JP6240429B2 - 面発光型半導体レーザおよび光伝送装置 - Google Patents

面発光型半導体レーザおよび光伝送装置 Download PDF

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Description

本発明は、面発光型半導体レーザおよび光伝送装置に関する。
近年、光リンク伝送容量が加速度的に増加しており、〜１００Ｇｂｓ程度の高速伝送可能で低消費電力な光源が必要とされている。このような光源に面発光型半導体レーザを用いるためには、面発光型半導体レーザの変調速度をさらに高速にしなければならない。面発光型半導体レーザを高速変調する方法の１つに、基板上に面発光型半導体レーザと横導波路とをモノリシックに形成し、横導波路から面発光型半導体レーザに光を注入することで、面発光型半導体レーザの出射光をスイッチングまたは変調するものがある（特許文献１）。さらに、光伝送容量の増加は、面発光型半導体レーザの高出力化を必要とする。例えば、面発光型半導体レーザの光出射面に凹部によって囲まれた光閉じ込め領域を形成することで、モード数を削減し、高出力化が図られている（特許文献２）。
また、特許文献３は、モードロック端面発光型半導体レーザに関するものであるが、逆バイアス電圧を印加し変調要素の屈折率を変化させることで光を吸収する光吸収器セクションや、順方向バイアス電圧を印加することで光ゲインを発生する活性セクションを形成し、高速変調や高出力化を可能にしている。
特開平１１−２７４６４０号公報 特開２００７−１８９０３３号公報 特開２０１０−３９３０号公報
本発明は、高速変調可能な面発光型半導体レーザおよびこれを用いた光伝送装置を提供することを目的とする。
請求項１は、第１の導電領域と第１の非導電領域とを有する第１の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有する第１の共振器と、前記第１の共振器を駆動する電力を供給する第１の電極と、前記第１の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成された第２の導電領域と第２の非導電領域とを有する第２の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有し、前記 第１の共振器と並んで形成される第２の共振器と、前記第１および第２の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成される導電領域であって前記第１の導電領域と前記第２の導電領域とを接続する第３の導電領域を有し、前記第１の共振器と前記第２の共振器の前記複数の半導体層同士を結合させる結合部と、前記第１の電極とは分離して設けられ、前記第１の共振器側から前記結合部を介して前記第２の共振器側へ伝搬してきた光が前記第１の共振器側へ帰還する場合の位相を制御する第２の電極と、を備え、前記結合部の等価屈折率は、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のそれぞれの等価屈折率よりも小さい面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記第２の電極は、前記第２の共振器側へ伝搬する光とは逆の位相で前記第１の共振器側 へ光が帰還するよう位相を制御する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記第２の導電領域に対応する前記第２の共振器の出射面は、当該第２の共振器から光が出射しないように遮光性の部材で覆われている、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第２の共振器の出射面は、前記第１の共振器の出射面よりも遮光されている、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記遮光性の部材は前記第２の電極である、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記第１の共振器と前記第２の共振器との距離、及び前記結合部の幅は、前記第２の共振器が結合されていない場合の前記第１の共振器と比較し、高周波特性が改善される値に設定されている、請求項１または請求項５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記結合部の電気抵抗は、前記第１の共振器及び前記第２の共振器の電気抵抗よりも高い、請求項１ないし請求項６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、前記第１の共振器、第２の共振器、及び結合部は、活性層よりも出射面側に高屈折率層と低屈折率層の積層構造からなる多層膜反射鏡を有し、結合部における前記多層膜反射鏡が電気的に絶縁されている、請求項１ないし請求項７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、第１の導電領域と第１の非導電領域とを有する第１の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有する第１の共振器と、前記第１の共振器を駆動する電力を供給する第１の電極と、前記第１の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成された第２の導電領域と第２の非導電領域とを有する第２の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有し、前記第１の共振器と並んで形成される第２の共振器と、前記第１および第２の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成される導電領域であって前記第１の導電領域と前記第２の導電領域とを接続する第３の導電領域を有するとともに、前記第１の共振器と前記第２の共振器の前記複数の半導体層同士を結合させる結合部と、前記第１の電極とは分離して設けられ、前記第１の共振器側から前記結合部を介して前記第２の共振器側へ伝搬してきた光が前記第１の共振器側へ帰還する場合の位相を制御する第２の電極と、を備え、前記第３の導電領域の幅は、前記第１及び第２の導電領域の幅よりも狭い面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、請求項１ないし９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に駆動信号を印加する印加手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１によれば、第２の共振器を持たない面発光型半導体レーザと比較して、高速変調することができる。
請求項１によれば、帰還される光の位相を制御しない場合と比較して、高速変調を改善させることができる。
請求項２によれば、帰還される光の位相が同相の場合と比較して、高速変調を改善させることができる。
請求項３、４によれば、第１および第２の共振器からレーザ光を出射させるときと比較して、モード制御が容易になる。
請求項５によれば、第２の共振器への電流注入と遮光を同時に行うことができる。
請求項６によれば、結合部を持たない面発光型半導体レーザと比較して、高速変調を容易に実現することができる。
請求項７、８によれば、結合部の電気抵抗を高くしない場合と比較して、第１の共振器の利得の低下を抑制することができる。
請求項９によれば、第２の共振器を持たない面発光型半導体レーザと比較して、高速変調することができる。
本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの等価屈折率と光閉じ込め分布を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザの周波数応答特性を示すグラフである。 本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザの結合効率と変調感度との関係を示すグラフである。 本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザの結合幅と結合効率および散乱損失との関係を示すグラフである。 本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザの遅延時間と変調帯域との関係、ならびに逆相結合および同相結合と変調帯域との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザを利用した光伝送装置の一構成例を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode、以下、ＶＣＳＥＬと称す）について図面を参照して説明する。また、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、図１（Ａ）に示すように、基板上にモノリシックに形成された第１の柱状構造２０、結合部３０、および第２の柱状構造４０を含んで構成される。第１の柱状構造２０および第２の柱状構造４０はＸ方向に配され、第１の柱状構造２０は、結合部３０によって第２の柱状構造４０に結合される。第１の柱状構造２０は、駆動用メサとして機能しそこに第１の共振器を含み、第２の柱状構造４０は、制御用メサとして機能しそこに第２の共振器を含む。結合部３０は、第１の柱状構造２０および第２の柱状構造４０と共通の半導体層を含み、第１の柱状構造２０と第２の柱状構造４０とを少なくとも光学的に結合する。好ましい態様では、結合部３０は、第１の柱状構造２０で発せられた光の一部を第２の柱状構造４０へ伝播させ、かつ第２の柱状構造４０で反射された光を第１の柱状構造２０へフィードバックさせる機能を有する。
図１（Ａ）には、第１および第２の柱状構造２０、４０が結合部３０を中心にほぼＸ方向に対称に形成され、かつ両者の平面形状は矩形状であるが、これは一例であり、第１および第２の柱状構造２０、４０は、必ずしも対称である必要はないし、矩形状に限定されるものではない。第１および第２の柱状構造は、それぞれ円柱構造や平面形状が楕円の柱状構造であってもよいし、第１および第２の柱状構造は、非対称形状であってもよい。さらに、第１および第２の柱状構造は、それぞれが異なる形状であって、かつ大きさが異なるものであってもよい。なお、以下の説明において、便宜上、第１の柱状構造２０を駆動用メサと称し、第２の柱状構造４０を制御用メサと称する。
ＶＣＳＥＬ１０の積層構造は、図１（Ｂ）に示すように、典型的な９８０ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ３重量子井戸構造と同じで、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラッグ反射鏡１０２（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲという）、下部ＤＢＲ１０２上に形成された上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０４、活性領域１０４上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層して構成される。ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、高屈折率層と低屈折率層の積層として、例えば、Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層とＡｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓ層とのペアを複数積層する。各層の厚さは、λ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層する。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.８Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＧａＡｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層である。
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、高屈折率層と低屈折率層の積層として、例えば、Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層とＡｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓ層とのペアを複数積層する。各層の厚さは、λ／４ｎｒであり、これらを交互に２５周期積層する。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層（またはＡｌＡｓ層）からなる電流狭窄層１０６が形成される。また、上部ＤＢＲ１０８の最上層に、ｐ型ＧａＡｓからなる不純物濃度が高いコンタクト層（例えば、１×１０1９ｃｍ-3）を形成するようにしてもよい。
電流狭窄層１０６は、下部ＤＢＲ１０２や上部ＤＢＲ１０８よりもＡｌ組成が高く、メサの酸化工程において酸化が早く進む。図１（Ａ）に示すようなメサを酸化すると、駆動用メサ２０、結合部３０および制御用メサ４０の側壁から内部に向けて選択的に酸化された酸化領域１０６Ａ（図中、ハッチングで示す）が形成され、電流狭窄構造が形成される。酸化が内部に向けてほぼ一定速度で進行することで、非酸化領域１０６Ｂの平面形状は、概ねメサ２０、４０の平面形状を反映した形状となり、その周囲が酸化領域１０６Ａによって囲まれる。図１（Ａ）の破線１０６Ｃは、酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂの境界を模式的に表している。電流狭窄層１０６を構成するＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層（またはＡｌＡｓ層）の屈折率は、約３．０であるが、それが酸化されると屈折率が約１．７程度に小さくなる。これにより、酸化領域１０６Ａによって囲まれた非酸化領域１０６Ｂは、その内部に横方向の光を閉じ込める。また、酸化領域１０６Ａは、電気的抵抗が高くなるため、酸化領域１０６Ａは実質的に非導電領域として機能し、電極から注入されたキャリアは、導電領域として機能する非酸化領域１０６Ｂ内に閉じ込められる。このように、電流狭窄構造によって、非酸化領域１０６Ｂ内に電流と光の閉じ込めが行われる。
本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、駆動用メサ２０と制御用メサ４０との間に結合部３０を含む。結合部３０は、駆動用メサ２０と制御用メサ４０の下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４および上部ＤＢＲ１０８の半導体層同士を結合するとともに、駆動用メサ２０と制御用メサ４０の酸化領域１０６Ａおよび非酸化領域１０６Ｂを結合するための酸化領域１０６Ａおよび非酸化領域１０６Ｂとを含む。これにより、駆動用メサ２０と制御用メサ４０とは光学的に結合される。また、結合部３０は、駆動用メサ２０で発生された光の一部を制御用メサ４０へ伝播させ、かつ制御用メサ４０で反射された光を駆動用メサ２０へ帰還させる機能を備えるため、結合部３０の等価屈折率が、駆動用メサ２０および制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂの等価屈折率よりも小さくなるように設計される。本明細書で用いられる等価屈折率とは、基板に対して垂直方向に積層している、屈折率の異なる半導体多層膜の実効的な屈折率（多層膜の屈折率を単層の屈折率とみなす）を、等価屈折率法によって求められたものを指す。
本実施例の結合部３０は、図１（Ａ）に示す例では、Ｙ方向が狭くなるように対向する側面が内部に向けて傾斜したくびれた形状３２に加工されている。くびれた形状３２の側面から電流狭窄層１０６が酸化されることで、結合部３０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅Ｗが、駆動用メサ２０および制御用メサ４０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅よりも狭くされる。こうして、結合部３０の等価屈折率が、駆動用メサ２０および制御用メサ４０の等価屈折率よりも小さくなるように制御される。なお、結合部３０の形状や大きさは任意であり、結合部３０の形状や大きさを適宜選択することで、結合部３０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅を、駆動用メサ２０および制御用メサ４０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅よりも事実上狭くし、所望の等価屈折率を得ることができればよい。なお、結合部３０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅がゼロ、つまり、駆動用メサ２０および制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂ同士が接続されていない構成であってもよい。また、結合部３０の非酸化領域１０６ＢのＹ方向の幅Ｗは、後述するように、駆動用メサ２０と制御用メサ４０との結合量または結合効率を決定する因子となる。
上部ＤＢＲ１０８上には、駆動用メサ２０と制御用メサ４０の各共振器に独立に結合された金属製のｐ側電極１１０、１２０が形成される。ｐ側電極１１０、１２０は、例えば、ＡｕまたはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕなどを積層した金属から構成される。ｐ側電極１１０は、駆動用メサ２０の２辺に沿うように「くの字」状に形成され、そこで上部ＤＢＲ１０８に電気的に接続される。好ましい態様では、ｐ側電極１１０は、非酸化領域１０６Ｂと重複しない位置に形成され、言い換えれば、ｐ側電極１１０は、酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂとの境界１０６Ｃを越えない領域に形成される。同様に、ｐ側電極１２０は、制御用メサ４０の２辺に沿うように「くの字」状に形成され、そこで上部ＤＢＲ１０８に電気的に接続される。ｐ側電極１２０もまた、酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂとの境界１０６Ｃを越えない領域に形成される。また、基板１００の裏面には、駆動用メサ２０と制御用メサ４０に共通のｎ側電極１３０が形成される。
ｐ側電極１１０は、駆動用メサ２０を駆動するための駆動用電極であり（以下、ｐ側電極１１０を駆動用電極と称する）、もう一方のｐ側電極１２０は、制御用メサ４０の光帰還を制御するための制御用電極である（以下、ｐ側電極１２０を制御用電極と称する）。図１の例では、駆動用電極１１０と制御用電極１２０がそれぞれのメサ２０、４０の両端に形成されているが、これに限定されず、例えば、従来のＶＣＳＥＬよりも高速化が可能であれば、両端以外に形成されても良い。
本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、上記したように、駆動用電極１１０が形成された駆動用メサ２０と、制御用電極１２０が形成された制御用メサ４０とがくびれ状の結合部３０を介して結合した、結合共振器構造を有している。本実施例では、同一形状の矩形状の結合共振器を示すが、異なる大きさの矩形状の結合共振器でも構わないし、矩形以外の、例えば円状の結合共振器であっても良い。駆動用メサ２０および制御用メサ４０に形成されるそれぞれの非酸化領域１０６Ｂの１辺の長さＬ１は、例えば８．５μｍであり、結合共振器に形成される非酸化領域１０６Ｂの長軸の長さＬ２は、例えば２８μｍである。これらの非酸化領域の長さＬ１、Ｌ２は、設計によって前述の値よりも小さくすることも大きくすることも可能である。仮に、駆動用メサ２０から基本横モードの光を出射させる場合には、長さＬ１をさらに小さくするようにしてもよい。
こうして、２つの垂直共振器構造をもつ駆動用メサ２０と制御用メサ４０が基板上に形成され、駆動用電極１１０とｎ側電極１３０との間に順方向バイアスの駆動信号を印加することで、駆動用メサ２０の上部ＤＢＲ１０８の表面から基板と垂直方向にレーザ光が出射される。駆動信号は、レーザ光を連続的に発光させるような定常的な信号であってもよいし、レーザ光を変調させるようなパルス状の信号であってもよい。また、本実施例では、制御用メサ４０の制御用電極１２０には、必ずしも駆動信号を印加する必要はないが、ある態様では、制御用電極１２０にレーザ発振が可能なしきい値以上の順方向バイアスの駆動信号が印加され、ＶＣＳＥＬ１０の高速変調がより改善される。制御用電極１２０に駆動信号を印加することで、制御用メサ４０を伝播する光が増幅され、かつ光の位相が制御され、これにより制御用メサ４０から光帰還される光の位相を逆相に制御することができる。光帰還を逆相にすることで、後述するように、駆動用メサ２０の変調周波数をさらに高速化することができる。
ここで、順方向バイアスとは、半導体レーザ内のｐ型半導体層には正の電圧を、ｎ型半導体層には負の電圧を印加するものであり、逆方向バイアスとは、半導体レーザ内のｐ型半導体層には負の電圧を、ｎ型半導体層には正の電圧を印加するものである。但し、負の電圧は、接地電位（ＧＮＤ）を含む。
図２は、ＶＣＳＥＬの等価屈折率と光閉じ込め分布の関係を示している。同図において、階段状の線が等価屈折率を示し、曲線は、光閉じ込め分布を表している。低等価屈折率ＮＬの領域Ｄ０は、駆動用メサ２０の酸化領域１０６Ａに対応し、高等価屈折率ＮＨの領域Ｄ１は、領域Ｄ０と同じ駆動用メサ２０の非酸化領域１０６Ｂに対応し、低等価屈折率ＮＬの領域Ｄ２は、結合部３０による共振器結合部に対応し、高等価屈折率ＮＨの領域Ｄ３は、制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂに対応し、低等価屈折率ＮＬの領域Ｄ４は、制御用メサ４０の酸化領域１０６Ａに対応する。
駆動用メサ２０の共振器で発生された光Ｌｉｎの大部分は、非酸化領域１０６Ｂである領域Ｄ１に閉じ込められる。しかし、高低の等価屈折率となる領域Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が連続的に形成されることで、２つの共振器の結合部３０の領域Ｄ２は、光Ｌｉｎを領域Ｄ１に完全に閉じ込めるのではなく、その裾野の一部の光を制御用メサ４０へ導く。駆動用メサ２０において垂直共振されるレーザ光であっても、レーザ光には、垂直方向から若干の傾斜角を持つものが含まれる。このため、裾野の一部の光は、低等価屈折率の領域Ｄ２を介して高等価屈折率の領域Ｄ３へ導波される。制御用メサ４０に導かれた光Ｌｏは、制御用メサ４０に閉じ込められた状態で、垂直共振器内を傾斜角の方向で共振されながら水平方向に伝播されるため、光の伝播時間は、直線的に水平方向へ伝播する光と比べて遅くなる。このような垂直共振器内を傾斜角の方向で共振されながら水平方向へ伝搬される光をスローライトという。
スローライトは、制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂ内を水平方向に伝播した後、端部に設けられた光反射部で反射される。本実施例では、光反射部は等価屈折率変化を利用するものであり、すなわち、制御用メサ４０の酸化領域１０６Ａと非酸化領域１０６Ｂとの境界１０６Ｃによって光が反射される。制御用メサ４０で反射された光は、結合部３０を介して、再びもとの駆動用メサ２０の共振器へフィードバック（光帰還）される。なお、光反射部は、必ずしも等価屈折率変化の利用に限らず、制御用メサ４０の端部に別箇の光反射部材を取り付けることも可能である。
スローライトは、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０８の間で反射されながら進行するため、水平方向の距離Ｄ３が小さくとも、実際に光が走行する距離（光路長）は、その距離Ｄ３の数百倍に相当する。従って、光反射部で反射されてスローライト部内を往復する光の伝播時間Ｔは、あたかも光の速度が遅延されたのと同じような効果を有する。好ましい態様では、光反射部に入射される光とそこで反射される光の位相が逆相関係にあるように光路長または距離Ｄ３が調整され、より好ましくは１８０度の逆相である。
図３は、従来構造のＶＣＳＥＬと本実施例のＶＣＳＥＬの周波数特性計算結果を示している。横軸に周波数（ＧＨｚ）、縦軸に変調感度（ｄＢ）を示している。信号強度の低下が−３ｄＢまで許容されると仮定した場合、制御用メサが結合されていない従来構造のＶＣＳＥＬでは、約２５ＧＨｚの周波数であるのに対し、本実施例のＶＣＳＥＬでは、約７０ＧＨｚである。従って、従来構造のＶＣＳＥＬに比較して、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、３ｄＢ周波数を大幅に改善していることがわかる。図３のグラフは、逆相で光帰還を行った場合の計算を示しているが、同相で光帰還を行った場合と逆相で光帰還を行った場合の別のシミュレーションを比較すると、同相よりも逆相の方が３ｄＢ周波数の改善において好ましい結果が得られている。さらに、制御用電極１２０からの電流注入による利得の制御によっても３ｄＢ周波数の帯域改善をすることが可能であるが、制御用電極１２０からの電流注入がない場合でも、帯域改善効果を得ることができる。
図４は、駆動用メサと制御用メサの２つの共振器の結合量によるＶＣＳＥＬの帯域変化を示している。結合量は、主に、駆動用メサ２０と制御用メサ４０との距離、結合部３０の酸化制御に依存し、結合部３０の非酸化領域１０６Ｂの幅Ｗが大きいと結合量（結合効率）が小さくなる傾向がある。図中、結合のない、すなわち従来のＶＣＳＥＬの帯域は、一番左の曲線で示されており、３ｄＢ帯域は１０ＧＨｚ弱である。曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄの順に結合量が増加すると（すなわち、結合部３０の幅Ｗが狭くなると）、変調感度の帯域が高周波側に延びていることが確認できる。この結合量は、幅Ｗの関数であるため、結合部３０の酸化を制御することによって結合量を制御することができ、すなわち、結合部３０の形状、大きさ等を選択することによって、所望の結合量を得ることができる。
図５は、駆動用メサと制御用メサの２つのメサの結合部における非酸化領域の幅Ｗと、結合効率（結合量）、散乱損失の関係を示している。結合部３０の幅Ｗが大きくなるほど、散乱損失（図中、破線）は増加し、結合効率（図中、実線）が低下する。結合部３０の幅Ｗは、上記したように、２つのメサ２０、４０間の距離や結合部３０の酸化狭窄量によって制御することが可能であるため、実験やシミュレーションにより所望の高周波特性が得られるよう、結合部３０を適切に設計することでＶＣＳＥＬ１０の帯域改善が可能となる。
図６は、光帰還の遅延時間による結合量と３ｄＢ帯域の関係を示している。結合量がプラスの領域は同相で光帰還を行った場合、マイナスの領域は逆相で光帰還を行った場合である。光帰還のない従来構造のＶＣＳＥＬでは、３ｄＢ変調帯域が遅延時間によらず一定（約１１ＧＨｚの破線）である。一方、本実施例のＶＣＳＥＬのように、制御用メサ４０を結合させて光帰還を行ったときの遅延時間と３ｄＢ変調帯域の関係が示されている。ここでは、一例として、光帰還の遅延時間を１ｐｓ、２ｐｓ、２．４ｐｓ、３ｐｓ、５ｐｓ、１０ｐｓとしたのとき３ｄＢ変調帯域が示されている。遅延時間は、制御用メサ４０を走行するスローライトの光路長で決定され、すなわち、スローライトが伝播する、図２で示した制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂの領域Ｄ３の長さで制御することが可能である。特に、逆相結合の場合、すべての遅延時間において３ｄＢ帯域が向上されている。例えば、逆相で３ピコ秒程度の遅延を発生させると、３ｄＢ帯域を従来構造のＶＣＳＥＬの約３倍に改善することができる。
このように、３ｄＢ変調帯域を向上させるには、光帰還が逆相となることが望ましく、１８０度の逆相が最も望ましい。光帰還を逆相にするための第１の方法は、上記したように制御用メサ４０の領域Ｄ３の長さを制御することで最適な光路長を選択する。第２の方法は、制御用メサ４０の制御用電極１２０から最適な電流を注入することで光の位相を制御する。勿論、第１の方法と第２の方法との組み合わせによって光帰還される光の逆相を制御することも可能である。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図７は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図を示している。図１に示す第１の実施例のＶＣＳＥＬ１０と異なる点は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａは、駆動用メサ２０と制御用メサ４０との間の結合部３０を電気的に絶縁する絶縁構造を有する点である。図中、図１に示すＶＣＳＥＬと同一構成については同一参照番号を付し、その説明を省略する。
図７に示すように、ＶＣＳＥＬ１０Ａの結合部３０には、電気的抵抗の高い絶縁領域２００が形成される。好ましい態様では、公知のフォトリソ工程により上部ＤＢＲ１０８上に結合部３０を露出させるようなマスクパターンを形成し、マスクパターンを介してプロトン等のイオン注入を行い、結合部３０に絶縁領域２００を形成する。好ましい態様では、イオン注入のエネルギーを制御することで、結合部３０内のｐ型上部ＤＢＲ１０８の深さ全体が絶縁される。但し、絶縁領域２００は、活性領域１０４よりも出射面側の少なくとも一部が絶縁されて入れば良い。好ましい態様では、結合部３０のＹ方向の全体に絶縁領域２００が形成されるが、Ｙ方向の一部が絶縁されるようにしてもよい、また、絶縁領域２００のＸ方向の幅は任意である。
本実施例では、結合部３０に絶縁領域２００を形成することで、駆動用電極１１０ないし制御用電極１２０から結合部３０にキャリアを注入させない構造にし、利得の低下が抑制することができる。さらに、散乱損失を増加させることも可能になり、逆相での光帰還制御の精度を改善することができる。また、本実施例は、制御用電極１２０からの電流注入のない場合でも、ある程度の３ｄＢ変調帯域の改善が可能である。なお、絶縁領域２００は、イオン注入により形成されたが、これ以外にも、例えば、上部ＤＢＲ１０８の一部または全部に溝を形成し、絶縁領域２００と同等の機能を与えるようにしてもよい。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図８は、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂの概略平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。第１の実施例および第２の実施例に係るＶＣＳＥＬでは、制御用メサ４０からも発光するのに対し、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂは、制御用メサ４０からの発光を抑制した構造である。図中、図７に示すＶＣＳＥＬと同一構成については同一参照番号を付し、その説明を省略する。
制御用メサ４０からの発光が生じ、駆動用メサ２０と制御用メサ４０の２箇所から発光すると、出射光の光モード制御が困難となる。そこで、本実施例のＶＣＳＥＬ１０Ｂでは、図８に示すように、制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂを覆うように、上部ＤＢＲ１０８上に制御用電極１２２を形成する（図８（Ａ）では、制御用電極１２２を分かり易くするためハッチングで表示）。図８に示す例は、第２の実施例のときのように結合部３０が例えばイオン注入を行うことで絶縁化されているが、第１の実施例のときのように結合部３０は特に絶縁化されていなくても良い。
本実施例では、発光領域が駆動用メサ２０の１箇所に限定されるため、駆動用メサ２０と制御用メサ４０の２箇所から発光する場合に比べ出射光の光モード制御が容易となり、例えば、光ファイバなどの光導波部との結合効率改善につながる。
なお、制御用メサ４０からの発光を制御する手段としては、制御用電極自身で制御用メサ４０の非酸化領域１０６Ｂを覆う構造以外に、例えば、発振波長に対して遮光性のある材料を付加したり、あるいは誘電体多層膜反射鏡等を付加する構造にしても良い。
図９は、本実施例の光伝送装置の一構成例を示す断面図である。光伝送装置４００は、ＶＣＳＥＬ１０／１０Ａ／１０Ｂが形成された電子部品４１０を搭載する金属ステム４２０を含み、ステム４２０が中空キャップ４３０で覆われ、キャップ４３０の中央にボールレンズ４４０が固定されている。ステム４２０にはさらに円筒状の筐体４５０が取り付けられ、筐体４５０の端部にフェルール４６０を介して光ファイバ４７０が固定される。電子部品４１０から変調されたレーザ光は、ボールレンズ４４０によって集光され、その光は、光ファイバ４７０に入射され、送信される。なお、ボールレンズ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。上記実施例では、ＡｌＧａＡｓの化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬを例示したが、これ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いたＶＣＳＥＬであってもよい。
１０：ＶＣＳＥＬ ２０：制御用メサ
３０：結合部 ３２：くびれ形状
４０：駆動用メサ １００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ １０４：活性領域
１０６：電流狭窄層 １０６Ａ：酸化領域
１０６Ｂ：非酸化領域 １０６Ｃ：境界
１０８：上部ＤＢＲ １１０：駆動用電極
１２０、１２２：制御用電極 １３０：ｎ側電極
２００：絶縁領域

Claims (10)

  1. 第１の導電領域と第１の非導電領域とを有する第１の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有する第１の共振器と、
    前記第１の共振器を駆動する電力を供給する第１の電極と、
    前記第１の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成された第２の導電領域と第２の非導電領域とを有する第２の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有し、前記 第１の共振器と並んで形成される第２の共振器と、
    前記第１および第２の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成される導電領域であって前記第１の導電領域と前記第２の導電領域とを接続する第３の導電領域を有し、前記第１の共振器と前記第２の共振器の前記複数の半導体層同士を結合させる結合部と、
    前記第１の電極とは分離して設けられ、前記第１の共振器側から前記結合部を介して前記第２の共振器側へ伝搬してきた光が前記第１の共振器側へ帰還する場合の位相を制御する第２の電極と、を備え、
    前記結合部の等価屈折率は、前記第１の共振器及び前記第２の共振器のそれぞれの等価屈折率よりも小さい面発光型半導体レーザ。
  2. 前記第２の電極は、前記第２の共振器側へ伝搬する光とは逆の位相で前記第１の共振器側 へ光が帰還するよう位相を制御する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 前記第２の導電領域に対応する前記第２の共振器の出射面は、当該第２の共振器から光が出射しないように遮光性の部材で覆われている、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 前記第２の共振器の出射面は、前記第１の共振器の出射面よりも遮光されている、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 前記遮光性の部材は前記第２の電極である、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 前記第１の共振器と前記第２の共振器との距離、及び前記結合部の幅は、前記第２の共振器が結合されていない場合の前記第１の共振器と比較し、高周波特性が改善される値に設定されている、請求項１または請求項５に記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 前記結合部の電気抵抗は、前記第１の共振器及び前記第２の共振器の電気抵抗よりも高い、請求項１ないし請求項６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 前記第１の共振器、第２の共振器、及び結合部は、活性層よりも出射面側に高屈折率層と低屈折率層の積層構造からなる多層膜反射鏡を有し、結合部における前記多層膜反射鏡が電気的に絶縁されている、請求項１ないし請求項７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  9. 第１の導電領域と第１の非導電領域とを有する第１の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有する第１の共振器と、
    前記第１の共振器を駆動する電力を供給する第１の電極と、
    前記第１の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成された第２の導電領域と第２の非導電領域とを有する第２の電流狭窄構造を含む複数の半導体層を有し、前記第１の共振器と並んで形成される第２の共振器と、
    前記第１および第２の電流狭窄構造が形成される層と同じ層内に形成される導電領域であって前記第１の導電領域と前記第２の導電領域とを接続する第３の導電領域を有するとともに、前記第１の共振器と前記第２の共振器の前記複数の半導体層同士を結合させる結合部と、
    前記第１の電極とは分離して設けられ、前記第１の共振器側から前記結合部を介して前記第２の共振器側へ伝搬してきた光が前記第１の共振器側へ帰還する場合の位相を制御する第２の電極と、を備え、
    前記第３の導電領域の幅は、前記第１及び第２の導電領域の幅よりも狭い面発光型半導体レーザ。
  10. 請求項１ないし９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に駆動信号を印加する印加手段と、を備えた光伝送装置。
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