(57)【要約】【課題】  モニタ光取り出し機能付きＬＤを搭載したコンパクトな光モジュールを実現する。【解決手段】  モニタ用PDとLDを備えた光モジュールであって、LDとして、水平方向に共振したレーザ光をテーパ面で面発光させる水平共振器面発光レーザであって、出射面にレーザを集積するレンズを備えたものを用い、テーパ面からの反射光の光軸がレンズ中心から若干ずれた位置にレンズを形成することで、レンズ端部面からの反射光をレーザ下方に取り出すことができるようになるので、PDをLDのレンズ下方直ぐ傍、場合によっては、LDの一部と重ねて配置することも可能になる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内方向で共振する共振器で発振させた発振光を、素子表面から素子外部の導波路へ向けて出射する水平共振器面発光レーザ素子と、
発振光の一部をモニタ光として分離する手段と、
前記モニタ光を受光する受光素子と、
前記レーザ素子が搭載されるサブマウントと、
前記面発光レーザ素子が搭載されたサブマウント及び前記受光素子とが固定されるステムとを備え、
前記受光素子で受光したモニタ光強度を基に前記面発光レーザ素子に流す電流又は印加する電圧を制御する光モジュールにおいて、
前記発振光の一部をモニタ光として分離する手段が前記面発光レーザ素子に集積されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記発振光の一部をモニタ光として分離する手段が、前記出射面に集積された凸レンズを含むことを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
請求項２において、
前記レーザ素子は、半導体基板上に形成したヘテロ構造を備え、
前記凸レンズは、前記レーザ素子を構成する半導体基板に形成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
請求項２において、
前記凸レンズは、前記凸レンズの前記受光素子と対向する凸面が、前記共振器で発振させた発振光に対する凸面内側での反射光が前記受光素子に集光する形状となっていることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
請求項２において、
前記凸レンズが、前記凸レンズの外形中心に対して点対称であり、かつ、前記凸レンズの凸面への入射光の光軸を凸レンズの外形中心からずらして配置されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項６】
請求項２において、
前記凸レンズが、前記凸レンズの外形中心に対して非対称であることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
請求項１において、
前記面発光レーザ素子は、前記共振器の共振方向に、発振光の光軸の向きを変えるテーパ面を備え、
前記テーパ面に、前記前記発振光の透過光をモニタ光として分離するハーフミラーを備えていることを特徴とする光モジュール。
【請求項８】
面内方向で共振させて発振させた発振光を、素子表面から出射する水平共振器面発光レーザ素子と、
受光素子と、
前記レーザ素子が搭載されるサブマウントと、
前記面発光レーザ素子が搭載されたサブマウント及び前記受光素子とが固定されるステムとを備え、
前記受光素子で受光した光強度を基に前記面発光レーザ素子に流す電流又は印加する電圧を制御する光モジュールにおいて、
前記面発光レーザ素子は、面内方向で共振する第１領域と、前記共振方向への発振光を前記第１半導体層の表面へ出射するように光軸方向を変換する第２領域とを含み、
前記第１領域は、活性層が第1導電型の第１半導体層と第２導電型の第２半導体層との間に配置された半導体積層体と、前記積層体を挟み込む一対の電極を有し、
前記第２領域は、前記第１領域で発振した面内方向の光軸を素子表面方向へずらすテーパ形状の反射鏡を備え、
前記面発光レーザ素子は、その表面の前記テーパからの反射光の光軸が透過する位置に凸レンズを備え、
前記面発光レーザ素子は、前記凸レンズの凸面が上になる向きに前記サブマウントに固定され、
前記凸レンズは、前記テーパ及び前記第１領域とは異なる位置で、前記共振器で発振させた発振光に対する凸面内側での反射光が強度が強まる形状をしており、
前記受光素子は、前記反射光強度が強まる位置に前記受光面の受光領域があるように配置されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
請求項８において、
前記面発光レーザ素子はＤＢＲレーザ又はＤＦＢレーザであることを特徴とする光モジュール。
【請求項１０】
請求項８において、
前記凸レンズは、非対称形状であることを特徴とする光モジュール。
【請求項１１】
請求項８において、
前記凸レンズは、前記反射鏡での反射光の光軸が前記凸レンズの外縁の中心よりも前記第1領域側の凸面に当たることを特徴とする光モジュール。
【請求項１２】
請求項８において、
前記受光素子と前記レーザ素子が重なることを特徴とする光モジュール。
【請求項１３】
請求項８において、
前記受光素子と前記第１領域との間に前記第２領域が挟まるように配置されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項１４】
請求項８において、
前記第１半導体層が前記第２半導体層より厚く、前記凸レンズは前記第１半導体層の表面にあることを特徴とする光モジュール。
【請求項１５】
請求項８において、
前記凸レンズは、有機物で構成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記凸レンズは、前記第１半導体層に設けられた窪みに設けられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項１７】
請求項１において、
前記凸レンズは、前記第１半導体層で構成されていることを特徴とする光モジュール。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記凸レンズは、前記第１半導体層に設けられた窪みに設けられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項１９】
請求項８において、
前記第1領域の前記半導体積層体は、前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層で構成されたメサ状の断面構造と、前記共振方向に伸びたストライプ状の平面構造とを有し、
前記半導体積層体の左右は半絶縁膜で埋め込まれており、
前記第２領域は、前記第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された半絶縁膜とで構成され、
前記反射鏡は、前記半絶縁膜の端部に設けられたテーパで構成され、
前記凸レンズは、前記第1半導体層に設けられていることを特徴とする光モジュール。
【請求項２０】
請求項８において、
前記テーパ面が前記共振方向に対して所定の角度で形成されることで、前記発振光の一部が前記テーパ及び前記第1領域とは異なる位置に透過し、前記透過光が透過する位置に前記受光面の受光領域があることを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールに係り、特に、水平共振器面発光レーザ素子のモニタ機能を有する光モジュールの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、その共振器方向（垂直共振、水平共振）とレーザ光が出射する面（端面発光、面発光）の組み合わせ方により三種類に分類される。第１のタイプは水平共振器端面発光レーザ素子であり、第２のタイプは垂直共振器面発光レーザ素子、第３のタイプは水平共振器面発光レーザ素子である。
【０００３】
このうち、第３のタイプである水平共振器面発光レーザを用いたトランシーバが特許文献１に記載されている。
【０００４】
このような構造をもつ水平共振器面発光レーザ素子では、共振器を基板面内に形成するので、共振器長を長くとることができ、高い光出力を得ることが容易である。また、基板面に垂直な方向に光を出射するので、フルウェハプロセスでレーザを作製し、へき開によるチップ化の前に検査することも可能であり製造検査にかかるコストも低く抑えられる。更に基板裏面にマイクロレンズを形成することで、実用上の実装の際に光ファイバとの光結合効率を高める効果や、実装に関る光学部材を削減でき低コスト化の実現可能である。
【０００５】
しかし、モニタ用受光素子は開示されておらず、どのように配置することがコンパクトな光モジュールを実現できるか何ら開示されていない。
【０００６】
現在最も普及している第１タイプの水平共振器端面発光レーザ素子を備えたCANパッケージの一例を図１に示す。本構成ではCANステムSTM上に設置されたレーザ実装用の支柱SUPと水平共振器端面発光型のレーザ素子LDとレーザ素子LDを実装するサブマウントSMとレーザ素子LDの後端面から出射されるレーザ光を受光しレーザ素子LDの動作状況をモニタリングするためのモニタ用受光素子ＰＤから構成される。
【０００７】
上述した構成はレーザ光のモニタリング機能を有するモジュールパッケージの最も簡単な構成の一例である。
【０００８】
また、第2タイプの垂直共振器面発光レーザ素子を備えたCANパッケージの一例が特許文献２に開示されている。このモジュールは少なくとも垂直共振器面発光レーザ素子と、前記面発光型レーザから垂直に出射した光の少なくとも一部を反射、屈折、または回折するハーフミラーや回折格子などの光学部材と、前記光学部材を固定させるためのパッケージ蓋と、前記面発光型半導体レーザに対し水平に実装された受光素子から構成されており、前記面発光型半導体レーザの出射光を前記光学部材と前記パッケージ蓋で高精度に調節し前記受光素子へ導くことにより光モジュールの出力光量と受光でのモニタ光量とを安定化させている。
【０００９】
【特許文献１】特開2008-277445号公報
【特許文献２】特開2005-85942号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１の技術では、レーザ実装用の支柱という特殊なパッケージを必要とし、パッケージ全体の低コスト、低背化には限界がある。
【００１１】
そこで、本発明者らは、水平共振器面発光レーザ素子の実装の１つとして、特許文献２における垂直共振器面発光レーザ素子の代わりに、特許文献１における水平共振器面発光レーザ素子に置き換えることを考えた。
【００１２】
しかしながら、特許文献２に示される構成では、面発光レーザの位置とパッケージ蓋の位置関係に組立精度が必要であり、また、フィルタや回折格子といった光学部材や斜め形状のパッケージ蓋といった特殊パッケージ等が必要であり、部品点数の増加、組立工程の増加等でコストやタクトが増加する。また、一度、面発光レーザ素子から出た光が面発光レーザに再度入射する構造となるので、散乱や反射といった問題が発生し、受光効率を低下させることになる。さらに、垂直共振器面発光レーザ素子は、内部に多層膜反射鏡を備えているので、モニタ光として十分な光量の反射光がレーザ素子内を通過できないため、垂直共振器面発光レーザ素子よりもステム側にモニタ用受光素子を配置する場合、一定距離離す必要がある等レイアウトの制約が大きかった。
【００１３】
本発明の目的は、水平共振器面発光レーザ素子に対するモニタ用受光素子のレイアウトの自由度（近接配置）を向上させることで、配線や部品等光モジュール全体のレイアウト自由度が向上し、モニタ用受光素子の受光感度の高い光モジュールを実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願は、上記課題を解決する次の手段を含む。
【００１５】
上側へレーザ発振した光を出射する水平共振器面発光レーザ素子よりも下側に配置したモニタ用受光素子へ、レーザ発振した光の一部をモニタ光として分離する手段が面発光レーザ素子に集積されている光モジュールであれば、上記課題を解決しうる。
【００１６】
水平共振面発光レーザ素子は、共振器となるストライプ領域以外であれば、光を通過させることができるので、モニタ用受光素子のレイアウトの自由度が向上する。具体的には、レーザ素子直下のステム上へのモニタ用受光素子の配置も実現可能になる。
【００１７】
また、面内方向で共振させて発振させた発振光を、素子表面から出射する水平共振器面発光レーザ素子と、受光素子と、前記レーザ素子が搭載されるサブマウントと、前記面発光レーザ素子が搭載されたサブマウント及び前記受光素子とが固定されるステムとを備え、前記受光素子で受光した光強度を基に前記面発光レーザ素子に流す電流又は印加する電圧を制御する光モジュールにおいて、
前記面発光レーザ素子は面内方向で共振する第１領域と前記共振方向への発振光を前記第１半導体層の表面へ出射するように光軸方向を変換する第２領域とを含み、前記第１領域は活性層が第1導電型の第１半導体層と第２導電型の第２半導体層との間に配置された半導体積層体と前記積層体を挟み込む一対の電極を有し、前記第２領域は前記第１領域で発振した面内方向の光軸を素子表面方向へずらすテーパ形状の反射鏡を備え、前記面発光レーザ素子は、その表面の前記テーパ面からの反射光の光軸が透過する位置に凸レンズを備え、前記凸レンズの凸面が上になる向きに前記基板に固定され、前記凸レンズは前記テーパ及び前記第１領域とは異なる位置で、前記共振器で発振させた発振光に対する凸面内側での反射光強度が強まる形状をしており、前記受光素子は前記凸面による反射光の強度が強まる位置に前記受光面の受光領域があるように配置する構造も上記課題を解決できる。
【００１８】
つまり、特許文献１に開示されたレーザ素子の出射面に集積されたレンズの反射光に指向性を持たせ、レーザ素子の出射面と反対側の裏面に配置したモニタ用受光素子へ向けて反射光を集光することで、モニタ用受光素子に多くの光を受光させようとするものである。
また、反射面であるレンズ面が集積されているため、非常に活性層に近い距離で反射する。そのため、半導体層を通過しても光強度があまり低下せず、また、反射光の受光面におけるスポット径を小さくできるので、光利用効率が高くなり、レンズへの入射光に対する反射効率を抑制できる。さらに、レンズ面の制御により、反射角度は自由に制御できるので、受光素子の配置場所の自由度が向上し、レーザ素子と受光素子を近接配置することや、それらを重ねて配置することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、モニタＰＤのレイアウトの自由度を向上させるとともに、高出力の光モジュールを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
各実施例の光モジュールのCANパッケージは、モジュール筐体のステムSTM上の構成以外は同じ構成である。
【００２１】
以下、ステム上の構成について、各実施例を説明する。
【実施例１】
【００２２】
実施例１の光モジュールの断面構成を図２に示す。レーザ用サブマウントSMに水平共振器面発光型のレーザ素子ＬＤがジャンクションダウン実装されている。レーザ用サブマウントSMとモニタ用受光素子PDはモジュール筐体のステムSTMに実装されている。図示しないが、このモニタ用受光素子PDは受光量を電気信号に変えてコントロール回路に送る。図示しないが、コントロール回路は、モニタ用受光素子PDから受けた電気信号から決めた条件でレーザ用ドライバＩＣを制御する。この制御は、レーザ素子LDに流す電流量や印加する電圧値を変えることによりなす。
【００２３】
図示しないが、このレーザ素子ＬＤの図２中右側端部に高反射コーティングHRが施されている。図２中右側端部から境界線Ａまでの半導体層の領域（ゲイン領域）には、図２上側面側から実装面側へ向かって（第１電極（本実施例ではｐ型）FEから第２電極（本実施例ではｎ型）SEへ向かって）、第１電極FEと第２電極SEとの間に、第１半導体層（本実施例ではｐ型）FC、活性層AC、第２半導体層（本実施例ではｎ型）SCの順に積層されたヘテロ接合構造を備えている。各層の導電型は逆の導電型でも構わない。この積層体は図2左右方向に伸びるストライプのメサ形状となっている。このメサストライプの積層体が伸びる方向の左右には、半絶縁膜が埋め込まれている。図２では図示しないが、第1半導体層FCは回折格子を備えており、ゲイン領域はDFBレーザを構成する。なお、DBRレーザを構成するようにしてもよい。また、本実施例では、所謂、埋め込みヘテロBH構造のレーザを採用しているが、所謂、リッジ構造のレーザでも構わない。なお、第1半導体層FCは、基板であるので第2半導体層SCよりも厚い。
【００２４】
図２中左側端部から境界線Bまでの半導体層の領域には、図２上側面側から実装面側へ向かって、第１半導体層FC、半絶縁層SIの順に積層された積層体を備えている。この領域でも活性層ACに電流が流れ、発光する場合は、境界線Aから境界線Bまでの領域もゲイン領域となる。この積層体も図2左右方向に伸びるストライプのメサ形状となっている。このメサストライプの積層体が伸びる方向の左右には、半絶縁膜が埋め込まれている。
【００２５】
第1電極は図２中右側端部から境界線Aまで形成されているが、図２中左側端部から境界線Aまでは形成されていない。
【００２６】
境界線Aから境界線Eまで第1半導体層FCの図２中上側面には外縁が丸い溝が設けられている。その丸い溝の底には凸レンズLSが形成されている。この凸レンズLSは、第1半導体層FCで構成され、活性層ACの延伸方向と直角となる面内の基準線を凸レンズの中心に設定した場合に、レーザ素子ＬＤの上面からみた凸レンズLSの外縁がその基準線に対して線対称となるようにエッチングにより加工されたものである。尚、図２では凸レンズLSが溝内に設けられているが、凸レンズLSが溝から（溝がない場合には第1電極形成面から）出っ張った形で形成されてもよい。いずれの場合も通常のエッチング工程で形成可能である。
【００２７】
本実施例では、境界線Bから図２中左側端部まで半絶縁層SIの図２中下側面には、溝が設けられ、この溝の境界線Cから境界線Dまでの領域（ミラー領域）に、１３５度（４５度）のテーパ面MRとなる側壁が設けられている。このテーパ面MRは、反射鏡として機能し、活性層ACで発振した光が第1半導体層FCの表面へ向かうように反射する。特に、本実施例の場合、面内方向に活性層ACで共振した光が４５度のテーパ面MRで反射し、活性層ACの形成面に対して法線方向（レーザ素子の上面に垂直に）に光軸が変わる。
【００２８】
活性層ACから射出された照射光の光軸を図２中に矢印で示した。本実施例では、このテーパ面MRの反射光の光軸が凸レンズLSの外縁の中心であるレンズLS先端からずれた位置に当たるように配置される。具体的には、ゲイン領域から遠い側へ活性層ACの延伸方向に沿ってずらした。このように、光軸と凸レンズ外縁中心とをずらすように、テーパ面による反射光の光軸と凸レンズLSのレンズ外縁の中心であるレンズ先端とをずらして配置することで、レンズ面での反射光RLをテーパ面MRよりも図２中左側の溝平坦部を通過させ、レンズ面での反射光RLをゲイン領域から遠い側の一部へ集光させることができている。凸レンズLSに入射した９０％以上の光は透過光TLとして図１のパッケージレンズPLへ出射する。
【００２９】
モニタ用受光素子PDは、凸レンズLSにより集光された光の光軸が受光領域に当たるように配置される。本実施例では、モニタ用受光素子PDの上面に設けられた端子への配線の引き回しを容易にし、また、面発光レーザ素子との物理的な接触を回避するために、半絶縁膜SIのステムSM側の窪みとモニタ用受光素子PDとが重なるように配置した。
【００３０】
このように、レンズの位置を所定量シフトさせた状態で、所定の曲率を有する凸レンズに対して所定の放射角度でレーザ光を入射させることで、凸レンズLSの端付近では入射するレーザ光の光軸と微小なレンズ面のなす角度が全反射条件を満たすようになる。このため、凸レンズLSに入射してきた光の一部は図２に示すようにステム側へ反射された後、半絶縁層を介して、レーザ素子ＬＤの下側外部へと取り出すことができる。このように、レーザ素子LD内をモニタ光が通過する配置、具体的には、レーザ素子LDとステムSTMとの間で、レーザ素子LD直下のステムSTM上にモニタ用受光素子PDとを固定することもできるようになり、光モジュールの他の構成要素も含めた全体のレイアウトの自由度が向上する。
【実施例２】
【００３１】
実施例２の光モジュールの断面構成を図３に示す。実施例１では、活性層ACの延伸方向に垂直な法線を基準線に設定した場合に、この基準線に対して対称となる外縁となっていたが、実施例２では、さらに、凸レンズLSを活性層ACの延伸方向に非対称な外縁となるようにした。それ以外の構成は、全く同じ構成である。
【００３２】
本実施例の構成によれば、凸レンズLSのレンズ面の一部を自由に制御できるので、レンズ面に対して高い指向性を備えさせることができる。特に、ゲイン領域側の面の曲面を調整することで、強い強度の反射光をモニタ用受光素子PDへ容易に入射させることができるようになる。さらに、実施例１では凸レンズLSの外縁の対称性から凸レンズLSへの入射光の光軸を凸レンズLSの外形中心軸と一致させることは光学設計上困難であるが、本実施例によれば、可能である。
【実施例３】
【００３３】
実施例３の光モジュールの断面構成を図４に示す。図４では水平共振器面発光レーザ素子のテーパ面MRが、既反射鏡に向かって導波されてくるレーザ光に対して、全反射条件を満たさないような規定の角度で形成され光の一部を透過するハーフミラーHMとすることによって、レーザ光の一部を図４に示す素子の前端面方向へ取り出すことが可能である。このようにして素子外部へ取り出されたレーザ光の一部を半導体表面で再度反射し、このレーザ光を反射する基板表面に対面して実装されたモニタ用受光素子PDで検出する。
【実施例４】
【００３４】
実施例４は、実施例１又は実施例２とハーフミラーHMの組み合わせた構造である。ここでは一例として、図５に非対称な凸レンズLSとハーフミラーHMを組み合わせた場合の構成例を示す。
【００３５】
これらの構成では水平共振器面発光型のレーザ素子LDから出射されるレーザ光は半導体基板に対して垂直でない角度となっているが、所定の直径を有するパッケージレンズPLを使用することによりレンズの集光作用によって最終的にモジュールパッケージから出射するレーザ光を基板面に対して垂直な角度に修正することは容易である。あるいは、非対称な凸レンズLSの形状を所定のものに形成することによって、水平共振器面発光レーザ素子から出射されるレーザ光そのものを基板面に対して垂直にすることも可能である。また、ハーフミラーの角度と位置シフトした凸レンズLSの位置、あるいはハーフミラーHMの角度と非対称レンズの形状を所定の関係にすることによっても同様の効果が得られる。これらのミラーとレンズの形状制御は既存の半導体プロセスの精度で可能なものである。
【００３６】
このように、一般的なレーザサブマウントに通常の方法でレーザ素子を実装し、このサブマウントに隣接して受光用受光素子PDをパッケージモジュール筐体のステムSTMの同一平面上に、簡易な面実装するのみでレーザ光のモニタ機能を得られる。
【実施例５】
【００３７】
実施例５を、図６および図７を用いて説明する。本実施例の活性層は、波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓの量子井戸型構造を採用した水平共振器面発光レーザ素子である。図６（ａ）は、本実施例の面発光レーザ素子の斜視図であり、図６（ｂ）は本実施例の面発光レーザ素子の断面斜視図である。図６（ｃ）は、本実施例の面発光レーザ素子の光進行方向に平行な面での断面図である。図６（ｄ）は、本実施例の面発光レーザ素子の下面図である。図６（ｅ）は、面発光レーザ素子の光の進行方向に交差する面での断面図である。図７は、面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００３８】
本実施例の波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型水平共振器面発光レーザ素子は、図６（ｂ）および図６（ｅ）に示すように、ストライプ状に加工された半導体のヘテロ構造が半絶縁層で埋め込まれた埋込みヘテロ型（BH：Burried Hetero）構造を有する。この例では、埋込みへテロ構造におけるストライプ状の光導波路部分の周囲は、Fe（鉄）をInPにドープした高抵抗の半絶縁層SIで埋め込まれている。ｎ型半導体は硫黄(Sulfur：元素記号Ｓ)をドープし、ｐ型半導体は亜鉛(Zinc：元素記号Zn)をドープするものとする。
【００３９】
本実施例における積層構造の断面図は図７（ａ）に示す通りである。半導体層FCとして、ｎ型InPの半導体基板を用いる。この半導体層FCの上に活性層ACがある。図７（ｂ）に示す通り、この活性層ACは、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｎ側光閉じ込め層NC、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｐ型光閉じ込め層PCの間に、アンドープなＩｎＧａＡｌＡｓで構成され、厚さ７ｎｍのウェル層WLと厚さ８ｎｍのバリア層BLを５周期積層した多重量子井戸構造を備えている。このような多重量子井戸構造は、レーザとして十分な特性を実現できるように設計される。活性層ACの上には、InGaAsＰ系材料からなる回折格子層DGがクラッド層として機能するｎ型InPで構成された第2半導体層SCに埋め込まれている。さらに、その上には、ｐ型InPで構成されたコンタクト層が配置されている。活性層ACおよび回折格子層SGの構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。
【００４０】
尚、ここで、量子井戸層を挟んで設けられた光閉じ込め層PC,NCは、量子井戸層の光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能は活性層ACを、これより屈折率の低いクラッド層FC,SCで挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層FC／活性層AC／クラッド層SCの積層構造により光導波機能が実現されるものであるが、具体的形態では、活性層における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層WL、BLを挟んで光閉じ込め層PC,NCを設けているのである。当然、クラッド層の屈折率は光閉じ込め層の屈折率より低い値である。尚、本実施例ではクラッド層として機能する第1半導体層は半導体基板がこの役割を担っているが、勿論、半導体基板上に別途クラッド層を設けてもよい。
【００４１】
回折格子層DGの極性はｐ型とした。このような構造は、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化するので屈折率結合型ＤＦＢレーザと呼ばれる。なお、本実施例では、回折格子DGがＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。また、本実施例では、DFBレーザで構成したが、DBRレーザでも構わない。
【００４２】
次に、本実施例の製造プロセスを、図７と図８のフローチャートを用いて説明する。まず、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型InP基板で構成された第1半導体層FC（クラッド層）上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層NC、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層PCからなるＩｎＧａＡｌＡｓで構成された活性層ACを形成する（図８  Ｓ８０１）。次に、その上方にInGaAsＰで構成された回折格子層DGを含む半導体多層体を形成する（図８  Ｓ８０２）。さらに、その上方にｐ型InPで構成された第2半導体層SC（クラッド層）を形成し（図８  Ｓ８０３）、次にｐ型InGaAsで構成されたコンタクト層CTを形成する（図８  Ｓ８０４）（図７（ａ））。ドーピングによるキャリア濃度はｎ型ｐ型ともに１０の１８乗ｃｍ−３にした。この多層構造を有するInPウェハ上に、二酸化珪素膜MS1を被覆して保護マスクとする（図８  Ｓ８０５）。この二酸化珪素マスクMS1を用いて、図７の（ｂ）に示すように、コンタクト層CT、ｐ型クラッド層SC、回折格子層DG、活性層AC、そして第1半導体層FCの一部までをエッチングすることにより、光導波路を形成する（図８  Ｓ８０６）。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。
【００４３】
次に、本試料を結晶成長炉に搬入してＭＯＶＰＥ法を用いて６００℃にてFeをドープしたInPで構成された半絶縁層SIを埋め込み成長した（図７（ｃ））（図８  Ｓ８０７）。このエッチング工程と埋込み層を再成長させるプロセスにより、埋込みヘテロ構造を形成した。埋込みへテロ構造は、光導波路の光進行方向の両側を、光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。閉じ込めに用いる材料は、通例高抵抗の材料とする。本例では、Ｆｅをドープした高抵抗のInPで構成した半絶縁層SIを用いた。図７（ｅ）は素子の光の進行方向と交差する面での断面図である。図７（ｅ）より埋込み構造が十分理解されるであろう。
【００４４】
なお、この埋込み構造形成工程においては光導波路の光進行方向に対して左右両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端も半絶縁層SIで埋め込んだ。光導波路の先端をInPで埋め込んだ理由は、こうすることにより４５°傾斜ミラーをエッチング加工する部分がInP材料（Fe−InP）だけで構成されるようにすることができて、エッチングで形成するミラーを完全に平滑に加工することが容易になるからである。
【００４５】
その後、埋込み成長のための選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜MS1を除去して（図８  Ｓ８０８）、エッチングマスク用の窒化珪素膜７４を形成し（図８  Ｓ８０９）、４５°の傾斜角度にFeがドープされたInPで構成された半絶縁層SIをエッチングした（図８  Ｓ８１０）（図７（ｅ））。この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本実施例ではＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｈｃｈｉｎｇ）や、ウェットエッチングを用いても良い。
【００４６】
次に、窒化珪素膜MS2を除去した後（図８  Ｓ８１１）、ｐ型InGaAsコンタクト層の上部に第2電極SE（ｐ型電極）を蒸着した（図８  Ｓ８１２、図７（ｆ））。さらに、基板裏面を１３０μｍの厚みまで研磨した後（図８  Ｓ８１３）、基板裏面に窒化珪素マスクMS3を形成した（図８  Ｓ８１４）。
【００４７】
続いて、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、直径６０μｍ深さ５０μｍの円柱形状にエッチングした（図８  Ｓ８１５）（図７（ｆ））。この時、円柱形上の円の中心位置が、活性層６１の延長線と４５度傾斜ミラーの交差する点の直下に対して、基板水平面内で図７（ｆ）に示す方向に１５．５μｍシフトするように前記窒化珪素マスクMS3を形成している。なお円柱の形状は用途によって楕円形状の場合もある。この面に半導体よりも小さい屈折率を持つフォトレジストを、円柱形状の窪みの中にから十分に溢れる程度に堆積させた（図８  Ｓ８１６）。フォトリソグラフィにより穴の上付近以外のレジストを除去し（図８  Ｓ８１７）、窒化珪素マスクを除去した（図８  Ｓ８１８）。加熱によりレジストを溶かすことで、穴の上部に表面張力により半球形状で曲率がおよそ０．０２μｍ-1の低屈折率レンズLSが形成された（図８  Ｓ８１９）。本実施例では有機物である有機レジストをレンズ媒質に用いたが、窪みの底に位置する半導体表面の形状が、表面が大気に曝されたときにビームの放射角を拡大する効果がある形状である場合、半導体よりも屈折率の小さい媒体であれば同様の目的を達成することができる。また、窪みの底に位置する半導体表面の形状が、表面が大気に曝されたときにビームの放射角を縮小するような凸形状である場合、レンズ媒質に半導体よりも屈折率の大きいものを用いる必要がある。
【００４８】
本実施例では、窪みの底に位置する半導体表面の形状が、表面が大気に曝されたときにビームの放射角を拡大する効果がある平面である。このため、素子中のビーム光路の途中に屈折率の大きい半導体から屈折率の小さいレジストとの界面を設けることにより、ビーム出射面におけるビーム径を広げることができる。また、ビーム出射面において凸レンズが形成されているので、放射角の狭い平行性の高いビームを得ることが可能である。
【００４９】
本実施例の水平共振器面発光レーザ素子は、ビーム拡がり角は２°であり、レーザ裏面から１００μｍの位置で直径１２０μｍの円形なビームスポットとなる狭出射ビームを得た。また、レンズLSの位置をシフトさせたことによって、レーザ光のおよそ６%を第２半導体層SC側の表面へ取り出すことができた。また、レンズ位置のシフト量によって、取り出すレーザ光の光量が制御可能である。この結果、本実施例の効果により、半導体レーザの駆動状態をモニタリングするのに十分な強度の反射光を取り出すことが可能であることが示された。
【００５０】
上記の工程で作製した水平共振器面発光レーザ素子を厚さ２００μｍのAlN基板上にAuSn半田がパターニングされたレーザ用サブマウントSM上にジャンクションダウン実装し、水平共振器面発光型のレーザ素子LDを搭載したサブマウントSMをCANステムSTM上にAgエポキシにて実装した。尚、水平共振器面発光型のレーザ素子LDをサブマウントSMに実装する際、凸レンズLSからの反射光が取り出される半絶縁層SI／第1半導体層FCをサブマウントから突き出させるようにして実装した。
【００５１】
次に、CANステムSTM上の同一平面内に、水平共振器面発光型のレーザ素子LDのサブマウントSMから１００μｍ離した位置に厚さ１００μｍ、受光径が８０μｍのモニタ用受光素子PDをAgエポキシにて実装し、最後にパッケージレンズPLであるボールレンズつきのCANキャップで封止することでレーザ光のモニタリング機能を有する光モジュールを作製した。
【００５２】
なお、本実施例ではInP基板上に形成された波長帯１．３μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型レーザに適用した例を示したが、基板材料や活性層材料、そして発振波長はこの例に限定されるものではない。本発明は例えば１．５５μｍ帯InGaAsＰレーザ等のその他の材料系にも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来例の水平共振器端面発光レーザ素子のCANパッケージを説明する図である。
【図２】実施例１の光モジュールの断面構成図である。
【図３】実施例２の光モジュールの断面構成図である。
【図４】実施例３の光モジュールの断面構成図である。
【図５】実施例４の光モジュールの断面構成図である。
【図６】実施例５を説明する図であり、（ａ）は実施例５の斜視図、（ｂ）は実施例５の断面斜視図、（ｃ）は実施例５の光の進行方向に平行な面での断面図、（ｄ）は実施例５の素子の下面図、（ｅ）は実施例５の光の進行方向に交差する面での断面図である。
【図７】実施例５の面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】実施例５の面発光レーザ素子の製造工程を説明したフローチャートである。前記受光面の受光領域があることを特徴とする光モジュール。
【符号の説明】
【００５４】
FC…第1半導体層（ｎ型InP基板）
FE…第1電極（ｎ電極）
SE…第2電極（ｐ電極）
AC…活性層（InGaAsＰ）
SC…第2半導体層（ｐ型InPクラッド層）
SI…半絶縁層（半絶縁性InP）
DG…回折格子層
MR…テーパ面
LD…レーザ素子
RL…反射光
TL…透過光
LS…凸レンズ
OF…光ファイバ
PL…パッケージレンズ
STM…CANステム
SUP…レーザ実装用支柱
SM…レーザ用サブマウント
LD…レーザ素子
PD…モニタ用受光素子
AC…活性層（ＩｎＧａＡｌＡｓ）
NC…ｎ型光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｌＡｓ）
PC…ｐ型光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｌＡｓ）
WL…ウェル層
BL…バリア層
HR…高反射コーティング膜
SC…第2半導体層（ｐ型InGaAsコンタクト層）
MS1…二酸化珪素マスク
MS2…窒化珪素保護膜
MS3…窒化珪素マスク
HM…ハーフミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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