JP4629949B2 - 面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子に関し、長波長帯であっても単一横モード発振可能で長距離伝送可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、「面発光レーザ素子」と言う。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。面発光レーザ素子は、その構造から１波長程度の超短共振器を備えるため発振するレーザ光内に存在できる波長が基本波のみとなる。したがって、ＤＦＢ（Distributed Feedback：分布帰還型）レーザ等の端面発光レーザよりも単一縦モードを安定的に維持することが容易である。また、ＦＦＰ（Far Field Pattern）が等方で狭い値を得ることが可能で、相対強度雑音も低いなど、ＤＦＢレーザ等よりも本質的に光通信等に適したレーザ素子として注目されている。
【０００３】
信号光源として使用する場合、伝送媒体である光ファイバの低損失波長帯を含む０．８μｍ〜１．６５μｍの出射波長を有する面発光レーザ素子が必要となる。この波長帯の面発光レーザにおいて、長波長帯、例えば１．２μｍ以上の波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザは、結晶成長の難しさなどから長い間実現が不可能であった。しかしながら、最近になって、本願発明者等によって１．２〜１．３μｍの波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザ素子が実現されている（特願２００１−１２４３００）。
【０００４】
特願２００１−１２４３００に記載された面発光レーザ素子の構造について、図１０に示す。この面発光レーザ素子は、基板１０１上に、順次バッファ層１０２、下部反射層１０３、下部クラッド層１０４、量子井戸層１０５、上部クラッド層１０６を積層した構造を有する。さらに、上部クラッド層１０６上には、メサ形状に加工された電流狭窄層１０８、上部反射層１０９、コンタクト層１１０の積層構造を有する。電流狭窄層１０８は中心部分のＡｌＡｓ層からなる電流注入領域１０７ａと該ＡｌＡｓ層の端部を選択酸化させて形成した選択酸化領域１０７ｂによって形成されている。また、基板１０１下面にはｎ側電極１１４が配置されている。そして、量子井戸層１０５において、ＧａＩｎＮＡｓ中にＳｂを少量添加することによって量子井戸層１０５の結晶学的品質を向上させている。このように量子井戸層の構造の改善とＡｌＡｓ層の選択酸化技術を利用して、１．３μｍ帯の面発光レーザ素子のレーザ発振が最近なされるようになってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、信号光源等の用途に面発光レーザ素子を使用する場合には解決すべき課題が残されている。まず、発振するレーザ光の横モードを単一化する必要がある。横モードが横方向に高次のモードが存在する場合、光伝送時、特に高速変調時に伝送距離に比例して信号波形の著しい劣化を引き起こす原因となる。したがって、長距離伝送を実現するためには単一横モード発振を実現する必要がある。
【０００６】
面発光レーザ素子は、その構造に起因して元来横モードを安定化させることが難しい。そのため、選択酸化領域を備えた面発光レーザ素子においては、選択酸化領域に挟まれた電流注入領域の径を調整して単一横モード発振を実現するが、従来は、１３００ｎｍ帯（１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍ程度の範囲）の面発光レーザ素子においては電流注入領域の径のみを調整することで単一横モード発振を実現するのは困難であった。
【０００７】
また、単一横モード発振を実現できたとしても、閾値電流の値が増加した場合、消費電力が増大するなどの問題が生じる。したがって、閾値電流の値の増加を抑制しつつ単一横モード発振を実現する必要がある。さらに、面発光レーザ素子の信頼性を確保しなくてはならない。信号光源等に面発光レーザ素子を利用するためには、十分な信頼性を有する必要があるためである。
【０００８】
さらに、信号光源等に用いる場合、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルで直接変調が可能である必要がある。これは、近年の通信容量の増大に伴い、現実に信号光源として使用するためには最低限必要な数字である。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、低い閾値電流を有し、信頼性が高く、単一横モード発振が可能で１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる面発光レーザ素子は、基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子であって、前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、前記活性層中心から３７０ｎｍ以上、７８０ｎｍ以下の距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選択酸化領域と、該選択酸化領域に挟まれて配置された電流注入領域とを備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が０．０３８以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、選択酸化領域の積層方向の位置および実効屈折率差について最適化しているため、単一横モード発振が可能であり、長距離伝送が可能なレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１２】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記上部反射層および前記下部反射層は、出射波長の１／４の光学長を有する低屈折率層および高屈折率層の２層構造を備えたミラー層を複数積層して形成され、前記選択酸化領域は、いずれかのミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第１周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層に隣接したミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、３２ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、１３ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は反射層において、前記活性層側より第３周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、４６ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記基板はＧａＡｓによって形成され、前記低屈折率層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）を含み、前記高屈折率層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）を含み、前記選択酸化領域はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．９７≦ｘ≦１）を選択酸化して形成されることを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかるトランシーバは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる光送受信器は、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる光通信システムは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムの好適な実施の形態について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、１３００ｎｍ帯の面発光レーザ素子について、選択酸化領域の構造を最適化している。図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。以下、図１を適宜参照して、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。
【００２７】
本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、基板１上に下部反射層２が積層された構造を有する。また、下部反射層２の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５および上部反射層６が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層６上にはコンタクト層７が積層され、コンタクト層７上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるｐ側電極８が配置され、基板１下面にはｎ側電極９が配置されている。そして、上部反射層６内には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域１９ａと該電流注入領域１９ａに隣接して選択酸化領域１９ｂからなる電流狭窄層２０が配置されている。選択酸化領域１９ｂの具体的な構造については後に詳説する。
【００２８】
基板１は、ｎ型のＧａＡｓ基板からなる。また、基板１は通常（１００）面を主平面とし、下部反射層２から上の薄膜構造は、（１００）面上に積層される。下部反射層２は、活性層４で発生する光のうち、出射波長の光を反射してフィードバックするためのものである。具体的には、下部反射層２は、高屈折率層１０と低屈折率層１１の積層構造によって形成されるミラー層１２を多数積層した構造を有する。
【００２９】
高屈折率層１０は、ｎ型のＧａＡｓ層によって形成され、低屈折率層１１は、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層によって形成される。高屈折率層１０および低屈折率層１１の膜厚は、出射波長の光のみを反射するために、その光学長が出射波長λの１／４となるよう調整されている。具体的には、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の出射波長は１３００ｎｍであるため、各層の屈折率も考慮して、高屈折率層１０の膜厚は９４ｎｍ程度、低屈折率層１１の膜厚は１１０ｎｍ程度とする。このような構造を有することで、ミラー層１２は、高屈折率層１０と低屈折率層１１の組合せにおいて一定の割合で出射波長の光を反射する機能を有する。下部反射層２全体として反射率を高めるため、ミラー層１２を３４．５層積層して下部反射層２は形成されている。なお、小数点以下の端数は高屈折率層１０のみからなる層に起因する。
【００３０】
活性層４は、量子井戸層を具備した構造を有する。具体的には、図１で示すように活性層４は下部クラッド層３上に順次積層された障壁層１３ａ、量子井戸層１４ａ、障壁層１３ｂ、量子井戸層１４ｂ、障壁層１３ｃ、量子井戸層１４ｃ、障壁層１３ｄによって形成される。すなわち、３層の量子井戸層１４ａ〜１４ｃを４層の障壁層１３ａ〜１３ｄによって挟み込む構造を有する。
【００３１】
量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、量子閉じ込め効果によってキャリアを高い効率で閉じ込めるためのものであって、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層によって形成される。量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、Ｓｂが微小量添加されることで良質な結晶性を有する。また、量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、量子閉じ込め効果を発揮するためきわめて薄い膜厚からなる必要があり、本実施の形態１における各層の膜厚は７ｎｍ程度とする。
【００３２】
障壁層１３ａ〜１３ｄは、量子井戸層１４ａ〜１４ｃを互いに分離するためのものであって、障壁層１３ａおよび障壁層１３ｄの膜厚は３０ｎｍ程度、障壁層１３ｂおよび障壁層１３ｃの膜厚は２０ｎｍ程度である。
【００３３】
下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５は、各層の膜厚の光学長の合計が出射波長λの２倍になるよう形成され、光共振器として機能する。そのため、以下においては下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５を総称して２λ共振器１５と言う。本実施の形態１では、下部クラッド層３はｎ型、上部クラッド層５はｐ型のＧａＡｓ層からなり、それぞれの膜厚は２９７ｎｍ程度である。
【００３４】
上部反射層６は、下部反射層２と同様に、活性層４で発生する光のうち、出射波長の光を反射させてフィードバックするためのものである。具体的には、上部反射層６は、順次積層された低屈折率層１６と高屈折率層１７との対によって形成されるミラー層１８を多数積層した構造を有する。低屈折率層１６はｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を有し、高屈折率層１７はｐ型のＧａＡｓ層を有する。活性層４で発生したレーザ光をフィードバックするため、上部反射層６は高い反射率を有する。なお、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は基板１に対して垂直上方向にレーザ光を出射するため、上部反射層６は下部反射層２より低い反射率となる必要がある。そのため、上部反射層６は、下部反射層２よりも少ない２５層のミラー層１８からなる構造を有する。なお、以下の説明では、必要に応じて下部反射層２又は上部反射層６を構成する２５層のミラー層１２又はミラー層１８について、最も活性層４側に配置されるミラー層を第１周期目のミラー層、第１周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第２周期目のミラー層、第２周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第３周期目のミラー層等とそれぞれ称する。
【００３５】
また、上部反射層６を構成する低屈折率層１６のうち、最下層すなわち上部クラッド層５に隣接して積層された第１周期目のミラー層を構成する低屈折率層１６は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と、ｐ型のＡｌＡｓ層とを順次積層した構造を有する。そして、ＡｌＡｓ層のうち、中央付近の領域については電流注入領域１９ａが形成され、端部近傍では選択酸化によって形成された選択酸化領域１９ｂにより電流狭窄層２０が形成されている。
【００３６】
選択酸化領域１９ｂは、ｐ側電極８から注入される電流を狭窄して活性層４に流入する電流密度を高め、発振閾値を低減するためのものである。また、選択酸化領域１９ｂの屈折率は周囲に存在する電流注入領域１９ａおよびＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と異なる値を有するため、水平方向の光閉じ込めに影響を与える。すなわち、選択酸化領域１９ｂが存在することで、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備えることとなる。
【００３７】
そして、選択酸化領域１９ｂは、本実施の形態１では膜厚を１３ｎｍとしている。また、選択酸化領域１９ｂの幅によって規定される電流注入領域１９ａの径は、５．３μｍとする。以下、このような構造を採用した理由について説明する。
【００３８】
本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は選択酸化領域１９ｂの構造を最適化することで発振特性を向上させている。具体的には、選択酸化領域１９ｂがミラー層内部において配置される位置、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層、選択酸化領域１９ｂの幅および膜厚について検討する必要がある。以下、これらの要件の最適化について説明する。
【００３９】
まず、ミラー層内のどの位置に配置すべきかについて説明する。選択酸化領域１９ｂに隣接する電流注入領域１９ａは、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層に近い屈折率を有する。そのため、選択酸化領域１９ｂおよび電流注入領域１９ａを形成するＡｌＡｓ層は、低屈折率層１１又は低屈折率層１６内に配置する必要がある。さらに、活性層４で発生する光の損失を抑制するために、定在波の節の部分に近くなる位置（電界強度分布が最小となる位置）、すなわち低屈折率層１１又は低屈折率層１６中において活性層４から離隔した領域、すなわち低屈折率層１１の下面近傍又は低屈折率層１６の上面近傍に配置することが好ましい。
【００４０】
次に、選択酸化領域１９ｂをどのミラー層に配置するかについて説明する。既に述べたように、選択酸化領域１９ｂは、電流狭窄機能を備える。電流を狭窄して活性層４に流入する電流密度を高める観点からは、選択酸化領域１９ｂは活性層４に近接した位置に配置されることが好ましい。選択酸化領域１９ｂが活性層４から離隔した位置に配置された場合、選択酸化領域１９ｂによって狭窄された電流が活性層４に流入されるまでに再度拡散して電流密度が低下するためである。したがって、発振閾値を低く抑制する観点からは、選択酸化領域１９ｂを活性層４に近接して配置することが好ましい。
【００４１】
一方、活性層４に近接して配置された場合には他の問題が生じる。選択酸化領域１９ｂは、いったんＡｌＡｓ層その他を積層してメサ状に加工した後に、水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸素原子を外部から導入して選択的に酸化をすることで形成される。酸素原子を外部から導入することによって、当初の結晶秩序が損傷を受けるため、選択酸化領域１９ｂ中には転位が生じる。したがって、選択酸化領域１９ｂが活性層４にあまりに近接する場合、選択酸化領域中の転位が活性層４の結晶構造にも影響を与え、面発光レーザ素子としての信頼性が低下する。そのため、面発光レーザ素子の信頼性を確保するという観点からは、選択酸化領域１９ｂを活性層４から離隔して配置することが好ましい。
【００４２】
上記のように、発振閾値の抑制と面発光レーザ素子の信頼性の確保とはトレードオフの関係にあるため、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置に関しては最適値が存在する。そのため、本願発明者等は、面発光レーザ素子について選択酸化領域１９ｂの位置を積層方向に変化させてその特性を調べ、最適値を導いている。
【００４３】
具体的には、出射波長が８５０ｎｍ程度の面発光レーザ素子（以下、「８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子」と言う）について、選択酸化領域を配置する位置を積層方向に変化させて、閾値電流の値および面発光レーザ素子の信頼性について測定をおこなった。測定対象を８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子としたのは、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子は既に広く研究されており、特性もよく把握されているためである。そのため、選択酸化領域以外の部分による測定結果への影響を排除することが可能で、選択酸化領域が面発光レーザ素子の特性に与える影響を把握できる。なお、測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の構造は、光共振器の光学長のような波長に対応した部分以外については、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同一の構造を有するものとする。
【００４４】
本願発明者等は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように第１周期目のミラー層、第３周期目のミラー層および第５周期目のミラー層にそれぞれ選択酸化領域１９ｂ−１、１９ｂ−２、１９ｂ−３および電流注入領域１９ａ−１、１９ａ−２、１９ａ−３を形成したλ共振器を有する８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、その閾値電流と信頼性について測定をおこなった。その結果、第１周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−１を配置した場合には信頼性に問題があり、実用に供するには妥当でないとの結果が得られたが、第３周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−２を配置した場合には、信頼性も高く、閾値電流も低い値を有した。さらに、第５周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−３を配置した場合には、信頼性は確保できたものの、閾値電流が第３周期目のミラー層に配置した場合に比して増加する傾向が見られた。第５周期目のミラー層に配置した場合の閾値電流の増加は許容範囲内であったため、本願発明者等は、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、第３周期目乃至第５周期目のミラー層に選択酸化領域を配置することが好ましいと結論づけた。
【００４５】
測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子は、出射波長の相違により上部クラッド層の膜厚、低屈折率層および高屈折率層の膜厚は本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と相違する。そのため、本実施の形態１において選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置を最適化するにあたって、上記測定結果に関して活性層中心からの距離を参考にした。測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子において、活性層中心から第３周期目のミラー層下端までの距離は３９０ｎｍであり、第５周期目のミラー層下端までの距離は６６０ｎｍである。この値を参考にして、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層について、その下端が活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に存在するものに定めた。
【００４６】
この数値範囲に適するミラー層として、本実施の形態１では、第１周期目のミラー層を選択している。第１周期目のミラー層は、活性層４の中心からの距離が３７５ｎｍとなるためである。また、ミラー層内の位置について、既に説明したように上部反射層に設ける場合には、選択酸化領域１９ｂは低屈折率層の上面近傍に配置することが好ましい。したがって、これらの観点から、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置は図１に示す場所に決定される。
【００４７】
次に、単一横モード発振を実現する観点から選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅および積層方向の膜厚の最適化について順に説明する。なお、選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅は、電流注入領域１９の径を最適化することで決定されるため、以下では主に電流注入領域１９ａの径の最適化について説明する。
【００４８】
まず、選択酸化領域１９ｂの幅によって決定される電流注入領域１９ａの径の最適化について説明する。一般に、電流注入領域１９ａの径を小さくすることで単一横モード発振を実現することが可能である。一方、電流注入領域１９ａの径が小さくなるにつれて回折損失に起因して閾値電流が増加するという問題が生じ、閾値電流の増加を抑制するためには電流注入領域１９ａの径を大きくする必要がある。したがって、閾値電流抑制と単一横モード発振可能条件との間にもトレードオフの関係が成立し、電流注入領域１９ａの径には最適値が存在する。
【００４９】
そのため、本願発明者等は、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、電流注入領域の径を変化させた場合の発振横モードについて測定をおこない、電流注入領域の径の最適値を調べた。具体的には、図２（ｂ）に示すように、選択酸化領域を第３周期目のミラー層に挿入し、選択酸化領域の膜厚は２０ｎｍに固定して、電流注入領域１９ａの径を変動させ、閾値電流および横モードの態様について測定をおこなった。
【００５０】
測定の結果、単一横モード発振が可能な電流注入領域の径の最大値は、３．５μｍであった。また、径が３．５μｍの場合には閾値電流の値も許容範囲以下に抑制することができた。なお、後述する実効屈折率差については、この面発光レーザ素子においては０．０１６５であった。
【００５１】
この結果を踏まえ、本願発明者等は実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流注入領域１９ａの径について、３．５μｍ以上であることを条件とした。これは、閾値電流の増加の抑制に関しては、面発光レーザ素子の出射波長との相関関係に乏しく、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子において閾値電流が許容範囲に抑制される場合には、１３００ｎｍの場合でも同様に許容範囲内に抑制できると考えられるためである。ただし、本願発明者等は、出射波長の比に対応して電流注入領域１９ａの径も大きくすることがより好ましいと考え、電流注入領域１９ａの径の最適値は、３．５μｍに（１３００／８５０）を乗算した５．３μｍであるとした。
【００５２】
次に、このような電流注入領域１９ａの径に関する条件の下で、単一横モード発振を実現するために必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚の最適値について検討する。横モード発振については、電流注入領域１９ａの径のみならず、屈折率導波型導波路における実効屈折率差も影響を与えるためである。以下では、まず、実効屈折率差について簡潔に説明し、実効屈折率差の最適値を導出した上で、最適値を実現するのに必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚の条件を導出する。
【００５３】
上述したように、選択酸化領域１９ｂが存在することで本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備える。屈折率導波型導波路とは、たとえば図３に示すように、電流注入領域１９ａを含む積層方向領域である第１領域２１と、選択酸化領域１９ｂを含む第２領域２２、２３とにおけるそれぞれの等価屈折率の差である実効屈折率差に起因して、第１領域２１が導波路として機能している構造をいう。屈折率導波型導波路の構造は、面発光レーザ素子の屈折率分布によって説明される。具体的には、水平方向の光閉じ込めを第１領域２１、第２領域２２、２３の等価屈折率を持つプレーナ導波路に等価的に置き換えて評価することで、屈折率導波型導波路の構造および横モードについて解析することができる。
【００５４】
たとえば、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域１９ｂの屈折率は電流注入領域１９ａを形成するＡｌＡｓの屈折率に比して小さな値を有する。したがって、第２領域２２、２３の等価屈折率は第１領域２１の等価屈折率よりも小さな値を有し、活性層４から生じる光は第１領域２１中を導波されて外部に出射される。屈折率導波型導波路の構造は、第１領域２１の等価屈折率と第２領域２２、２３の等価屈折率の差分値である実効的屈折率差に対応するため、実効屈折率差によって光の導波の態様は変化する。
【００５５】
単一横モード発振を実現することが可能な電流注入領域１９ａの径Φcと実効的屈折率差Δｎとの関係は、出射波長λを用いて、
Φc∝λ／（Δｎ）1/2・・・・（１）
と近似できることが知られている。したがって、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について得られた測定結果と（１）式とを用いて、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子における選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅および膜厚を決定することができる。
【００５６】
まず、閾値電流の増加を抑えるために、電流注入領域１９ａの径が最低でも３．５μｍとなる場合の実効屈折率差Δｎの条件式は、測定結果および（１）式から、
Φc（λ＝1.3μｍ）／Φc（λ＝0.85μｍ）＝｛1.3/（Δｎ）1/2｝／｛0.85/（0.0165）1/2｝・・・・（２）
と求められる。ここで、Φc（λ＝0.85μｍ）＝３．５μｍのため、（２）式の右辺の値が１以上となれば、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子においても電流注入領域１９ａの径が３．５μｍ以上となる。（２）式をΔｎについて計算すると、上記条件を満たすためには、実効屈折率差Δｎに関してΔｎ≦０．０３８となればよい。実効屈折率差Δｎの値は選択酸化領域１９ｂの膜厚によって制御することができるため、この条件から選択酸化領域１９ｂの膜厚の最大値を求めることができる。また、（１）式より、実効屈折率差Δｎを８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の測定結果と同様に０．０１６５とすれば、電流注入領域１９ａの径も波長比に対応して１．５倍となるためより好ましい。
【００５７】
ここで、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置を考慮して当業者に既知の計算をおこなうことで上記実効屈折率差を実現するのに必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚を導出することが可能である。結論として、本実施の形態１では選択酸化領域１９ｂが１層目のミラー層に配置されており、実効屈折率差Δｎを０．０３８以下とするためには選択酸化領域１９ｂの膜厚を３２ｎｍ以下とすればよい。また、実効屈折率差を０．０１６５とした場合の選択酸化領域１９ｂの膜厚は１３ｎｍとなる。したがって、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子で単一横モード発振を実現するためには、選択酸化領域１９ｂの膜厚は３２ｎｍ以下とし、より好ましくは１３ｎｍ以下とする必要がある。
【００５８】
次に、選択酸化領域１９ｂの膜厚の最小値について検討する。既に述べたように、選択酸化領域１９ｂは、いったんＡｌＡｓ層を積層した後に、水蒸気雰囲気中で酸素原子を導入して選択酸化することで形成する。ここで、選択酸化領域１９ｂを形成する際に、ＡｌＡｓ層の膜厚があまりに薄いと酸素原子の導入が困難となり選択酸化領域１９ｂを形成することが難しくなる。酸素原子を導入するのに最低限必要となる選択酸化領域１９ｂの膜厚は６ｎｍとされ、より好ましく１０ｎｍ以上の膜厚を有することで選択酸化を容易に行うことが可能である。
【００５９】
以上の議論から、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦３２ｎｍ・・・・（３）
となる。また、迅速に選択酸化が可能でかつ電流注入領域１９ａの径を大きくとることができる膜厚ｄのより好ましい範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦１３ｎｍ・・・・（４）
となる。選択酸化領域１９ｂは、（４）式を満たす膜厚を有することがより好ましいため、本実施の形態１では、選択酸化領域１９ｂの膜厚を１３ｎｍ、電流注入領域１９ａの径を５．３μｍとしている。
【００６０】
なお、本願発明者等は、上記条件を満たす面発光レーザ素子を実際に作製してその特性を調べた。具体的には、ｎ型ＧａＡｓの（１００）面基板上にｎ型のＧａＡｓバッファ層を０．１μｍだけ積層し、ｎ型のAl0.9Ｇａ0.1ＡｓおよびＧａＡｓからなるミラー層を３４．５層積層して下部反射層を形成した。また、活性層は３重の量子井戸層を備え、活性層を含む光共振器の光学長は２λとした。さらに、ｐ型のAl0.9Ｇａ0.1ＡｓおよびＧａＡｓからなるミラー層を２５層積層して上部反射層を形成した。これらの半導体層はガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法のいずれかによって成長され、ｐ型不純物として炭素（Ｃ）、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープした。ＡｌＡｓ層は上部反射層の最下層（すなわち、第１周期目）のミラー層を形成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の上端部に配置し、その膜厚を１２ｎｍとした。そして、メサ状に形成した部分の水平断面の外径を４０μｍとし、メサ形成後４２０℃の水蒸気雰囲気中で２０分間保持することで選択酸化領域を形成した。酸化されなかったＡｌＡｓ層によって形成される電流注入領域の径は５．２μｍとした。
【００６１】
このように製造した面発光レーザ素子について発振特性を調べたところ、閾値電流の値が０．５ｍＡ、スロープ効率が０．２５Ｗ／Ａであり、１００℃以上で連続発振が可能であった。また、注入電流値が１０ｍＡ以下であれば単一横モード発振が可能で、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調した光信号を伝送用光ファイバに入射させたところ、伝送可能距離は１５ｋｍ以上であり、１５ｋｍ伝送後の光信号のアイパターンは良好なものが得られた。
【００６２】
（変形例）
次に、実施の形態１の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。図４は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。実施の形態１においては、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層を第１周期目のミラー層としたが、第２周期目のミラー層に配置することも可能である。第２周期目のミラー層は、活性層４の中心から下端までの距離が５８０ｎｍであるため、積層方向の位置について規定した３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの数値範囲に包含され、信頼性の確保および閾値電流の抑制が可能なためである。
【００６３】
選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層が第２周期目となるため、電流注入領域１９ａの径を維持し、実効屈折率差を維持するためには選択酸化領域１９ｂの膜厚は変化する。第２領域２２、２３の等価屈折率は、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置によっても変化するためである。計算によって求めた結果、電流注入領域１９ａの径が３．５μｍ以上であって、選択酸化が可能となる膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦４６ｎｍ・・・・・（５）
であり、電流注入領域１９ａの径が５．３μｍ以上となり、かつ十分選択酸化が可能となる膜厚ｄの範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦２０ｎｍ・・・・・（６）
となる。
【００６４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、図５にも示すように、１３００ｎｍの出射波長を有し、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層によって形成される光共振器の光学長が出射光の波長と等しい構造を有する。具体的には、本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、基板１上に下部反射層２が積層された構造を有する。また、下部反射層２の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層２６、活性層４、上部クラッド層２７および上部反射層６が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層６上にはコンタクト層７が積層され、コンタクト層７上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるｐ側電極８が配置され、基板１下面にはｎ側電極９が配置されている。そして、上部クラッド層２７内部には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域２９ａに隣接して設けられた選択酸化領域２９ｂにより電流狭窄層３０が配置されている。なお、本実施の形態２において、実施の形態１と同一もしくは類似の符号を付した部分については、特に断らない限り、同一若しくは類似の構造を有し、同一若しくは類似の機能を発揮するものとする。
【００６５】
本実施の形態２において、下部クラッド層２６、活性層４および上部クラッド層２７によって形成されるλ共振器２８の光学長は出射光の波長と等しい。そのため、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置および膜厚の最適値については、実施の形態１とは異なる。以下で、出射波長が１３００ｎｍであって、λ共振器２８を有する面発光レーザ素子の選択酸化領域２９ｂの最適化について、説明する。
【００６６】
まず、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置の最適化について説明する。実施の形態１において、選択酸化領域２９ｂは、その活性層側の端面が活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に存在するミラー層内に配置することが好ましいことを本願発明者等は導いている。本実施の形態２においては、λ共振器２８の光学長の相違を考慮して適切なミラー層を決定する必要があり、これに適合するミラー層として、第２周期目のミラー層を選択している。第２周期目のミラー層の活性層４の中心からの距離は、３９２ｎｍであって、上記条件に適合するためである。また、第２周期目のミラー層において、選択酸化領域２９ｂは低屈折率層の活性層から遠い側に配置することが好ましいのは実施の形態１と同様である。これにより、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置は図５に示す位置に決定される。
【００６７】
次に、選択酸化領域２９ｂの水平方向の幅によって規定される電流注入領域２９ａの径の最適化について説明する。実施の形態１においても説明したように、電流注入領域２９ａの径は閾値電流の増加の抑制並びに単一横モード発振の実現という観点から定められるものであって、光共振器の光学長とは無関係に決定されている。したがって、実施の形態１と同様の議論が成立し、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子についての測定結果から、電流注入領域２９ａの径は、３．５μｍ以上となる必要があり、波長比を考慮すると、５．３μｍであることがより好ましい。
【００６８】
最後に、選択酸化領域２９ｂの膜厚の最適化について説明する。単一横モード発振を実現する観点からは、図３で示す第１領域２１と第２領域２２、２３の実効屈折率差と電流注入領域２９ａの径との間には（１）式の関係が成立し、電流注入領域２９ａの径が３．５μｍ以上で単一横モード発振が可能な条件は、実効屈折率差が０．０３８以下となる必要があり、電流注入領域２９ａの径が５．３μｍの場合に単一横モード発振するためには、実効屈折率差は０．０１６５となる。
【００６９】
このような実効屈折率差を実現するために必要な、選択酸化領域２９ｂの膜厚を決定するにあたって、実施の形態２においては図６に示すグラフを利用する。図６は、λ共振器を有する面発光レーザ素子について、選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示しているグラフである（K.D.Choquette et al., Proceedings of SPIE Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 3003, pp.194-200, 1997.）。図６において、曲線ｌ1は第１周期目に選択酸化層を配置した場合を示し、以下、曲線ｌ2、ｌ3、ｌ4、ｌ5は、それぞれ第２周期目、第３周期目、第４周期目、第５周期目に選択酸化領域を配置した場合を示している。グラフの横軸は選択酸化領域の膜厚を示し、グラフの縦軸は、実効屈折率差を示す。
【００７０】
本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域２９ｂは第２周期目のミラー層内に配置されているため、図６のグラフにおいて曲線ｌ2を参照する。曲線ｌ2を参照することで、実効屈折率差が０．０３８以下となるためには、膜厚は３２ｎｍ以下となることが必要であることが分かる。また、実効屈折率差が０．０１６５となるためには、膜厚は１３ｎｍとなることが分かる。
【００７１】
膜厚の最小値については実施の形態１と同様の議論が成立するため、この結果、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域２９ｂの膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦３２ｎｍ・・・・（７）
となり、迅速に選択酸化が可能で、電流注入領域２９ａの径を大きくとることができる膜厚ｄのより好ましい範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦１３ｎｍ・・・・（８）
となる。以上によって実施の形態２にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域２９ｂの構造が最適化される。
【００７２】
（変形例）
次に、実施の形態２の変形例にかかる面発光レーザ素子について説明する。図７は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図であり、選択酸化領域２９ｂが、第３周期目のミラー層に配置されている点が実施の形態２と異なる。
【００７３】
既に述べたように、実施の形態２においても、活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に下端が存在するミラー層内に選択酸化領域２９ｂを配置することが可能である。出射波長が１３００ｎｍで、光共振器の光学長が出射光の波長と等しい場合において、第３周期目のミラー層の下端は活性層４の中心から５９６ｎｍだけ離隔しており、上記範囲に含まれることが分かる。そのため、第３周期目のミラー層に選択酸化領域２９ｂ−１を配置する構造とすることが可能である。
【００７４】
電流注入領域２９ａ−１の径および実効屈折率差の条件については、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子と同様に考えることができる。結論としては、電流注入領域２９ａ−１の径は３．５μｍ以上、好ましくは５．３μｍであり、実効屈折率差については、０．０３８以下となる必要があり、好ましくは０．０１６５となる。
【００７５】
図６に示すグラフによって、上記実効屈折率差を満たす膜厚について調べる。変形例にかかる面発光レーザ素子は、選択酸化領域２９ｂ−１が第３周期目のミラー層に配置されているため、図において曲線ｌ3を参照する必要がある。曲線ｌ3によれば、実効屈折率差が０．０３８以下となるためには膜厚は４６ｎｍ以下となる必要があり、実効屈折率差が０．０１６５となるために必要な膜厚は２０ｎｍである。以上で変形例にかかる選択酸化領域２９ｂ−１の構造の最適化は終了する。
【００７６】
なお、実施の形態１、２およびこれらの変形例を用いて本発明にかかる面発光レーザ素子を説明したが、上記説明以外の構造を採用することも可能である。たとえば、実施の形態１、２およびこれらの変形例においては、面発光レーザ素子の出射波長は１３００ｎｍとしていた。本発明はこれに限定せず、８５０ｎｍ以上の長波長を有する面発光レーザ素子についても選択酸化領域の構造の最適化が可能である。以下、このことについて説明する。
【００７７】
まず、選択酸化領域のミラー層内における位置については、低屈折率層の活性層から見て遠い側の界面近傍に配置することが好ましいことが出射波長に関わらず成立する。そして、どのミラー層内に配置するかについても、決定要因は閾値電流の増加の抑制および信頼性の確保の観点からおこなわれ、これらの観点は出射波長との相関関係に乏しい。さらに、電流注入領域の径についても８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子に関する測定結果から導出しており、既に述べたように出射波長に関係なく測定結果を用いている。選択酸化領域の膜厚についても、必要な実効屈折率差をするための膜厚を既知の方法によって導出すればよい。したがって、８５０ｎｍ以上の長波長面発光レーザ素子に関して、実施の形態１または２に記載した手法を用いて選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。なお、同様の理由により、異なる光学長の光共振器を備えた面発光レーザ素子についても、選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。ここで、選択酸化領域の積層方向の位置について、選択酸化領域を配置するミラー層の下端の位置が活性層の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲としているが、選択酸化領域自体の位置に関しては、ミラー層を構成する低屈折率層の膜厚も考慮して、活性層の中心からの距離の上限を７８０ｎｍとすることが好ましい。
【００７８】
また、ｐ型不純物として炭素を用いる以外に、亜鉛（Ｚｎ）やベリリウム（Ｂｅ）を使用することができる。ｎ型不純物についても同様で、シリコン以外のドーパントを使用しても良い。
【００７９】
また、選択酸化領域および電流注入領域を形成する半導体材料としてＡｌＡｓを用いたが、これ以外にも、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（0.97≦ｘ＜１）を使用しても選択酸化が可能であり、電流注入領域を形成することも可能である。
【００８０】
また、上部反射層および下部反射層を構成するミラー層について、低屈折率層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で構成し、高屈折率層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）で構成した場合にも、出射波長の光を反射することが可能であり、ミラー層として機能することが可能である。また、低屈折率層および高屈折率層について、互いの境界面付近において、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を緩和するような組成傾斜層を配置した構造としても良い。
【００８１】
また、基板についても、ＧａＡｓ基板以外に、ＩｎＰ基板、ＧａＩｎＡｓ基板等のものを用いても本発明にかかる面発光レーザ素子を実現することが可能である。
【００８２】
また、活性層について、３重の量子井戸層およびこれらを分離する障壁層からなる構造ではなく、単一の量子井戸層で構成しても良いし、それ以外の数の量子井戸層を有する構造としても良い。また、量子井戸層について、ＧａＩｎＡｓ系やＧａＡｓＳｂ系の半導体材料で形成することが可能である。さらに、量子井戸層ではなく、（Ｇａ）ＩｎＡｓ等によって形成される量子ドットとしても良い。また、単純にダブルヘテロ構造の面発光レーザ素子としても良い。
【００８３】
また、面発光レーザ素子を形成する半導体材料について、導電型を反対にすることも可能である。たとえば、基板、下部クラッド層、下部反射層をｐ型半導体によって形成し、上部反射層、上部クラッド層をｎ型半導体によって形成しても良い。
【００８４】
さらに、選択酸化領域および電流注入領域からなる電流狭窄層についてはｐ型反射層内に配置することが好ましいが、ｎ型反射層内に配置しても同様の議論が成立し、同等の効果を発揮することが可能である。
【００８５】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光送受信器について説明する。図８は、実施の形態３にかかる光送受信器の構造を示すブロック図である。本実施の形態３にかかる光送受信器は、光信号を送受信するための光送信部３４および光受信部３５を有するトランシーバ３１と、電気信号をトランシーバ３１に入力する信号多重化回路３２と、トランシーバ３１が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路３３とを有する。
【００８６】
光送信部３４は、信号多重化回路３２から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部３４は、光信号を出射する面発光レーザ素子３６と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６を制御する制御回路３７と、面発光レーザ素子３６から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系３８とを有する。
【００８７】
光送信部３４に含まれる面発光レーザ素子３６には、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子３６は、閾値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発振が可能である。
【００８８】
光受信部３５は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路３３に出力するためのものである。具体的には、光受信部３５は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子３９と、光信号を光電変換素子３９に導くための入力光学系４０と、光電変換素子３９から出力される電気信号を増幅する増幅回路４１とを有する。光電変換素子３９は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子３９としては、フォトダイオードの他、光抵抗などを用いることが可能である。
【００８９】
信号多重化回路３２は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して1本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた１本の電気信号は、トランシーバ３１を構成する光送信部３４に出力される。
【００９０】
信号分離回路３３は、トランシーバ３１を構成する光受信部３５から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部３５で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【００９１】
本実施の形態３にかかる光送受信器の動作について説明する。実施の形態３にかかる光送受信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【００９２】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路３２で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路３２から制御回路３７に入力され、制御回路３７は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６に注入する電流を制御する。具体的には、制御回路３７によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子３６から出射される。なお、面発光レーザ素子３６は、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子からなるため、最大１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接光変調が可能である。そのため、大量の情報を光信号に付加して送信することが可能である。面発光レーザ素子３６から出力された光信号は、出力光学系３８を介して外部に出力される。以上で送信動作が終了する。
【００９３】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送されてきた光信号は、入力光学系４０を介して入射し、光電変換素子３９によって受信される。光電変換素子３９は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路４１に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子３９から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路４１によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路３３に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【００９４】
本実施の形態３にかかる光送受信器は、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を有する。そのため、実施の形態３においては、面発光レーザ素子３６の閾値電流が低い値を有し、高い信頼性を有する。また、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調可能であり、大量の情報を有する光信号を出力することが可能である。さらに、出力する光信号を光ファイバによって伝送した場合、伝送可能な距離は１５ｋｍ以上となり、長距離伝送が可能となる。
【００９５】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光通信システムについて説明する。図９は、実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。実施の形態４にかかる光通信システムは、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態４にかかる面発光レーザ素子は、信号多重化回路４２と、信号多重化回路４２に接続された制御回路４３と、制御回路４３に接続された面発光レーザ素子４４と、伝送用光ファイバ４６と、面発光レーザ素子４４と伝送用光ファイバ４６の一端とを光結合させるための光学系４５とを有する。また、伝送用光ファイバ４６の他端と光学系４７を介して光結合した光電変換素子４８と、光電変換素子４８と接続された増幅回路４９と、増幅回路４９と接続された信号分離回路５０とを有する。
【００９６】
信号多重化回路４２で得られた単一の電気信号は制御回路４３に入力され、この電気信号に基づいて制御回路４３は面発光レーザ素子４４に注入する電流について制御をおこなう。これにより、面発光レーザ素子４４から出力される光信号は、信号多重化回路４２で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子４４から出力された光信号は光学系４５を介して伝送用光ファイバ４６の一端に入射し、伝送用光ファイバ４６中を伝送する。
【００９７】
そして、伝送用光ファイバ４６中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ４６の他端から出射し、光学系４７を介して光電変換素子４８に入射する。光電変換素子４８は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路４９で増幅された後に信号分離回路５０に入力される。
【００９８】
信号分離回路５０は、入力された電気信号について、信号多重化回路４２で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態４にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【００９９】
本実施の形態４にかかる光通信システムでは、送信側の信号光源として、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、低閾値で信頼性が高い信号光源を使用することが可能である。また、単一横モード発振が可能であるため、伝送途上で信号波形が崩れることもなく、確実に光信号を伝送することができる。具体的には、伝送用光ファイバ４６のファイバ長を１５ｋｍ以上としても１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調した光信号を伝送することが可能である。
【０１００】
また、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子は出射波長を８５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの範囲で変化させることができるため、伝送用光ファイバ４６において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を９８０ｎｍとして、伝送用光ファイバ４６の途上にＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）を配置する構造としても良い。この場合、ＥＤＦＡによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、ＴＤＦＡ、ラマン増幅器等を用いても良い。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化したため、閾値電流を低い値に抑制し、高い信頼性を有し、単一横モード発振が可能で、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調をおこなえ、長距離伝送が可能な面発光レーザ素子を提供できるという効果を奏する。
【０１０２】
また、この発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化した面発光レーザを用いる構成としたため、単一横モード発振が可能で、長距離伝送が可能なトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図３】実効屈折率差について説明するための模式的な図である。
【図４】実施の形態１の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図６】選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる光送受信機の構造を示すブロック図である。
【図９】実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示すブロック図である。
【図１０】従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 下部反射層
３、２６ 下部クラッド層
４ 活性層
５、２７ 上部クラッド層
６ 上部反射層
７ コンタクト層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０、１７ 高屈折率層
１１、１６ 低屈折率層
１２、１８ ミラー層
１３ａ〜１３ｄ 障壁層
１４ａ〜１４ｄ 量子井戸層
１５ ２λ共振器
１９ａ、２９ａ、２９ａ−１ 電流注入領域
１９ｂ、２９ｂ、２９ｂ−１ 選択酸化領域
２０，３０ 電流狭窄層
２８ λ共振器
３１ トランシーバ
３２、４２ 信号多重化回路
３３、５０ 信号分離回路
３４ 光送信部
３５ 光受信部
３６、４４ 面発光レーザ素子
３７、４３ 制御回路
３８ 出力光学系
３９、４８ 光電変換素子
４０ 入力光学系
４１、４９ 増幅回路
４５、４７ 光学系
４６ 伝送用光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子に関し、長波長帯であっても単一横モード発振可能で長距離伝送可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、「面発光レーザ素子」と言う。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。面発光レーザ素子は、その構造から１波長程度の超短共振器を備えるため発振するレーザ光内に存在できる波長が基本波のみとなる。したがって、ＤＦＢ（Distributed Feedback：分布帰還型）レーザ等の端面発光レーザよりも単一縦モードを安定的に維持することが容易である。また、ＦＦＰ（Far Field Pattern）が等方で狭い値を得ることが可能で、相対強度雑音も低いなど、ＤＦＢレーザ等よりも本質的に光通信等に適したレーザ素子として注目されている。
【０００３】
信号光源として使用する場合、伝送媒体である光ファイバの低損失波長帯を含む０．８μｍ〜１．６５μｍの出射波長を有する面発光レーザ素子が必要となる。この波長帯の面発光レーザにおいて、長波長帯、例えば１．２μｍ以上の波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザは、結晶成長の難しさなどから長い間実現が不可能であった。しかしながら、最近になって、本願発明者等によって１．２〜１．３μｍの波長を有するレーザ光を発振する面発光レーザ素子が実現されている（特願２００１−１２４３００）。
【０００４】
特願２００１−１２４３００に記載された面発光レーザ素子の構造について、図１０に示す。この面発光レーザ素子は、基板１０１上に、順次バッファ層１０２、下部反射層１０３、下部クラッド層１０４、量子井戸層１０５、上部クラッド層１０６を積層した構造を有する。さらに、上部クラッド層１０６上には、メサ形状に加工された電流狭窄層１０８、上部反射層１０９、コンタクト層１１０の積層構造を有する。電流狭窄層１０８は中心部分のＡｌＡｓ層からなる電流注入領域１０７ａと該ＡｌＡｓ層の端部を選択酸化させて形成した選択酸化領域１０７ｂによって形成されている。また、基板１０１下面にはｎ側電極１１４が配置されている。そして、量子井戸層１０５において、ＧａＩｎＮＡｓ中にＳｂを少量添加することによって量子井戸層１０５の結晶学的品質を向上させている。このように量子井戸層の構造の改善とＡｌＡｓ層の選択酸化技術を利用して、１．３μｍ帯の面発光レーザ素子のレーザ発振が最近なされるようになってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、信号光源等の用途に面発光レーザ素子を使用する場合には解決すべき課題が残されている。まず、発振するレーザ光の横モードを単一化する必要がある。横モードが横方向に高次のモードが存在する場合、光伝送時、特に高速変調時に伝送距離に比例して信号波形の著しい劣化を引き起こす原因となる。したがって、長距離伝送を実現するためには単一横モード発振を実現する必要がある。
【０００６】
面発光レーザ素子は、その構造に起因して元来横モードを安定化させることが難しい。そのため、選択酸化領域を備えた面発光レーザ素子においては、選択酸化領域に挟まれた電流注入領域の径を調整して単一横モード発振を実現するが、従来は、１３００ｎｍ帯（１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍ程度の範囲）の面発光レーザ素子においては電流注入領域の径のみを調整することで単一横モード発振を実現するのは困難であった。
【０００７】
また、単一横モード発振を実現できたとしても、閾値電流の値が増加した場合、消費電力が増大するなどの問題が生じる。したがって、閾値電流の値の増加を抑制しつつ単一横モード発振を実現する必要がある。さらに、面発光レーザ素子の信頼性を確保しなくてはならない。信号光源等に面発光レーザ素子を利用するためには、十分な信頼性を有する必要があるためである。
【０００８】
さらに、信号光源等に用いる場合、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルで直接変調が可能である必要がある。これは、近年の通信容量の増大に伴い、現実に信号光源として使用するためには最低限必要な数字である。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、低い閾値電流を有し、信頼性が高く、単一横モード発振が可能で１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調が可能な面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる面発光レーザ素子は、基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子であって、前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、前記活性層中心から３７０ｎｍ以上、７８０ｎｍ以下の距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選択酸化領域と、該選択酸化領域に挟まれて配置された電流注入領域とを備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が０．０３８以下であることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、選択酸化領域の積層方向の位置および実効屈折率差について最適化しているため、単一横モード発振が可能であり、長距離伝送が可能なレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１２】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記上部反射層および前記下部反射層は、出射波長の１／４の光学長を有する低屈折率層および高屈折率層の２層構造を備えたミラー層を複数積層して形成され、前記選択酸化領域は、いずれかのミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第１周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層に隣接したミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、３２ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、１３ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層は、１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を出射し、前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、前記選択酸化領域は、前記上部又は反射層において、前記活性層側より第３周期目に積層されたミラー層内に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、４６ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記基板はＧａＡｓによって形成され、前記低屈折率層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）を含み、前記高屈折率層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）を含み、前記選択酸化領域はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．９７≦ｘ≦１）を選択酸化して形成されることを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかるトランシーバは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる光送受信器は、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる光通信システムは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムの好適な実施の形態について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、１３００ｎｍ帯の面発光レーザ素子について、選択酸化領域の構造を最適化している。図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。以下、図１を適宜参照して、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。
【００２７】
本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、基板１上に下部反射層２が積層された構造を有する。また、下部反射層２の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５および上部反射層６が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層６上にはコンタクト層７が積層され、コンタクト層７上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるｐ側電極８が配置され、基板１下面にはｎ側電極９が配置されている。そして、上部反射層６内には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域１９ａと該電流注入領域１９ａに隣接して選択酸化領域１９ｂからなる電流狭窄層２０が配置されている。選択酸化領域１９ｂの具体的な構造については後に詳説する。
【００２８】
基板１は、ｎ型のＧａＡｓ基板からなる。また、基板１は通常（１００）面を主平面とし、下部反射層２から上の薄膜構造は、（１００）面上に積層される。下部反射層２は、活性層４で発生する光のうち、出射波長の光を反射してフィードバックするためのものである。具体的には、下部反射層２は、高屈折率層１０と低屈折率層１１の積層構造によって形成されるミラー層１２を多数積層した構造を有する。
【００２９】
高屈折率層１０は、ｎ型のＧａＡｓ層によって形成され、低屈折率層１１は、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層によって形成される。高屈折率層１０および低屈折率層１１の膜厚は、出射波長の光のみを反射するために、その光学長が出射波長λの１／４となるよう調整されている。具体的には、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の出射波長は１３００ｎｍであるため、各層の屈折率も考慮して、高屈折率層１０の膜厚は９４ｎｍ程度、低屈折率層１１の膜厚は１１０ｎｍ程度とする。このような構造を有することで、ミラー層１２は、高屈折率層１０と低屈折率層１１の組合せにおいて一定の割合で出射波長の光を反射する機能を有する。下部反射層２全体として反射率を高めるため、ミラー層１２を３４．５層積層して下部反射層２は形成されている。なお、小数点以下の端数は高屈折率層１０のみからなる層に起因する。
【００３０】
活性層４は、量子井戸層を具備した構造を有する。具体的には、図１で示すように活性層４は下部クラッド層３上に順次積層された障壁層１３ａ、量子井戸層１４ａ、障壁層１３ｂ、量子井戸層１４ｂ、障壁層１３ｃ、量子井戸層１４ｃ、障壁層１３ｄによって形成される。すなわち、３層の量子井戸層１４ａ〜１４ｃを４層の障壁層１３ａ〜１３ｄによって挟み込む構造を有する。
【００３１】
量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、量子閉じ込め効果によってキャリアを高い効率で閉じ込めるためのものであって、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層によって形成される。量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、Ｓｂが微小量添加されることで良質な結晶性を有する。また、量子井戸層１４ａ〜１４ｃは、量子閉じ込め効果を発揮するためきわめて薄い膜厚からなる必要があり、本実施の形態１における各層の膜厚は７ｎｍ程度とする。
【００３２】
障壁層１３ａ〜１３ｄは、量子井戸層１４ａ〜１４ｃを互いに分離するためのものであって、障壁層１３ａおよび障壁層１３ｄの膜厚は３０ｎｍ程度、障壁層１３ｂおよび障壁層１３ｃの膜厚は２０ｎｍ程度である。
【００３３】
下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５は、各層の膜厚の光学長の合計が出射波長λの２倍になるよう形成され、光共振器として機能する。そのため、以下においては下部クラッド層３、活性層４、上部クラッド層５を総称して２λ共振器１５と言う。本実施の形態１では、下部クラッド層３はｎ型、上部クラッド層５はｐ型のＧａＡｓ層からなり、それぞれの膜厚は２９７ｎｍ程度である。
【００３４】
上部反射層６は、下部反射層２と同様に、活性層４で発生する光のうち、出射波長の光を反射させてフィードバックするためのものである。具体的には、上部反射層６は、順次積層された低屈折率層１６と高屈折率層１７との対によって形成されるミラー層１８を多数積層した構造を有する。低屈折率層１６はｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を有し、高屈折率層１７はｐ型のＧａＡｓ層を有する。活性層４で発生したレーザ光をフィードバックするため、上部反射層６は高い反射率を有する。なお、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は基板１に対して垂直上方向にレーザ光を出射するため、上部反射層６は下部反射層２より低い反射率となる必要がある。そのため、上部反射層６は、下部反射層２よりも少ない２５層のミラー層１８からなる構造を有する。なお、以下の説明では、必要に応じて下部反射層２又は上部反射層６を構成する２５層のミラー層１２又はミラー層１８について、最も活性層４側に配置されるミラー層を第１周期目のミラー層、第１周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第２周期目のミラー層、第２周期目のミラー層に接触して配置されるミラー層を第３周期目のミラー層等とそれぞれ称する。
【００３５】
また、上部反射層６を構成する低屈折率層１６のうち、最下層すなわち上部クラッド層５に隣接して積層された第１周期目のミラー層を構成する低屈折率層１６は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と、ｐ型のＡｌＡｓ層とを順次積層した構造を有する。そして、ＡｌＡｓ層のうち、中央付近の領域については電流注入領域１９ａが形成され、端部近傍では選択酸化によって形成された選択酸化領域１９ｂにより電流狭窄層２０が形成されている。
【００３６】
選択酸化領域１９ｂは、ｐ側電極８から注入される電流を狭窄して活性層４に流入する電流密度を高め、発振閾値を低減するためのものである。また、選択酸化領域１９ｂの屈折率は周囲に存在する電流注入領域１９ａおよびＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と異なる値を有するため、水平方向の光閉じ込めに影響を与える。すなわち、選択酸化領域１９ｂが存在することで、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備えることとなる。
【００３７】
そして、選択酸化領域１９ｂは、本実施の形態１では膜厚を１３ｎｍとしている。また、選択酸化領域１９ｂの幅によって規定される電流注入領域１９ａの径は、５．３μｍとする。以下、このような構造を採用した理由について説明する。
【００３８】
本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は選択酸化領域１９ｂの構造を最適化することで発振特性を向上させている。具体的には、選択酸化領域１９ｂがミラー層内部において配置される位置、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層、選択酸化領域１９ｂの幅および膜厚について検討する必要がある。以下、これらの要件の最適化について説明する。
【００３９】
まず、ミラー層内のどの位置に配置すべきかについて説明する。選択酸化領域１９ｂに隣接する電流注入領域１９ａは、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層に近い屈折率を有する。そのため、選択酸化領域１９ｂおよび電流注入領域１９ａを形成するＡｌＡｓ層は、低屈折率層１１又は低屈折率層１６内に配置する必要がある。さらに、活性層４で発生する光の損失を抑制するために、定在波の節の部分に近くなる位置（電界強度分布が最小となる位置）、すなわち低屈折率層１１又は低屈折率層１６中において活性層４から離隔した領域、すなわち低屈折率層１１の下面近傍又は低屈折率層１６の上面近傍に配置することが好ましい。
【００４０】
次に、選択酸化領域１９ｂをどのミラー層に配置するかについて説明する。既に述べたように、選択酸化領域１９ｂは、電流狭窄機能を備える。電流を狭窄して活性層４に流入する電流密度を高める観点からは、選択酸化領域１９ｂは活性層４に近接した位置に配置されることが好ましい。選択酸化領域１９ｂが活性層４から離隔した位置に配置された場合、選択酸化領域１９ｂによって狭窄された電流が活性層４に流入されるまでに再度拡散して電流密度が低下するためである。したがって、発振閾値を低く抑制する観点からは、選択酸化領域１９ｂを活性層４に近接して配置することが好ましい。
【００４１】
一方、活性層４に近接して配置された場合には他の問題が生じる。選択酸化領域１９ｂは、いったんＡｌＡｓ層その他を積層してメサ状に加工した後に、水蒸気雰囲気中で加熱することにより酸素原子を外部から導入して選択的に酸化をすることで形成される。酸素原子を外部から導入することによって、当初の結晶秩序が損傷を受けるため、選択酸化領域１９ｂ中には転位が生じる。したがって、選択酸化領域１９ｂが活性層４にあまりに近接する場合、選択酸化領域中の転位が活性層４の結晶構造にも影響を与え、面発光レーザ素子としての信頼性が低下する。そのため、面発光レーザ素子の信頼性を確保するという観点からは、選択酸化領域１９ｂを活性層４から離隔して配置することが好ましい。
【００４２】
上記のように、発振閾値の抑制と面発光レーザ素子の信頼性の確保とはトレードオフの関係にあるため、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置に関しては最適値が存在する。そのため、本願発明者等は、面発光レーザ素子について選択酸化領域１９ｂの位置を積層方向に変化させてその特性を調べ、最適値を導いている。
【００４３】
具体的には、出射波長が８５０ｎｍ程度の面発光レーザ素子（以下、「８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子」と言う）について、選択酸化領域を配置する位置を積層方向に変化させて、閾値電流の値および面発光レーザ素子の信頼性について測定をおこなった。測定対象を８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子としたのは、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子は既に広く研究されており、特性もよく把握されているためである。そのため、選択酸化領域以外の部分による測定結果への影響を排除することが可能で、選択酸化領域が面発光レーザ素子の特性に与える影響を把握できる。なお、測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の構造は、光共振器の光学長のような波長に対応した部分以外については、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同一の構造を有するものとする。
【００４４】
本願発明者等は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように第１周期目のミラー層、第３周期目のミラー層および第５周期目のミラー層にそれぞれ選択酸化領域１９ｂ−１、１９ｂ−２、１９ｂ−３および電流注入領域１９ａ−１、１９ａ−２、１９ａ−３を形成したλ共振器を有する８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、その閾値電流と信頼性について測定をおこなった。その結果、第１周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−１を配置した場合には信頼性に問題があり、実用に供するには妥当でないとの結果が得られたが、第３周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−２を配置した場合には、信頼性も高く、閾値電流も低い値を有した。さらに、第５周期目のミラー層に選択酸化領域１９ｂ−３を配置した場合には、信頼性は確保できたものの、閾値電流が第３周期目のミラー層に配置した場合に比して増加する傾向が見られた。第５周期目のミラー層に配置した場合の閾値電流の増加は許容範囲内であったため、本願発明者等は、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、第３周期目乃至第５周期目のミラー層に選択酸化領域を配置することが好ましいと結論づけた。
【００４５】
測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子は、出射波長の相違により上部クラッド層の膜厚、低屈折率層および高屈折率層の膜厚は本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と相違する。そのため、本実施の形態１において選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置を最適化するにあたって、上記測定結果に関して活性層中心からの距離を参考にした。測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子において、活性層中心から第３周期目のミラー層下端までの距離は３９０ｎｍであり、第５周期目のミラー層下端までの距離は６６０ｎｍである。この値を参考にして、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層について、その下端が活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に存在するものに定めた。
【００４６】
この数値範囲に適するミラー層として、本実施の形態１では、第１周期目のミラー層を選択している。第１周期目のミラー層は、活性層４の中心からの距離が３７５ｎｍとなるためである。また、ミラー層内の位置について、既に説明したように上部反射層に設ける場合には、選択酸化領域１９ｂは低屈折率層の上面近傍に配置することが好ましい。したがって、これらの観点から、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置は図１に示す場所に決定される。
【００４７】
次に、単一横モード発振を実現する観点から選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅および積層方向の膜厚の最適化について順に説明する。なお、選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅は、電流注入領域１９の径を最適化することで決定されるため、以下では主に電流注入領域１９ａの径の最適化について説明する。
【００４８】
まず、選択酸化領域１９ｂの幅によって決定される電流注入領域１９ａの径の最適化について説明する。一般に、電流注入領域１９ａの径を小さくすることで単一横モード発振を実現することが可能である。一方、電流注入領域１９ａの径が小さくなるにつれて回折損失に起因して閾値電流が増加するという問題が生じ、閾値電流の増加を抑制するためには電流注入領域１９ａの径を大きくする必要がある。したがって、閾値電流抑制と単一横モード発振可能条件との間にもトレードオフの関係が成立し、電流注入領域１９ａの径には最適値が存在する。
【００４９】
そのため、本願発明者等は、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について、電流注入領域の径を変化させた場合の発振横モードについて測定をおこない、電流注入領域の径の最適値を調べた。具体的には、図２（ｂ）に示すように、選択酸化領域を第３周期目のミラー層に挿入し、選択酸化領域の膜厚は２０ｎｍに固定して、電流注入領域１９ａの径を変動させ、閾値電流および横モードの態様について測定をおこなった。
【００５０】
測定の結果、単一横モード発振が可能な電流注入領域の径の最大値は、３．５μｍであった。また、径が３．５μｍの場合には閾値電流の値も許容範囲以下に抑制することができた。なお、後述する実効屈折率差については、この面発光レーザ素子においては０．０１６５であった。
【００５１】
この結果を踏まえ、本願発明者等は実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流注入領域１９ａの径について、３．５μｍ以上であることを条件とした。これは、閾値電流の増加の抑制に関しては、面発光レーザ素子の出射波長との相関関係に乏しく、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子において閾値電流が許容範囲に抑制される場合には、１３００ｎｍの場合でも同様に許容範囲内に抑制できると考えられるためである。ただし、本願発明者等は、出射波長の比に対応して電流注入領域１９ａの径も大きくすることがより好ましいと考え、電流注入領域１９ａの径の最適値は、３．５μｍに（１３００／８５０）を乗算した５．３μｍであるとした。
【００５２】
次に、このような電流注入領域１９ａの径に関する条件の下で、単一横モード発振を実現するために必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚の最適値について検討する。横モード発振については、電流注入領域１９ａの径のみならず、屈折率導波型導波路における実効屈折率差も影響を与えるためである。以下では、まず、実効屈折率差について簡潔に説明し、実効屈折率差の最適値を導出した上で、最適値を実現するのに必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚の条件を導出する。
【００５３】
上述したように、選択酸化領域１９ｂが存在することで本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は屈折率導波型導波路を備える。屈折率導波型導波路とは、たとえば図３に示すように、電流注入領域１９ａを含む積層方向領域である第１領域２１と、選択酸化領域１９ｂを含む第２領域２２、２３とにおけるそれぞれの等価屈折率の差である実効屈折率差に起因して、第１領域２１が導波路として機能している構造をいう。屈折率導波型導波路の構造は、面発光レーザ素子の屈折率分布によって説明される。具体的には、水平方向の光閉じ込めを第１領域２１、第２領域２２、２３の等価屈折率を持つプレーナ導波路に等価的に置き換えて評価することで、屈折率導波型導波路の構造および横モードについて解析することができる。
【００５４】
たとえば、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域１９ｂの屈折率は電流注入領域１９ａを形成するＡｌＡｓの屈折率に比して小さな値を有する。したがって、第２領域２２、２３の等価屈折率は第１領域２１の等価屈折率よりも小さな値を有し、活性層４から生じる光は第１領域２１中を導波されて外部に出射される。屈折率導波型導波路の構造は、第１領域２１の等価屈折率と第２領域２２、２３の等価屈折率の差分値である実効的屈折率差に対応するため、実効屈折率差によって光の導波の態様は変化する。
【００５５】
単一横モード発振を実現することが可能な電流注入領域１９ａの径Φcと実効的屈折率差Δｎとの関係は、出射波長λを用いて、
Φc∝λ／（Δｎ）1/2・・・・（１）
と近似できることが知られている。したがって、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子について得られた測定結果と（１）式とを用いて、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子における選択酸化領域１９ｂの水平方向の幅および膜厚を決定することができる。
【００５６】
まず、閾値電流の増加を抑えるために、電流注入領域１９ａの径が最低でも３．５μｍとなる場合の実効屈折率差Δｎの条件式は、測定結果および（１）式から、
Φc（λ＝1.3μｍ）／Φc（λ＝0.85μｍ）＝｛1.3/（Δｎ）1/2｝／｛0.85/（0.0165）1/2｝・・・・（２）
と求められる。ここで、Φc（λ＝0.85μｍ）＝３．５μｍのため、（２）式の右辺の値が１以上となれば、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子においても電流注入領域１９ａの径が３．５μｍ以上となる。（２）式をΔｎについて計算すると、上記条件を満たすためには、実効屈折率差Δｎに関してΔｎ≦０．０３８となればよい。実効屈折率差Δｎの値は選択酸化領域１９ｂの膜厚によって制御することができるため、この条件から選択酸化領域１９ｂの膜厚の最大値を求めることができる。また、（１）式より、実効屈折率差Δｎを８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の測定結果と同様に０．０１６５とすれば、電流注入領域１９ａの径も波長比に対応して１．５倍となるためより好ましい。
【００５７】
ここで、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置を考慮して当業者に既知の計算をおこなうことで上記実効屈折率差を実現するのに必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚を導出することが可能である。結論として、本実施の形態１では選択酸化領域１９ｂが１層目のミラー層に配置されており、実効屈折率差Δｎを０．０３８以下とするためには選択酸化領域１９ｂの膜厚を３２ｎｍ以下とすればよい。また、実効屈折率差を０．０１６５とした場合の選択酸化領域１９ｂの膜厚は１３ｎｍとなる。したがって、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子で単一横モード発振を実現するためには、選択酸化領域１９ｂの膜厚は３２ｎｍ以下とし、より好ましくは１３ｎｍ以下とする必要がある。
【００５８】
次に、選択酸化領域１９ｂの膜厚の最小値について検討する。既に述べたように、選択酸化領域１９ｂは、いったんＡｌＡｓ層を積層した後に、水蒸気雰囲気中で酸素原子を導入して選択酸化することで形成する。ここで、選択酸化領域１９ｂを形成する際に、ＡｌＡｓ層の膜厚があまりに薄いと酸素原子の導入が困難となり選択酸化領域１９ｂを形成することが難しくなる。酸素原子を導入するのに最低限必要となる選択酸化領域１９ｂの膜厚は６ｎｍとされ、より好ましく１０ｎｍ以上の膜厚を有することで選択酸化を容易に行うことが可能である。
【００５９】
以上の議論から、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域１９ｂの膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦３２ｎｍ・・・・（３）
となる。また、迅速に選択酸化が可能でかつ電流注入領域１９ａの径を大きくとることができる膜厚ｄのより好ましい範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦１３ｎｍ・・・・（４）
となる。選択酸化領域１９ｂは、（４）式を満たす膜厚を有することがより好ましいため、本実施の形態１では、選択酸化領域１９ｂの膜厚を１３ｎｍ、電流注入領域１９ａの径を５．３μｍとしている。
【００６０】
なお、本願発明者等は、上記条件を満たす面発光レーザ素子を実際に作製してその特性を調べた。具体的には、ｎ型ＧａＡｓの（１００）面基板上にｎ型のＧａＡｓバッファ層を０．１μｍだけ積層し、ｎ型のAl0.9Ｇａ0.1ＡｓおよびＧａＡｓからなるミラー層を３４．５層積層して下部反射層を形成した。また、活性層は３重の量子井戸層を備え、活性層を含む光共振器の光学長は２λとした。さらに、ｐ型のAl0.9Ｇａ0.1ＡｓおよびＧａＡｓからなるミラー層を２５層積層して上部反射層を形成した。これらの半導体層はガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法のいずれかによって成長され、ｐ型不純物として炭素（Ｃ）、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープした。ＡｌＡｓ層は上部反射層の最下層（すなわち、第１周期目）のミラー層を形成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の上端部に配置し、その膜厚を１２ｎｍとした。そして、メサ状に形成した部分の水平断面の外径を４０μｍとし、メサ形成後４２０℃の水蒸気雰囲気中で２０分間保持することで選択酸化領域を形成した。酸化されなかったＡｌＡｓ層によって形成される電流注入領域の径は５．２μｍとした。
【００６１】
このように製造した面発光レーザ素子について発振特性を調べたところ、閾値電流の値が０．５ｍＡ、スロープ効率が０．２５Ｗ／Ａであり、１００℃以上で連続発振が可能であった。また、注入電流値が１０ｍＡ以下であれば単一横モード発振が可能で、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調した光信号を伝送用光ファイバに入射させたところ、伝送可能距離は１５ｋｍ以上であり、１５ｋｍ伝送後の光信号のアイパターンは良好なものが得られた。
【００６２】
（変形例）
次に、実施の形態１の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造について説明する。図４は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。実施の形態１においては、選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層を第１周期目のミラー層としたが、第２周期目のミラー層に配置することも可能である。第２周期目のミラー層は、活性層４の中心から下端までの距離が５８０ｎｍであるため、積層方向の位置について規定した３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの数値範囲に包含され、信頼性の確保および閾値電流の抑制が可能なためである。
【００６３】
選択酸化領域１９ｂが配置されるミラー層が第２周期目となるため、電流注入領域１９ａの径を維持し、実効屈折率差を維持するためには選択酸化領域１９ｂの膜厚は変化する。第２領域２２、２３の等価屈折率は、選択酸化領域１９ｂの積層方向の位置によっても変化するためである。計算によって求めた結果、電流注入領域１９ａの径が３．５μｍ以上であって、選択酸化が可能となる膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦４６ｎｍ・・・・・（５）
であり、電流注入領域１９ａの径が５．３μｍ以上となり、かつ十分選択酸化が可能となる膜厚ｄの範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦２０ｎｍ・・・・・（６）
となる。
【００６４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、図５にも示すように、１３００ｎｍの出射波長を有し、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層によって形成される光共振器の光学長が出射光の波長と等しい構造を有する。具体的には、本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、基板１上に下部反射層２が積層された構造を有する。また、下部反射層２の上部領域はメサ状に形成され、メサ状に形成された領域上に順次下部クラッド層２６、活性層４、上部クラッド層２７および上部反射層６が積層されている。なお、このメサ形状は水平断面形状が円状になるよう形成されている。さらに、上部反射層６上にはコンタクト層７が積層され、コンタクト層７上には、中央に電流注入領域を備えた円環形状からなるｐ側電極８が配置され、基板１下面にはｎ側電極９が配置されている。そして、上部クラッド層２７内部には、メサ中央付近に配置され、水平断面が円状の形状を有する電流注入領域２９ａに隣接して設けられた選択酸化領域２９ｂにより電流狭窄層３０が配置されている。なお、本実施の形態２において、実施の形態１と同一もしくは類似の符号を付した部分については、特に断らない限り、同一若しくは類似の構造を有し、同一若しくは類似の機能を発揮するものとする。
【００６５】
本実施の形態２において、下部クラッド層２６、活性層４および上部クラッド層２７によって形成されるλ共振器２８の光学長は出射光の波長と等しい。そのため、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置および膜厚の最適値については、実施の形態１とは異なる。以下で、出射波長が１３００ｎｍであって、λ共振器２８を有する面発光レーザ素子の選択酸化領域２９ｂの最適化について、説明する。
【００６６】
まず、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置の最適化について説明する。実施の形態１において、選択酸化領域２９ｂは、その活性層側の端面が活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に存在するミラー層内に配置することが好ましいことを本願発明者等は導いている。本実施の形態２においては、λ共振器２８の光学長の相違を考慮して適切なミラー層を決定する必要があり、これに適合するミラー層として、第２周期目のミラー層を選択している。第２周期目のミラー層の活性層４の中心からの距離は、３９２ｎｍであって、上記条件に適合するためである。また、第２周期目のミラー層において、選択酸化領域２９ｂは低屈折率層の活性層から遠い側に配置することが好ましいのは実施の形態１と同様である。これにより、選択酸化領域２９ｂの積層方向の位置は図５に示す位置に決定される。
【００６７】
次に、選択酸化領域２９ｂの水平方向の幅によって規定される電流注入領域２９ａの径の最適化について説明する。実施の形態１においても説明したように、電流注入領域２９ａの径は閾値電流の増加の抑制並びに単一横モード発振の実現という観点から定められるものであって、光共振器の光学長とは無関係に決定されている。したがって、実施の形態１と同様の議論が成立し、８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子についての測定結果から、電流注入領域２９ａの径は、３．５μｍ以上となる必要があり、波長比を考慮すると、５．３μｍであることがより好ましい。
【００６８】
最後に、選択酸化領域２９ｂの膜厚の最適化について説明する。単一横モード発振を実現する観点からは、図３で示す第１領域２１と第２領域２２、２３の実効屈折率差と電流注入領域２９ａの径との間には（１）式の関係が成立し、電流注入領域２９ａの径が３．５μｍ以上で単一横モード発振が可能な条件は、実効屈折率差が０．０３８以下となる必要があり、電流注入領域２９ａの径が５．３μｍの場合に単一横モード発振するためには、実効屈折率差は０．０１６５となる。
【００６９】
このような実効屈折率差を実現するために必要な、選択酸化領域２９ｂの膜厚を決定するにあたって、実施の形態２においては図６に示すグラフを利用する。図６は、λ共振器を有する面発光レーザ素子について、選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示しているグラフである（K.D.Choquette et al., Proceedings of SPIE Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, vol. 3003, pp.194-200, 1997.）。図６において、曲線ｌ1は第１周期目に選択酸化層を配置した場合を示し、以下、曲線ｌ2、ｌ3、ｌ4、ｌ5は、それぞれ第２周期目、第３周期目、第４周期目、第５周期目に選択酸化領域を配置した場合を示している。グラフの横軸は選択酸化領域の膜厚を示し、グラフの縦軸は、実効屈折率差を示す。
【００７０】
本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子では、選択酸化領域２９ｂは第２周期目のミラー層内に配置されているため、図６のグラフにおいて曲線ｌ2を参照する。曲線ｌ2を参照することで、実効屈折率差が０．０３８以下となるためには、膜厚は３２ｎｍ以下となることが必要であることが分かる。また、実効屈折率差が０．０１６５となるためには、膜厚は１３ｎｍとなることが分かる。
【００７１】
膜厚の最小値については実施の形態１と同様の議論が成立するため、この結果、閾値電流を低く抑制しつつ単一横発振モードを実現するために必要な選択酸化領域２９ｂの膜厚ｄの範囲は、
６ｎｍ≦ｄ≦３２ｎｍ・・・・（７）
となり、迅速に選択酸化が可能で、電流注入領域２９ａの径を大きくとることができる膜厚ｄのより好ましい範囲は、
１０ｎｍ≦ｄ≦１３ｎｍ・・・・（８）
となる。以上によって実施の形態２にかかる面発光レーザ素子において、選択酸化領域２９ｂの構造が最適化される。
【００７２】
（変形例）
次に、実施の形態２の変形例にかかる面発光レーザ素子について説明する。図７は、変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図であり、選択酸化領域２９ｂが、第３周期目のミラー層に配置されている点が実施の形態２と異なる。
【００７３】
既に述べたように、実施の形態２においても、活性層４の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に下端が存在するミラー層内に選択酸化領域２９ｂを配置することが可能である。出射波長が１３００ｎｍで、光共振器の光学長が出射光の波長と等しい場合において、第３周期目のミラー層の下端は活性層４の中心から５９６ｎｍだけ離隔しており、上記範囲に含まれることが分かる。そのため、第３周期目のミラー層に選択酸化領域２９ｂ−１を配置する構造とすることが可能である。
【００７４】
電流注入領域２９ａ−１の径および実効屈折率差の条件については、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子と同様に考えることができる。結論としては、電流注入領域２９ａ−１の径は３．５μｍ以上、好ましくは５．３μｍであり、実効屈折率差については、０．０３８以下となる必要があり、好ましくは０．０１６５となる。
【００７５】
図６に示すグラフによって、上記実効屈折率差を満たす膜厚について調べる。変形例にかかる面発光レーザ素子は、選択酸化領域２９ｂ−１が第３周期目のミラー層に配置されているため、図において曲線ｌ3を参照する必要がある。曲線ｌ3によれば、実効屈折率差が０．０３８以下となるためには膜厚は４６ｎｍ以下となる必要があり、実効屈折率差が０．０１６５となるために必要な膜厚は２０ｎｍである。以上で変形例にかかる選択酸化領域２９ｂ−１の構造の最適化は終了する。
【００７６】
なお、実施の形態１、２およびこれらの変形例を用いて本発明にかかる面発光レーザ素子を説明したが、上記説明以外の構造を採用することも可能である。たとえば、実施の形態１、２およびこれらの変形例においては、面発光レーザ素子の出射波長は１３００ｎｍとしていた。本発明はこれに限定せず、８５０ｎｍ以上の長波長を有する面発光レーザ素子についても選択酸化領域の構造の最適化が可能である。以下、このことについて説明する。
【００７７】
まず、選択酸化領域のミラー層内における位置については、低屈折率層の活性層から見て遠い側の界面近傍に配置することが好ましいことが出射波長に関わらず成立する。そして、どのミラー層内に配置するかについても、決定要因は閾値電流の増加の抑制および信頼性の確保の観点からおこなわれ、これらの観点は出射波長との相関関係に乏しい。さらに、電流注入領域の径についても８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子に関する測定結果から導出しており、既に述べたように出射波長に関係なく測定結果を用いている。選択酸化領域の膜厚についても、必要な実効屈折率差をするための膜厚を既知の方法によって導出すればよい。したがって、８５０ｎｍ以上の長波長面発光レーザ素子に関して、実施の形態１または２に記載した手法を用いて選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。なお、同様の理由により、異なる光学長の光共振器を備えた面発光レーザ素子についても、選択酸化領域の構造の最適化を行うことができる。ここで、選択酸化領域の積層方向の位置について、選択酸化領域を配置するミラー層の下端の位置が活性層の中心から３７０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲としているが、選択酸化領域自体の位置に関しては、ミラー層を構成する低屈折率層の膜厚も考慮して、活性層の中心からの距離の上限を７８０ｎｍとすることが好ましい。
【００７８】
また、ｐ型不純物として炭素を用いる以外に、亜鉛（Ｚｎ）やベリリウム（Ｂｅ）を使用することができる。ｎ型不純物についても同様で、シリコン以外のドーパントを使用しても良い。
【００７９】
また、選択酸化領域および電流注入領域を形成する半導体材料としてＡｌＡｓを用いたが、これ以外にも、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（0.97≦ｘ＜１）を使用しても選択酸化が可能であり、電流注入領域を形成することも可能である。
【００８０】
また、上部反射層および下部反射層を構成するミラー層について、低屈折率層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で構成し、高屈折率層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）で構成した場合にも、出射波長の光を反射することが可能であり、ミラー層として機能することが可能である。また、低屈折率層および高屈折率層について、互いの境界面付近において、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を緩和するような組成傾斜層を配置した構造としても良い。
【００８１】
また、基板についても、ＧａＡｓ基板以外に、ＩｎＰ基板、ＧａＩｎＡｓ基板等のものを用いても本発明にかかる面発光レーザ素子を実現することが可能である。
【００８２】
また、活性層について、３重の量子井戸層およびこれらを分離する障壁層からなる構造ではなく、単一の量子井戸層で構成しても良いし、それ以外の数の量子井戸層を有する構造としても良い。また、量子井戸層について、ＧａＩｎＡｓ系やＧａＡｓＳｂ系の半導体材料で形成することが可能である。さらに、量子井戸層ではなく、（Ｇａ）ＩｎＡｓ等によって形成される量子ドットとしても良い。また、単純にダブルヘテロ構造の面発光レーザ素子としても良い。
【００８３】
また、面発光レーザ素子を形成する半導体材料について、導電型を反対にすることも可能である。たとえば、基板、下部クラッド層、下部反射層をｐ型半導体によって形成し、上部反射層、上部クラッド層をｎ型半導体によって形成しても良い。
【００８４】
さらに、選択酸化領域および電流注入領域からなる電流狭窄層についてはｐ型反射層内に配置することが好ましいが、ｎ型反射層内に配置しても同様の議論が成立し、同等の効果を発揮することが可能である。
【００８５】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光送受信器について説明する。図８は、実施の形態３にかかる光送受信器の構造を示すブロック図である。本実施の形態３にかかる光送受信器は、光信号を送受信するための光送信部３４および光受信部３５を有するトランシーバ３１と、電気信号をトランシーバ３１に入力する信号多重化回路３２と、トランシーバ３１が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路３３とを有する。
【００８６】
光送信部３４は、信号多重化回路３２から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部３４は、光信号を出射する面発光レーザ素子３６と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６を制御する制御回路３７と、面発光レーザ素子３６から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系３８とを有する。
【００８７】
光送信部３４に含まれる面発光レーザ素子３６には、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子３６は、閾値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発振が可能である。
【００８８】
光受信部３５は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路３３に出力するためのものである。具体的には、光受信部３５は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子３９と、光信号を光電変換素子３９に導くための入力光学系４０と、光電変換素子３９から出力される電気信号を増幅する増幅回路４１とを有する。光電変換素子３９は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子３９としては、フォトダイオードの他、光抵抗などを用いることが可能である。
【００８９】
信号多重化回路３２は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して1本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた１本の電気信号は、トランシーバ３１を構成する光送信部３４に出力される。
【００９０】
信号分離回路３３は、トランシーバ３１を構成する光受信部３５から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部３５で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【００９１】
本実施の形態３にかかる光送受信器の動作について説明する。実施の形態３にかかる光送受信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【００９２】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路３２で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路３２から制御回路３７に入力され、制御回路３７は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子３６に注入する電流を制御する。具体的には、制御回路３７によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子３６から出射される。なお、面発光レーザ素子３６は、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子からなるため、最大１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接光変調が可能である。そのため、大量の情報を光信号に付加して送信することが可能である。面発光レーザ素子３６から出力された光信号は、出力光学系３８を介して外部に出力される。以上で送信動作が終了する。
【００９３】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送されてきた光信号は、入力光学系４０を介して入射し、光電変換素子３９によって受信される。光電変換素子３９は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路４１に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子３９から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路４１によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路３３に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【００９４】
本実施の形態３にかかる光送受信器は、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を有する。そのため、実施の形態３においては、面発光レーザ素子３６の閾値電流が低い値を有し、高い信頼性を有する。また、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調可能であり、大量の情報を有する光信号を出力することが可能である。さらに、出力する光信号を光ファイバによって伝送した場合、伝送可能な距離は１５ｋｍ以上となり、長距離伝送が可能となる。
【００９５】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４にかかる光通信システムについて説明する。図９は、実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示す模式図である。実施の形態４にかかる光通信システムは、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態４にかかる面発光レーザ素子は、信号多重化回路４２と、信号多重化回路４２に接続された制御回路４３と、制御回路４３に接続された面発光レーザ素子４４と、伝送用光ファイバ４６と、面発光レーザ素子４４と伝送用光ファイバ４６の一端とを光結合させるための光学系４５とを有する。また、伝送用光ファイバ４６の他端と光学系４７を介して光結合した光電変換素子４８と、光電変換素子４８と接続された増幅回路４９と、増幅回路４９と接続された信号分離回路５０とを有する。
【００９６】
信号多重化回路４２で得られた単一の電気信号は制御回路４３に入力され、この電気信号に基づいて制御回路４３は面発光レーザ素子４４に注入する電流について制御をおこなう。これにより、面発光レーザ素子４４から出力される光信号は、信号多重化回路４２で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子４４から出力された光信号は光学系４５を介して伝送用光ファイバ４６の一端に入射し、伝送用光ファイバ４６中を伝送する。
【００９７】
そして、伝送用光ファイバ４６中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ４６の他端から出射し、光学系４７を介して光電変換素子４８に入射する。光電変換素子４８は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路４９で増幅された後に信号分離回路５０に入力される。
【００９８】
信号分離回路５０は、入力された電気信号について、信号多重化回路４２で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態４にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【００９９】
本実施の形態４にかかる光通信システムでは、送信側の信号光源として、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子を使用している。そのため、低閾値で信頼性が高い信号光源を使用することが可能である。また、単一横モード発振が可能であるため、伝送途上で信号波形が崩れることもなく、確実に光信号を伝送することができる。具体的には、伝送用光ファイバ４６のファイバ長を１５ｋｍ以上としても１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調した光信号を伝送することが可能である。
【０１００】
また、実施の形態１または２にかかる面発光レーザ素子は出射波長を８５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの範囲で変化させることができるため、伝送用光ファイバ４６において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を９８０ｎｍとして、伝送用光ファイバ４６の途上にＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）を配置する構造としても良い。この場合、ＥＤＦＡによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、ＴＤＦＡ、ラマン増幅器等を用いても良い。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化したため、閾値電流を低い値に抑制し、高い信頼性を有し、単一横モード発振が可能で、１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調をおこなえ、長距離伝送が可能な面発光レーザ素子を提供できるという効果を奏する。
【０１０２】
また、この発明によれば、選択酸化領域の構造を最適化した面発光レーザを用いる構成としたため、単一横モード発振が可能で、長距離伝送が可能なトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、測定に用いた８５０ｎｍ帯面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図３】実効屈折率差について説明するための模式的な図である。
【図４】実施の形態１の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図６】選択酸化領域が配置されるミラー層別に、選択酸化領域の膜厚と実効屈折率差との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２の変形例にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる光送受信機の構造を示すブロック図である。
【図９】実施の形態４にかかる光通信システムの構造を示すブロック図である。
【図１０】従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 下部反射層
３、２６ 下部クラッド層
４ 活性層
５、２７ 上部クラッド層
６ 上部反射層
７ コンタクト層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０、１７ 高屈折率層
１１、１６ 低屈折率層
１２、１８ ミラー層
１３ａ〜１３ｄ 障壁層
１４ａ〜１４ｄ 量子井戸層
１５ ２λ共振器
１９ａ、２９ａ、２９ａ−１ 電流注入領域
１９ｂ、２９ｂ、２９ｂ−１ 選択酸化領域
２０，３０ 電流狭窄層
２８ λ共振器
３１ トランシーバ
３２、４２ 信号多重化回路
３３、５０ 信号分離回路
３４ 光送信部
３５ 光受信部
３６、４４ 面発光レーザ素子
３７、４３ 制御回路
３８ 出力光学系
３９、４８ 光電変換素子
４０ 入力光学系
４１、４９ 増幅回路
４５、４７ 光学系
４６ 伝送用光ファイバ
Claims (12)
- ＧａＡｓによって形成された基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、前記基板に対して垂直方向に１２６０ｎｍ以上、１３６０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光をレーザ発振する面発光レーザ素子であって、
前記上部反射層および前記下部反射層は、発振波長の１／４の光学長を有しＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）を含む低屈折率層および発振波長の１／４の光学長を有しＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）を含む高屈折率層の２層構造を備えたミラー層を複数積層して形成され、
前記下部反射層または前記上部反射層の内部であって、前記活性層中心から３７０ｎｍ以上、７８０ｎｍ以下の距離だけ積層方向に離隔した領域であり、かついずれかのミラー層における前記低屈折率層内の電界強度分布が最小となる位置の近傍に配置された、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．９７≦ｘ≦１）を選択酸化して形成される選択酸化領域と、
該選択酸化領域に挟まれて配置された３．５μｍ以上の径の電流注入領域と、
を備え、該電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、前記選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が、前記電流注入領域の径と下記式によって決定され、かつ０．０３８以下であり、さらに前記選択酸化領域は、前記差分値と該選択酸化領域の積層方向の位置との関係から算出される膜厚を有し、前記レーザ光は単一横モード発振することを特徴とする面発光レーザ素子。
Φ c （λ）／３．５＝｛λ/（Δｎ） 1/2 ｝／｛0.85/（0.0165） 1/2 ｝
ただし、Φ c （λ）は、当該面発光レーザ素子の発振するレーザ光の波長がλ［μｍ］の場合の前記電流注入領域の径であり、Δｎは、前記差分値である。 - 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第１周期目に積層されたミラー層内に配置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素子。 - 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層内に配置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素子。 - 前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、３２ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
- 前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、１３ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
- 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長の２倍の光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第２周期目に積層されたミラー層内に配置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素子。 - 前記下部クラッド層、前記活性層および前記上部クラッド層によって形成される光共振器は、前記レーザ光の波長と等しい光学長を有し、
前記選択酸化領域は、前記上部又は下部反射層において、前記活性層側より第３周期目に積層されたミラー層内に配置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素子。 - 前記選択酸化領域は、６ｎｍ以上、４６ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする請求項６または７に記載の面発光レーザ素子。
- 前記選択酸化領域は、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の膜厚を有することを特徴とする請求項６または７に記載の面発光レーザ素子。
- 請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、
を備えたことを特徴とするトランシーバ。 - 請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、
該信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
該光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路と、
を備えたことを特徴とする光送受信器。 - 請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
該面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、
該伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
を備えたことを特徴とする光通信システム。
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