(57)【要約】【課題】安定的にシングルモード発振を得ることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１では、光が通過する光通過面に、光軸を囲むように光屈曲部１０と光強度低減部１１とが設けられている。これにより、光軸の周辺に発生する高次モード光Ｌ２を光屈曲部１０において外側に屈曲させることができるので、光軸に沿った高次モード光Ｌ２の出射を抑制することができる。また、光屈曲部１０の反射によって結晶内を外側に進む光は、光強度低減部１１において干渉されることで強度が低減される。そのため、高次モード光Ｌ２が戻り光となって活性層６へ再入射することを防止することができる。従って、高次モード光Ｌ２を抑制することができると共に、レーザ光のノイズ発生を低減することができるので、安定的にシングルモード発振を得ることが可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に光を共振させ、前記所定の方向に延びる光軸に沿って該光を出射させる半導体発光素子であって、
電流の供給によって光を発する活性層と、
前記活性層で発せられた光を共振させるために、前記所定の方向において前記活性層の一方の側に形成された第１のミラー層と、
前記活性層で発せられた光を共振させるために、前記所定の方向において前記活性層の他方の側に形成された第２のミラー層とを備え、
前記光軸に沿って出射させられる光が通過する所定の光通過面には、
前記光軸を囲むように配置され、前記光軸に沿って通過する光を前記光軸に対して外側に屈曲させる光屈曲部と、
前記光軸に対して前記光屈曲部の外側に配置され、前記光屈曲部で屈曲させられた光の強度を干渉によって低減させる光強度低減部とが設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記光屈曲部は、前記光軸に沿って通過する光を前記光軸に対して外側に反射及び屈折させる反射・屈折面を有する溝であり、
前記光強度低減部は、前記光軸に直交する方向における幅がｍλ／（２ｎ）となる溝である（ｎ：溝内の光の屈折率、λ：光の波長、ｍ：自然数）ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記光屈曲部及び前記光強度低減部は、前記光軸を中心として円環状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記光軸に対して前記光強度低減部の外側には、前記光強度低減部における光の反射率を増強させる光反射率増強部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記光屈曲部及び前記光強度低減部は、前記光軸と直交する方向において互い違いに複数並設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば垂直共振器型面発光レーザ等の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子や発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。ＶＣＳＥＬは、活性層を挟むように半導体ミラー層が設けられることにより、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成された発光素子である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００５／０７１８０８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような面発光レーザには、高出力のシングルモードレーザ光の出射が求められている。そのため、面発光レーザにおいては、高次モード光の出射を抑制する必要がある。そこで、上記特許文献１記載の面発光レーザでは、光出射面に光軸を囲むように光散乱体（フレネルレンズ）を設けることで、光軸に対して外側に高次モード光を散乱させている。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１記載の面発光レーザにあっては、光散乱体で反射された高次モード光が戻り光となって活性層に再入射し、ノイズが発生するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、安定的にシングルモード発振を得ることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、所定の方向に光を共振させ、所定の方向に延びる光軸に沿って光を出射させる半導体発光素子であって、電流の供給によって光を発する活性層と、活性層で発せられた光を共振させるために、所定の方向において活性層の一方の側に形成された第１のミラー層と、活性層で発せられた光を共振させるために、所定の方向において活性層の他方の側に形成された第２のミラー層とを備え、光軸に沿って出射させられる光が通過する所定の光通過面には、光軸を囲むように配置され、光軸に沿って通過する光を光軸に対して外側に屈曲させる光屈曲部と、光軸に対して光屈曲部の外側に配置され、光屈曲部で屈曲させられた光の強度を干渉によって低減させる光強度低減部とが設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この半導体発光素子では、光が通過する光通過面に、光軸を囲むように光屈曲部と光強度低減部とが設けられている。これにより、光軸の周辺に発生する高次モード光を光屈曲部において外側に屈曲させることができるので、光軸に沿った高次モード光の出射を抑制することができる。また、光屈曲部での反射によって外側に進む光は、光強度低減部において干渉されることで強度が低減される。そのため、高次モード光が戻り光となって活性層へ再入射することを防止することができる。従って、高次モード光を抑制することができると共に、レーザ光のノイズ発生を低減することができるので、安定的にシングルモード発振を得ることが可能となる。
【０００９】
更に、光屈曲部は、光軸に沿って通過する光を光軸に対して外側に反射及び屈折させる反射・屈折面を有する溝であり、光強度低減部は、光軸に直交する方向における幅がｍλ／（２ｎ）となる溝である（ｎ：溝内の光の屈折率、λ：光の波長、ｍ：自然数）ことが好ましい。このように、光屈曲部及び光強度低減部を溝とすることで、簡易な構成で確実に高次モード光の出射を抑制することができると共に、レーザ光のノイズ発生を低減することができる。
【００１０】
また、光屈曲部及び光強度低減部は、光軸を中心として円環状に形成されていることが好ましい。この構成によれば、光軸の全周を囲うように光屈曲部及び光強度低減部が設けられるので、より確実に高次モード光の出射を抑制することができると共に、レーザ光のノイズ発生を低減することができる。
【００１１】
また、光軸に対して光強度低減部の外側には、光強度低減部における光の反射率を増強させる光反射率増強部が設けられていることが好ましい。この構成によれば、光強度低減部における光の反射率を増強させることができるので、より効果的に光屈曲部側から入射する光の強度を干渉によって低減することができる。
【００１２】
また、光屈曲部及び光強度低減部は、光軸と直交する方向において互い違いに複数並設されていることが好ましい。この構成によれば、高次モード光を光軸と直交する方向において広範囲に亘って屈曲及び干渉させることができるので、より効果的に高次モード光の出射を抑制すると共に、レーザ光のノイズ発生を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、安定的にシングルモード発振を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子の平面図である。
【図２】図１の半導体発光素子のII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図２の半導体発光素子の要部拡大断面図である。
【図４】従来の半導体発光素子の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の平面図である。
【図６】図５の半導体発光素子のVI−VI線に沿っての断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体発光素子の実施形態について、図を参照しながら説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子の平面図である。また、図２は、図１の半導体発光素子のII−II線に沿っての断面図である。図１及び図２に示すように、半導体発光素子１は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、ベース部２と、メサ部３とから構成されている。図１に示すように、メサ部３は、水平断面が円形の円柱状に形成されている。
【００１７】
図２に示すように、半導体発光素子１は、半導体基板４と、下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層５と、活性層６と、上部ＤＢＲ層７とを有している。このうち、ベース部２は、半導体基板４と、下部ＤＢＲ層５とを含んで構成されている。また、メサ部３は、下部ＤＢＲ層５の上側一部と、活性層６と、上部ＤＢＲ層７とを含んで構成されている。なお、ベース部２とメサ部３との区分については、図２に示した構成に限られるものではなく、例えば下部ＤＢＲ層５全体がベース部２に含まれる構成であってもよい。
【００１８】
半導体基板４は、例えばｎ型を有するＧａＡｓ基板である。この半導体基板４上に形成された下部ＤＢＲ層５は、ｎ型を有して形成された第１のミラー層である。具体的には、下部ＤＢＲ層５は、組成が異なる化合物半導体層を交互に積層して構成された半導体多層ミラー層であり、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を用いることができる。
【００１９】
活性層６は、下部ＤＢＲ層５上に形成され、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する発光層である。この活性層６としては、例えばＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）活性層が用いられる。
【００２０】
上部ＤＢＲ層７は、活性層６上に形成され、ｐ型を有する第２のミラー層である。上部ＤＢＲ層７には、下部ＤＢＲ層５と同様に、例えばＡｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を用いることができる。そして、活性層６を挟んで設けられた上部ＤＢＲ層７と下部ＤＢＲ層５とによって、半導体発光素子１における垂直共振器が構成されている。この構成により、半導体発光素子１は、活性層６から放出され、垂直共振器で半導体基板４に対して垂直方向に共振された光が、上部ＤＢＲ層７側の素子上面から外部へと垂直方向に延びる光軸に沿って出射される上面発光型の構成となっている。
【００２１】
上部ＤＢＲ層７の下部で且つ活性層６上には、上部ＤＢＲ層７を囲うように電流狭窄部８がリング状に形成されている。この電流狭窄部８は、活性層６に対する電流を狭窄する部分であり、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを含む化合物半導体から形成される。なお、電流狭窄部８は、活性層６と上部ＤＢＲ層７との間に、電流狭窄層として形成されてもよい。この場合、例えば電流狭窄層は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化されたリング状の酸化領域と、この酸化領域の内周側に形成される電流狭窄領域とから構成される。
【００２２】
なお、図示しないが、活性層６と下部ＤＢＲ層５との間には、ｎ型のクラッド層やノンドープ層が設けられている。また、活性層６と上部ＤＢＲ層７との間には、ｐ型のクラッド層が設けられている。これらの各層は、個々の発光素子の構造において、必要に応じて設けられる。
【００２３】
また、上部ＤＢＲ層７上には、ｐ型のＧａＡｓのコンタクト層９が形成されている。コンタクト層９は、光軸に沿って出射させられる光が通過する部分である。このコンタクト層９には、光屈曲部１０と、光強度低減部１１とが設けられている。
【００２４】
光屈曲部１０は、高次モード光を光軸に対して外側に屈曲させる部分である。この光屈曲部１０は、コンタクト層９において光軸を囲うようにリング状に配置されており（図１参照）、断面三角形状に形成された溝である。具体的には、光屈曲部１０は、図３に示すように、光軸方向に平行な面１０ａと、光軸に対して外側に略４５°傾斜したテーパ面１０ｂとを有している。このテーパ面１０ｂは、光を光軸に対して外側に反射及び屈折させる面である。
【００２５】
光強度低減部１１は、光屈曲部１０から入射した光の強度を干渉によって低減させる部分である。この光強度低減部１１は、図１に示すように、コンタクト層９において光屈曲部１０の外側に光屈曲部１０と同心円上となるようにリング状に配置されている。光強度低減部１１は、図３に示すように、断面凹状に形成された溝であり、光軸に直交する方向における開口部１１ａの幅寸法がＤとなっている。この開口部１１ａの幅寸法Ｄは、ｍλ／（２ｎ）となっている。ｎは、光強度低減部１１の溝内における光の屈折率であり、例えば１となっている。また、λ（単位ｎｍ）は、光の波長であり、ｍは自然数（ｍ＝１、２、…）である。光強度低減部１１では、光屈曲部１０側から入射した入射波Ｗｉが反射面１１ｂによって反射されて反射波Ｗｆとなる。
【００２６】
コンタクト層９、光屈曲部１０及び光強度低減部１１上には、パッシベーション膜１２が設けられている。パッシベーション膜１２は、コンタクト層９、光屈曲部１０及び光強度低減部１１の表面を保護する膜であり、例えばシリコン窒化物等といった絶縁材料から成る。
【００２７】
また、メサ部３の側面及びベース部２の上面にかけて、絶縁膜１３が形成されている。さらに、絶縁膜１３の上面及び側面に、絶縁層としてポリイミド層１４がリング状に形成されている。
【００２８】
コンタクト層９の外周部には、コンタクト層９と電気的に接続されたｐ側電極（コンタクト電極）であるアノード電極１５がリング状に設けられている。図１に示すように、アノード電極１５には、更にアノードパッド部（ポンディング電極部）１６が接続されている。このアノードパッド部１６は、例えばメサエッチによって取り除かれたメサ部３の周りを半導体や樹脂で埋め戻し、その上に電極部を形成する構成を用いることができる。
【００２９】
また、ベース部２の半導体基板４の下部には、この半導体基板４と電気的に接続されたｎ側電極であるカソード電極１７が全面に設けられている。これらの素子下面側のカソード電極１７と、上面側のアノード電極１５との間に電圧が印加されて電流が流れると、活性層６は、その電流が供給されることによって発光する。また、この発光に含まれる光成分のうち、下部ＤＢＲ層５及び上部ＤＢＲ層７による垂直共振器での共振波長に対応する光成分は、垂直共振器によって発振し、レーザ光としてコンタクト層９を介して半導体発光素子１の上面から外部へと出射される。
【００３０】
次に、半導体発光素子１における光屈曲部１０及び光強度低減部１１の作用・効果について、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００３１】
図２に示すように、活性層６から発光されて垂直共振器によって共振されたレーザ光は、コンタクト層９の中央部分から基本モード光Ｌ１として外部へと出射される。このとき、図３に示すように、半導体発光素子１では、基本モード光Ｌ１と同時に、この基本モード光Ｌ１の周辺部に高次モード光Ｌ２が発生する。この高次モード光Ｌ２は、上部ＤＢＲ層７から出射されると、光屈曲部１０に入射し、光屈曲部１０において光軸に対して外側に屈曲されて出射される。従って、高次モード光Ｌ２は、基本モード光Ｌ１を囲うように複数出射される。
【００３２】
ここで、図３に示すように、高次モード光Ｌ２における高次モード定在波Ｗの一部は、光屈曲部１０において光強度低減部１１側に屈曲してコンタクト層９内を光強度低減部１１側に進み、光強度低減部１１に入射波Ｗｉとして入射する。そこで、光強度低減部１１では、入射波Ｗｉを反射面１１ｂによって反射し、その位相が入射波Ｗｉに対してπだけずれた反射波Ｗｆとする。この反射された反射波ｗｆが開口部１１ａ内を伝播して、開口部１１ａの反射面１１ｂと反対側の入射面１１ｃにおいて、開口部１１ａと反対側で入射波Ｗｉの入射面１１ｃで反射した波と反射波Ｗｆの入射面１１ｃを透過した波が干渉して打ち消し合い、活性層６方向に戻る光が低減される。
【００３３】
図４は、従来の半導体発光素子の断面図である。同図に示すように、従来の半導体発光素子３０には、光軸を囲うように屈曲部３１，３２が連続して２つ配置されている。このような構成を有する半導体発光素子３０では、垂直発振器から発振された高次モード光Ｌ２が屈曲部３１で屈曲された際、横方向に進行した光が隣接する屈曲部３２の界面で反射される。この場合、その光が活性層６方向に向かうことで、ノイズが発生し、安定的に横シングルモード発振を得ることが困難であった。
【００３４】
これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１では、光軸に対して外側に光を屈曲させる光屈曲部１０の外側に、光強度低減部１１が設けられている。この光強度低減部１１では、光屈曲部１０によって外側に屈曲されて光強度低減部１１に入射した入射波Ｗｉが反射面１１ｂで反射されることでπだけ位相がずれて光強度低減部１１内を伝播して反射面１１ｂと反対側の入射面１１ｃを透過した後その入射波Ｗｉの入射面１１ｃで反射した波と相殺的に干渉する反射波Ｗｆとなる。従って、光屈曲部１０側からコンタクト層９を介して光強度低減部１１側に進む光と、この方向に進み光強度低減部１１によって反射された光とが干渉によって打ち消し合う。このように、高次モード光Ｌ２を外側に屈曲させることで高次モード光Ｌ２の出射を抑制すると共に、活性層６に再入射する戻り光を低減することでレーザ光のノイズ発生を低減することができるので、ＳＭＳＲ（Side Mode Suppression Ratio）の高い高品質な横シングルモード発振を得ることができる。従って、安定的にシングルモード発振を得ることが可能となる。
【００３５】
また、光屈曲部１０は、光軸に沿って通過する光を光軸に対して外側に反射及び屈折させるテーパ面１０ｂを有する溝であり、光強度低減部１１は、光軸に直交する方向における幅寸法Ｄがｍλ／（２ｎ）となる断面凹状の溝である。このように、光屈曲部１０及び光強度低減部１１を溝とすることで、簡易な構成で確実に高次モード光Ｌ２を抑制することができ、且つレーザ光のノイズ発生を低減することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子について詳細に説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子の平面図であり、図６は、図５の半導体発光素子のVI−VI線に沿っての断面図である。図５及び図６に示すように、第２実施形態に係る半導体素子１Ａは、屈曲部２０，２１及び光強度低減部２２，２３が複数並設されている点で、第１実施形態と異なっている。
【００３７】
半導体発光素子１Ａでは、屈曲部２０，２１と光強度低減部２２，２３とが光軸に直交する方向に交互に配置されている。具体的には、コンタクト層９には、中心部分から屈曲部２０、光強度低減部２２、屈曲部２１、光強度低減部２３がこの順で互い違いに配置されている。なお、屈曲部２０，２１及び光強度低減部２２，２３は、第１実施形態で説明した光屈曲部１０及び光強度低減部１１と同様の構成を有している。
【００３８】
第２実施形態に係る半導体発光素子１Ａにおいても、第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。すなわち、半導体発光素子１Ａでは、屈曲部２０，２１側からコンタクト層９を介して光強度低減部２２，２３側に進む光と、この方向に進み光強度低減部２２，２３によって反射された光とが干渉によって打ち消し合う。このように、光軸に直交する方向に光屈曲部２０，２１と光強度低減部２２，２３とを互い違いに複数並設することで、高次モード光Ｌ２を外側に屈曲させることで高次モード光Ｌ２を抑制する共に、活性層６に再入射する戻り光を低減することでレーザ光のノイズ発生を低減することができるので、ＳＭＳＲ（Side Mode Suppression Ratio）の高い高品質な横シングルモード発振を得ることができる。従って、安定的にシングルモード発振を得ることが可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態に加えて、図７に示すように、半導体発光素子１Ｂにおいて、光強度低減部１１の外側に更にコンタクトメタル２４が設けられる構成であってもよい。コンタクトメタル２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成るメタルミラーである。このコンタクトメタル２４は、光の反射率を増強させる部分であり、光強度低減部１１の反射面１１ｂに隣接して設けられる。これにより、光強度低減部１１の反射面１１ｂにおける入射波Ｗｉの反射率が増強される。従って、より効果的に光屈曲部１０側から入射する光の入射波Ｗｉを打ち消す反射波Ｗｆとすることができる。
【００４０】
また、上述の実施形態では、光屈曲部１０，２０，２１の外側にそれぞれ光強度低減部１１，２２，２３が配置される構成となっているが、２つの屈曲部が光軸に直交する方向に連続して配置され、その外側に光強度低減部が配置される構成であってもよい。
【００４１】
また、上述の実施形態では、光屈曲部１０，２０，２１及び光強度低減部１１，２２，２３が最外部（最上部）に設けられているが、光屈曲部１０及び光強度低減部１１は必ずしも最外部となるように設けられる必要はなく、これらの上に更に半導体層が形成されてもよい。
【００４２】
また、上述の実施形態では、光屈曲部１０，２０，２１及び光強度低減部１１，２２，２３がリング状となっているが、光軸を囲うように配置される構成であればよく、例えば光軸を囲うように所定の間隔をあけて複数配置される構成であってもよい。
【００４３】
また、半導体発光素子１，１Ａ，１Ｂの半導体基板１１及び各半導体層５〜７を構成する半導体材料、及びその組み合わせは、上記した構成に限定されず、様々な構成を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１，１Ａ，１Ｂ，３０…半導体発光素子、５…下部ＤＢＲ層（第１のミラー層）、６…活性層、７…上部ＤＢＲ層（第２のミラー層）、１０，２０，２１…光屈曲部、１１，２２，２３…光強度低減部、２４…コンタクトメタル（光反射率増強部）、Ｄ…幅寸法。
【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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