(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の面発光レーザ素子が２次元的に配列された面発光レーザアレイ素子であって、
前記各面発光レーザ素子は、隣接する他の面発光レーザ素子が多い第１領域と少ない第２領域とでの温度差によるレーザ発振波長の差異が小さくなるように層厚を設定した温度補償層を光共振器内に有することを特徴とする面発光レーザアレイ素子。
【請求項２】
前記面発光レーザ素子は、イントラキャビティ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ素子。
【請求項３】
前記温度補償層は位相調整層として機能することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザアレイ素子。
【請求項４】
前記第２領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層は、前記第１領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層よりも厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザアレイ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザアレイ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光インターコネクション用の信号光源として、基板上に複数の面発光レーザ素子が２次元的に配列された面発光レーザアレイ素子が用いられている。この面発光レーザアレイ素子は、個々の面発光レーザ素子が独立したレーザ光信号を出力するように構成されている。
【０００３】
一方、この面発光レーザアレイ素子をワットクラスの高出力レーザ光源として用いる技術が開示されている（非特許文献１参照）。この面発光レーザアレイ素子は、上記の信号光源の場合とは異なり、複数の面発光レーザ素子からのレーザ光出力が集約され、１つの光源として機能するように構成されている。また、このような面発光レーザアレイ素子は、端面発光型レーザ素子のような端面の光学的破壊（Catastrophic  Optical  Damage：ＣＯＤ）がないため、信頼性が非常に高い高出力レーザ光源として期待されている。また、素子に注入する電力に対するレーザ光出力の割合で規定されるパワー変換効率についても、非特許文献１に記載の面発光レーザアレイ素子においては最大で５１％と報告され、端面発光型レーザ素子と競合できるほどに十分に高いとされている。
【０００４】
ここで、面発光レーザアレイ素子を動作させると、面発光レーザアレイ素子の中心領域のように、隣接する他の面発光レーザ素子が多い領域では、隣接する他の面発光レーザ素子からの熱流入が多いためより温度上昇が大きい。一方、面発光レーザアレイ素子の周辺領域のように、隣接する他の面発光レーザ素子が少ない領域では、隣接する他の面発光レーザ素子からの熱流入が少ないため中心領域よりは温度上昇が小さい。その結果、面発光レーザアレイ素子の中心領域と周辺領域とでは、面発光レーザ素子に温度差が生じるため、レーザ発振波長にも差異が生じて不均一になるという問題があった。
【０００５】
特許文献１には、上記の問題を解決するために、面発光レーザアレイ素子の中心領域を除く領域に面発光レーザ素子を配置する、あるいは、中心領域と周辺領域とで素子のポスト径、または導電領域や酸化領域の面積が異なるようにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１６９２５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Jean-Francois  Seurin,  et  al.,  ”High-power  high-efficiency  2D VCSEL  arrays”,  Proc.  SPIE,  Vol.  6908,  690808  (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術は、面発光レーザアレイ素子の中心領域を除く領域に面発光レーザ素子を配置する場合には面発光レーザ素子の集積度を高めることが困難となり、高出力化の妨げとなるという問題があった。また、中心領域と周辺領域とで素子のポスト径等が異なるようにする場合には、面発光レーザ素子ごとの特性も異なるものになってしまうため、設計や構成が煩雑になるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で高出力かつレーザ発振波長が均一である面発光レーザアレイ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】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は複数の面発光レーザ素子が２次元的に配列された面発光レーザアレイ素子であって、前記各面発光レーザ素子は、隣接する他の面発光レーザ素子が多い第１領域と少ない第２領域とでの温度差によるレーザ発振波長の差異が小さくなるように層厚を設定した温度補償層を光共振器内に有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記面発光レーザ素子は、イントラキャビティ構造を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記温度補償層は位相調整層として機能することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る面発光レーザアレイ素子は、上記の発明において、前記第２領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層は、前記第１領域に配置された面発光レーザ素子の前記温度補償層よりも厚いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で高出力かつレーザ発振波長が均一である面発光レーザアレイ素子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態に係る面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す面発光レーザアレイ素子の要部である面発光レーザ素子の断面図である。
【図３】図３は、面発光レーザ素子の中心間距離と中心領域の温度上昇との関係の一例を示す図である。
【図４】図４は、領域ごとに温度補償層の層厚を変える方法の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザアレイ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。図１に示すように、この面発光レーザアレイ素子１００は、基板Ｓ上に、複数の面発光レーザ素子が２次元的にかつ三角格子状に配列したものである。ここで、面発光レーザ素子が配列された領域を中心領域Ａ１、中間領域Ａ２、周辺領域Ａ３に区分する。中心領域Ａ１には面発光レーザ素子１０１が配置しており、中間領域Ａ２には面発光レーザ素子１０２が配置しており、周辺領域Ａ３には面発光レーザ素子１０３が配置している。なお、面発光レーザ素子１０３については、六角形の頂点に配置されたものを白丸で示し、六角形の辺に配置されたものを斜線付の丸で示している。
【００１８】
図２は、図１に示す面発光レーザアレイ素子１００の要部である面発光レーザ素子１０２、１０３の断面図である。図２に示すように、面発光レーザ素子１０１は、基板Ｓ上に、下部多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１と、多重量子井戸構造を有する活性層２と、ｐ型スペーサ層３と、ｐ＋型コンタクト層４とが順次積層した構造を有する。なお、ｐ型スペーサ層３内には、中心に円形の電流注入部５ａを有する電流狭窄層５が配置されている。そして、活性層２からｐ＋型コンタクト層４までが円柱状のメサポストを構成している。
【００１９】
メサポストの周囲の下部ＤＢＲミラー１表面には半円環状のｎ側電極６が形成されている。ｐ＋型コンタクト層４上にはｐ側円環電極７が形成されている。ｐ側円環電極７の開口部内には、温度補償層８ａおよび上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー９が順次形成されている。この温度補償層８ａは、後述する温度補償機能を有するとともに、光共振器を構成する下部ＤＢＲミラー１と上部ＤＢＲミラー９との間に配置されることによって、光共振器の光学長を調整して光の定在波の節や腹の位置を適正にする位相調整層としての機能も有する。
【００２０】
一方、面発光レーザ素子１０３は、面発光レーザ素子１０１と同様の構造にて、基板Ｓ上に、下部ＤＢＲミラー１と、活性層２と、ｐ型スペーサ層３と、ｐ＋型コンタクト層４と、電流注入部５ａを有する電流狭窄層５と、半円環状のｎ側電極６と、ｐ側円環電極７とを備えている。また、ｐ側円環電極７の開口部内には、温度補償層８ｂおよび上部ＤＢＲミラー９が順次形成されている。この温度補償層８ｂは、面発光レーザ素子１０１の温度補償層８ａと同様に、温度補償機能を有するとともに位相調整層としての機能も有するものであるが、温度補償層８ａよりも層厚が厚く設定されている。
【００２１】
また、面発光レーザ素子１０２も、面発光レーザ素子１０１、１０３と同様の構造を有するが、温度補償層の層厚については、面発光レーザ素子１０１の温度補償層８ａよりも厚く、面発光レーザ素子１０３の温度補償層８ｂよりも薄く設定されている。
【００２２】
なお、基板Ｓは、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１は、たとえばＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなり、少なくとも最上部は、ｎ側電極６に対するコンタクト層となるｎ型ＧａＡｓが形成されている。また、活性層２は、たとえば１１００ｎｍ帯のレーザ光用として、層数が３のＩｎＧａＡｓ井戸層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。また、ｐ型スペーサ層３、ｐ＋型コンタクト層４は、たとえばそれぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。また、電流狭窄層５については、たとえば電流注入部５ａは直径が約１０μｍのＡｌＡｓからなり、その周変部はＡｌ２Ｏ３からなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０１９ｃｍ−３以上である。また、電流狭窄層５の上下には、たとえばＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層５に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的に増加するように構成された下部傾斜組成層および上部傾斜組成層を設けても良い。
【００２３】
また、ｐ側円環電極７は、たとえばＰｔ／Ｔｉからなり、外径はメサポストの外周と一致する３０μｍであり、開口部の内径がたとえば１１〜１６μｍである。また、ｎ側電極６は、たとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなり、外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。
【００２４】
また、温度補償層８ａ、８ｂは、たとえば誘電体である窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる。また、上部ＤＢＲミラー９は、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアからなるが、α−Ｓｉ／ＳｉＯ２またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。
【００２５】
また、各面発光レーザ素子１０１〜１０３のｎ側電極６と、これに隣接する他の面発光レーザ素子のｐ側円環電極７とは、Ａｕからなる引き出し電極を介して接続している。その結果、各面発光レーザ素子１０１〜１０３は直列接続している。本実施の形態１に係る各面発光レーザ素子１０１〜１０３は、ｎ側電極６およびｐ側円環電極７からの電流注入をＤＢＲミラー１、９を介さずに行うようにダブルイントラキャビティ構造となっているため、各面発光レーザ素子１０１〜１０３間の電気的接続のための配線面積が狭くてよいので、面発光レーザ素子１０１〜１０３を高密度に集積することができる。
【００２６】
つぎに、この面発光レーザアレイ素子１００の動作について説明する。各面発光レーザ素子１０１〜１０３のｎ側電極６とｐ側円環電極７から電流を注入すると、電流は電流狭窄層５によって電流注入部５ａ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層２に供給される。その結果、活性層２はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である１１００ｎｍ帯の光は、下部ＤＢＲミラー１と上部ＤＢＲミラー９との間で定在波を形成し、活性層２によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、上部ＤＢＲミラー９から１１００ｎｍ帯のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が出力する。
【００２７】
ここで、各面発光レーザ素子１０１〜１０３は動作時に発熱するが、特に中心領域Ａ１に配置している面発光レーザ素子１０１は、隣接する他の面発光レーザ素子の数が多いため、温度上昇が大きい。一方、面発光レーザ素子１０２は、隣接する他の面発光レーザ素子の数が面発光レーザ素子１０１よりも少ないため、温度上昇はより少ない。また、面発光レーザ素子１０３の場合は隣接する他の面発光レーザ素子の数がさらに少ないため、さらに温度上昇が少ない。このように各面発光レーザ素子１０１〜１０３は、配置されている領域によって温度差が生じている。
【００２８】
しかしながら、この面発光レーザアレイ素子１００では、中心領域Ａ１、中間領域Ａ２、周辺領域Ａ３との間での温度差によるレーザ発振波長の差異を補償するように、各面発光レーザ素子１０１〜１０３における温度補償層の層厚を設定している。これによって、各面発光レーザ素子１０１〜１０３の温度差にもかかわらず、レーザ発振波長すなわちレーザ光Ｌ１、Ｌ２の波長が均一となる。
【００２９】
なお、このように温度補償層の層厚によってレーザ発振波長の差異を補償することで、各面発光レーザ素子１０１〜１０３の構成は温度補償層の層厚以外は殆ど同じでよいので、面発光レーザアレイ素子１００の設計や構成は簡易なものとなる。また、面発光レーザ素子１０１〜１０３を高密度で配置してもレーザ発振波長を均一にできるので、集積度を高めることができる。その結果、面発光レーザアレイ素子１００はより高出力なものとなる。特にこの面発光レーザアレイ素子１００は、各面発光レーザ素子１０１〜１０３がダブルイントラキャビティ構造となっているため、高集積化、高出力化の点で一層好ましいものである。
【００３０】
（温度補償層の層厚の設定）
つぎに、温度補償層の層厚の設定について説明する。図１に示したような、面発光レーザ素子１０１〜１０３が三角格子状に配列された面発光レーザアレイ素子１００の場合、中心領域Ａ１に配置された面発光レーザ素子１０１については、最隣接する面発光レーザ素子は６個の面発光レーザ素子１０２であり、２次隣接する面発光レーザ素子は斜線付の丸で示した６個の面発光レーザ素子１０３である。また、周辺領域Ａ３に配置された白丸で示した面発光レーザ素子１０３については、最隣接する面発光レーザ素子は斜線付の丸で示した２個の面発光レーザ素子１０３と１個の面発光レーザ素子１０２との合計３個であり、２次隣接する面発光レーザ素子は２個の面発光レーザ素子１０２である。その結果、各面発光レーザ素子１０１〜１０３の発熱量が等しいとすると、白丸で示した面発光レーザ素子１０３の周囲からの熱の流入による温度上昇は、面発光レーザ素子１０１の温度上昇の約半分程度以下である。
【００３１】
図３は、面発光レーザ素子が図１のように配列された面発光レーザアレイ素子における面発光レーザ素子の中心間距離と中心領域の温度上昇との関係の一例を示す図である。なお、図３では、電流狭窄層の電流注入部５ａの直径を１０μｍとしており、注入電流を１５ｍＡとしている。また、温度上昇は、この面発光レーザ素子が単独で存在する場合を基準としている。図３に示すように、中心間距離が小さくなると温度上昇量は急激に大きくなる。たとえば、中心間距離が３５μｍの場合は、中心領域Ａ１と周辺領域Ａ３とでは２０℃の温度差が生じる。活性層が１１００ｎｍ帯のレーザ光用の半導体材料であるＩｎＧａＡｓからなる場合、レーザ発振波長の温度係数は０．０６７ｎｍ／℃であるから、中心領域Ａ１と周辺領域Ａ３とでは、面発光レーザ素子に約１．３４ｎｍのレーザ発振波長の差異が生じ得る。
【００３２】
本発明者らの実験によれば、温度補償層が窒化珪素からなる場合、１１００ｎｍ帯において、温度補償層を２．７ｎｍ程度厚くすれば、レーザ発振波長が１．３４ｎｍだけ長くなる。したがって、周辺領域Ａ３の面発光レーザ素子１０３における温度補償層８ｂの層厚を、中心領域Ａ１の面発光レーザ素子１０１における温度補償層８ａの層厚よりも２．７ｎｍ程度厚くすることで、上記１．３４ｎｍの差異をほぼ完全に補償することができる。ただし、このようにレーザ発振波長の差異を完全に補償しなくても、差異が小さくなるように、各面発光レーザ素子１０１〜１０３の層厚を設定すれば、レーザ発振波長の差異を補償する効果がある。
【００３３】
ところで、領域ごとに温度補償層の層厚を変えることは、例えば以下のように容易に実施することができる。図４は、領域ごとに温度補償層の層厚を変える方法の一例を説明する図である。はじめに、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル成長法によって、基板Ｓ上に下部ＤＢＲミラー１、活性層２、ｐ型スペーサ層３、ｐ＋型コンタクト層４を順次形成する。なお、ｐ型スペーサ層３を形成する際には、その内部にＡｌ２Ｏ３を含む電流狭窄層５となるべき不図示のＡｌＡｓ層が介挿されるように形成する。さらに、ＣＶＤ法によって、ｐ＋型コンタクト層４上に窒化珪素からなる温度補償層８を形成する。なお、この温度補償層８の層厚は、面発光レーザ素子１０３の温度補償層８ｂと同じ厚さにする。
【００３４】
その後、フォトリソグラフィによって周辺領域Ａ３に円環状のマスクＭを形成し、ドライエッチングによって中心領域Ａ１、中間領域Ａ２をエッチングして温度補償層８を薄くする。その後、マスクＭを除去した後に、さらに別のマスクを中間領域Ａ２、周辺領域Ａ３に形成し、ドライエッチングによって中心領域Ａ１をエッチングして温度補償層８をさらに薄くする。これによって、領域ごとに層厚が異なる温度補償層を容易に形成することができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態において、基板、各半導体層、電極等の材料またはその組成は、所望のレーザ発振波長に応じて適宜選択することができる。また、活性層の下側をｎ型半導体、上側をｐ型半導体としているが、これを逆にしてもよい。また、面発光レーザ素子の配列は、三角格子状に限らず、正方格子状や円状等にすることができる。また、面発光レーザ素子の構造についても、ダブルイントラキャビティ構造に限られず、様々な構造を採用することができる。たとえば、実施の形態の構造において、上部ＤＢＲミラーをｐ型半導体により形成し、その上部にｐ側電極を配置して電流注入を行なう構造としたシングルイントラキャビティ構造としても、各面発光レーザ素子間の電気的接続のための配線面積が狭くてよいので、面発光レーザ素子を高密度に集積することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  下部ＤＢＲミラー
２  活性層
３  ｐ型スペーサ層
４  ｐ＋型コンタクト層
５  電流狭窄層
５ａ  電流注入部
６  ｎ側電極
７  ｐ側円環電極
８、８ａ、８ｂ  温度補償層
９  上部ＤＢＲミラー
１００  面発光レーザアレイ素子
１０１〜１０３  各面発光レーザ素子
Ａ１  中心領域
Ａ２  中間領域
Ａ３  周辺領域
Ｌ１、Ｌ２  レーザ光
Ｍ  マスク
Ｓ  基板
【図１】
0005460477.tif 000002
【図２】
0005460477.tif 000003
【図３】
0005460477.tif 000004
【図４】
0005460477.tif 000005