播される。このため、スローライト部１２２の水平方向の距離Ｄ３が小さいものであっても、レーザ光Ｌｍは、その距離の数百倍に相当する回数で活性領域１０４を通過し、これにより、レーザ光Ｌｍがより効果的に吸収される。こうして、駆動パルス信号の周波数ｆに応じてスイッチングまたは変調されたレーザ光Ｌｎは、スローライト部１２２の表面（境界１０６Ｃに相当するエリア）から反射部１２４の入射面１２４Ａに入射され、入射された光は、反射面１２４Ｂで反射され、出射面１２４Ｃから収束されたレーザ光Ｌｎが基板の主面と略平行な方向に出射される。

スローライト部１２２の表面に反射部１２４が形成されていない場合には、スローライト部１２２の表面からは、非酸化領域１０６Ｂの平面形状、すなわち境界１０６Ｃの平面形状に則した、異方性のある楕円形のプロファイルを持つレーザ光が出射される。こうした、異方性の大きい楕円状のプロファイルを持つレーザ光は、光ファイバに結合しても、光量の損失が大きく、結合効率が低くなってしまい、光ファイバ等の光伝送部材との結合に適さない。これに対して、本実施例では、スローライト部１２２の表面に反射部１２４を設け、スローライト部１２２から出射されるレーザ光を異方性の少ないプロファイルを持つレーザ光に収束させることで、半導体レーザ１０と光ファイバ等の光伝送部材との結合を容易にすることができる。

次に、光制御部３０の第２の好ましい態様について説明する。第２の好ましい態様では、光制御部３０は、光増幅部として機能する。第２の好ましい態様では、スローライト部１２２のｐ側電極２１０とｎ側電極１１２間に、順方向バイアスの駆動電流を印加することで、発光部２０から導波されたレーザ光Ｌｍを増幅する。光増幅器は、半導体光増幅器（（Semiconductor Optical Amplifier: SOA）として知られている。

ｐ側駆動電極２１０とｎ側電極１１２との間に順方向バイアスの駆動電流を印加すると、電極からキャリアが注入され、スローライト部１２２内のレーザ光のゲインが増幅される。発光部２０から注入されたレーザ光Ｌｍは、スローライト部１２２の垂直共振器内を反射されながら水平方向に伝播されるため、活性領域１０４を何度も通過し、その結果、レーザ光Ｌｍのゲインが増幅され、スローライト部１１２の表面から高出力のレーザ光Ｌｎが反射部１２４へ入射される。仮に、周波数ｆの駆動パルス信号を印加すれば、周波数ｆに応じて変調されたレーザ光Ｌｎが出射面１２４Ｃから水平方向に出射される。

図６は、光制御部３０が光増幅器として機能するときの光増幅量を示すグラフである。縦軸は利得、横軸は電流密度である。図から明らかにように、電流密度が増加すると、利得が増加することが分かる。つまり、光制御部３０からのキャリアからの注入量が増加すると、利得が増加する。

上記実施例では、光制御部３０を、光吸収器または光増幅器として機能させる例を示したが、発光部２０の側部に、２つの光制御部を形成し、２つの光制御部によって光吸収器および光増幅器の機能を実現させるようにしてもよい。例えば、発光部２０から注入されたレーザ光Ｌｍを第１の光制御部により一定のゲインで増幅し、増幅されたレーザ光を第２の光増幅器により選択的に吸収（変調）することができる。この場合、第１の光制御部の表面から光が出射されないように、例えば、ｐ側電極を非酸化領域１０６Ｂに重複させ、第２の光制御部の表面に反射部１２４を形成する。また、これとは反対に、発光部２０から注入された光を第１の光制御部により選択的に吸収（変調）し、変調されたレーザ光を第２の光制御部で増幅するようにしてもよい。この場合にも、第１の光制御部の表面から光が出射されないようにし、第２の光制御部の表面に反射部１２４を形成する。なお、光吸収と光増幅のために２つの光制御部を形成ける場合には、それぞれ別個にｐ側の駆動電極を形成する必要がある。

図７は、本実施例の半導体レーザを用いた光伝送装置の構成を示すブロック図である。本実施例の光伝送装置３００は、発光部２０を駆動するための駆動信号Ｓ１、光制御部３０を駆動するための駆動信号Ｓ２を生成する駆動部３１０を備えている。駆動信号Ｓ２は、光制御部３０が光吸収器として機能するかまたは光増幅器として機能するかに応じて変更される。さらに、上記したように、第１および第２の光制御部３０Ａ、３０Ｂを形成する場合には、駆動部３１０は、第１および第２の光制御部３０Ａ、３０Ｂに対しそれぞれ駆動信号Ｓ２、Ｓ３を供給する。

図８は、本実施例の光伝送装置の一構成例を示す断面図である。光伝送装置４００は、半導体レーザ１０や駆動部３１０が形成された電子部品４１０を搭載する金属ステム４２０を含み、ステム４２０が中空キャップ４３０で覆われ、キャップ４３０の中央にボールレンズ４４０が固定されている。ステム４２０にはさらに円筒状の筐体４５０が取り付けられ、筐体４５０の端部にフェルール４６０を介して光ファイバ４７０が固定される。電子部品４１０から変調されたレーザ光は、ボールレンズ４４０によって集光され、その光は、光ファイバ４７０に入射され、送信される。なお、ボールレンズ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。上記実施例では、ＡｌＧａＡｓの化合物半導体を用いた半導体レーザを例示したが、これ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いた半導体レーザであってもよい。さらに、上記実施例中の発光部２０や光制御部３０の形状は例示であって、これ以外の形状であってもよい。

１０：半導体レーザ
２０：発光部
３０：光制御部
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：電流狭窄層
１０６Ａ：酸化領域
１０６Ｂ：非酸化領域
１０６Ｃ：境界
１０８：上部ＤＢＲ
１１０、２１０：ｐ側電極
１１２：ｎ側電極
１２０：トレンチ（溝）
１２２：スローライト部
１２４：反射部
１２４Ａ：入射面
１２４Ｂ：反射面
１２４Ｃ：出射面

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、第１の活性領域、第１の活性領域を挟むように構成された第１の垂直共振器、および第１の活性領域に駆動電流を供給するための第１の電極を含む発光部と、
   前記基板上に形成され、前記発光部で発せられた光を前記基板の主面と略平行な方向に伝播させ、かつ伝播された光を吸収または増幅する光制御部とを有し、
   前記光制御部は、第２の活性領域、第２の活性領域を挟むように構成された第２の垂直共振器、制御電流を供給するための第２の電極、第２の垂直共振器上に形成された反射部とを有し、
   前記反射部は、第２の垂直共振器からの光を入射し、入射した光を一定方向へ反射させる、半導体レーザ。
2. 前記反射部は、第２の垂直共振器からの光を入射する入射面、入射された光を反射する反射面、反射された光を前記一定方向に出射する出射面とを有し、前記反射面は、前記入射面に対して傾斜している、請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記反射部は、前記入射面から入射された光を収束し、収束した光を前記出射面から出射させる、請求項１または２に記載の半導体レーザ。
4. 前記反射部は、第２の垂直共振器上に結晶成長された半導体層である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体レーザ。
5. 前記半導体層は、第１の端部と、当該第１の端部に対向する第２の端部とを有し、第１の端部は、第１の膜厚および第１の幅を有し、第２の端部は、第１の膜厚よりも大きい第２の膜厚および第１の幅よりも狭い第２の幅を有し、第２の端部は、反射部の出射面を形成する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の半導体レーザ。
6. 前記光制御部は、前記発光部の等価屈折率よりも等価屈折率が小さい低等価屈折率領域と、前記低等価屈折率領域よりも等価屈折率が高い高等価屈折率領域とを含み、前記反射部は、前記高等価屈折率領域が延在する方向に延在する、請求項１ないし５いずれか１つに記載の半導体レーザ。
7. 前記反射部は、前記高等価屈折率領域と重複する位置に形成される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の半導体レーザ。
8. 前記低等価屈折率領域は、第２の垂直共振器内に形成された溝である、請求項６に記載の半導体レーザ。
9. 前記出射面は、略円形または略正方形である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の半導体レーザ。
10. 前記光制御部は、第２の電極に順方向バイアスの制御電流が供給されたとき、伝播された光を増幅する、請求項１ないし９いずれか１つに記載の半導体レーザ。
11. 前記光制御部は、第２の電極に逆バイスの制御電流が供給されたとき、伝播された光を吸収する、請求項１ないし９いずれか１つに記載の半導体レーザ。
12. 請求項１ないし１１いずれか１つに記載の半導体レーザと、
    前記反射部の出射面から出射された光と結合される光伝送部材と、
    を有する光伝送装置。
13. 光伝送装置はさらに、第１の電極に駆動電流を供給し、第２の電極に制御電流を供給する駆動手段を含む、請求項１２に記載の光伝送装置。

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