JP3415043B2 - Surface emitting laser device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信及び光コン
ピュータ等に用いられる面発光レーザ装置に係り、特
に、偏光方向を制御することができる面発光レーザ及び
面発光レーザアレイに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface emitting laser device used for optical communication and an optical computer, and more particularly to a surface emitting laser and a surface emitting laser array capable of controlling the polarization direction.

【０００２】[0002]

【従来の技術】現在、光通信、光コンピュータ等の光源
として、高密度化された半導体レーザアレイが必要とな
っている。半導体レーザアレイはいくつかの半導体レー
ザを適当なピッチで並べ、各々独立に駆動するようにし
ている。2. Description of the Related Art At present, a highly densified semiconductor laser array is required as a light source for optical communications, optical computers and the like. In the semiconductor laser array, several semiconductor lasers are arranged at an appropriate pitch and each is driven independently.

【０００３】従来用いられている半導体レーザアレイの
主な作製方法としては、一つに別々に作製した半導体レ
ーザを整列させてハンダ、ＡｕＳｎ等の低融点合金によ
り同一のヒートシンクに融着させて作製するフリップチ
ップボンディングによる方法がある。この場合、アライ
メントは機械的な方式になるため、ピッチを詰められな
い、また、精度が悪いという欠点がある。As a main manufacturing method of the semiconductor laser array conventionally used, the semiconductor lasers manufactured separately are aligned and prepared by fusing the same heat sink with a low melting point alloy such as solder or AuSn. There is a flip chip bonding method. In this case, since the alignment is a mechanical method, there are disadvantages that the pitch cannot be reduced and the accuracy is low.

【０００４】これに対して、一枚の基板上に作り込むモ
ノリシックな半導体レーザアレイの作製方法がある。こ
れは端面出射型ストライプレーザでは、適当な間隔でメ
サストライプを並べて作製するものである。つまり、電
極を個々に分割することで、個々のレーザを別々に駆動
することが可能となっている。また、このタイプの半導
体レーザアレイは互いの半導体レーザのピッチ、位置精
度は光学露光で決定されるためμｍオーダーの精度が得
られるという長所がある。On the other hand, there is a method of manufacturing a monolithic semiconductor laser array which is manufactured on a single substrate. In this case, the edge-emitting type stripe laser is manufactured by arranging mesa stripes at appropriate intervals. That is, by dividing the electrodes individually, it is possible to drive each laser separately. Further, this type of semiconductor laser array has an advantage in that the pitch accuracy and the positional accuracy of the semiconductor lasers are determined by optical exposure, so that the accuracy of the μm order can be obtained.

【０００５】しかしながら、その端面出射型レーザアレ
イでは、１次元の配列しかできないため、アレイの数、
密度には限界があり、光情報処理の光源として求められ
ている多くの半導体レーザを集積化した半導体レーザア
レイには不向きであった。However, since the edge-emitting laser array can only be arranged one-dimensionally, the number of arrays,
There is a limit to the density, and it is not suitable for a semiconductor laser array in which many semiconductor lasers required as a light source for optical information processing are integrated.

【０００６】これに対して面発光レーザでは、基板に対
して垂直方向に光を出射するため、２次元の配列が容易
で高密度なマトリクスアレイが作製されるという利点が
あり、ファイバ等光学部品への結合効率にも優れてい
る。On the other hand, the surface emitting laser emits light in a direction perpendicular to the substrate, and thus has an advantage that a two-dimensional array can be easily formed and a high-density matrix array can be manufactured. It also has excellent coupling efficiency.

【０００７】したがって、光スイッチ、光インターコネ
クション等には光学素子やファイバへの結合あるいはア
レイ素子の大きさを考慮すると、高精度、かつ、高密度
化が可能な面発光レーザアレイが有望視されている。Therefore, in consideration of coupling to optical elements or fibers or the size of array elements, surface-emitting laser arrays with high precision and high density are considered promising for optical switches and optical interconnections. ing.

【０００８】さらに、半導体レーザアレイの光通信や、
光コンピュータへの応用上、偏光方向は安定であること
が望ましい。これは、光情報処理のシステム構成で偏光
依存性のある光学素子を用いるためだけではなく、素子
の端面反射等でどんな系でも偏光依存性が存在するた
め、偏光の不安定性が系全体を不安定にするためであ
る。Further, optical communication of a semiconductor laser array,
For application to optical computers, it is desirable that the polarization direction be stable. This is not only due to the use of polarization-dependent optical elements in the system configuration of optical information processing, but because polarization dependence exists in any system due to element end-face reflection etc., polarization instability does not affect the entire system. This is to make it stable.

【０００９】上記した光通信や光コンピュータで重要と
なる半導体レーザアレイの偏光についての見地からする
と、端面出射型の半導体レーザはピッチが波長程度に小
さくモードカップリングが起きる場合を除けば、アレイ
であることによる特別な偏光制限効果は存在せず、個々
の素子の偏光特性を保持する。そのため、アレイでは、
ＴＥモードに起因する基板に平行な偏光が優勢となる。From the viewpoint of the polarization of the semiconductor laser array, which is important in the optical communication and the optical computer described above, the edge emitting semiconductor laser is an array except for the case where the pitch is small to about the wavelength and mode coupling occurs. There is no special polarization limiting effect due to the existence, and the polarization characteristics of the individual elements are retained. So in the array,
The polarization parallel to the substrate due to the TE mode becomes predominant.

【００１０】一方、面発光レーザでは偏光に対して制限
要因がないため、個々の素子でランダムな方向に偏光が
現れ、かつ、その偏光方向は不安定で駆動電流や温度等
によりスイッチングが起きる場合がある。On the other hand, in the surface emitting laser, since there is no limiting factor for the polarization, the polarization appears in a random direction in each element, and the polarization direction is unstable, and switching occurs due to the driving current or temperature. There is.

【００１１】面発光レーザの１つである垂直共振器型面
発光レーザは、特開平７−２４０５０６号に示されるよ
うに、上下２組の半導体多層反射膜で共振器を形成し、
基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであ
る。この垂直共振器型面発光レーザは、端面出射型スト
ライプレーザに較べて、出射角が狭い、縦モード間隔が
大きい、アレイにしやすい等の特徴を持つ。A vertical cavity surface emitting laser, which is one of surface emitting lasers, has a cavity formed by two sets of upper and lower semiconductor multilayer reflective films, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-240506.
It is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate. The vertical cavity surface emitting laser has features such as a narrow emission angle, a large longitudinal mode interval, and an easy array, as compared with the edge emitting stripe laser.

【００１２】現在、半導体レーザを光源とする光通信等
のシステムでは、偏光の方向に依存するビームスプリッ
タや偏光子などの使用が不可欠なので、面発光レーザに
おいても偏光を制御することが応用上極めて重要であ
る。At present, in a system such as an optical communication system using a semiconductor laser as a light source, it is indispensable to use a beam splitter or a polarizer depending on the polarization direction. is important.

【００１３】また、垂直共振器型面発光レーザにおいて
偏光を制御しようとする試みに対していくつか報告があ
るが大きく分けて３種類の方法がある。There are some reports on attempts to control polarization in a vertical cavity surface emitting laser, but there are roughly three types.

【００１４】（１）１つ目の方法は、多層反射膜の反射
率に異方性を持たせようという試みであり、Ｍｉｔｓｕ
ａｋｉ Ｓｈｉｍｉｚｕらがジャパニーズ ジャーナル
オブ アプライド フィジックス ３０巻 Ｌ１０１
５−Ｌ１０１７頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３
０，ＰＰ．Ｌ１０１５−１０１７，１９９１）に示した
ように、上部の半導体多層膜の側面のうち向かい合う２
面のみを高反射率の金属で覆った例があるが、実験結果
からはこの方法の有効性は確認されていない。(1) The first method is an attempt to make the reflectance of the multilayer reflective film anisotropic.
aki Shimizu et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30 L101
Page 5-L1017 (Japanese Journal)
of Applied Physics Vol. Three
0, PP. L1015-1017, 1991), two of the side surfaces of the upper semiconductor multilayer film which face each other are opposed to each other.
Although there is an example in which only the surface is covered with a metal having a high reflectance, the effectiveness of this method has not been confirmed from the experimental results.

【００１５】（２）２つ目の方法は、活性層に異方的な
ストレスを与える方法で、Ｔｏｓｈｉｋａｚｕ Ｍｕｋ
ａｉｈａｒａらがジャパニーズ ジャーナル オブ ア
プライド フィジックス ３１巻 １３８９−１３９０
頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３１，ＰＰ．１３
８９−１３９０，１９９２）に示したように、基板を楕
円に掘り込んで異方的なストレスを与えることで長軸に
平行な偏光を得ようというものであるが、基板へのスト
レスを用いると、温度変化による熱膨張や、パッケージ
ング、取扱い時に発生するストレスの影響を受けやす
く、現実的でない。(2) The second method is to apply anisotropic stress to the active layer, which is the Toshikazu Muk.
aihara et al. Japanese Journal of Applied Physics Volume 31 1389-1390
Page (Japanes Journal of App
lied Physics Vol. 31, PP. Thirteen
89-1390, 1992), the substrate is dug into an ellipse and anisotropically stressed to obtain polarized light parallel to the major axis. It is not realistic because it is easily affected by thermal expansion due to temperature change, stress generated during packaging and handling.

【００１６】また、特開平４−２４２９８９号公報に示
されるように、異方形状を有する電極により、異方的な
利得を与える利得閉じ込め型レーザの一種の例がある
が、利得閉じ込め型においては閉じ込めが弱く、光は発
散しており、電極下部に閉じ込められている割合（光閉
じ込め係数）は非常に小さいので、電極形状の変化で与
えられる利得の異方性は非常に弱い。従って、それを利
用した偏波制御効果も小さいと思われる。Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-242989, there is a kind of gain confinement type laser which gives an anisotropic gain by means of an electrode having an anisotropic shape. Since the confinement is weak, the light is diverging, and the ratio of confinement under the electrode (light confinement coefficient) is very small, the anisotropy of the gain given by the change of the electrode shape is very weak. Therefore, it seems that the polarization control effect using it is also small.

【００１７】（３）３つ目の方法は、特開平８−１８１
３９１号公報に示されるように、上部の多層反射膜のポ
スト構造の形状を、正方形でなく長方形にすることによ
って長方形の長軸方向の偏光に対する共振器の損失を低
くして、その方向に偏光したモードで発振を生じさせる
方法である。この方法では、効果はシングルモード発振
する面発光レーザに限定され、一般に、多用されるマル
チモードファイバを用いた光通信に適するマルチモード
発振の面発光レーザには効果がないといった欠点があっ
た。(3) The third method is disclosed in JP-A-8-181.
As described in Japanese Patent No. 391,391, the post structure of the upper multilayer reflective film is formed into a rectangle instead of a square to reduce the loss of the resonator with respect to the polarization in the long axis direction of the rectangle, and the polarization in that direction is reduced. In this mode, oscillation is generated. In this method, the effect is limited to the surface emitting laser that oscillates in a single mode, and in general, there is a drawback that the surface emitting laser of multimode oscillation suitable for optical communication using a multimode fiber that is frequently used is not effective.

【００１８】[0018]

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の別々に作製した半導体レーザを並べて半導体レーザア
レイを作製する場合、端面出射型半導体レーザアレイで
は、通常の基板面を基準とした同一ヒートシンクへの融
着による配置が難しく、作製が非常に困難となるといっ
た問題があった。As described above, in the case where a semiconductor laser array is manufactured by arranging the conventional separately manufactured semiconductor lasers, in the edge emitting semiconductor laser array, the same heat sink is used with the normal substrate surface as a reference. However, there is a problem that it is difficult to arrange by fusion bonding to and the manufacturing is very difficult.

【００１９】また、従来の半導体レーザアレイの偏光方
向は、同一基板上にモノリシックに作製した場合、端面
出射型半導体レーザアレイではアレイ数が制限されたり
２次元配置が困難であったり、アレイあたりのチャンネ
ル数が制限され、また、面発光レーザの偏光制御につい
てはいろいろな試みがなされているにも関わらず、十分
な偏光制御を行うことができていないために、面発光レ
ーザアレイで個々のレーザ素子ごとに全くばらばらの偏
光となっていた。Further, when the polarization direction of the conventional semiconductor laser array is monolithically formed on the same substrate, the number of arrays is limited or the two-dimensional arrangement is difficult in the edge emitting semiconductor laser array, and the array per array is difficult. Although the number of channels is limited and various attempts have been made to control the polarization of surface-emitting lasers, it is not possible to perform sufficient polarization control. The polarization of each element was completely disjointed.

【００２０】さらに、従来例では静特性時のデータしか
示されておらず、実際には直接変調をかけた際に、異な
る偏光方向のモード間でのゲイン差が不十分であるため
に、偏光方向が光パルスの立ち上がり、立ち下がりで不
安定になり、Ｓ／Ｎを劣化させる。Further, in the conventional example, only data at the time of static characteristics is shown, and in actuality, when direct modulation is applied, the gain difference between modes in different polarization directions is insufficient, so that The direction becomes unstable at the rise and fall of the light pulse, degrading the S / N.

【００２１】したがって、偏光制御においては、静特性
のみならず動特性においても安定した偏光制御がなされ
ていなければならない。Therefore, in polarization control, stable polarization control must be performed not only in static characteristics but also in dynamic characteristics.

【００２２】本発明は、上記問題点を除去し、面発光素
子の偏波方向を変調時において、ある一方向に揃えるこ
とができ、かつ、単一横モードにおいても、また横マル
チモードにおいても偏波制御されて発振することができ
る面発光レーザ装置を提供することを目的とする。The present invention eliminates the above-mentioned problems and allows the polarization direction of the surface emitting element to be aligned in a certain direction at the time of modulation, and in the single transverse mode and the transverse multimode. An object of the present invention is to provide a surface emitting laser device capable of oscillating under polarization control.

【００２３】[0023]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕半導体基板上に活性層とこの活性層を挟む光閉じ
込め層からなる中間層と、この中間層の上下に第１及び
第２半導体多層反射膜とを有する面発光レーザ装置にお
いて、前記活性層が直径２００ｎｍ及び厚さ２０ｎｍ以
下のサイズである量子点を有する量子点層と、この量子
点層より大きい禁制帯幅を有し、かつ、３次元キャリア
閉じ込め構造を持つ量子点の状態密度・エネルギー準位
が周囲のエネルギー障壁の方位依存性に影響され、偏光
を生じる光学異方性を有するマトリクス層とを具備する
ようにしたものである。In order to achieve the above object, the present invention provides: [1] an intermediate layer comprising an active layer and a light confining layer sandwiching the active layer on a semiconductor substrate; and an intermediate layer above and below the intermediate layer. In a surface emitting laser device having first and second semiconductor multilayer reflective films, the active layer has a quantum dot layer having quantum dots having a diameter of 200 nm and a thickness of 20 nm or less, and a forbidden layer larger than the quantum dot layer. Bandwidth and three-dimensional carrier
Density of states and energy levels of quantum points with confinement structure
Is affected by the orientation dependence of the surrounding energy barrier,
And a matrix layer having optical anisotropy.

【００２４】〔２〕上記〔１〕記載の面発光レーザ装置
において、前記半導体基板がＧａＡｓであり、かつ、前
記マトリクス層がＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧ
ａＡｓＰ、又はＩｎＡｌＧａＡｓである。[2] In the surface emitting laser device according to the above [1], the semiconductor substrate is GaAs, and the matrix layer is InGaP, InAlGaP, InG.
aAsP or InAlGaAs.

【００２５】〔３〕上記〔１〕記載の面発光レーザ装置
において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、前記
マトリクス層がＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓであ
る。[3] In the surface emitting laser device according to the above [1], the semiconductor substrate is InP, and the matrix layer is InAlAs or InAlGaAs.

【００２６】〔４〕上記〔１〕記載の面発光レーザ装置
において、前記マトリクス層を構成する混晶が、その構
成要素である２元結晶を１０モノレーヤー以下の厚さで
繰り返し積層して形成された短周期超格子層で置き換え
られるようにしたものである。[4] In the surface emitting laser device according to the above [1], the mixed crystal forming the matrix layer is formed by repeatedly stacking binary crystals, which are the constituent elements, in a thickness of 10 monolayers or less. It is designed to be replaced by a short period superlattice layer.

【００２７】〔５〕上記〔４〕記載の面発光レーザ装置
において、前記半導体基板がＧａＡｓであり、かつ、前
記短周期超格子層がＩｎＰのＮモノレーヤー、及びＧａ
ＰのＮモノレーヤー（Ｎは１０以下）の繰り返しにより
構成されるようにしたものである。[5] In the surface emitting laser device according to the above [4], the semiconductor substrate is GaAs, and the short period superlattice layer is InP N monolayer and Ga.
It is configured by repeating N monolayers of P (N is 10 or less).

【００２８】なお、本発明において、面発光レーザ装置
とは、面発光レーザ又は面発光レーザアレイを指すもの
とする。In the present invention, the surface emitting laser device means a surface emitting laser or a surface emitting laser array.

【００２９】本発明では、偏光制御を活性層のゲインに
偏光依存性を強く持たせることで実現している。具体的
には、活性層を構成する量子点を偏光異方性を有するマ
トリクス層に埋め込むことで量子点に偏光異方性を発生
させる。この偏光異方性の発生作用は、発明者らが実際
に実験により発見したもので、これまでにない強い偏光
異方性が発生する。In the present invention, the polarization control is realized by making the gain of the active layer strongly have the polarization dependence. Specifically, to generate a polarization anisotropy quantum dots constituting the active layer to the quantum dot by no embed a matrix layer having a polarization anisotropy. The action of generating the polarization anisotropy was actually discovered by the inventors through experiments, and a strong polarization anisotropy that has never been seen occurs.

【００３０】例えば、量子点を偏光異方性がないＧａＡ
ｓなどのマトリクス層に埋め込んだ構造では、室温での
発光強度差が直交する偏光間で１０〜２０％しかないの
に対し、異方性を有するＩｎＧａＰなどのマトリクス層
に埋め込んだ場合には、６０〜７０％にも及んだ。物理
的には、３次元のキャリア閉じ込め構造を持つ量子点の
状態密度・エネルギー準位が周囲のエネルギー障壁の方
位依存性に影響されるためであると説明できる。つま
り、量子点からの発光の偏光は、主に、ＧａＩｎＰマト
リクスの対称性の低下に伴う、ＩｎＰに加わる非等方的
ストレスに起因すると考えられる。 For example, quantum dots are GaA without polarization anisotropy.
In the structure embedded in a matrix layer of s or the like, the difference in emission intensity at room temperature is only 10 to 20% between polarized lights orthogonal to each other, whereas when embedded in a matrix layer of InGaP or the like having anisotropy, It reached 60 to 70%. Physically, it can be explained that the density of states and energy level of a quantum point having a three-dimensional carrier confinement structure are affected by the orientation dependence of the surrounding energy barrier. Tsuma
The polarized light emitted from the quantum dots is mainly GaInP
Anisotropic addition to InP due to decrease in symmetry of lix
It is thought to be due to stress.

【００３１】このエネルギー障壁の方位依存性は、マト
リクス層の異方性に由来しており、混晶においては自然
超格子による。また、こうした異方性は自然超格子と同
様な面内の組成変調を人工的に作り出すことによっても
発生する。例えばＩｎＰ３ＭＬ（モノレーヤー）とＧａ
Ｐ３ＭＬ（モノレーヤー）を繰り返し積層した短周期超
格子でも強い偏光異方性が量子点の発光において発生す
る。The orientation dependence of the energy barrier is derived from the anisotropy of the matrix layer, and is due to the natural superlattice in the mixed crystal. Further, such anisotropy is also generated by artificially creating in-plane compositional modulation similar to that of a natural superlattice. For example, InP3ML (monolayer) and Ga
Even in a short-period superlattice in which P3ML (monolayer) is repeatedly laminated, strong polarization anisotropy occurs in light emission of quantum dots.

【００３２】[0032]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【００３３】図１は本発明の実施例を示す面発光レーザ
の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a surface emitting laser showing an embodiment of the present invention.

【００３４】この図において、１は陽極、２は陽極側Ｇ
ａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層反射膜、３は活性層、４は
ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層、５は不活性化領域、６は陰
極側ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層反射膜、７は陰極、
８はＧａＡｓ基板である。In this figure, 1 is an anode, 2 is an anode side G
aAs / AlAs semiconductor multilayer reflective film, 3 active layer, 4 AlGaAs optical confinement layer, 5 inactivation region, 6 cathode side GaAs / AlAs semiconductor multilayer reflective film, 7 cathode,
8 is a GaAs substrate.

【００３５】このように、この実施例では、上下２組の
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層反射膜２，６（陽極側半
導体多層反射膜２と陰極側半導体多層反射膜６）で共振
器を形成し、基板８に対して垂直方向に光を出射するレ
ーザである。中間層は活性層３とＡｌＧａＡｓ光閉じ込
め層４よりなる。上側の陽極側半導体多層反射膜２は反
応性イオンビームエッチングにより、ポスト形状に加工
する。このポスト下部以外の活性層３はプロトン注入に
より不活性化領域５に変性される。As described above, in this embodiment, a resonator is formed by two sets of upper and lower GaAs / AlAs semiconductor multilayer reflective films 2 and 6 (anode side semiconductor multilayer reflective film 2 and cathode side semiconductor multilayer reflective film 6). It is a laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate 8. The intermediate layer comprises an active layer 3 and an AlGaAs optical confinement layer 4. The upper anode-side semiconductor multilayer reflective film 2 is processed into a post shape by reactive ion beam etching. The active layer 3 other than the lower part of the post is transformed into the inactivated region 5 by the proton injection.

【００３６】また、下側の陰極側半導体多層反射膜６ま
で貫いてエッチングを行い、そこに陰極７をとる。陽極
１はポスト全体を電極材で覆うことにより形成される。
そこで、陰極７と陽極１間に電流を流し、レーザ発振を
行う。Further, etching is performed by penetrating to the cathode side semiconductor multilayer reflective film 6 on the lower side, and the cathode 7 is taken there. The anode 1 is formed by covering the entire post with an electrode material.
Therefore, a current is passed between the cathode 7 and the anode 1 to perform laser oscillation.

【００３７】図２は本発明の実施例を示す面発光レーザ
の活性層の模式斜視図、図３はその面発光レーザの活性
層の断面図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of an active layer of a surface emitting laser showing an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view of the active layer of the surface emitting laser.

【００３８】この図において、発光源である量子点は、
自己形成的に形成されたＩｎＡｓからなる量子点で約１
０¹⁰ｃｍ^-2個の面密度で量子点層３Ｂに形成される。こ
れらの量子点は、直径２００ｎｍ及び厚さ２０ｎｍ以下
のサイズであり、形状としては、ピラミッド形状やドー
ム形状等であるが、量子点が形成されれば良く、特に、
形状が限定されるものではない。この量子点は、厚さ３
０ｎｍのＩｎＧａＰからなるマトリクス層３Ａで覆われ
ている。このマトリクス層３Ａにおいては自然超格子が
含まれているため面内の光学異方性を有し、その結果、
量子点の発光の偏光依存性が発生する。In this figure, the quantum dots that are the light emitting sources are
Approximately 1 at quantum dots composed of self-assembled InAs
It is formed on the quantum dot layer 3B with an areal density of 0 ¹⁰ cm ⁻² . These quantum points have a diameter of 200 nm and a thickness of 20 nm or less, and the shape is a pyramid shape, a dome shape, or the like, but it is sufficient if the quantum points are formed, and in particular,
The shape is not limited. This quantum dot has a thickness of 3
It is covered with a matrix layer 3A made of 0 nm InGaP. Since this matrix layer 3A contains a natural superlattice, it has in-plane optical anisotropy, and as a result,
The polarization dependence of the quantum point emission occurs.

【００３９】また、この実施例では、量子点層３Ｂとマ
トリクス層３Ａを５回繰り返し積層し、レーザ発振に必
要なゲインが得られるようにした。３Ｃは結晶成長上、
付帯的に生じるぬれ層である。なお、量子点層３Ｂとマ
トリクス層３Ａの層数の合計が１５００Åであることが
望ましく、層数としては、概ね、５層〜１０層とする。Further, in this embodiment, the quantum dot layer 3B and the matrix layer 3A are repeatedly laminated five times so that the gain necessary for laser oscillation can be obtained. 3C is due to crystal growth,
It is an additional wetting layer. The total number of layers of the quantum dot layer 3B and the matrix layer 3A is preferably 1500Å, and the number of layers is approximately 5 to 10 layers.

【００４０】この実施例において、結晶成長は、ガスソ
ースのＭＢＥ（分子線ビームエピタキシャル成長）装置
を用いて基板温度５８０℃にて行った。ＧａＡｓ基板８
にはＳｉドープ〈１００〉基板を用いた。また、反応性
イオンビームエッチングはＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）励起した塩
素ガスを用い、基板温度を５０〜１００℃とした。In this example, crystal growth was carried out at a substrate temperature of 580 ° C. using a gas source MBE (Molecular Beam Epitaxial Growth) apparatus. GaAs substrate 8
A Si-doped <100> substrate was used as the substrate. In addition, reactive ion beam etching is performed by ECR
Cyclotron Resonance) Excited chlorine gas was used and the substrate temperature was set to 50 to 100 ° C.

【００４１】この構造の面発光レーザでは、ポスト断面
のサイズが６．５μｍ×６．５μｍより小さくなると、
横モード、縦モードともにシングルモードとなり、それ
以上では横マルチモードで発振する。この実施例の面発
光レーザでは、活性層３によるゲイン自身に方位依存性
があるため、シングルモード・マルチモードに関係なく
偏光が安定に保持される。In the surface emitting laser of this structure, when the size of the cross section of the post becomes smaller than 6.5 μm × 6.5 μm,
Both horizontal and vertical modes are single mode, and above that, oscillation occurs in horizontal multimode. In the surface emitting laser of this embodiment, the gain itself due to the active layer 3 has an azimuth dependence, so that polarized light is stably held regardless of single mode or multimode.

【００４２】逆に、従来例のような、ポスト形状に異方
性を持たせた場合では、単一モードの得られない大きい
径のポストでは、このようなポスト側面の構造による偏
光制御は本質的に起こることはない。On the contrary, in the case where the post shape has anisotropy as in the conventional example, in the case of a large diameter post in which a single mode cannot be obtained, the polarization control by the structure of the side surface of the post is essential. It never happens.

【００４３】この実施例では、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系材
料でマトリクス層３ＡにＩｎＧａＰを用いたが、他の材
料系でもかまわない。例えば、マトリクス層３Ａとし
て、自然超格子が形成されるＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ、もしくはＩｎＡｌＧａＡｓであっても同様に光
学異方性が量子点に発生する。これらの混晶において
は、自然超格子以外の光学異方性が生じる構造として、
面内組成変調であっても、同様の効果が得られる。In this embodiment, GaAs / AlAs-based material and InGaP are used for the matrix layer 3A, but other material-based materials may be used. For example, as the matrix layer 3A, InAlGaP, InGa in which a natural superlattice is formed
In the case of AsP or InAlGaAs, optical anisotropy similarly occurs at quantum points. In these mixed crystals, a structure other than the natural superlattice that causes optical anisotropy,
The same effect can be obtained even with in-plane composition modulation.

【００４４】また、ＩｎＰ基板をベースとする結晶系で
あれば、ＩｎＡｌＡｓ、もしくはＩｎＡｌＧａＡｓでも
同様に光学異方性が発生する。Further, if the crystal system is based on the InP substrate, optical anisotropy similarly occurs in InAlAs or InAlGaAs.

【００４５】この実施例では、量子点としてＩｎＡｓを
用いたが、基板に対して圧縮歪みを有する材料系であれ
ば量子点として用いることができる。例えば、ＧａＡｓ
基板には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰなどや、ＩｎＰ基板に
はＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂなどを用いる
ことができる。Although InAs is used as the quantum dots in this embodiment, it can be used as the quantum dots if the material system has compressive strain with respect to the substrate. For example, GaAs
InGaAs, InP or the like can be used for the substrate, and InAs, InGaAs, InAsSb or the like can be used for the InP substrate.

【００４６】さらに、マトリクス層を構成する混晶を、
その構成要素である２元結晶を１０モノレーヤー以下の
厚さで繰り返し積層して形成された短周期超格子層で置
き換えても同様に効果が得られる。Further, the mixed crystal forming the matrix layer is
The same effect can be obtained by replacing the binary crystal, which is a component thereof, with a short-period superlattice layer formed by repeatedly laminating it with a thickness of 10 monolayers or less.

【００４７】例えば、この実施例ではマトリクス層には
ＩｎＧａＰの混晶を用いたが、その構成要素であるＩｎ
ＰとＧａＰの２元混晶を３ＭＬずつ交互に繰り返して１
６周期積層した短周期超格子で置き換えることができ
る。この短周期超格子では、面内組成変調の形成がより
強く形成される傾向にあり、その結果、活性層ゲインの
方位依存性はより強まる。For example, in this embodiment, a mixed crystal of InGaP is used for the matrix layer.
Alternately repeat the binary mixed crystal of P and GaP by 3 ML, 1
It can be replaced by a short-period superlattice in which 6 periods are stacked. In this short period superlattice, the formation of in-plane composition modulation tends to be stronger, and as a result, the orientation dependence of the active layer gain is stronger.

【００４８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.

【００４９】[0049]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【００５０】（Ａ）本発明の面発光レーザ装置は、偏光
制御を完全に行うことができるので素子どうしの偏光を
揃えるための偏光素子等の光学素子を用いなくても光コ
ンピュータや光通信等に適用でき、システムを簡素化す
ることができる。(A) Since the surface emitting laser device of the present invention can completely control the polarization, it is possible to use an optical computer, optical communication, etc. without using an optical element such as a polarizing element for aligning the polarization of the elements. Can be applied to, and the system can be simplified.

【００５１】（Ｂ）直接変調時においても偏光が安定し
ているため、０バイアス駆動などが可能となり、システ
ムの安定性を高めることができる。(B) Since the polarization is stable even at the time of direct modulation, 0-bias driving can be performed and the stability of the system can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施例を示す面発光レーザの断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view of a surface emitting laser showing an embodiment of the present invention.

【図２】本発明の実施例を示す面発光レーザの活性層の
模式図である。FIG. 2 is a schematic view of an active layer of a surface emitting laser showing an example of the present invention.

【図３】本発明の実施例を示す面発光レーザの活性層の
断面図である。FIG. 3 is a sectional view of an active layer of a surface emitting laser according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 陽極 ２ 陽極側ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層反射膜 ３ 活性層 ３Ａ マトリクス層 ３Ｂ 量子点層 ３Ｃ ぬれ層 ４ 光閉じ込め層 ５ 不活性化領域 ６ 陰極側ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体多層反射膜 ７ 陰極 ８ ＧａＡｓ基板 1 anode 2 Anode side GaAs / AlAs semiconductor multilayer reflective film 3 Active layer 3A matrix layer 3B quantum dot layer 3C wet layer 4 Optical confinement layer 5 Inactive area 6 Cathode side GaAs / AlAs semiconductor multilayer reflective film 7 cathode 8 GaAs substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−326506（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−242037（ＪＰ，Ａ) 固体物理，第35巻第５号，ｐ．335− 345 信学技報，ＱＰＥ97−37（1997− 07），ｐ．21−26 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-9-326506 (JP, A) JP-A-8-242037 (JP, A) Solid State Physics, Vol. 35, No. 5, p. 335-345 IEICE Technical Report, QPE97-37 (1997-07), p. 21-26 (58) Fields surveyed (Int.Cl. ⁷ , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 半導体基板上に活性層と該活性層を挟む
光閉じ込め層からなる中間層と、該中間層の上下に第１
及び第２半導体多層反射膜とを有する面発光レーザ装置
において、 （ａ）前記活性層が直径２００ｎｍ及び厚さ２０ｎｍ以
下のサイズである量子点を有する量子点層と、 （ｂ）該量子点層より大きい禁制帯幅を有し、かつ、３
次元キャリア閉じ込め構造を持つ量子点の状態密度・エ
ネルギー準位が周囲のエネルギー障壁の方位依存性に影
響され、偏光を生じる光学異方性を有するマトリクス層
とを具備することを特徴とする面発光レーザ装置。1. An intermediate layer comprising an active layer and an optical confinement layer sandwiching the active layer on a semiconductor substrate, and a first layer above and below the intermediate layer.
And a second semiconductor multilayer reflective film, wherein: (a) the active layer has a quantum dot layer having quantum dots having a diameter of 200 nm and a thickness of 20 nm or less; and (b) the quantum dot layer. Has a larger forbidden band and 3
Density of states of quantum dots with three-dimensional carrier confinement
The energy level affects the orientation dependence of the surrounding energy barrier.
And a matrix layer having optical anisotropy that produces polarized light . 【請求項２】 請求項１記載の面発光レーザ装置におい
て、前記半導体基板がＧａＡｓであり、かつ、前記マト
リクス層が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＡ
ｓＰ、又はＩｎＡｌＧａＡｓであることを特徴とする面
発光レーザ装置。2. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is GaAs, and the matrix layer is InGaP, InAlGaP, InGaA.
A surface emitting laser device characterized by being sP or InAlGaAs. 【請求項３】 請求項１記載の面発光レーザ装置におい
て、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ、前記マトリ
クス層が、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓであるこ
とを特徴とする面発光レーザ装置。3. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is InP, and the matrix layer is InAlAs or InAlGaAs. 【請求項４】 請求項１記載の面発光レーザ装置におい
て、前記マトリクス層を構成する混晶が、その構成要素
である２元結晶を１０モノレーヤー以下の厚さで繰り返
し積層して形成された短周期超格子層で置き換えられる
ことを特徴とする面発光レーザ装置。4. The surface emitting laser device according to claim 1, wherein the mixed crystal constituting the matrix layer is formed by repeatedly laminating binary crystals, which are constituent elements thereof, in a thickness of 10 monolayers or less. A surface emitting laser device characterized by being replaced by a periodic superlattice layer. 【請求項５】 請求項４記載の面発光レーザ装置におい
て、前記半導体基板がＧａＡｓであり、かつ、前記短周
期超格子層がＩｎＰのＮモノレーヤー、及びＧａＰのＮ
モノレーヤー（Ｎは１０以下）の繰り返しにより構成さ
れることを特徴とする面発光レーザ装置。5. The surface emitting laser device according to claim 4, wherein the semiconductor substrate is GaAs, and the short-period superlattice layer is InP N monolayer and GaP N.
A surface emitting laser device characterized by comprising repeating monolayers (N is 10 or less).