(57)【要約】【課題】レーザ光が半導体基板から丁度垂直な方向に出射する水平共振器面発光レーザを実現する。【解決手段】（１００）面から［０１バー１］方向に９．７°傾斜した半導体基板上に表面出射型の水平共振器面発光レーザを形成することにより、反射鏡が基板表面となす角度が正確に４５°になるようにする。また、（１００）面から［０１１］方向に９．７°傾斜した半導体基板上に裏面出射型の水平共振器面発光レーザを形成することにより、反射鏡が基板表面となす角度が正確に１３５°となるようにする。【選択図】図８
2010003883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、
前記活性層またはその上部に、光を伝播する光導波路が、前記半導体基板主面と平行な方向に形成されており、
前記光導波路の少なくとも端部に、光を反射する共振器が形成されており、
前記共振器から放射されるレーザ光を、前記半導体基板の表面方向に出射するための反射鏡が形成された水平共振器面発光型の半導体レーザ素子であって、
前記半導体基板は、（１００）面またはそれと等価な面から、［０１バー１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
半導体基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、
前記活性層またはその上部に、光を伝播する光導波路が、前記半導体基板主面と平行な方向に形成されており、
前記光導波路の少なくとも端部に、光を反射する共振器が形成されており、
前記共振器から放射されるレーザ光を、前記半導体基板の裏面方向に出射するための反射鏡が形成された水平共振器面発光型の半導体レーザ素子であって、
前記半導体基板は、（１００）面またはそれと等価な面から、［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
半導体基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、
前記活性層またはその上部に、光を伝播する光導波路が、前記半導体基板主面と平行な方向に形成されており、
前記光導波路の少なくとも端部に、光を反射する共振器が形成されており、
前記共振器から放射されるレーザ光を、前記半導体基板の表面方向または裏面方向に出射するための反射鏡が形成された水平共振器面型の発光レーザ素子が搭載された光モジュールであって、
前記半導体基板は、（１００）面またはそれと等価な面から、［０１バー１］方向またはそれと等価な方向、もしくは［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする光モジュール。
【請求項５】
前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項４記載の光モジュール。
【請求項６】
キャンステム上に設けられたサブマウントと、
前記サブマウントの一の面上に設けられた、互いにその使用波長の異なる少なくとも第一の発光素子および第一の受光素子と、
前記ステム上に固定され、かつ、その頂部に光を出し入れするための穴を有するキャンキャップまたはパッケージと、
平行平板状で、かつ、通過光に対して透過性を有する第一の基板の第一の面に設けられた第一の波長選択フィルタと、
前記第一の面に対向する他の面にミラーが設けられた光合分波器と、
を有し、
前記光合分波器の延在方向が、光素子搭載基板の一の面に対して二次元断面で角度θ（θ≠２Ｎπ、但し、Ｎ＝０，１，２…である）だけ傾いた状態で前記キャンキャップ内または前記パッケージ内に固定され、
前記第一の発光素子からの出射光は、前記第一の波長選択フィルタおよび前記第一の基板を通過して、前記キャンキャップまたは前記パッケージの外の光ファイバに入射し、
前記光ファイバからの出射光は、前記光合分波器に入射し、前記第一の波長選択フィルタで反射し、さらに前記ミラーで反射した後、前記光合分波器を出射して前記第一の受光素子に入射する光モジュールであって、
前記第一の発光素子は、
半導体基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、
前記活性層またはその上部に、光を伝播する光導波路が、前記半導体基板主面と平行な方向に形成されており、
前記光導波路の少なくとも端部に、光を反射する共振器が形成されており、
前記共振器から放射されるレーザ光を、前記半導体基板の表面方向または裏面方向に出射するための反射鏡が形成された水平共振器面発光型の半導体レーザ素子であり、
前記半導体基板は、（１００）面またはそれと等価な面から、［０１バー１］方向またはそれと等価、もしくは［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする光モジュール。
【請求項７】
前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
【請求項８】
前記サブマウント上に第二の受光素子を有し、
前記光ファイバからの出射光は、波長λ２およびλ３（但し、λ２≠λ３である）の光を有する波長多重光であり、
前記光ファイバからの出射光は、前記光合分波器に入射し、前記第一の波長選択フィルタで反射し、さらに前記ミラーで反射した後、前記波長λ２の光が前記第一の面に設けられた第二の波長選択フィルタを通過して前記光合分波器を出射して前記第二の受光素子に入射し、前記波長λ３の光が前記第二の波長選択フィルタで反射し、さらに前記ミラーで反射した後、前記光合分波器を出射して前記第二の受光素子に入射することを特徴とする請求項６記載の光モジュール。
【請求項９】
光送信モジュールと受信モジュールとを備えており、前記光送信モジュールに半導体レーザ素子が搭載された光トランシーバであって、
前記半導体レーザ素子は、
半導体基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、
前記活性層またはその上部に、光を伝播する光導波路が、前記半導体基板主面と平行な方向に形成されており、
前記光導波路の少なくとも端部に、光を反射する共振器が形成されており、
前記共振器から放射されるレーザ光を、前記半導体基板の表面方向または裏面方向に出射するための反射鏡が形成された水平共振器面発光型の半導体レーザ素子であり、
前記半導体基板は、（１００）面またはそれと等価な面から、［０１バー１］方向またはそれと等価な方向、もしくは［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする光トランシーバ。
【請求項１０】
前記半導体基板は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項９記載の光トランシーバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用レーザや光ディスク用レーザなどの半導体レーザ素子、およびこの半導体レーザ素子を搭載した光送信モジュールやキャン（ＣＡＮ）モジュールなどの光モジュール、ならびに光トランシーバに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、その共振器方向およびレーザ光出射方向の組み合わせ方によって分類すると、水平共振器端面発光レーザ、垂直共振器面発光レーザ、および水平共振器面発光レーザの三種類に分けられる。
【０００３】
第一の水平共振器端面発光レーザは、半導体基板の面内に水平な方向に光導波路が形成されており、基板をへき開により分割した端面からレーザ光を出射するものである。このレーザ構造は、共振器長を数百μｍ程度と長くすることができるので、高い光出力を得るのに適しており、最も一般的に普及しているレーザ構造である。しかしながら、本構造を用いた場合には、レーザの反射鏡を形成するために、作製プロセスの途中で基板を分割する必要がある。このため、半導体ウエハを分割せずに作製プロセスから特性検査までを一貫して行うことができず、製造コストが高くなるというデメリットがある。
【０００４】
次に、第二の垂直共振器面発光レーザは、共振器を基板に垂直な方向に形成した構造を持つレーザである。このため、共振器を形成するために基板を分割する必要がないので、フルウエハのままレーザの作製および特性検査を行うことができ、製造コストを低く抑えることができるというメリットがある。しかしながら、本構造の場合は、共振器長が結晶成長膜厚で決まるために非常に短く、高い光出力を得ることが本質的に困難であるというデメリットがある。
【０００５】
これに対し、第三の水平共振器面発光レーザは、上記二種類のレーザの優れた点を兼ね備えたレーザ構造である。本構造は、共振器が基板面内に水平な方向に形成されており、さらに、レーザ光を基板の表面または裏面から出射させるための４５°または１３５°に傾斜した反射鏡が集積形成された構造となっている。本発明は、このような水平共振器面発光レーザの改良技術に関するものである。
【０００６】
基板表面と４５°の角度をなす反射鏡が集積形成され、基板の表面から光が出射するタイプの水平共振器面発光レーザの構造例を図１に示す。本構造では、活性層１３で発生したレーザ光が基板１２の表面と４５°の角度をなす表面出射用の反射鏡１７で全反射して基板１２の表面側に導かれるために、基板１２の表面から光が出射するのである。
【０００７】
次に、基板１２の表面と１３５°の角度をなす反射鏡が集積形成してあり、基板１２の裏面から光が出射するタイプの水平共振器面発光レーザの構造例を図２に示す。本構造では、活性層１３で発生したレーザ光が基板１２の表面と１３５°の角度をなす裏面出射用の反射鏡１９で全反射して基板１２の裏面側に導かれるために、基板１２の裏面から光が出射するのである。
【０００８】
水平共振器面発光レーザの構造の詳細について、基板１２の表面と１３５°の角度をなすように傾斜した反射鏡が集積形成してあるタイプの水平共振器面発光レーザを例にとって、図３〜図６を用いて説明する。本レーザ素子は、所謂分布帰還形(ＤＦＢ：Distributed Feedback)レーザである。図３はレーザ素子の一部を破断して示す斜視図、図４はレーザ素子の光軸方向に沿った断面図、図５はレーザ素子の下面図、図６はレーザ素子の光軸に垂直な方向に沿った断面図である。なお、レーザ素子の構造を三次元的に明示にするために、基板１２の置かれている面をｘｙ平面、基板１２の表面の法線方向をｚ軸方向、レーザ共振器の光軸方向をｘ軸方向として本素子の構造を説明する。
【０００９】
本レーザ素子は、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰからなる基板１２上に形成されている。光は、基板１２の裏面のｎ電極１１および基板１２の表面のｐ電極１６からＩｎＧａＡｓＰの活性層１３に電流が注入されて発生する。発生した光は、ｚ方向にはｐ型ＩｎＰのクラッド層１５／活性層１３／基板１２からなる光閉じ込め構造により閉じ込められる。また、ｙ方向には半絶縁性ＩｎＰ層２１／活性層１３／半絶縁性ＩｎＰ層２１からなる光閉じ込め構造により閉じ込められる。こうして、ｙ方向およびｚ方向に閉じ込められた光はｘ軸方向に伝播する。この光の伝播するｘ軸方向には、屈折率が周期的に変化する回折格子１４が形成されている。光がこの回折格子１４で帰還されてレーザ発振が起こる。
【００１０】
このようして発生したレーザ光は、導波路の一端を１３５°の角度にエッチング加工することにより形成した反射鏡１９で全反射し、基板１２の裏面方向に導かれる。基板１２の裏面の反射鏡１９に対向する部分には無反射コーティング１８が施してあり、レーザ光は、基板１２の裏面から出射される。ここで、反射鏡１９の角度は半導体多層構造の表面とエッチング加工した傾斜面のなす角度で定義している。従って、図２に示した裏面出射型の水平共振器面発光レーザについて言えば、裏面から丁度垂直に光を出射させるためには、反射鏡１９の傾斜角を１３５°とするのが好適である。一方、図１に示した表面出射型の水平共振器面出射レーザにおいては、表面から丁度垂直に光を出射させるためには、反射鏡１７の傾斜角を４５°とするのが好適である。
【００１１】
上記のような構造を持つ水平共振器面発光レーザでは、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、高い光出力を容易に得ることができる。また、基板面に垂直な方向に光を出射するので、フルウエハプロセスでレーザを作製し、特性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。
【００１２】
なお、従来の水平共振器面発光レーザの公知例としては、半導体基板の｛１００｝面上に形成された、逆メサ状にエッチングされた反射面を有する表面出射型の水平共振器型面発光レーザが特許文献１に公開されている。また、第二の公知例として、ＩｎＰ基板上に形成された、臭素とアルコールの混合液を用いたウェットエッチングにより形成された反射鏡を有する裏面出射型の水平共振器型面発光レーザが非特許文献１に報告されている。
【特許文献１】特開２００７−０５８４０１号公報
【非特許文献１】アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics Technology Letters)、第３巻、第９号、７７６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記した従来の水平共振器面発光レーザは、基板から丁度垂直な方向にレーザ光を出射させることが難しいという問題がある。これは、レーザ光を基板から垂直な方向に出射させるためには、基板に形成するミラーの傾斜角度を正確に４５°あるいは１３５°にしなくてはならないが、ミラーの傾斜角度を高い精度で４５°あるいは１３５°にすることが困難なためである。
【００１４】
ミラー形成のエッチング技術には、ドライエッチングとウェットエッチングの２つの技術があるので、それぞれの場合について高い角度精度で傾斜ミラーを形成することが困難な理由を説明する。
【００１５】
まず、ドライエッチングを用いる場合であるが、この場合は、通常、ケミカリーアシステッドイオンビームエッチング方式(ＣＡＩＢＥ：Chemically Assisted Ion Beam Etching)などのイオンビーム方式のエッチング装置を使用し、４５°に傾けてセッティングした被加工基板にイオンビームを照射することによって傾斜ミラーを形成する。しかしながら、イオンビーム照射方向に対して基板を保持するホルダーを正確に４５°傾けることは困難であり、ミラーの傾斜角度に数度の角度ずれが生じる場合もあるなど、角度制御性に大きな課題がある。
【００１６】
次に、ウェットエッチングを用いる場合に、高い角度精度で傾斜ミラーを形成することが困難な理由について、図７を用いて説明する。図７は、絶縁膜マスク３１と臭素系ウェットエッチング液とを用いて基板１２の（１００）面をウェットエッチングした場合の加工断面形状を示す模式図である。加工断面形状と原子配列方向との相関関係を分かり易くするために、実際とはスケールが異なるが、原子配列の様子を模式的に示した。図７（ａ）は、［０１１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示し、図７（ｂ）は、［０１バー１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示している。
【００１７】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、化合物半導体基板をウェットエッチングした場合には、（１１１）Ａ面が自然に形成される場合が多いので、この面を反射鏡として用いるのが一般的である。しかし、（１１１）Ａ面が基板１２の表面の（１００）面となす角度は、図７（ａ）の場合で５４．７°、図７（ｂ）の場合で１２５．３°であり、基板１２の表面方向に垂直に光を出射するために好適な４５．０°、および基板１２の裏面方向に垂直に光を出射するために好適な１３５．０°からそれぞれ９．７°ずれている。このため、これらの面を反射鏡として用いた場合、レーザ出射光は基板１２に垂直な方向から大きく傾いて出射されることになる。
【００１８】
しかしながら、例えば半導体レーザから出射する光をファイバなどに結合しようとした場合に光の結合損失を少なくするためには、レーザ光が基板１２から正確に垂直な方向に出射していることが好ましい。従って、上記のように、レーザ光が基板１２から傾いて出射される現象は、解決しなければならない課題である。
【００１９】
なお、（１００）面またはそれと等価な面とは、（１００）面、（０１０）面または（００１）面のことである。また、｛１００｝面とは、これらの（１００）面に等価である面をまとめて表す表現である。また、［０１１］方向またはそれと等価な方向とは、［０１１］方向、［１０１］方向または［１１０］方向のことである。また、＜０１１＞方向とは、これらの［０１１］方向に等価である方向をまとめて表す表現である。また、（１００）面から［０１１］方向に９．７°傾斜しているという表現は、基板表面の結晶面方位が（１００）面ではなく、（１００）面から９．７°の角度だけ傾斜した面であることを示しており、その傾斜方向は、９０°傾斜した場合に（１１０）面になる方向である。
【００２０】
本発明の第１の目的は、基板から正確に垂直な方向にレーザ光を出射する、光結合効率特性に優れた水平共振器面発光レーザを提供することにある。
【００２１】
本発明の第２の目的は、光結合効率の高い光モジュールを提供することにある。
【００２２】
本発明の第３の目的は、光結合効率の高い光トランシーバを提供することにある。
【００２３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
（１）上記した本発明の第１の目的は、基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、上記活性層自体あるいはその上部に光を伝播する光導波路が上記基板の主面と平行な方向に形成されており、上記光導波路の少なくとも一部に光を反射する共振器構造が形成されており、上記共振器構造から放射されるレーザ光を上記基板の表面方向に出射するための反射鏡が形成されている水平共振器面発光レーザにおいて、上記基板が（１００）面またはそれと等価な面から、［０１バー１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする半導体レーザにより達成される。
【００２６】
また、上記した本発明の第１の目的は、基板の主面上に光を発生する活性層が積層されており、上記活性層自体あるいはその上部に光を伝播する光導波路が上記基板の主面と平行な方向に形成されており、上記光導波路の少なくとも一部に光を反射する共振器構造が形成されており、上記共振器構造から放射されるレーザ光を上記基板の裏面方向に出射するための反射鏡が形成されている水平共振器面発光レーザにおいて、上記基板が（１００）面またはそれと等価な面から、［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°±０．５°傾斜していることを特徴とする半導体レーザにより達成される。
【００２７】
（２）上記した本発明の第２の目的は、上記（１）の特徴を有する半導体レーザを構成要素として有する光モジュールにより達成される。
【００２８】
また、上記した本発明の第２の目的は、キャン（ＣＡＮ）ステム上に設けられたサブマウントと、上記サブマウントの一つの面上に設けられた、互いにその使用波長が異なる少なくとも第一の発光素子および第一の受光素子と、上記ステム上に固定され、その頂部に光を出し入れするための穴を有するキャン（ＣＡＮ）キャップまたはパッケージと、平行平板状で、通過光に対して透過性を有する第一の基板の一つの面に第一の波長選択フィルタが設けられ、上記一つの面に対向する他の面にミラーが設けられた光合分波器とを有し、上記光合分波器の延在方向が、前記光素子搭載基板の一つの面に対して二次元断面で角度θ（但し、θ≠２Ｎπ、Ｎ＝０、１、２…である）だけ傾いた状態で上記キャンキャップ内またはパッケージ内に固定され、上記第一の発光素子からの出射光は、上記第一の波長選択フィルタおよび第一の基板を通過して上記キャップの外の光ファイバに入射し、上記光ファイバからの出射光は、上記光合分波器に入射し、上記第一の波長選択フィルタで反射し、さらに上記ミラーで反射した後、上記光合分波器を出射して上記第一の受光素子に入射する光モジュールにおいて、上記第一の発光素子が上記（１）の特徴を有する半導体レーザであることにより達成される。
【００２９】
また、上記した本発明の第２の目的は、上記の光モジュールにおいて、上記サブマウント上に第二の受光素子を有し、上記光ファイバからの出射光は波長λ２およびλ３（但し、λ２≠λ３）の光を有する波長多重光であり、上記光ファイバからの出射光は上記光合分波器に入射し、上記第一の波長選択フィルタで反射し、さらに上記ミラーで反射した後、上記波長λ２の光は上記一つの面に設けた第二の波長選択フィルタを通過して上記光合分波器を出射して上記第二の受光素子に入射し、上記波長λ３の光は上記第二の波長選択フィルタで反射し、さらに上記ミラーで反射した後、上記光合分波器を出射して上記第二の受光素子に入射することを特徴とする光モジュールにより達成される。
【００３０】
（３）上記した本発明の第３の目的は、光送信モジュールと光受信モジュールを具備してなる光トランシーバにおいて、上記光送信モジュールに上記（１）の特徴を有する半導体レーザを搭載することにより達成される。
【００３１】
以下、本発明の作用について、図８を用いて説明する。図８は、絶縁膜マスク３１と臭素系ウェットエッチング液とを用い、ＩｎＰからなる傾角基板４１をエッチングした場合の加工断面形状を示す模式図である。加工断面形状と原子配列方向との相関関係を分かり易くするために、実際とはスケールが異なるが、原子配列の様子を模式的に示した。図８（ａ）は、（１００）面から［０１バー１］方向に９．７°傾斜した傾角基板４１において、［０１１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示し、図８（ｂ）は、（１００）面から［０１１］方向に９．７°傾斜した傾角基板４１において、［０１バー１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示している。
【００３２】
本発明の特徴は、傾角基板４１を用い、ウェットエッチングで自動的に生成する（１１１）Ａ面が基板主面に対して正確に４５°あるいは１３５°傾斜するようにすることにより、基板面から正確に垂直な方向にレーザ光が出射する水平共振器面発光レーザを実現することにある。その具体的な実現手段として、本発明者らは、以下の二つの手法を見出した。
【００３３】
まず、第一の手法について図８（ａ）を用いて説明する。本手法は、基板の表面から光を出射するための、基板の表面に対して正確に４５°傾斜した反射鏡を形成する手法である。本手法では、半導体基板として（１００）面またはそれと等価な面から［０１バー１］方向またはそれと等価な方向に９．７°傾斜した傾角基板４１を用いる。別の表現をすれば、｛１００｝面から＜０１バー１＞方向に９．７°傾斜した傾角基板４１を用いる。これによって、ウェットエッチングで自動的に生成する（１１１）Ａ面が基板主面に対して丁度４５°傾斜した面となるので、基板面内方向に生成したレーザ光が反射鏡で反射した際に、基板の表面側から丁度基板に垂直な方向に出射するのである。
【００３４】
次に、上記第一の手法における基板傾斜角度の上限と下限を９．７°±０．５°に設定した理由を説明する。これは、半導体レーザと光ファイバの光結合効率により規定される値である。例えば本発明の１．３ミクロン波長帯水平共振器面発光レーザを、三波長を用いた双方向光送受信モジュール（いわゆる光トリプレクサー）に応用した場合に、半導体レーザと光ファイバの光結合損失を３ｄＢ以下にするためには、ミラーの傾斜角度に許容される角度範囲が９．７°±０．５°に規定されるからである。
【００３５】
次に、第二の手法を図８（ｂ）を用いて説明する。本手法は、基板表面から光を出射するための、基板表面に対して１３５°傾斜した反射鏡を形成する手法である。本手法では、半導体基板として（１００）面またはそれと等価な面から［０１１］方向またはそれと等価な方向に９．７°傾斜した傾角基板４１を用いる。別の表現をすれば、｛１００｝面から＜０１１＞方向に９．７°傾斜した傾角基板４１を用いる。これによって、ウェットエッチングで自動的に生成する（１１１）Ａ面が基板主面に対して丁度１３５°傾斜した面となるので、基板面内方向に生成したレーザ光が反射鏡で反射した際に、基板の裏面側から丁度基板に垂直な方向に出射するのである。
【００３６】
次に、上記第二の手法における基板傾斜角度の上限と下限を９．７°±０．５°に設定した理由を説明する。これは、半導体レーザと光ファイバの光結合効率により規定される値である。例えば本発明の１．３ミクロン波長帯水平共振器面発光レーザを、三波長を用いた双方向光送受信モジュール（いわゆる光トリプレクサー）に応用した場合、半導体レーザと光ファイバの光結合損失を３ｄＢ以下にするためには、ミラーの傾斜角度に許容される角度範囲が９．７°±０．５°に規定されるからである。
【発明の効果】
【００３７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００３８】
レーザ光が基板から丁度垂直な方向に出射する水平共振器面発光レーザを実現できる。また、光モジュールや光トランシーバの光結合効率を向上させることができる。
【００３９】
レーザ実装時の高精度な調整が不要となるので実装工程が簡易になり、光モジュールや光トランシーバの大幅な低コスト化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、以下の実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００４１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を図９〜図１９を用いて説明する。本実施の形態は、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に適用したものである。図９はこのレーザ素子の一部を破断して示す斜視図、図１０はレーザ素子の光軸方向に沿った断面図、図１１はレーザ素子の下面図、図１２はレーザ素子の光軸に垂直な方向に沿った断面図、図１３〜図１９はレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【００４２】
図９および図１２に示すように、素子の光導波路部分はストライプ状に加工され、埋込みヘテロ型（ＢＨ：Buried Hetero)構造を有する。この構造はよく知られたものである。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を添加した高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ層２１で埋め込まれている。
【００４３】
基板は、（１００）面から［０１１］方向に９．７４°傾斜した表面を有するｎ型ＩｎＰの傾角基板４１である。活性層１３はｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層と、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる歪多重量子井戸層と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層の積層構造で構成されている。活性領域となる量子井戸層は、厚さ７ｎｍのウェル層と厚さ８ｎｍのバリア層を５周期積層し、レーザとして十分な特性を実現できるように設計する。これらの層の上方には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層１４が形成されている。活性層１３および回折格子層１４の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成されている。
【００４４】
なお、ここで、量子井戸層を挟んで設けられた光閉じ込め層は、量子井戸層の光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能はコア領域を、これよりも屈折率の低いクラッド層で挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層／量子井戸層／クラッド層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、量子井戸層における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層を挟んで光閉じ込め層を設けている。その目的より、クラッド層の屈折率は前記光閉じ込め層の屈折率よりも低い値とする。本実施の形態では、基板側のクラッド層は傾角基板４１がその役割を担っているが、もちろん傾角基板４１上に基板側クラッド層を別途に設けることも可能である。
【００４５】
また、回折格子層１４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、本実施の形態では、回折格子が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よい。
【００４６】
次に、本実施の形態の製造プロセスを図１３〜図１９を用いて説明する。まず、図１３に示すように、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰからなる傾角基板４１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層を積層してなるＩｎＧａＡｌＡｓの活性層１３を形成する。次に、活性層１３の上部にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１４を含む多層構造を形成する。さらに、その上方にｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１５とｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６１を形成する。
【００４７】
次に、図１４に示すように、上記のような多層構造を有する傾角基板４１上に二酸化珪素膜６２を形成する。そして、この二酸化珪素膜６２をマスクに用いてコンタクト層６１、ｐ型クラッド層１５、回折格子層１４、活性層１３、および傾角基板４１の一部までをドライエッチングすることにより、光導波路を形成する。このエッチングには、塩素ガスによる反応性イオンエッチング法を用いる。
【００４８】
次に、傾角基板４１を結晶成長炉に搬入し、図１５に示すように、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて６００℃で半絶縁性ＩｎＰ層２１を埋め込み成長することにより、埋込みヘテロ構造を形成する。埋込みへテロ構造は、光導波路の光の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として、本例では、Ｆｅをドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ２１を用いる。前記図１２は、光の進行方向と交差する面に沿ったレーザ素子の断面図である。この図から埋込み構造が十分理解されるであろう。なお、この埋込み構造の形成工程においては、光導波路の光の進行方向の両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端にも半絶縁性ＩｎＰ２１層を埋め込む。
【００４９】
次に、エッチングおよび選択成長のマスクとして用いた二酸化珪素膜６２を除去した後、図１６に示すように、エッチングマスク用の窒化珪素膜６３を形成し、半絶縁性ＩｎＰ層２１を１３５°の傾斜角度にウェットエッチングする。このエッチングには、臭素とメタノールを混合したウェットエッチング液を用いる。このウェットエッチングで形成される（１１１）Ａ面が基板面に対して丁度１３５°の角度に傾斜する効果により、基板裏面からの垂直出射に適した１３５°の反射鏡１９が実現される。なお、この１３５°の反射鏡１９を形成するウェットエッチング液として、臭素とメタノールを混合した上記ウェットエッチング液以外のもの、例えば臭化水素酸系ウェットエッチング液などを使用することもできる。
【００５０】
次に、窒化珪素膜６３を除去した後、図１７に示すように、コンタクト層６１の上部にｐ電極１６を蒸着形成し、ｐ電極１６の不要部分をドライエッチングすることにより、端面の反射鏡を形成する。
【００５１】
次に、傾角基板４１の裏面を研磨してその厚さを１００μｍ程度まで薄くする。続いて、図１８に示すように、傾角基板４１の裏面に形成した窒化珪素膜６４をマスクに用い、臭素系溶液を用いてウェットエッチングを行うことにより、レンズ５１を形成する。
【００５２】
次に、窒化珪素膜６４を除去した後、図１９に示すように、レンズ５１の表面に窒化酸化珪素からなる無反射コーティング膜１８を形成し、続いて傾角基板４１の裏面にｎ電極１１を形成する。また、図には示していないが、素子の後端面に通常の半導体光素子で用いられる高反射コートを施す。
【００５３】
本実施の形態の水平共振器面発光レーザは、室温、連続条件におけるスロープ効率の平均値が０．４Ｗ／Ａであり、高効率な発振特性を示した。また、レーザ光は、基板裏面から丁度垂直に出射され、基板に垂直な方向からのずれは１°以下であった。一方、本発明の効果を示すために、（１００）面を主面とするＩｎＰ基板を用いて作製した比較用のレーザ素子では、レーザ出射光は基板に垂直な方向から２０°傾いた方向に出射され、本発明の効果が確認された。
【００５４】
この結果、本発明の効果によって、水平共振器面発光レーザのレーザ光が基板に垂直な方向に出射されることが分かった。また、本発明のレーザ素子に対し、５０℃、５ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として１００万時間が得られ、本発明のレーザ素子が高い信頼性を有することも実証された。
【００５５】
なお、本実施の形態では、本発明をＩｎＰ傾角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説明したが、基板材料、活性層材料、発振波長は、本実施の形態で示した例に限定されるものではない。本発明は、例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザなど、他の材料系で構成されるレーザ素子にも同様に適用可能である。
【００５６】
（実施の形態２）
本実施の形態は、波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸型水平共振器面発光レーザに適用したものである。
【００５７】
図２０は、本実施の形態のレーザ素子の断面図である。本実施の形態のレーザ素子は、（１００）面から［０１バー１］方向に９．７°傾斜したｎ型ＩｎＰからなる傾角基板７１に形成されている。活性層１３は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層の積層構造で構成されている。活性層１３の上部には、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１４が形成されている。活性層１３および回折格子層１４は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成されている。
【００５８】
上記回折格子層１４の極性はｐ型である。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、本実施の形態では、回折格子がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明するが、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よい。
【００５９】
上記レーザ素子を製造するには、まず、図２１に示すように、傾角基板７１上に光閉じ込め層、多重量子井戸層および光閉じ込め層からなる活性層１３を形成し、続いて、活性層１３の上部にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１４を含む多層構造を形成した後、回折格子層１４の上部にｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１５およびｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６１を形成する。
【００６０】
次に、前記実施の形態１で説明した手法と同様の手法を用い、埋め込みヘテロ構造の光導波路を形成する。ただし、本実施の形態では、光導波路の光の伝播方向に垂直な方向のみに埋め込み構造を形成し、光導波路の光出射側先端部分には埋め込み構造を形成しない点が異なっているので注意されたい。
【００６１】
次に、図２２に示すように、上記多層構造の上部に二酸化珪素膜６２を形成する。そして、この二酸化珪素膜６２をマスクとして、コンタクト層６１、クラッド層１５、回折格子層１４、活性層１３および傾角基板７１の一部までをウェットエッチングすることにより、４５°に傾斜した反射鏡１７を形成する。このウェットエッチングには、臭化水素酸と過酸化水素の混合液を用いる。このウェットエッチングにより、（１１１）Ａ面が基板面に対して丁度４５°の角度に傾斜するので、傾角基板７１の上面から丁度垂直な方向にレーザ光を出射するのに適した４５°の角度に傾斜した反射鏡１７を形成することができる。
【００６２】
次に、二酸化珪素膜６２を除去した後、図２３に示すように、コンタクト層６１の上部にｐ電極１６を蒸着形成し、ｐ電極１６の不要部分をドライエッチングすることにより、端面の反射ミラーを形成する。次に、傾角基板７１の裏面を研磨してその厚さを９０μｍ程度まで薄くした後、図２０に示すように、傾角基板７１の裏面にｎ電極１１を形成する。また、図には示していないが、素子の後端面に通常の半導体光素子で用いられる高反射コートを施す。
【００６３】
本実施の形態の１．３μｍ帯水平共振器面発光レーザは、室温、連続条件におけるスロープ効率の平均値が０．３５Ｗ／Ａであり、高効率な発振特性を示した。また、本発明の効果を反映してレーザ素子表面から丁度垂直に出射するレーザビームが得られた。レーザ光出射方向の基板面に垂直な方向からのずれは０．５度以下であった。一方、本発明の効果を示すために、ドライエッチングで形成した反射鏡をもつ（１００）面を主面とする比較用の１．３μｍ帯水平共振器面発光レーザでは、反射ミラーの傾斜角度が基板面に対して４６°であり、垂直出射に適した４５°から１°ずれたために、垂直な出射ビームを得ることはできず、出射方向は基板に垂直な方向から７°ずれた方向となった。
【００６４】
この結果、本発明の効果によって、基板に垂直な方向に光を出射する表面出射型の水平共振器面発光レーザが得られた。また、本発明のレーザ素子に対し、８０℃、３ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として２００万時間が得られ、本発明のレーザ素子が高い信頼性を有することも実証された。なお、本実施の形態では、半導体基板としてＩｎＰを用いた例について説明したが、本発明は、ＧａＡｓ基板など、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を用いた場合においても同様の効果を持つ。
【００６５】
図２４は、本実施の形態のレーザ素子８１をヒートシンク８２上に実装した後、光学レンズ８３、後端面光出力モニタ用のフォトダイオード８４、および光ファイバ８５を一体化した光送信モジュールの構造を示す図である。室温、連続条件において、しきい値電流５ｍＡ、発振効率０．３Ｗ／Ａであった。また、垂直方向にレーザビームが出射する本発明の効果を反映してレンズとの光結合効率は高く、５ｍＷ以上の最高モジュール光出力を達成した。また、本発明の効果を反映して、実装は容易であり、低コストで光送信モジュールを製造することができた。
【００６６】
図２５は、本実施の形態のレーザ素子８１をキャン（ＣＡＮ）タイプのパッケージ９１に組み込んだキャンモジュールの構造を示す図である。キャンモジュール筐体として、金型プレス成型で作製したパッケージ９１を使用した。半導体レーザが基板に丁度垂直な方向に光を出射する本発明の効果を反映して、容易な実装でキャンモジュールを作製することができた。
【００６７】
（実施の形態３）
本実施の形態は、本発明の半導体レーザを、一本の光ファイバで複数の波長の光を伝送する波長多重伝送や一芯双方向光伝送の端末機として用いられる光モジュールに適用したものである。
【００６８】
図２６は、この光モジュールの断面図であり、本発明を、三波長を用いた双方向光送受信モジュールの、いわゆる光トリプレクサーと呼ばれるモジュールに応用した例である。図２７は、この光モジュールの構造の一部を詳細に説明する図である。
【００６９】
図２６に示すように、本実施の形態の光モジュールは、発光素子１１１と受光素子１１２、１１３とをサブマウント１１０上に搭載した光素子搭載基板１０１がキャンステム１１４上に実装され、光合分波器１０２はキャンキャップ１０３に実装されてトリプレクサーモジュール１１５を構成している。光素子１１１、１１２、１１３の使用波長はそれぞれλ１、λ２、λ３であり、波長の長短関係はλ１＜λ２＜λ３である。但し、波長の大小関係はこれに限定されるものではない。図２６において、光素子は、使用波長の短いほうから長いほうに並べられている。
【００７０】
キャンキャップ１０３の内部には、光合分波器の実装を可能とするための凹凸が設けられている。但し、キャンキャップ１０３内部に光合分波器が固定できれば十分である。固定の手段は問わない。よって、凹凸を設けることは必須ではない。例えば、光合分波器とパッケージ部材とが嵌合できるように、例えば、パッケージ部材に切り込みが設けられていてもよい。また、パッケージ部材は凹凸と切り込みの両方を備えていてもよい。
【００７１】
光合分波器１０２は、透明ガラス基板１０５を支持基板とし、一方の面に第一の波長選択フィルタ１０６と第二の波長選択フィルタ１０７が隣接して実装され、この面と平行な対向する面に第一のミラー１０８と第二のミラー１０９とが実装されている。光合分波器１０２の実装は、キャンキャップ１０３の凹凸への外形合わせで行い、ＵＶ硬化樹脂で接着する。透明ガラス基板１０５の材質はＢＫ７であり、厚みは１１３６μｍである。
【００７２】
透明ガラス基板１０５は、平面に対する角度が２０°となるように実装されており、図２７に示す寸法ｚ、すなわち多重反射のピッチの平面上への射影は５００μｍである。波長選択フィルタ１０６、１０７は、Ｔａ２Ｏ５（五酸化二タンタル）とＳｉＯ２（二酸化珪素）からなる誘電体多層膜で構成されている。第一の波長選択フィルタ１０６は、λ１＜λｔｈ＜λ２の分離波長λｔｈを持ち、このλｔｈより短波長の光を透過し、長波長の光を反射する性質をもつフィルタ（いわゆるショートパスフィルタ）である。また、第二のフィルタ１０７は、分離波長がλ２＜λｔｈ＜λ３のショートパスフィルタである。第一のミラー１０８は第一の波長選択フィルタ１０６と同じものを用い、第二のミラー１０９は第二の波長選択フィルタ１０７と同じものを用いている。
【００７３】
光素子集積化基板上の発光素子１１１は、本発明の水平共振器面発光レーザで構成されている。この発光素子１１１には、端面出射型レーザを用いることも可能であるが、実装上の簡便さから垂直出射型が望ましく、光結合の容易さや部品点数削減の観点からレンズ集積型が望ましい。本実施の形態では、光が基板から正確に垂直な方向に出射するという本発明の効果を反映して、容易に高い光結合を得ることができる。なお、同様の理由で受光素子１１２、１１３も面入射型が望ましい。また、アンプやコンデンサもキャンキャップ１０３の内部に実装されるが、それらは通常の光モジュールと同様なので図示はしていない。
【００７４】
透明ガラス基板１０５の材質は使用する波長に対して透明であれば良く限定されるものではないが、安価で加工精度の良いものが望ましい。この条件を満たすものとして、本実施の形態ではＢＫ７を用いたが、他のガラス材料、誘電体材料、または半導体材料を用いてよいことは勿論である。
【００７５】
次に、本実施の形態の光モジュールの動作を説明する。発光素子１１１から出射された波長λ１の光は、第一の波長選択フィルタ１０６に到達する。第一の波長選択フィルタ１０６は波長λ１の光を透過した後、透明ガラス基板１０５で屈折して光路を平行移動し、パッケージレンズ１０４を介して外部の光ファイバと光接続される。一方、光ファイバから出射された波長λ２、λ３が合波した光は、透明ガラス基板１０５に入射し、屈折を受けた後、第一の波長選択フィルタ１０６に到達する。波長λ２、λ３の光は反射されて対向する第一のミラー１０８に到達する。第一のミラー１０８は第一の波長選択フィルタ１０６と同じものなので、波長λ２、λ３の光は再度反射される。ここで、ミラー１０８にフィルタ１０６と同じものを用いたのは、波長λ１の光に対する阻止能を向上させるためである。発光素子１１１から出射された波長λ１の光は、パッケージレンズ１０４の表面やファイバ端面その他の場所でわずかに反射され、戻り光となって再び入射する。この波長λ１の戻り光はわずかな光量であっても、受光素子１１２、１１３に入射するとノイズになる。波長λ１の戻り光はフィルタ１０６で透過するが、わずかな量が反射される。そこでミラー１０８でもう一度透過させ、さらに光量を減らしている。
【００７６】
以上のような理由により、本実施の形態では、ミラー１０８にフィルタ１０６と同じものを用いているが、波長分離の仕様が厳しくない場合には、波長依存性のない通常のミラーを用いても十分である。
【００７７】
ミラー１０８で反射された光は、再びフィルタ面へと入射する。最もシンプルな設計では、ミラー１０８で一回反射された光が第二の波長選択フィルタ１０７に入射する構成となるが、本構成ではミラー１０８からの反射光は再び第一の波長選択フィルタ１０６上へと入射し、波長選択フィルタ１０６とミラー１０８との間をもう一往復させる設計としている。これは、発光素子１１１と受光素子１１２との間隔を多重反射のピッチの射影より大きくするためである。高速で駆動する発光素子は、受光素子側に対するノイズ源（これを電気的クロストークと呼ぶ）となる恐れがあるためである。電気的クロストーク、その他特段の理由がない場合には、透明ガラス基板１０５内の多重反射のピッチと素子の実装ピッチを一致させて反射回数を最小にする構成が望ましい。
【００７８】
第一の波長選択フィルタ１０６とミラー１０８との間を二往復した光は、第二の波長選択フィルタ１０７に入射する。ここで、波長λ２の光と波長λ３の光とが分離され、波長λ２フィルタを透過して屈折を受け、受光素子１１２に垂直に入射する。一方、波長λ３の光は反射されてミラー１０９へと入射する。ミラー１０９には、ミラー１０８の場合と同様の理由で、波長選択フィルタ１０７と同じ誘電体多層フィルタを用いる。ミラー１０９で反射された光は、フィルタのない界面（但し、無反射コート有）を透過し、受光素子１１３に入射する。
【００７９】
本実施の形態によれば、レーザ素子から出射されるレーザビームが基板から丁度垂直な方向に出射するという本発明のレーザ素子の効果を反映し、レーザ素子実装時の光軸調整のトレランスが大きく、実装工程が極めて容易となり、光モジュールを低いコストで製造することができる。
【００８０】
（実施の形態４）
本実施の形態は、前記実施の形態２で説明した本発明の光送信モジュールを用いた光トランシーバに適用したものである。
【００８１】
図２８に示すように、本実施の形態の光トランシーバは、光トランシーバ筐体１２１、電気入出力ピン１２２、光ファイバ１２３、光コネクタ１２４、光受信モジュール１２５、光送信モジュール１２６、および信号処理制御部１２７から構成されている。この光トランシーバは、受信した光信号を電気信号に変換して電気入出力ピン１２２を介して外部に出力する機能を有すると共に、電気入出力ピン１２２を介して外部から入力された電気信号を光信号に変換して送信する機能を有する。
【００８２】
上記光ファイバ１２３は、一方の端で光トランシーバ筐体１２１に接続され、他方の端で光コネクタ１２４に接続されている。光コネクタ１２４は、外部の光伝送路から入力された受信光を光ファイバ１２３へ送出できる構造を有すると共に、光ファイバ１２３から入力された送信光を外部の光伝送路へ送出できる構造を有する。
【００８３】
本実施の形態によれば、光結合効率の高い本発明の半導体レーザを搭載した効果を反映し、光トランシーバを非常に低い実装コストで製造することができる。
【００８４】
（実施の形態５）
本実施の形態は、波長９８０ｎｍのＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザに適用したものである。図２９は本実施の形態で解決しようとする課題を示す説明図、図３０および図３１は本実施の形態のレーザ素子を示す斜視図、図３２は図３１のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３３は図３１のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００８５】
本実施の形態では、結晶組成によってエッチング速度が大きく異なるエッチング液を用いた例を述べる。ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系において、ミラー形成用のエッチング液として塩酸系エッチング液を用いた場合、クラッド層１３１、１３３と活性層１３２の結晶組成が大きく異なるため、活性層が１３５°ミラー面に露出する構成とした場合、化学エッチングによるエッチング速度の違いにより、図２９に示すように、活性層１３２の近傍にミラー面の凹凸が発生し、１３５°ミラー面の反射特性が悪化する。
【００８６】
図２９において、符号１３１はｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層、１３２はＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰからなる多重量子井戸活性層、１３３はｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層、１３４はｐ型ＧａＡｓ層をそれぞれ示している。
【００８７】
上記のようなミラー面の凹凸を防止する方法として、本実施の形態では、結晶成長を行う基板にあらかじめ図３０、図３１に示すような帯状の隆起領域１３６を設け、ミラー面をこのような隆起部分に形成することにより、凹凸のないミラー面を形成する。
【００８８】
本実施の形態においては、まず、（１００）面から［０１１］方向に９．７度傾斜した基板面方位に切り出したｎ型ＧａＡｓ基板１３５に、図３０に示すような、幅５０μｍ、高さ１μｍの帯状の隆起領域１３６を形成する。そして、この隆起領域１３６上にＧａＡｓに格子整合する厚さ４分の１波長の光学長を有するブラッグ反射器１３７を結晶成長によって形成する。ブラッグ反射器１３７は、ｎ型Ｇａ０．０１Ａｌ０．９９Ａｓ１３８とｎ型ＧａＡｓ１３９の１０周期膜からなり、その反射率は６０％である。次に、このようなブラッグ反射器１３７を形成した後、結晶成長を継続し、ＧａＡｓに格子整合した半導体レーザ多層結晶１４０を形成する。
【００８９】
上記半導体レーザの多層結晶部分の具体的構造を図３１〜図３３を用いて説明する。本構造は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１ｎクラッド層１４１(Ｓｉドープ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ＝１μｍ）、(Ａｌ0.45Ｇａ0.65）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる隆起部ガイド層１４２(Ｓｉドープ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ＝０.２μｍ）、(Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２ｎクラッド層１４３(Ｓｉドープ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ＝１μｍ）、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓからなる歪量子井戸活性層１４４、ｐ型(Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第１ｐクラッド層１４５(Ｍｇドープ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ＝２μｍ）、ｐ型(Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ／ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる超格子エッチングストップ層１４６、 (Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる第２ｐクラッド層１４７(Ｍｇドープ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ＝２μｍ）、およびｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１４８(Ｚｎドープ＝７ｘ１０１８ｃｍ−３、厚さ＝０.５μｍ）の各層をＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長により順次形成する。
【００９０】
次に、絶縁膜をマスクにしたエッチングで帯状の隆起領域１３６上に１３５°傾斜ミラー１４９を形成する。具体的には、まず、絶縁膜（マスク）で保護された領域以外のエピタキシャル成長層をＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰ活性層１４４まで臭素酸系エッチング液によりエッチングする。次に、塩酸系エッチング液により第２ｎ型クラッド層１４３から第１ｎ型クラッド層１４１までを化学エッチングする。塩酸系エッチング液は結晶面によりエッチング速度が大きく異なるため、（１１１）Ａ面が再現性よく形成される。基板面が（１００）面から約１０度傾いているため、（１００）面となす角が約５５°である（１１１）Ａ面が基板表面に対して１３５°の角度で形成されることは前記実施の形態１で述べた構造と同様である。第１および第２のｎクラッド層と隆起部ガイド層の間には１０％のＡｌ組成の差があるが、同一材料系でエッチング特性の差が小さく、ほぼ平坦にエッチングを得ることが可能であった。
【００９１】
次に、ホトリソグラフ法によってエッチングマスクを再度形成し、イオンビームエッチング技術を用い、基板面に対して４５°の角度をなす第２の傾斜面１５０を形成する。このエッチングは、基板に垂直な方向から４５°傾斜した方向にプラズマが入射するように行った。これにより、基板面に対して１３５°の角度をなす第１の傾斜面１４９と４５°の角度をなす第２の傾斜面１５０とが形成される。
【００９２】
次に、絶縁膜などをマスクにしたエッチングにより、幅２μｍのリッジ形状１５１を形成する。このときのエッチングは方法を問わないので，ウェットエッチング法、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)、ＲＩＢＥ(Reactive Ion Beam Etching)、イオンミリングなど、種々の手法を用いることが可能である。また、このエッチングは、歪量子井戸活性層１４４に達しないようにｐ型(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるクラッド層１４５の途中で止まるようにする。
【００９３】
次に、このような状態の基板表面を二酸化硅素膜で覆い、リッジ形状１５１の上面のみ二酸化珪素膜を除去してコンタクト孔１５３を形成する。続いて、コンタクト層１４８の上面にｐ側オーミック電極１５４を形成し、図には示していないＧａＡｓ基板の裏面にｎ側オーミック電極を形成する。第２の傾斜面１５０と対向する基板表面には二酸化珪素と窒化珪素の８層膜よりなる絶縁物高反射膜１５６（反射率９８％）を設ける。ダイシングにより素子分離を行ない、共振器長約４００μｍの半導体レーザ素子を得る。その後、第１の主面を下にして、ＡｌＮ製ヒートシンク上にボンディングする。
【００９４】
本実施の形態の半導体レーザは、ｐ電極とｎ電極との間に電圧が印加されると、歪量子井戸活性層１４４で発光が起こる。発光ビームは、１３５°ミラー１４９および４５°ミラー１５０で反射し、ブラッグ反射器１３７と絶縁物高反射膜１５６との間で共振してレーザ光となる。ブラッグ反射器１３７の方が絶縁物高反射膜１５６と比較して反射率が低いため、レーザ光の一部がブラッグ反射器１３７を抜けてＧａＡｓ基板を透過して出射する。隆起領域１３６では活性層１４４に変わり隆起部ガイド層１４２が光を導波するため、この領域においても光導波機能が失われず、１３５°ミラー１４９およびブラッグ反射器１３７との良好な光結合が保たれる。
【００９５】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約９８０ｎｍであり、最大光出力３００ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３００ｍＷは熱飽和により制限された。さらに、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１００ｍＷ一定で光出力を連続駆動させたところ、全ての素子で端面が劣化することなく、１万時間以上安定に動作した。
【００９６】
なお、本実施の形態では、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰ系材料を例に構造を説明したが、同様の構成はＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ径などのように、活性層組成がクラッド層組成と大きく異なる他の材料系においても有効であることは言うまでもない。
【００９７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
光通信用レーザや光ディスク用レーザなどの半導体レーザ素子、およびこの半導体レーザ素子を搭載した光送信モジュールやキャンモジュールなどの光モジュール、ならびに光トランシーバに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】半導体基板の表面から光が出射する従来の水平共振器面発光レーザを示す断面図である。
【図２】半導体基板の裏面から光が出射する従来の水平共振器面発光レーザを示す断面図である。
【図３】図２に示した水平共振器面発光レーザの一部を破断して示す斜視図である。
【図４】図２に示した水平共振器面発光レーザの光軸方向に沿った断面図である。
【図５】図２に示した水平共振器面発光レーザの下面図である。
【図６】図２に示した水平共振器面発光レーザの光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
【図７】本発明が解決しようとする課題を説明する図であり、（ａ）は［０１１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示し、（ｂ）は、［０１バー１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示している。
【図８】本発明の作用を説明する図であり、（ａ）は（１００）面から［０１バー１］方向に９．７°傾斜した傾角基板において、［０１１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示し、（ｂ）は（１００）面から［０１１］方向に９．７°傾斜した傾角基板において、［０１バー１］方向に垂直にへき開した断面の原子配置を示している。
【図９】本発明の実施の形態１であるレーザ素子の一部を破断して示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態１であるレーザ素子の光軸方向に沿った断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１であるレーザ素子の下面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１であるレーザ素子の光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１であるレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１４】図１３に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１５】図１４に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１６】図１５に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１７】図１６に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１８】図１７に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図１９】図１８に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態２であるレーザ素子断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態２であるレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図２２】図２１に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図２３】図２２に続くレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態２であるレーザ素子を搭載した光送信モジュールの構造を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態２であるレーザ素子を搭載したキャンモジュールの構造を示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態３であるレーザ素子を搭載した光モジュールの断面図である。
【図２７】図２６に示した光モジュールの動作を説明する要部拡大断面図である。
【図２８】図２４に示した光モジュールを搭載した光トランシーバの構造を示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態５が解決しようとする課題を説明する図である。
【図３０】本発明の実施の形態５であるレーザ素子を示す斜視図である。
【図３１】本発明の実施の形態５であるレーザ素子を示す斜視図である。
【図３２】図３１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３３】図３１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１１  ｎ電極
１２  （１００）面ＩｎＰ基板
１３  活性層
１４  回折格子
１５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１６  ｐ電極
１７  表面出射用反射鏡
１８  無反射コーティング
１９  裏面出射用反射鏡
２１  半絶縁性ＩｎＰ層
３１  絶縁膜マスク
４１  傾角基板
５１  レンズ
５２  出射光
６１  コンタクト層
６２  二酸化珪素膜
６３  窒化珪素膜
６４  窒化珪素マスク
７１  傾角基板
８１  レーザ素子
８２  ヒートシンク
８３  光学レンズ
８４  フォトダイオード
８５  光ファイバ
９１  キャンタイプパッケージ
１０１  光素子搭載基板
１０２  光合分波器
１０３  キャンキャップ
１０４  パッケージレンズ
１０５  透明基板
１０６  波長選択フィルタ
１０７  波長選択フィルタ
１０８  ミラー
１０９  ミラー
１１０  サブマウント
１１１  発光素子
１１２  受光素子
１１３  受光素子
１１４  キャンステム
１１５  トリプレクサーモジュール
１２１  光トランシーバ筐体
１２２  電気入出力ピン
１２３  光ファイバ
１２４  光コネクタ
１２５  光受信モジュール
１２６  光送信モジュール
１２７  信号処理制御部
１３１  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３２  ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層
１３３  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３４  ｐ型ＧａＡｓ層
１３５  ＧａＡｓ傾角基板
１３６  帯状の隆起領域
１３７  ブラッグ反射器
１３８  ｎ型Ｇａ０．０１Ａｌ０．９９Ａｓ
１３９  ｎ型ＧａＡｓ
１４０  半導体レーザ多層結晶
１４１  第１ｎクラッド層
１４２  ガイド層
１４３  第２ｎクラッド層
１４４  ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層
１４５  第１ｐクラッド層
１４６  超格子エッチングストップ層
１４７  第２ｐクラッド層
１４８  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１４９  １３５°ミラー面
１５０  傾斜面
１５１  リッジ形状
１５２  二酸化硅素膜
１５３  コンタクト孔
１５４  ｐ側オーミック電極
１５６  絶縁物高反射膜
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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