JP5515445B2 - Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device - Google Patents

Surface emitting semiconductor laser, surface emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device Download PDF

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。   The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser device, an optical transmission device, and an information processing device.

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、垂直方向に共振器を有し、レーザ光を垂直方向に出射するため利得の異方性を持たない。   A surface emitting semiconductor laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) has a resonator in the vertical direction and emits laser light in the vertical direction, and thus has no gain anisotropy.

面発光型半導体レーザの偏光方向を制御する方法として、傾斜基板を用いることにより基板面方向への利得の異方性を高くして偏光を制御する方法（特許文献１を参照）、メサポストに対して直交する２方向にそれぞれ異なる条件で絶縁膜を成膜し、その２方向の熱膨張差による応力でストレスを付加し偏光を制御する方法（特許文献２を参照）、および電流狭窄層の絶縁領域に異方性を持たせ、その不均一な分布が及ぼす活性層への応力により偏光を制御する方法（特許文献３を参照）などがある。   As a method of controlling the polarization direction of a surface emitting semiconductor laser, a method of controlling polarization by increasing the gain anisotropy in the substrate surface direction by using an inclined substrate (see Patent Document 1), Insulating the current confinement layer by forming an insulating film in two different directions perpendicular to each other, applying stress with stress due to the difference in thermal expansion in the two directions and controlling polarization (see Patent Document 2) There is a method in which the region is made anisotropic and the polarization is controlled by the stress on the active layer caused by the uneven distribution (see Patent Document 3).

特許第２６０５６３７号Patent No. 2605637 特公平７−７３１３９号JP 7-73139 特開２００８−１６８２４号JP 2008-16824 A

本発明は、偏光を制御することができる面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser capable of controlling polarization.

請求項１は、基板と、基板上に形成されかつ垂直共振器を含み、頂部の出射領域からレーザ光を出射可能なレーザ素子部と、基板上に形成されかつ各々が垂直共振器を含み、前記レーザ素子部を間において対向する側にそれぞれ配置された第１組の発熱素子部と、前記第１組の発熱素子部の配列方向と直交する方向に配列された第２組の発熱素子部と、Claim 1 includes a substrate, a vertical resonator formed on the substrate and capable of emitting laser light from a top emission region, and formed on the substrate and each including a vertical resonator, A first set of heat generating element portions arranged on opposite sides of the laser element portion, and a second set of heat generating element portions arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction of the first set of heat generating element portions When,
前記レーザ素子部に駆動電流を供給するための第１の電極部と、前記第１組の発熱素子部に駆動電流を供給するための第２の電極部と、前記第２組の発熱素子部に駆動電流を供給するための第３の電極部とを有し、第１組および第２組の各発熱素子部の出射領域は遮蔽され、前記第２組の発熱素子部は、前記第１組の発熱素子部と独立して駆動され、前記基板上に複数の前記レーザ素子部が前記基板の素子形成面におけるＸ方向および当該Ｘ方向と直交するＹ方向に配置され、各レーザ素子部が前記第１および第２組の発熱素子部によって挟まれている、面発光型半導体レーザ。  A first electrode section for supplying a driving current to the laser element section; a second electrode section for supplying a driving current to the first set of heating element sections; and the second set of heating element sections. A third electrode portion for supplying a driving current to the first set and the second set of heat generation element portions are shielded, and the second set of heat generation element portions are arranged in the first set. A plurality of the laser element units are driven independently of a pair of heating element units, and a plurality of the laser element units are arranged on the substrate in the X direction on the element forming surface of the substrate and in the Y direction orthogonal to the X direction. A surface-emitting type semiconductor laser sandwiched between the first and second heat generating element portions.
請求項２は、前記基板の素子形成面におけるＸ方向の結晶方位が［０，１，１］または［０，１，−１］であるとき、Ｙ方向の結晶方位が［０，１，−１］または［０，１，１］であり、前記第１組および第２組の発熱素子部の配列方向は、Ｘ方向の結晶方位またはＹ方向の結晶方位と平行である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。According to a second aspect of the present invention, when the crystal orientation in the X direction on the element forming surface of the substrate is [0, 1, 1] or [0, 1, -1], the crystal orientation in the Y direction is [0, 1, − 1] or [0, 1, 1], and the arrangement direction of the first and second sets of heating element portions is parallel to the crystal orientation in the X direction or the crystal orientation in the Y direction. The surface emitting semiconductor laser described.
請求項３は、前記レーザ素子部の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第１の上部電極が形成され、第１の上部電極には、レーザ光を出射可能な開口が形成され、前記第１組の発熱素子部の各々の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第２の上部電極が形成され、第２の上部電極は、レーザ光を遮蔽し、前記第２組の発熱素子部の各々の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第３の上部電極が形成され、第３の上部電極は、レーザ光を遮蔽する、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。According to a third aspect of the present invention, a first upper electrode electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of the laser element portion, and laser light can be emitted to the first upper electrode. A second upper electrode electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of each of the first set of heating element portions, and the second upper electrode is A third upper electrode that shields the laser beam and is electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of each of the second set of heating element portions, and the third upper electrode The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the laser beam is shielded.
請求項４は、前記レーザ素子部は、第１の溝によって隔離された第１の柱状構造を有し、前記第１の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第１の酸化領域を含み、前記第１組の発熱素子部は、第２の溝によって隔離された第２の柱状構造を有し、前記第２の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第２の酸化領域を含み、前記第２組の発熱素子部は、第３の溝によって隔離された第３の柱状構造を有し、前記第３の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第３の酸化領域を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。According to a fourth aspect of the present invention, the laser element portion has a first columnar structure separated by a first groove, and the first columnar structure includes a first oxidized region selectively oxidized from a side wall. And the first set of heat generating element portions have a second columnar structure separated by a second groove, and the second columnar structure is a second oxidized region selectively oxidized from the side wall. And the second set of heat generating element portions has a third columnar structure separated by a third groove, and the third columnar structure is selectively oxidized from the side wall by a third oxidation. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, comprising a region.
請求項５は、前記第２および第３の酸化領域によって囲まれた第２および第３の導電領域の径は、前記第１の酸化領域によって囲まれた第１の導電領域の径よりも小さい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。The diameter of the 2nd and 3rd electroconductive area | region enclosed by the said 2nd and 3rd oxidation area | region is smaller than the diameter of the 1st electroconductive area | region enclosed by the said 1st oxidation area | region. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4.
請求項６は、前記第１、第２および第３の溝は、熱可塑性樹脂によって充填されている、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。6. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the first, second and third grooves are filled with a thermoplastic resin.
請求項７は、前記第１の柱状構造は、前記レーザ素子部と前記第１組の発熱素子部の配列方向に延びる第１の連結部によって前記第２の柱状構造に接続され、かつ前記レーザ素子部と前記第２組の発熱素子部の配列方向に延びる第２の連結部によって前記第３の柱状構造に接続される、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。According to a seventh aspect of the present invention, the first columnar structure is connected to the second columnar structure by a first coupling portion extending in an arrangement direction of the laser element portion and the first set of heating element portions, and the laser. 5. The surface-emitting type semiconductor laser according to claim 4, wherein the surface emitting semiconductor laser is connected to the third columnar structure by a second connecting portion extending in an arrangement direction of the element portion and the second set of heat generating element portions.
請求項８は、前記第１の電極部は、前記第１の上部電極に金属配線を介して接続された電極パッドを含み、前記第２の電極部は、前記第２の上部電極に金属配線を介して接続された共通の電極パッドを含み、前記第３の電極部は、前記第３の上部電極に金属配線を介して接続された共通の電極パッドを含む、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。The first electrode unit includes an electrode pad connected to the first upper electrode through a metal wiring, and the second electrode unit includes a metal wiring to the second upper electrode. 4. The surface according to claim 3, comprising a common electrode pad connected via a metal wire, wherein the third electrode portion includes a common electrode pad connected to the third upper electrode via a metal wiring. Light emitting semiconductor laser.
請求項９は、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser device comprising the surface-emitting type semiconductor laser according to any one of the first to eighth aspects and an optical member that receives light from the surface-emitting type semiconductor laser.
請求項１０は、面発光型半導体レーザ装置はさらに、前記レーザ素子部と前記第１組および第２組の発熱素子部を駆動するための駆動手段を含む、請求項９に記載の面発光型半導体レーザ装置。10. The surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 9, wherein the surface-emitting type semiconductor laser device further includes driving means for driving the laser element portion and the first and second sets of heat generating element portions. Semiconductor laser device.
請求項１１は、面発光型半導体レーザ装置はさらに、基板上の前記第１組または第２組の発熱素子部の発熱温度を検出する検出手段を含み、前記駆動手段は、前記検出手段によって検出された発熱温度に基づき第１組または第２組の発熱素子部への駆動電流を制御する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ装置。According to an eleventh aspect of the present invention, the surface-emitting type semiconductor laser device further includes detection means for detecting a heat generation temperature of the first set or the second set of heating element portions on the substrate, and the driving means is detected by the detection means. The surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 10, wherein a drive current to the first set or the second set of heat generating elements is controlled based on the generated heat generation temperature.
請求項１２は、請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。A twelfth aspect of the present invention provides an optical transmission comprising the surface-emitting type semiconductor laser device according to the ninth aspect and a transmission means for transmitting a laser beam emitted from the surface-emitting type semiconductor laser device through an optical medium. apparatus.
請求項１３は、請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。A thirteenth aspect of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to any one of the first to eighth aspects, a condensing unit that condenses laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser onto a recording medium, and the concentrating unit. A mechanism for scanning the recording medium with the laser beam condensed by the optical means.

請求項１、２によれば、発熱素子部を持たない構成と比較して、簡易な構成でレーザ光の偏光を制御することができる。
請求項３によれば、上部電極でレーザ光を遮蔽することで簡単に発熱素子部を形成することができる。
請求項４によれば、発熱素子部を持たない選択酸化型の面発光型半導体レーザと比較して、低コストの製造工程を用いてレーザ光の偏光を制御可能な選択酸化型の面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項５によれば、第２および第３の導電領域が第１の導電領域と同じ大きさであるものと比較して、発熱素子部の発熱効率を改善することができる。
請求項６によれば、熱可塑性樹脂を充填しない場合と比較して、レーザ素子部と発熱素子部の配列方向の熱分布の異方性を顕著にすることができる。
請求項７によれば、第1の連結部を持たない構成と比較して、レーザ素子部と発熱素子部の配列方向の熱分布の異方性を顕著にすることができる。
請求項８によれば、レーザ素子部の偏光方向をこれと直交する他の偏光方向にスイッチングさせることができる。
請求項９によれば、面発光型半導体レーザ装置から偏光制御されたレーザ光を出射させることができる。
請求項１０によれば、面発光型半導体レーザ装置においてレーザ素子部および発熱素子部の駆動を行うことができる。
請求項１１によれば、発熱素子部の消費電力を低減することができる。
請求項１２によれば、光伝送装置から偏光制御されたレーザ光を伝送させることができる。
請求項１３によれば、情報処理装置において偏光制御されたレーザ光を用いて情報処理をすることができる。 According to the first and second aspects, the polarization of the laser beam can be controlled with a simple configuration as compared with the configuration without the heat generating element portion.
According to the third aspect , the heat generating element can be easily formed by shielding the laser beam with the upper electrode.
According to the fourth aspect of the present invention, the selective oxidation type surface emitting type capable of controlling the polarization of the laser beam by using a low-cost manufacturing process as compared with the selective oxidation type surface emitting semiconductor laser having no heating element portion. A semiconductor laser can be provided.
According to the fifth aspect , it is possible to improve the heat generation efficiency of the heat generating element portion as compared with the second and third conductive regions having the same size as the first conductive region.
According to the sixth aspect , the anisotropy of the heat distribution in the arrangement direction of the laser element portion and the heating element portion can be made remarkable as compared with the case where the thermoplastic resin is not filled.
According to the seventh aspect , the anisotropy of the heat distribution in the arrangement direction of the laser element part and the heat generating element part can be made remarkable as compared with the configuration without the first connecting part.
According to the eighth aspect , it is possible to switch the polarization direction of the laser element unit to another polarization direction orthogonal thereto.
According to the ninth aspect, it is possible to emit the polarization-controlled laser light from the surface emitting semiconductor laser device.
According to the tenth aspect, it is possible to drive the laser element portion and the heating element portion in the surface emitting semiconductor laser device.
According to the eleventh aspect , it is possible to reduce the power consumption of the heating element portion.
According to the twelfth aspect , the polarization-controlled laser light can be transmitted from the optical transmission device.
According to the thirteenth aspect , information processing can be performed using the laser light whose polarization is controlled in the information processing apparatus.

本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。1 is a plan view of a surface emitting semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. 図１のＡ−Ａ線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 図１のＢ−Ｂ線断面図である。It is the BB sectional view taken on the line of FIG. 本実施例の面発光型半導体レーザの駆動方法を説明する図である。It is a figure explaining the drive method of the surface emitting semiconductor laser of a present Example. 本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser which concerns on the 2nd Example of this invention. 図５のＡ１−Ａ１線断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line A1-A1 of FIG. 本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser which concerns on the 3rd Example of this invention. 図７のＡ２−Ａ２線断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A2-A2 of FIG. 本発明の第４の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser which concerns on the 4th Example of this invention. 本発明の第５の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser which concerns on the 5th Example of this invention. 本発明の第６の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser which concerns on the 6th Example of this invention. 本実施例の面発光型半導体レーザに光学部品を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the surface emitting semiconductor laser apparatus which mounted the optical component in the surface emitting semiconductor laser of a present Example. 本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the light source device which uses the surface emitting semiconductor laser of a present Example. 図１２に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the optical transmission apparatus using the surface emitting semiconductor laser apparatus shown in FIG.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、選択酸化型の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。なお、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されており、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。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, a selective oxidation type surface emitting semiconductor laser is illustrated, and the surface emitting semiconductor laser is referred to as a VCSEL. It should be noted that the scale of the drawings is emphasized for easy understanding of the features of the invention and is not necessarily the same as the scale of an actual device.

図１は、本発明の第1の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。   1 is a schematic plan view of a VCSEL according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.

第1の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、図１に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、レーザ光を出射するレーザ素子部２０と、レーザ素子部２０を挟むようにレーザ素子部２０の対向する側に配置された２つのダミー素子部３０Ａ、３０Ｂとを有する。レーザ素子部２０は、基板上に垂直共振器を有し、垂直共振器によって発振されたレーザ光を頂部の出射領域から基板とほぼ垂直方向に出射する。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、基板上に垂直共振器を有し、垂直共振器によって光を発振させるが、その頂部の出射領域からレーザ光を外部へ出射せず、基板上の発熱素子部として機能する。   As shown in FIG. 1, the VCSEL 10 according to the first embodiment includes a laser element unit 20 that emits laser light on an n-type GaAs substrate 100 and a laser element unit 20 that sandwiches the laser element unit 20. It has two dummy element parts 30A and 30B arranged on the opposite sides. The laser element unit 20 has a vertical resonator on the substrate, and emits laser light oscillated by the vertical resonator from the top emission region in a direction substantially perpendicular to the substrate. The dummy element units 30A and 30B have a vertical resonator on the substrate and oscillate light by the vertical resonator, but do not emit laser light to the outside from the emission region at the top, and serve as a heating element unit on the substrate. Function.

レーザ素子部２０は、基板１００上の半導体層をエッチングし環状の溝２２を形成することで、円筒状のメサまたはポスト状（柱状構造）に加工される。図１は、ＧａＡｓウエハから切り落とされた１つの矩形状のチップを例示し、レーザ素子部２０は、矩形状のチップのほぼ中央に位置されている。符号１００Ａは、ウエハの切断領域を示している。   The laser element portion 20 is processed into a cylindrical mesa or post shape (columnar structure) by etching the semiconductor layer on the substrate 100 to form an annular groove 22. FIG. 1 illustrates one rectangular chip cut off from a GaAs wafer, and the laser element unit 20 is positioned substantially at the center of the rectangular chip. Reference numeral 100A denotes a wafer cutting area.

２つのダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、レーザ素子部２０と同様に、基板上の半導体層をエッチングし環状の溝３２を形成することで、円筒状のメサまたはポスト状に加工される。レーザ素子部２０の光軸（円筒状のメサの軸中心）とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの光軸（円筒状のメサの軸中心）を結ぶ線は、直線状または線形であることが望ましい。これらの光軸を結んだ直線を、レーザ素子部とダミー素子部の配列方向という。   Similar to the laser element unit 20, the two dummy element units 30A and 30B are processed into a cylindrical mesa or post by etching the semiconductor layer on the substrate to form an annular groove 32. The line connecting the optical axis of the laser element portion 20 (axial center of the cylindrical mesa) and the optical axis of the dummy element portions 30A and 30B (axial center of the cylindrical mesa) is preferably linear or linear. A straight line connecting these optical axes is referred to as an arrangement direction of the laser element portion and the dummy element portion.

ここで、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１００の素子形成面におけるＸ方向の結晶方位を［０、１、１］、Ｙ方向の結晶方位を［０、１、−１］としたとき、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの配列方向は、Ｘ方向の結晶方位またはＹ方向の結晶方位と平行であることが望ましい。Ｘ方向またはＹ方向の結晶方位は、ＧａＡｓウエハの位置合わせ部、例えば、オリエンテーションフラット(orientation flat)、に対して平行または直交、あるいはこれと一定の角度となるように予め決められた関係を有する。以後の説明から明らかになるように、レーザ光の偏光方向は、オリエンテーションフラットから容易に認識することが可能になる。   Here, as shown in FIG. 1, when the crystal orientation in the X direction on the element forming surface of the GaAs substrate 100 is [0, 1, 1] and the crystal orientation in the Y direction is [0, 1, -1], The arrangement direction of the laser element portion 20 and the dummy element portions 30A and 30B is preferably parallel to the crystal orientation in the X direction or the crystal orientation in the Y direction. The crystal orientation in the X direction or the Y direction has a predetermined relationship so as to be parallel or orthogonal to the alignment portion of the GaAs wafer, for example, an orientation flat, or at a constant angle thereto. . As will be apparent from the following description, the polarization direction of the laser light can be easily recognized from the orientation flat.

ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、レーザ素子部２０と熱的に結合されるようにレーザ素子部２０から一定の距離内に配置される。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、基板上の発熱素子部として機能し、その発熱によって基板上に異方性または方向性のある熱分布または熱応力を生じさせる。   The dummy element units 30 </ b> A and 30 </ b> B are arranged within a certain distance from the laser element unit 20 so as to be thermally coupled to the laser element unit 20. The dummy element portions 30A and 30B function as heat generating element portions on the substrate, and the heat generation causes anisotropic or directional heat distribution or thermal stress on the substrate.

次に、図２および図３を参照してレーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの詳細を説明する。ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Distributed Bragg Reflector（ＤＢＲ）を構成するｎ型の下部多層反射鏡１０２が形成される。下部多層反射鏡１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを交互に複数の周期（ペア）で積層する。各層の厚さは、λ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）である。下部多層反射鏡１０２上に、下部スペーサ層１０４、量子井戸活性層１０６、上部スペーサ層１０８が形成される。下部スペーサ層１０４および上部スペーサ層１０８は、例えば、アンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓから構成される。量子井戸活性層１０６は、例えば、アンドープのＧａＡｓ量子井戸層とアンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ障壁層で構成される。下部および上部スペーサ層１０４、１０８と量子井戸活性層１０６とを合わせた膜厚は、λ／ｎｒである。上部スペーサ層１０８上に、ｐ型の上部多層反射鏡（ＤＢＲ）１１０が形成される。上部多層反射鏡１１０は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓを交互に複数のペアで積層する。各層の厚さは、下部多層反射鏡１０２と同様に媒質内波長の１／４である。上部多層反射鏡１１０の最下層には、ｐ型のＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１１２が形成され、反対側の最上層には、例えば、キャリア濃度が一段と高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４が形成される。 Next, details of the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B will be described with reference to FIGS. On the n-type GaAs substrate 100, an n-type lower multilayer reflecting mirror 102 constituting a distributed Bragg reflector (DBR) is formed. For example, the lower multilayer reflector 102 is formed by alternately laminating Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.3 Ga 0.7 As at a plurality of periods (pairs). The thickness of each layer is λ / 4n r (where λ is the oscillation wavelength and n r is the refractive index of the medium). A lower spacer layer 104, a quantum well active layer 106, and an upper spacer layer 108 are formed on the lower multilayer reflector 102. The lower spacer layer 104 and the upper spacer layer 108 are made of undoped Al 0.5 Ga 0.5 As, for example. The quantum well active layer 106 includes, for example, an undoped GaAs quantum well layer and an undoped Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer. The total thickness of the lower and upper spacer layers 104 and 108 and the quantum well active layer 106 is λ / n r . A p-type upper multilayer reflector (DBR) 110 is formed on the upper spacer layer 108. In the upper multilayer reflector 110, for example, Al 0.9 Ga 0.1 As and Al 0.3 Ga 0.7 As are alternately stacked in a plurality of pairs. The thickness of each layer is ¼ of the wavelength in the medium, like the lower multilayer reflecting mirror 102. A p-type AlAs layer (current confinement layer) 112 is formed in the lowermost layer of the upper multilayer reflector 110, and a p-type GaAs contact layer 114 having a higher carrier concentration, for example, is formed in the uppermost layer on the opposite side. Is done.

レーザ素子部２０を規定する環状の溝２２は、少なくともＡｌＡｓ層１１２の側面が露出される深さを有し、例えば下部多層反射鏡１０２の一部に至る深さでエッチングされる。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂを規定する環状の溝３２は、好ましくは溝２２と同時にエッチングされ、溝２２と同一の深さを有する。図２に示す例では、溝２２と溝３３の径は同じであり、その結果、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの円筒状の外径はほぼ同じである。   The annular groove 22 defining the laser element portion 20 has a depth at which at least the side surface of the AlAs layer 112 is exposed, and is etched to a depth reaching, for example, a part of the lower multilayer reflecting mirror 102. The annular groove 32 that defines the dummy element portions 30 </ b> A and 30 </ b> B is preferably etched simultaneously with the groove 22 and has the same depth as the groove 22. In the example shown in FIG. 2, the diameters of the groove 22 and the groove 33 are the same. As a result, the cylindrical outer diameters of the laser element portion 20 and the dummy element portions 30A and 30B are substantially the same.

レーザ素子部２０のＡｌＡｓ層１１２は、溝２２によって露出された側面から内部に向けて一定の距離を選択的に酸化される。これにより、ＡｌＡｓ層１１２には、外縁を取り囲む酸化領域１１２Ａと、酸化領域１１２Ａによって囲まれた導電領域１１２Ｂとが形成され、導電領域１１２Ｂの平面視野は円形状となる。また、導電領域１１２Ｂの径は、好ましくは基本横モードを発振する大きさであり、例えば３ミクロン程度もしくはそれ以下である。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂもまた同様に、そのＡｌＡｓ層１１２内に選択的に酸化された酸化領域１１２Ａとそれによって囲まれた導電領域１１２Ｂを有する。   The AlAs layer 112 of the laser element portion 20 is selectively oxidized at a certain distance from the side surface exposed by the groove 22 toward the inside. Thus, an oxidized region 112A surrounding the outer edge and a conductive region 112B surrounded by the oxidized region 112A are formed in the AlAs layer 112, and the planar field of view of the conductive region 112B is circular. The diameter of the conductive region 112B is preferably a size that oscillates the fundamental transverse mode, and is, for example, about 3 microns or less. Similarly, the dummy element portions 30A and 30B also have an oxidized region 112A selectively oxidized in the AlAs layer 112 and a conductive region 112B surrounded by the oxidized region 112A.

選択酸化されたＡｌＡｓ層１１２は、コンタクト層１１４から注入された電流を酸化領域１１２Ａで絞り込み、電流密度の高いキャリアを活性層１０６へ供給する電流狭窄層として機能し、かつ同時に、活性層で発生された光を閉じ込める機能を有する。   The selectively oxidized AlAs layer 112 functions as a current confinement layer that narrows the current injected from the contact layer 114 in the oxidized region 112A and supplies carriers with high current density to the active layer 106, and is generated in the active layer at the same time. A function of confining the emitted light.

レーザ素子部２０の頂部の出射領域には、環状のｐ側電極１２０が形成される。ｐ側電極は、金、または金と他の金属の積層や合金から構成される。ｐ側電極１２０は、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４に電気的に接続され、レーザ素子部２０に電流を注入する。また、ｐ側電極１２０の中央には、円形状の開口１２０Ａが形成され、開口１２０Ａの中心は、導電領域１１２Ｂの中心にほぼ一致する。開口１２０Ａは、レーザ光を出射するときの出射窓として機能する。   An annular p-side electrode 120 is formed in the emission region at the top of the laser element unit 20. The p-side electrode is made of gold or a laminate or alloy of gold and another metal. The p-side electrode 120 is electrically connected to the p-type GaAs contact layer 114 and injects a current into the laser element unit 20. Further, a circular opening 120A is formed at the center of the p-side electrode 120, and the center of the opening 120A substantially coincides with the center of the conductive region 112B. The opening 120A functions as an emission window when emitting laser light.

他方、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの頂部の出射領域には、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４に電気的に接続される円形状のｐ側電極１３０が形成される。ｐ側電極１３０は、好ましくはｐ側電極１２０と同一工程で同一材料を用いて形成することができるが、ｐ側電極１３０は、ｐ側電極１２０と異なり、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの頂部の出射領域のほぼ全面を覆うことに留意すべきである。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、注入された駆動電流に応じてレーザ発振をするが、発振されたレーザ光は、ｐ側電極１３０で遮蔽され内部に留保されるため、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂにより効果的に熱が発生される。なお、本例では、ｐ側電極１３０によってダミー素子部の出射領域を遮蔽したが、ｐ側電極１３０とは別の遮蔽材料を出射領域に形成するようにしてもよい。   On the other hand, a circular p-side electrode 130 that is electrically connected to the p-type GaAs contact layer 114 is formed in the emission region at the top of the dummy element portions 30A and 30B. The p-side electrode 130 can be preferably formed using the same material in the same process as the p-side electrode 120, but the p-side electrode 130 is different from the p-side electrode 120 in the top of the dummy element portions 30 </ b> A and 30 </ b> B. It should be noted that it covers almost the entire surface of the emission area. The dummy element units 30A and 30B oscillate in accordance with the injected drive current. Since the oscillated laser light is shielded by the p-side electrode 130 and retained inside, the dummy element units 30A and 30B Heat is generated effectively. In this example, the emission region of the dummy element portion is shielded by the p-side electrode 130, but a shielding material different from that of the p-side electrode 130 may be formed in the emission region.

レーザ素子部２０およびダミー素子部３０Ａ、３０Ｂを含む基板上に、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ等の絶縁膜からなる層間絶縁膜１４０が形成される。レーザ素子部２０の頂部において、層間絶縁膜１４０には、ｐ側電極１２０を露出するためのコンタクトホール１４２が形成される。また、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの頂部において、層間絶縁膜１４０には、ｐ側電極１３０を露出するためのコンタクトホール１４４が形成される。レーザ素子部２０のｐ側電極１２０は、図１および図３に示すように、コンタクトホール１４２を介して金属配線１５０に接続され、金属配線１５０は、層間絶縁膜１４０上を延在して電極パッド１５２に接続される。また、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂのｐ側電極１３０は、コンタクトホール１４４を介して金属配線１６０に接続され、金属配線１６０は、層間絶縁膜１４０上を延在してもう１つの電極パッド１６２に接続される。最後に、基板１００の裏面には、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂに共通のｎ側電極１７０が形成される。   An interlayer insulating film 140 made of an insulating film such as SiNx or SiON is formed on the substrate including the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B. A contact hole 142 for exposing the p-side electrode 120 is formed in the interlayer insulating film 140 at the top of the laser element portion 20. Further, a contact hole 144 for exposing the p-side electrode 130 is formed in the interlayer insulating film 140 at the tops of the dummy element portions 30A and 30B. As shown in FIGS. 1 and 3, the p-side electrode 120 of the laser element unit 20 is connected to a metal wiring 150 through a contact hole 142. The metal wiring 150 extends over the interlayer insulating film 140 and is an electrode. Connected to pad 152. Further, the p-side electrode 130 of the dummy element portions 30A and 30B is connected to the metal wiring 160 through the contact hole 144, and the metal wiring 160 extends on the interlayer insulating film 140 and forms another electrode pad 162. Connected. Finally, an n-side electrode 170 common to the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B is formed on the back surface of the substrate 100.

次に、本実施例のＶＣＳＥＬの動作について説明する。図４は、図１に示すＶＣＳＥＬの駆動方法の一例を示す図である。レーザ素子部２０のｐ側電極１２０は、電極パッド１５２を介して駆動回路１８０に接続され、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂのｐ側電極１３０は、電極パッド１６２を介して発熱制御回路１９０に接続される。ｎ側電極１７０は、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの共通のカソード電極となる。   Next, the operation of the VCSEL of this embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a method of driving the VCSEL illustrated in FIG. The p-side electrode 120 of the laser element unit 20 is connected to the drive circuit 180 through the electrode pad 152, and the p-side electrode 130 of the dummy element units 30A and 30B is connected to the heat generation control circuit 190 through the electrode pad 162. The The n-side electrode 170 serves as a common cathode electrode for the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B.

駆動回路１８０は、しきい値を超える駆動電流をレーザ素子部２０に供給し、これに応じて活性層１０６で発生された光は、垂直共振器を構成する下部多層反射鏡１０２と上部多層反射鏡１１０によって発振され、発振されたレーザ光は、レーザ素子部２０の頂部から出射される。例えば、８５０ｎｍのシングル横モードのレーザ光が、ｐ側電極１２０の開口１２０Ａから基板と垂直な方向に出射される。   The drive circuit 180 supplies a drive current exceeding a threshold value to the laser element unit 20, and light generated in the active layer 106 in response thereto is reflected by the lower multilayer reflector 102 and the upper multilayer reflector constituting the vertical resonator. The laser beam oscillated by the mirror 110 is emitted from the top of the laser element unit 20. For example, a single transverse mode laser beam of 850 nm is emitted from the opening 120A of the p-side electrode 120 in a direction perpendicular to the substrate.

他方、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂには、発熱駆動回路１９０からしきい値を超える駆動電流が供給される。ダミー素子３０Ａ、３０Ｂは、印加された駆動電流に応じてレーザ発振をするが、その頂部の出射領域は、ｐ側電極１３０によって遮蔽されているため、レーザ光は外部に出射されない。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂで生じた熱は、基板１００を介してレーザ素子部２０に熱伝導される。これにより、基板上のレーザ素子部２０およびダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの配列方向に方向性のある熱分布が生じ、基板上のレーザ素子部に異方性のある熱応力または熱歪が与えられる。レーザ素子部２０は、このような熱応力または熱的歪により偏光方向を特定の方向に安定化するように制御される。また、発熱制御回路１９０による駆動電流の印加を停止すれば、レーザ素子部２０から出射されるレーザ光の偏光は、不安定な状態に戻り得る。   On the other hand, a driving current exceeding a threshold value is supplied from the heat generation driving circuit 190 to the dummy element portions 30A and 30B. The dummy elements 30A and 30B oscillate in accordance with the applied drive current, but the top emission region is shielded by the p-side electrode 130, so that no laser light is emitted to the outside. Heat generated in the dummy element portions 30 </ b> A and 30 </ b> B is thermally conducted to the laser element portion 20 through the substrate 100. Thereby, a directional heat distribution is generated in the arrangement direction of the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B on the substrate, and anisotropic thermal stress or thermal strain is applied to the laser element unit on the substrate. . The laser element unit 20 is controlled so as to stabilize the polarization direction in a specific direction by such thermal stress or thermal strain. If the application of the drive current by the heat generation control circuit 190 is stopped, the polarization of the laser light emitted from the laser element unit 20 can return to an unstable state.

好ましくは、発熱制御回路１９０は、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの発熱量を制御するため、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの発熱状態を検出する温度センサー１９２からの出力に基づき駆動電流を制御することができる。これにより、基板上の方向性のある温度分布を一定に保ちながら、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂによる無駄な消費電力を抑制する。なお、駆動回路１８０、発熱制御回路１９０および温度センサー１９２は、ＶＣＳＥＬと同一のパッケージ内に収容されることが好ましい。   Preferably, the heat generation control circuit 190 controls the drive current based on the output from the temperature sensor 192 that detects the heat generation state of the dummy element units 30A and 30B in order to control the heat generation amount of the dummy element units 30A and 30B. it can. Thereby, wasteful power consumption by the dummy element portions 30A and 30B is suppressed while the directional temperature distribution on the substrate is kept constant. Note that the drive circuit 180, the heat generation control circuit 190, and the temperature sensor 192 are preferably housed in the same package as the VCSEL.

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａの平面図、図６は、そのＡ１−Ａ１線断面図である。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａでは、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの配列方向は、結晶方位［０１−１］と平行である。さらに、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの外径をレーザ素子部２０の外径よりも小さくすることで、ダミー素子部３０Ａ、３０ＢのＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１１２に形成される導電領域１１２Ｂの径を、レーザ素子部２０に形成される導電領域１１２Ｂの径よりも小さくする。ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの導電領域１１２Ｂの径をより小さくすることで、電気的抵抗が増加し、そこでの発熱効率は向上する。従って、第２の実施例では、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂへの駆動電流を小さくしても効率よく大きな発熱を得られ、消費電力の低減に寄与する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a plan view of a VCSEL 10A according to the second embodiment, and FIG. 6 is a sectional view taken along line A1-A1. In the VCSEL 10A according to the second embodiment, the arrangement direction of the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B is parallel to the crystal orientation [01-1]. Further, by making the outer diameter of the dummy element portions 30A and 30B smaller than the outer diameter of the laser element portion 20, the diameter of the conductive region 112B formed in the AlAs layer (current confinement layer) 112 of the dummy element portions 30A and 30B. Is made smaller than the diameter of the conductive region 112 </ b> B formed in the laser element portion 20. By reducing the diameter of the conductive region 112B of the dummy element portions 30A and 30B, the electrical resistance is increased, and the heat generation efficiency there is improved. Therefore, in the second embodiment, even if the drive current to the dummy element portions 30A and 30B is reduced, large heat generation can be obtained efficiently, contributing to reduction of power consumption.

なお、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの半導体層の構成が同一であり、かつ同一の酸化工程によって双方の素子に同時に酸化領域１１２Ａを形成する場合には、上記のように、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの外径を異ならせる必要があるが、レーザ素子部２０とダミー素子部３０Ａ、３０Ｂの酸化工程を別々に行う場合には、両者のメサの外径は同一であってもよい。さらに、双方の素子のＡｌＡｓ層の膜厚あるいはＡｌの濃度が異なるような場合には、両者のメサの外径は同一であってもよいし、同一の酸化工程で選択酸化を行い導電領域の径を可変としもよい。   In the case where the laser element portion 20 and the dummy element portions 30A and 30B have the same semiconductor layer configuration and the oxide region 112A is simultaneously formed in both elements by the same oxidation step, the laser is used as described above. Although it is necessary to make the outer diameters of the element part 20 and the dummy element parts 30A and 30B different, when the oxidation process of the laser element part 20 and the dummy element parts 30A and 30B is performed separately, the outer diameters of both mesas are It may be the same. Further, when the AlAs layer thickness or Al concentration of both elements is different, the outer diameters of both mesas may be the same, or selective oxidation is performed in the same oxidation step to The diameter may be variable.

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図７は、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂの平面図、図８は、そのＡ２−Ａ２線断面図である。第１および第２の実施例では、レーザ素子部２０およびダミー素子部３０Ａ、３０Ｂは、環状の溝２２、３２による空間によって隔離されているが、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂでは、溝２２および３２にブリッジ（連結部）２４Ａ、２４Ｂが形成されている。ブリッジ２４Ａ、２４Ｂは、配列方向に平行に延在し、ダミー素子部３０Ａは、ブリッジ２４Ａによってレーザ素子部２０に連結され、ダミー素子部３０Ｂは、ブリッジ２４Ｂによってレーザ素子部２０に連結されている。ブリッジ２４Ａ、２４Ｂは、半導体層のエッチングパターンを変更し、半導体層を残存させることによってメサと一体に形成することができる。あるいは、他の部材を用いてブリッジ２４Ａ、２４Ｂを構成するようにしてもよい。このようなブリッジ２４Ａ、２４Ｂを形成することによって、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂとレーザ素子部２０の配列方向の熱的結合は向上する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a plan view of a VCSEL 10B according to the third embodiment, and FIG. 8 is a sectional view taken along line A2-A2. In the first and second embodiments, the laser element portion 20 and the dummy element portions 30A and 30B are separated by a space formed by the annular grooves 22 and 32. However, in the VCSEL 10B according to the third embodiment, the groove 22 And 32 are formed with bridges (connecting portions) 24A and 24B. The bridges 24A and 24B extend in parallel to the arrangement direction, the dummy element unit 30A is connected to the laser element unit 20 by the bridge 24A, and the dummy element unit 30B is connected to the laser element unit 20 by the bridge 24B. . The bridges 24A and 24B can be formed integrally with the mesa by changing the etching pattern of the semiconductor layer and leaving the semiconductor layer. Or you may make it comprise bridge | bridging 24A, 24B using another member. By forming such bridges 24A and 24B, the thermal coupling in the arrangement direction of the dummy element portions 30A and 30B and the laser element portion 20 is improved.

次に、本発明の第４の実施例について説明する。図９は、第４の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｃの平面図である。第４の実施例では、第３の実施例ように配列方向にブリッジを形成する代わりに、溝２２および溝３３内に、電気的に絶縁性の熱可塑性樹脂３２を充填する。例えば、ポリイミド樹脂などを充填する。これにより、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂとレーザ素子部２０の熱的結合を向上させ、同時に、レーザ素子部２０およびダミー素子部３０Ａ、３０Ｂのメサの機械的な強度を向上させる。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a plan view of a VCSEL 10C according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, instead of forming a bridge in the arrangement direction as in the third embodiment, the electrically insulating thermoplastic resin 32 is filled in the groove 22 and the groove 33. For example, a polyimide resin is filled. Thereby, the thermal coupling between the dummy element units 30A and 30B and the laser element unit 20 is improved, and at the same time, the mechanical strength of the mesas of the laser element unit 20 and the dummy element units 30A and 30B is improved.

次に、本発明の第５の実施例について説明する。図１０は、第５の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｄの平面図である。第５の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｄは、レーザ光の偏光方向をスイッチングさせる機能を有する。図１０に示すように、矩形状のチップの略中央にレーザ素子部２０が形成される。レーザ素子部２０を挟むＸ方向にダミー素子部３０Ａ、３０Ｂが形成され、レーザ素子部２０を挟むＹ方向にダミー素子部３０Ｃ、３０Ｄが形成される。レーザ素子部２０のｐ側電極は、金属配線を介して電極パッド１５２に接続され、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂのｐ側電極は、金属配線を介して第１の電極パッド１６２Ａに接続され、ダミー素子部３０Ｃ、３０Ｄのｐ側電極は、金属配線を介して第２の電極パッド１６２Ｂに接続される。   Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a plan view of a VCSEL 10D according to the fifth embodiment. The VCSEL 10D according to the fifth embodiment has a function of switching the polarization direction of the laser light. As shown in FIG. 10, the laser element portion 20 is formed in the approximate center of a rectangular chip. Dummy element portions 30A and 30B are formed in the X direction across the laser element portion 20, and dummy element portions 30C and 30D are formed in the Y direction across the laser element portion 20. The p-side electrode of the laser element unit 20 is connected to the electrode pad 152 through a metal wiring, and the p-side electrode of the dummy element units 30A and 30B is connected to the first electrode pad 162A through a metal wiring. The p-side electrodes of the element portions 30C and 30D are connected to the second electrode pad 162B through metal wiring.

レーザ素子部２０を駆動するとき、第１の電極パッド１６２Ａからの駆動電流をダミー素子部３０Ａ、３０Ｂに印加することで、Ｘ方向の熱分布によりレーザ素子部２０のレーザ光が第１の偏光方向に制御される。このとき、ダミー素子部３０Ｃ、３０Ｄには、駆動電流は印加されない。他方、ダミー素子部３０Ａ、３０Ｂへの駆動電流を停止し、ダミー素子部３０Ｃ、３０Ｄへ第２の電極パッド１６２Ｂから駆動電流を印加すると、基板上の熱分布がＹ方向に９０度変更されるので、レーザ素子部２０のレーザ光は、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向にスイッチングされる。第５の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ｄは、偏光依存性のある光学素子を複数用いた光学系の光源において有効である。   When the laser element unit 20 is driven, the drive current from the first electrode pad 162A is applied to the dummy element units 30A and 30B, so that the laser light of the laser element unit 20 is converted into the first polarized light by the heat distribution in the X direction. Controlled in direction. At this time, no drive current is applied to the dummy element portions 30C and 30D. On the other hand, when the drive current to the dummy element portions 30A and 30B is stopped and the drive current is applied from the second electrode pad 162B to the dummy element portions 30C and 30D, the heat distribution on the substrate is changed by 90 degrees in the Y direction. Therefore, the laser light of the laser element unit 20 is switched in the second polarization direction orthogonal to the first polarization direction. The VCSEL 10D of the fifth embodiment is effective in a light source of an optical system using a plurality of optical elements having polarization dependency.

次に、本発明の第６の実施例について説明する。図１１は、第６の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｅの平面図である。第６の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｅは、基板上にアレイ状に配置された複数のレーザ素子部と複数のダミー素子部とを有し、複数のレーザ素子部のそれぞれの偏光方向を制御する。図１１において、白い丸は、レーザ素子部を示し、ハッチングされた丸は、ダミー素子部を示す。レーザ素子部は、基板上に３行×３列のアレイ状に配置されている。１つのレーザ素子部は、ｘ方向およびｙ方向に配置されたダミー素子部によって挟まれている。   Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a plan view of a VCSEL 10E according to the sixth embodiment. The VCSEL 10E according to the sixth embodiment includes a plurality of laser element units and a plurality of dummy element units arranged in an array on the substrate, and controls the polarization directions of the plurality of laser element units. In FIG. 11, white circles indicate laser element portions, and hatched circles indicate dummy element portions. The laser element portions are arranged in an array of 3 rows × 3 columns on the substrate. One laser element portion is sandwiched between dummy element portions arranged in the x direction and the y direction.

レーザ素子部が駆動されるとき、例えば、ｍ−１、ｍ−２、ｍ−３の配列方向のダミー素子部に駆動電流が印加され、ｎ−１、ｎ−２、ｎ−３の配列方向のダミー素子部には駆動電流が印加されず、レーザ素子部のレーザ光は、第１の偏光方向に制御される。偏光方向をスイッチングさせるとき、ｎ−１、ｎ−２、ｎ−３の配列方向のダミー素子部に駆動電流が印加され、ｍ−１、ｍ−２、ｍ−３の配列方向のダミー素子部には駆動電流が印加されず、レーザ光は、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向に制御される。   When the laser element unit is driven, for example, a drive current is applied to the dummy element units in the arrangement direction of m−1, m−2, and m−3, and the arrangement direction of n−1, n−2, and n−3. No driving current is applied to the dummy element portion, and the laser light of the laser element portion is controlled in the first polarization direction. When switching the polarization direction, a driving current is applied to the dummy element portions in the arrangement direction of n-1, n-2, and n-3, and the dummy element portion in the arrangement direction of m-1, m-2, and m-3. No driving current is applied to the laser beam, and the laser beam is controlled in a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction.

このように本実施例のＶＣＳＥＬでは、発光素子の周辺に通電可能であるがレーザ光の出射口を持たないダミー素子部を配列することで、通電時にダミー素子部が熱せられチップ内に温度分布が発生し、発光素子部に熱応力が生じることで偏光方向を安定化させている。また、基板上に２次元配列したアレイ素子では、ダミー素子部をアレイ周辺部に配列することで発光素子間の不均一性を抑制している。   As described above, in the VCSEL of this embodiment, by arranging the dummy element portion that can be energized around the light emitting element but does not have the laser light emission port, the dummy element portion is heated during energization, and the temperature distribution in the chip. Is generated, and thermal stress is generated in the light emitting element portion to stabilize the polarization direction. Further, in an array element that is two-dimensionally arranged on the substrate, the non-uniformity among the light emitting elements is suppressed by arranging the dummy element portion at the periphery of the array.

次に、上記した実施例のＶＣＳＥＬを含む面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図１２Ａは、ＶＣＳＥＬと光学部品を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。また、導電性接着剤３２０上には、レーザ素子部とダミー素子部を駆動するための駆動回路が形成された駆動用チップ３１２が実装される。金属ステム３３０の貫通孔（図示省略）を介して外部端子３４０、３４２が取り付けられ、外部端子３４０、３４２は、駆動用チップ３１２に電気的に接続される。   Next, a surface emitting semiconductor laser device, an optical information processing device, and an optical transmission device including the VCSEL of the above-described embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12A is a cross-sectional view illustrating a configuration of a surface emitting semiconductor laser device in which a VCSEL and an optical component are mounted (packaged). In the surface emitting semiconductor laser device 300, the chip 310 on which the VCSEL is formed is fixed on the disk-shaped metal stem 330 via the conductive adhesive 320. On the conductive adhesive 320, a driving chip 312 in which a driving circuit for driving the laser element portion and the dummy element portion is formed is mounted. External terminals 340 and 342 are attached through through holes (not shown) of the metal stem 330, and the external terminals 340 and 342 are electrically connected to the driving chip 312.

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサーを含ませるようにしてもよい。さらに上記例では、駆動用チップ３１２をパッケージ内に収容したが、駆動用チップ３１２は必ずしもパッケージ内に実装することは要しない。   A rectangular hollow cap 350 is fixed on a stem 330 including the chip 310, and a ball lens 360 is fixed in an opening 352 at the center of the cap 350. The optical axis of the ball lens 360 is positioned so as to substantially coincide with the center of the chip 310. When a forward voltage is applied between the leads 340 and 342, laser light is emitted from the chip 310 in the vertical direction. The distance between the chip 310 and the ball lens 360 is adjusted so that the ball lens 360 is included within the spread angle θ of the laser light from the chip 310. Further, a light receiving element or a temperature sensor for monitoring the light emission state of the VCSEL may be included in the cap. Further, in the above example, the driving chip 312 is accommodated in the package, but the driving chip 312 is not necessarily mounted in the package.

図１２Ｂは、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。   FIG. 12B is a diagram showing the configuration of another surface-emitting type semiconductor laser device. The surface-emitting type semiconductor laser device 302 shown in FIG. 12B is arranged in the center opening 352 of the cap 350 instead of using the ball lens 360. The flat glass 362 is fixed. The center of the flat glass 362 is positioned so as to substantially coincide with the center of the chip 310. The distance between the chip 310 and the flat glass 362 is adjusted so that the opening diameter of the flat glass 362 is equal to or greater than the spread angle θ of the laser light from the chip 310.

図１３は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図１２Ａまたは図１２ＢのようにＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンターなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。また、偏光依存性のあるポリゴンミラーに対して偏光制御されたレーザ光を照射することができるため、像の結像位置や出力のバラツキを抑制することができる。   FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which a VCSEL is applied to a light source of an optical information processing apparatus. As shown in FIG. 12A or FIG. 12B, the optical information processing device 370 is rotated at a constant speed by a collimator lens 372 that receives laser light from a surface-emitting type semiconductor laser device 300 or 302 on which a VCSEL is mounted. The reflected light from the polygon mirror 374 that reflects the light beam at a certain divergence angle, the fθ lens 376 that receives the laser light from the polygon mirror 374 and irradiates the reflection mirror 378, the line-shaped reflection mirror 378, and the reflection light from the reflection mirror 378 A photosensitive drum (recording medium) 380 for forming a latent image is provided. As described above, optical information processing such as a copying machine or a printer having an optical system for condensing the laser light from the VCSEL on the photosensitive drum and a mechanism for scanning the condensed laser light on the optical drum. It can be used as a light source for the apparatus. In addition, since the polarization-controlled polygon mirror can be irradiated to the polarization-dependent polygon mirror, it is possible to suppress variations in image formation position and output.

図１４は、図１２Ａに示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration when the surface-emitting type semiconductor laser device shown in FIG. 12A is applied to an optical transmission device. The optical transmission device 400 includes a cylindrical housing 410 fixed to the stem 330, a sleeve 420 integrally formed on the end surface of the housing 410, a ferrule 430 held in the opening 422 of the sleeve 420, and a ferrule 430. The optical fiber 440 to be held is included. An end of the housing 410 is fixed to a flange 332 formed in the circumferential direction of the stem 330. The ferrule 430 is accurately positioned in the opening 422 of the sleeve 420 and the optical axis of the optical fiber 440 is aligned with the optical axis of the ball lens 360. The core wire of the optical fiber 440 is held in the through hole 432 of the ferrule 430.

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ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。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。   The laser light emitted from the surface of the chip 310 is collected by the ball lens 360, and the collected light is incident on the core wire of the optical fiber 440 and transmitted. Although the ball lens 360 is used in the above example, other lenses such as a biconvex lens and a plano-convex lens can be used. Further, the optical transmission device 400 may include a drive circuit for applying an electrical signal to the leads 340 and 342. Furthermore, the optical transmission device 400 may include a reception function for receiving an optical signal via the optical fiber 440.

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。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.

例えば、上記実施例では、レーザ素子部およびダミー素子部を円筒状のメサに形成したが、これ以外にも楕円状または矩形状であってもよい。さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、これ以外のＩＩＩ−Ｖ族半導体層を用いたＶＣＳＥＬであってもよい。   For example, in the above-described embodiment, the laser element portion and the dummy element portion are formed in the cylindrical mesa, but may be elliptical or rectangular in addition to this. Further, in the above embodiment, an AlGaAs / GaAs-based VCSEL is illustrated, but a VCSEL using a group III-V semiconductor layer other than this may be used.

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ：ＶＣＳＥＬ
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ，３０Ｄ：ダミー素子部（発熱素子部）
１００：基板
１０２：下部多層反射膜
１０４、１０８：スペーサ層
１０６：活性層（量子井戸活性層）
１１０：上部多層反射膜
１１２：ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）
１１４：コンタクト層
１２０：ｐ側電極
１２２：開口
１３０：ｐ側電極
１４０：層間絶縁膜
１４２、１４４：コンタクトホール
１５０、１６０：配線
１５２、１６２、１６２Ａ、１６２Ｂ：電極パッド
１７０：ｎ側電極 10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E: VCSEL
30A, 30B, 30C, 30D: Dummy element part (heating element part)
100: substrate 102: lower multilayer reflective film 104, 108: spacer layer 106: active layer (quantum well active layer)
110: Upper multilayer reflective film 112: AlAs layer (current confinement layer)
114: contact layer 120: p-side electrode 122: opening 130: p-side electrode 140: interlayer insulating film 142, 144: contact hole 150, 160: wiring 152, 162, 162A, 162B: electrode pad 170: n-side electrode

Claims (13)

基板と、
基板上に形成されかつ垂直共振器を含み、頂部の出射領域からレーザ光を出射可能なレーザ素子部と、
基板上に形成されかつ各々が垂直共振器を含み、前記レーザ素子部を間において対向する側にそれぞれ配置された第１組の発熱素子部と、
前記第１組の発熱素子部の配列方向と直交する方向に配列された第２組の発熱素子部と、
前記レーザ素子部に駆動電流を供給するための第１の電極部と、
前記第１組の発熱素子部に駆動電流を供給するための第２の電極部と、
前記第２組の発熱素子部に駆動電流を供給するための第３の電極部とを有し、
第１組および第２組の各発熱素子部の出射領域は遮蔽され、
前記第２組の発熱素子部は、前記第１組の発熱素子部と独立して駆動され、
前記基板上に複数の前記レーザ素子部が前記基板の素子形成面におけるＸ方向および当該Ｘ方向と直交するＹ方向に配置され、各レーザ素子部が前記第１および第２組の発熱素子部によって挟まれている、面発光型半導体レーザ。 A substrate,
A laser element portion formed on a substrate and including a vertical resonator, capable of emitting laser light from a top emission region;
A first set of heat generating element portions each formed on a substrate and each including a vertical resonator and disposed on opposite sides of the laser element portion;
A second set of heating element units arranged in a direction orthogonal to the arrangement direction of the first set of heating element units;
A first electrode portion for supplying a driving current to the laser element portion;
A second electrode portion for supplying a driving current to the first set of heating element portions;
A third electrode portion for supplying a driving current to the second set of heating element portions,
The emission region of each heating element portion of the first set and the second set is shielded,
The second set of heating element units is driven independently of the first set of heating element units,
A plurality of the laser element portions are arranged on the substrate in the X direction on the element formation surface of the substrate and the Y direction orthogonal to the X direction, and each laser element portion is formed by the first and second sets of heating element portions. A surface emitting semiconductor laser sandwiched between the two. 前記基板の素子形成面におけるＸ方向の結晶方位が［０，１，１］または［０，１，−１］であるとき、Ｙ方向の結晶方位が［０，１，−１］または［０，１，１］であり、前記第１組および第２組の発熱素子部の配列方向は、Ｘ方向の結晶方位またはＹ方向の結晶方位と平行である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。 When the crystal orientation in the X direction on the element formation surface of the substrate is [0, 1, 1] or [0, 1, -1], the crystal orientation in the Y direction is [0, 1, -1] or [0 , 1, 1], and the arrangement direction of the first and second sets of heating element portions is parallel to the crystal orientation in the X direction or the crystal orientation in the Y direction. Semiconductor laser. 前記レーザ素子部の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第１の上部電極が形成され、第１の上部電極には、レーザ光を出射可能な開口が形成され、前記第１組の発熱素子部の各々の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第２の上部電極が形成され、第２の上部電極は、レーザ光を遮蔽し、前記第２組の発熱素子部の各々の頂部の出射領域には、前記垂直共振器と電気的に接続された第３の上部電極が形成され、第３の上部電極は、レーザ光を遮蔽する、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。 A first upper electrode electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of the laser element portion, and an opening capable of emitting laser light is formed in the first upper electrode. A second upper electrode electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of each of the first set of heating element portions, and the second upper electrode shields laser light. A third upper electrode electrically connected to the vertical resonator is formed in the emission region at the top of each of the second set of heating element portions, and the third upper electrode emits laser light. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein the surface emitting semiconductor laser is shielded. 前記レーザ素子部は、第１の溝によって隔離された第１の柱状構造を有し、前記第１の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第１の酸化領域を含み、前記第１組の発熱素子部は、第２の溝によって隔離された第２の柱状構造を有し、前記第２の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第２の酸化領域を含み、前記第２組の発熱素子部は、第３の溝によって隔離された第３の柱状構造を有し、前記第３の柱状構造は、側壁から選択的に酸化された第３の酸化領域を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。 The laser element portion has a first columnar structure separated by a first groove, and the first columnar structure includes a first oxidation region selectively oxidized from a side wall, The pair of heating element portions have a second columnar structure separated by a second groove, and the second columnar structure includes a second oxidation region selectively oxidized from a side wall, The two sets of heat generating element portions have a third columnar structure separated by a third groove, and the third columnar structure includes a third oxidation region selectively oxidized from a side wall. Item 3. The surface emitting semiconductor laser according to Item 1 or 2. 前記第２および第３の酸化領域によって囲まれた第２および第３の導電領域の径は、前記第１の酸化領域によって囲まれた第１の導電領域の径よりも小さい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。 The diameter of the second and third conductive regions surrounded by the second and third oxidized regions is smaller than the diameter of the first conductive region surrounded by the first oxidized regions. The surface emitting semiconductor laser described. 前記第１、第２および第３の溝は、熱可塑性樹脂によって充填されている、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。 6. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the first, second, and third grooves are filled with a thermoplastic resin. 前記第１の柱状構造は、前記レーザ素子部と前記第１組の発熱素子部の配列方向に延びる第１の連結部によって前記第２の柱状構造に接続され、かつ前記レーザ素子部と前記第２組の発熱素子部の配列方向に延びる第２の連結部によって前記第３の柱状構造に接続される、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。 The first columnar structure is connected to the second columnar structure by a first coupling portion extending in an arrangement direction of the laser element portion and the first set of heating element portions, and the laser element portion and the first The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the surface emitting semiconductor laser is connected to the third columnar structure by a second coupling portion extending in an arrangement direction of two sets of heat generating element portions. 前記第１の電極部は、前記第１の上部電極に金属配線を介して接続された電極パッドを含み、前記第２の電極部は、前記第２の上部電極に金属配線を介して接続された共通の電極パッドを含み、前記第３の電極部は、前記第３の上部電極に金属配線を介して接続された共通の電極パッドを含む、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。 The first electrode portion includes an electrode pad connected to the first upper electrode via a metal wiring, and the second electrode portion is connected to the second upper electrode via a metal wiring. 4. The surface emitting semiconductor laser according to claim 3, wherein the third electrode portion includes a common electrode pad connected to the third upper electrode via a metal wiring. 請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を実装した面発光型半導体レーザ装置。 A surface-emitting type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 8,
An optical member that receives light from the surface-emitting type semiconductor laser; and
A surface emitting semiconductor laser device mounted with a laser. 面発光型半導体レーザ装置はさらに、前記レーザ素子部と前記第１組および第２組の発熱素子部を駆動するための駆動手段を含む、請求項９に記載の面発光型半導体レーザ装置。 The surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 9, further comprising a driving unit for driving the laser element unit and the first set and the second set of heating element units. 面発光型半導体レーザ装置はさらに、基板上の前記第１組または第２組の発熱素子部の発熱温度を検出する検出手段を含み、前記駆動手段は、前記検出手段によって検出された発熱温度に基づき第１組または第２組の発熱素子部への駆動電流を制御する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ装置。 The surface-emitting type semiconductor laser device further includes detection means for detecting a heat generation temperature of the first set or the second set of heat generating element portions on the substrate, and the driving means has a heat generation temperature detected by the detection means. 11. The surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 10, wherein a driving current to the first set or the second set of heating element units is controlled based on the first set. 請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。 A surface-emitting type semiconductor laser device according to claim 9,
Transmission means for transmitting laser light emitted from the surface-emitting type semiconductor laser device through an optical medium;
An optical transmission device comprising: 請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。 A surface-emitting type semiconductor laser according to any one of claims 1 to 8,
Condensing means for condensing the laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser onto a recording medium;
A mechanism for scanning the recording medium with the laser beam condensed by the condensing means;
An information processing apparatus.
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