(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成された下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、
前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された第１導電型コンタクト層および第２導電型コンタクト層と、
前記第１導電型コンタクト層と前記第２導電型コンタクト層との間に形成された活性層と、
前記第２導電型コンタクト層と前記活性層との間に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって電流注入部の外周に形成された電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、
前記電流狭窄層を挟むように形成され、前記第２導電型コンタクト層側に配置された第１組成傾斜層および前記活性層側に配置された第２組成傾斜層と、
前記第２組成傾斜層と前記活性層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、
前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、
を備え、
前記第１組成傾斜層および前記第２組成傾斜層は、積層方向において前記電流狭窄層からそれぞれ反対側の隣接する層に近づくにつれてそのバンドギャップエネルギーが単調減少し、隣接する層のバンドギャップエネルギーに近づくように構成され、
前記第２導電型クラッド層はキャリアの移動度を低下させるＡｌを組成として含み、
前記第２組成傾斜層のキャリア濃度が、前記電流狭窄層の電流注入部のキャリア濃度に対し４倍以上であり、
少なくとも前記活性層を除いた前記第１導電型コンタクト層から前記第２導電型コンタクト層までの層がＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＩｎＰ系半導体材料のいずれかからなることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１組成傾斜層から前記第２導電型コンタクト層までのバンドギャップエネルギーおよび前記第２組成傾斜層から前記第１導電型コンタクト層までのバンドギャップエネルギーの少なくとも一方は、前記電流狭窄層から遠ざかるにつれて段階的に減少していることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記基板はＧａＡｓからなり、前記電流狭窄層はＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる電流注入部と選択酸化熱処理によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなり、前記第１組成傾斜層および第２組成傾斜層は、積層方向において前記電流狭窄層からそれぞれ反対側の隣接する層に近づくにつれてそのＡｌ組成が単調減少し、隣接する層のＡｌ組成に近づくＡｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）から構成されることを特徴とする請求項１または２の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第２組成傾斜層は、キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下である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。
【請求項５】
前記第２組成傾斜層は、キャリア濃度が８×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第２組成傾斜層は、厚さが３ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記第１組成傾斜層と前記第２導電型コンタクト層との間に形成された第２導電型高導電率層を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記第２導電型高導電率層は、キャリア濃度が３×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記第２導電型高導電率層の層厚を抵抗率で除算した値が、７×１０−４／Ω以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記電流狭窄層の電流注入部の直径が４μｍ〜１５μｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、λ／４ｎ〜７λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第２組成傾斜層のキャリア濃度が、前記電流狭窄層の電流注入部のキャリア濃度に対し８倍以上であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一つに記載の面発光レーザと、前記面発光レーザに対して、バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する変調電圧を印加する制御器とを備えたことを特徴とする光源。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一つに記載の面発光レーザを備え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、面発光レーザ、光源、および光モジュール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光源として、発振するレーザ光の波長が８５０ｎｍ帯の面発光レーザが主に用いられている。この８５０ｎｍ帯面発光レーザは、活性層のＧａＡｓ系量子井戸のエネルギーバンドギャップに対応させて、これを駆動させるＩＣドライバーは通常３．３Ｖ駆動となっている。
【０００３】
しかしながら、光インターコネクションの用途に限らず、面発光レーザは、一層低消費電力であることが市場から要求されている。このような低消費電力化を実現する方法として、活性層のエネルギーバンドギャップが一層小さく、バイアス電圧を一層低くすることができる発振波長が８５０ｎｍより長い面発光レーザを用いる方法が検討されている。発振波長を長くする為に、活性層に歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸を用いる事で、微分利得は増加し、更なる低消費電力化が期待できる。
【０００４】
従来の、発振波長が８５０ｎｍより長い面発光レーザは、たとえば非特許文献１に開示される構造を有している。この面発光レーザは、選択酸化型の電流狭窄層を有し、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される多層膜反射鏡であるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーを光共振器として用いており、上部ＤＢＲミラー上にｐ側電極が形成された構成を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N.Suzuki  et  al.,  ”25-Gbps  operation  of  1.1-μm-range  InGaAs  VCSELs  for  high-speed  optical  interconnections”,  OFA4,  OFC2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、従来構造の面発光レーザは、閾値電流以上のバイアス電流を流した場合に、電流値および環境温度に応じて素子抵抗が変化するため、この素子に信号としての変調電圧を印加する場合には、印加する変調電圧を大きくするか、若しくはバイアス電流を増加しなければならず、消費電力が増加してしまうという問題があった。
【０００７】
これに対して、本出願人は、先に出願した特願２０１０−８１２９１にて、低消費電力化が可能な面発光レーザの構成を提案している。図１３は、従来例１〜３、および先の出願に係る面発光レーザの駆動電流−微分抵抗特性の一例を示す図である。なお、矢印Ａｒ１〜Ａｒ４は、それぞれ従来例１〜３、先の出願に係る面発光レーザに対して印加する電流の範囲を示している。
【０００８】
図１３に示すように、従来例１、３に係る面発光レーザは、電流が増加するにつれて微分抵抗が低電流側で広い範囲に渡って傾斜して変動するＩ−Ｒｄ特性を有している。また、従来例２に係る面発光レーザは、電流の変化に対する微分抵抗の変動は少ないが、環境温度が変化した場合の微分抵抗の変動が大きいＩ−Ｒｄ特性を有している。これに対して、先の出願に係る面発光レーザは、電流値が低い範囲まで、電流および環境温度のいずれの変化に対しても、微分抵抗の変動が少ないＩ−Ｒｄ特性を有している。このように、先の出願に係る面発光レーザは、微分抵抗の変動が少ないので、バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅Ｖｍを有する変調電圧を印加した場合にも、正方向の振幅＋Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ＋と、負方向の振幅−Ｖｍに対応する変調電流Ｉｍ−とが、５ｍＡ程度の低いバイアス電流Ｉｂに関しても対称になる。その結果、出力するレーザ信号光の光強度も、バイアス電流に対応する光強度を中心として正負方向に対して対称な振幅を有するものとなる。したがって、所定の消光比の光信号を得る為の平均変調電流の増加が防止されるので、低消費電力化できる。
【０００９】
ここで、面発光レーザをよりいっそう低消費電力化するためには、バイアス電流をより低い値、たとえば２ｍＡ以下であり、かつ閾値電流に近い値にすることが好ましい。しかしながら、図１３に示すように、先の出願に係る面発光レーザも、バイアス電流が１ｍＡ以下の場合、たとえば、当該面発光レーザの閾値電流である約０．３ｍＡ近傍において微分抵抗が増加している。このため、さらなる低消費電力化のためには、電流が１ｍＡ以下の閾値電流近傍の場合でも、微分抵抗の変動が抑制された面発光レーザが要求される。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、よりいっそうの低消費電力化が可能な面発光レーザ、光源、および光モジュール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】
【００１１】
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は、基板と、前記基板上に形成された、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から構成された下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に形成された第１導電型コンタクト層および第２導電型コンタクト層と、前記第１導電型コンタクト層と前記第２導電型コンタクト層との間に形成された活性層と、前記第２導電型コンタクト層と前記活性層との間に形成された、電流注入部と選択酸化熱処理によって電流注入部の外周に形成された電流狭窄部とを有する電流狭窄層と、前記電流狭窄層を挟むように形成され、前記第２導電型コンタクト層側に配置された第１組成傾斜層および前記活性層側に配置された第２組成傾斜層と、前記第１導電型コンタクト層上に形成された第１導電型側電極と、前記第２導電型コンタクト層上に形成された第２導電型側電極と、を備え、前記第１組成傾斜層および前記第２組成傾斜層は、積層方向において前記電流狭窄層からそれぞれ反対側の隣接する層に近づくにつれてそのバンドギャップエネルギーが単調減少し、隣接する層のバンドギャップエネルギーに近づくように構成され、前記第２導電型クラッド層はキャリアの移動度を低下させる材料を含み、前記第２組成傾斜層のキャリア濃度が、前記電流狭窄層の電流注入部のキャリア濃度以上である。
【００１２】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第１組成傾斜層から前記第２導電型コンタクト層までのバンドギャップエネルギーおよび前記第２組成傾斜層から前記第１導電型コンタクト層までバンドギャップエネルギーの少なくとも一方は、前記電流狭窄層から遠ざかるにつれて連続的に減少している。
【００１３】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第１組成傾斜層から前記第２導電型コンタクト層までのバンドギャップエネルギーおよび前記第２組成傾斜層から前記第１導電型コンタクト層までのバンドギャップエネルギーの少なくとも一方は、前記電流狭窄層から遠ざかるにつれて段階的に減少している。
【００１４】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記基板はＧａＡｓからなり、前記電流狭窄層はＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなる電流注入部と選択酸化熱処理によって形成された（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなり、前記第１組成傾斜層および第２組成傾斜層は、積層方向において前記電流狭窄層からそれぞれ反対側の隣接する層に近づくにつれてそのＡｌ組成が単調減少するＡｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）から構成される。
【００１５】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２組成傾斜層は、キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下である。
【００１６】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２組成傾斜層は、キャリア濃度が８×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００１７】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２組成傾斜層は、厚さが３ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
【００１８】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第１組成傾斜層と前記第２導電型コンタクト層との間に形成された第２導電型高導電率層を備える。
【００１９】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型高導電率層は、キャリア濃度が３×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下である。
【００２０】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記第２導電型高導電率層の層厚を抵抗率で除算した値が、７×１０−４／Ω以上である。
【００２１】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記電流狭窄層の電流注入部の直径が４μｍ〜１５μｍである。
【００２２】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、λ／４ｎ〜７λ／４ｎの範囲にある。
【００２３】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記積層方向における前記活性層の中心から前記電流狭窄層の中心までの距離は、レーザ発振波長をλとし、前記活性層から前記電流狭窄層までの平均屈折率をｎとすると、３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲にある。
【００２４】
また、本発明に係る面発光レーザは、閾値電流と略等しい電流値が変調電流の下限となるような最低バイアス電流以上のバイアス電流において、変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時の前記バイアス電流を中心とする変調電圧を±０．２Ｖ以下とした場合に、４ｄＢ以上の消光比のレーザ信号光を出力する。
【００２５】
また、本発明に係る面発光レーザは、閾値電流と略等しい電流値が変調電流の下限となるような最低バイアス電流以上のバイアス電流において、変調電圧の周波数が１０ＧＨｚであり、かつ、変調時の前記バイアス電流を中心とする変調電圧を±０．１Ｖ以下とした場合に、４ｄＢ以上の消光比のレーザ信号光を出力する。
【００２６】
また、本発明に係る面発光レーザは、上記発明において、前記バイアス電流は２ｍＡ以下である。
【００２７】
また、本発明に係る光源は、上記発明のいずれか一つに記載の面発光レーザと、前記面発光レーザに対して、バイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する変調電圧を印加する制御器とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る光モジュールは、上記発明のいずれか一つに記載の面発光レーザを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、よりいっそうの面発光レーザの低消費電力化が可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る光源の構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、図１に示す面発光レーザのＡ−Ａ線要部断面図である。
【図３】図３は、下部組成傾斜層のｐ型キャリア濃度を変えた場合の、電流密度と電流狭窄層付近の微分抵抗との関係を示す図である。
【図４】図４は、電流値が１ｍＡの場合の、下部組成傾斜層のｐ型キャリア濃度と電流狭窄層付近の微分抵抗との関係を示す図である。
【図５】図５は、下部組成傾斜層および上部組成傾斜層の厚さを変えた場合の、電流密度と電流狭窄層付近の微分抵抗との関係を示す図である。
【図６−１】図６−１は、下部組成傾斜層の厚さを変えた場合の、下部組成傾斜層のｐ型キャリア濃度と面発光レーザの出力効率との関係を示す図である。
【図６−２】図６−２は、下部組成傾斜層の厚さと面発光レーザの出力効率との関係を示す図である。
【図７】図７は、下部組成傾斜層の厚さを変えた場合の、下部組成傾斜層のｐ型キャリア濃度と面発光レーザの閾値電流との関係を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る２つの光送受信モジュールが、２本の光導波路を介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。
【図９】図９は、図８に示す光送受信モジュールにおける面発光レーザと光導波路との光結合部分の第１の例を示す側面図である。
【図１０】図１０は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の第２の例を示す側面図である。
【図１１】図１１は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の第３の例を示す一部断面側面図である。
【図１２】図１２は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の第４の一例を示す側面図である。
【図１３】図１３は、従来例１〜３、および先の出願に係る面発光レーザの駆動電流−微分抵抗特性の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ、光源、および光モジュール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。また、図面において、同一または対応する要素には、適宜同一符号を付している。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係る光源１００の構成を模式的に示した図である。図１に示すように、この光源１００は、面発光レーザ１０１と、面発光レーザ１０１を制御する制御器１０２とを備える。また、図２は図１に示す面発光レーザ１０１のＡ−Ａ線要部断面図である。
【００３３】
図１、２に示すように、この面発光レーザ１０１は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、、第２組成傾斜層である下部組成傾斜層８、電流狭窄層９、第１組成傾斜層である上部組成傾斜層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型高導電率層１２、ｐ型スペーサ層１３、ｐ型コンタクト層１４、ｐ側電極１５、上部多層膜反射鏡として機能する上部ＤＢＲミラー１６、ｎ側引出電極１７、およびｐ側引出電極１８を備える。
【００３４】
ｐ型コンタクト層１４およびｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１６との間に形成されている。活性層６は、ｐ型コンタクト層１４とｎ型コンタクト層３との間に形成されている。電流狭窄層９は、ｐ型コンタクト層１４と活性層６との間に形成されている。上部組成傾斜層１０および下部組成傾斜層８は、電流狭窄層９を挟むように形成されており、上部組成傾斜層１０はｐ型コンタクト層１４側に配置され、下部組成傾斜層８は活性層６側に配置されている。ｐ型高導電率層１２は、ｐ型コンタクト層１４と電流狭窄層９との間に形成されている。ｐ側電極１５はｐ型コンタクト層１４上に形成され、ｎ側電極４はｎ型コンタクト層３上に形成されている。
【００３５】
また、ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１４までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストＭとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層３はメサポストＭの外周側に延設している。また、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１６とは光共振器を形成している。
【００３６】
以下、各構成要素について説明する。下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層として機能するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ半導体層と、高屈折折率層として機能するＧａＡｓ半導体層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。下部ＤＢＲミラー２の複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。
【００３７】
ｎ型コンタクト層３は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｎ型クラッド層５は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される（たとえば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓが望ましい。）。ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層７とは活性層６を挟むように形成されており、分離閉じ込め（Separate  Confinement  Heterostructure、ＳＣＨ）構造を形成している。
【００３８】
また、ｐ型スペーサ層１１は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型高導電率層１２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型スペーサ層１３は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。そして、ｐ型コンタクト層１４は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。
【００３９】
また、ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層１１、１３には、キャリア濃度がたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度となるようにｐ型またはｎ型ドーパントが添加されており、確実にｐ型またはｎ型の導電型とされている。また、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層１４のキャリア濃度はたとえばそれぞれ２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１９ｃｍ−３程度である。また、ｐ型高導電率層１２のキャリア濃度は３×１０１９ｃｍ−３であり、ｐ型スペーサ層１１、１３よりも高導電率とされている。このｐ型高導電率層１２は、ｐ側電極１５から注入される電流の紙面横方向における経路となり、より効率的に活性層６に電流を注入するように機能している。
【００４０】
なお、ｐ型高導電率層１２のキャリア濃度は、高導電率、低抵抗の点からは３×１０１９ｃｍ−３以上が好ましく、製造上の容易さからは１×１０２１ｃｍ−３以下が好ましい。また、キャリア濃度が３×１０１９ｃｍ−３の場合、ＡｌＧａＡｓであるｐ型高導電率層１２の抵抗率は４×１０−３Ω・ｃｍであるから、ｐ型高導電率層１２の層厚が３０ｎｍであるとすると、層厚を抵抗率で除算した値は７×１０−４／Ω以上である。また、ｐ型高導電率層は２層以上設けてもよい。
【００４１】
電流狭窄層９は、電流注入部としての開口部９ａと電流狭窄部としての選択酸化層９ｂとから構成されている。開口部９ａはＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなり、選択酸化層９ｂは（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。この電流狭窄層９は、たとえば厚さ３０ｎｍであり、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層９ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで開口部９ａの外周に輪帯状に形成されている。選択酸化層９ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１５から注入される電流を狭窄して開口部９ａ内に集中させることで、開口部９ａ直下における活性層６内の電流密度を高めている。なお、開口部９ａの開口径はたとえば６μｍであるが、４μｍ〜１５μｍが好ましく、５μｍ〜１０μｍがさらに好ましい。
【００４２】
また、電流狭窄層９は、積層方向における、活性層６の中心から電流狭窄層９の中心までの距離がλ／４ｎ〜７λ／４ｎ、好ましくは３λ／４ｎ〜５λ／４ｎの範囲になるように形成されている。ここで、ｎは、活性層６から電流狭窄層８までの等価屈折率とする。選択酸化層９ｂの応力により活性層６に転位が入りやすいので、信頼性の向上のためには、活性層６の中心から電流狭窄層９の中心までの距離は３λ／４ｎ以上が望ましく、変調効率の低下を防ぐためには、５λ／４ｎ以下が望ましい。また、その他の層の厚さは、活性層６の位置に光共振器内の光の定在波の腹が形成され、電流狭窄層９およびｐ型高導電率層１２の位置に定在波の節が形成されるように調整されている。
【００４３】
下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０は、ＡｌＧａＡｓを材料として形成されており、積層方向において電流狭窄層９に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的または連続的に増加し、電流狭窄層９のＡｌ組成に近づくように構成されている。
【００４４】
また、下部組成傾斜層８、電流狭窄層９の少なくとも開口部９ａ、および上部組成傾斜層１０には、それぞれキャリア濃度が２×１０１９ｃｍ−３となるようにｐ型ドーパントが添加されている。
【００４５】
活性層６は、３層の井戸層６ａと２層の障壁層６ｂとが交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple  Quantum  Well）を有する。なお、井戸層６ａはたとえばＧａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ等のＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層６ｂはたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１３から注入されて電流狭窄層９によって狭窄された電流により、８５０ｎｍより長い波長の光を含む自然放出光を発するようにその半導体材料の組成および膜厚が設定されている。
【００４６】
上部ＤＢＲミラー１６は、低屈折率層として機能するＳｉＯ2層と、高屈折折率層として機能するＳｉＮ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。なお、上部ＤＢＲミラー１６の直径は、ｐ型コンタクト層１４の直径よりも小さいため、ｐ型コンタクト層１４は上部ＤＢＲミラー１６の外周側に延設している。
【００４７】
ｐ側電極１５は、ｐ型コンタクト層１４の上記延設した部分の表面に、上部ＤＢＲミラー１６を取り囲むようにリング状に形成されている。すなわち、ｐ側電極１５は、上部ＤＢＲミラー１６を介さずにｐ型コンタクト層１４上に直接形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストＭの外周側に延設したｎ型コンタクト層３の延設部分の表面に形成され、メサポストＭの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。すなわち、ｎ側電極４は、下部ＤＢＲミラー２を介さずにｎ型コンタクト層３上に直接形成されている。また、ｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８は、それぞれｎ側電極４およびｐ側電極１５に接続している。
【００４８】
また、制御器１０２は、ｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８を介してｐ側電極１５およびｎ側電極４に電気的に接続している。この制御器１０２は、ｐ側電極１５とｎ側電極４との間に所定のバイアス電圧と、このバイアス電圧を中心として正負方向にほぼ同一の振幅を有する信号としての変調電圧とを印加するように構成されており、たとえばレーザ駆動用の公知のＩＣドライバーにより実現される。変調電圧の変調周波数はたとえば１０ＧＨｚ以上である。
【００４９】
ｐ型スペーサ層１１からｐ型スペーサ層１３までは、Ａｌ１−ｙＧａｙＡｓ（ｘ＜ｙ≦１）からなる。ただし、上述したように、ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５はＧａＡｓからなるので、ｙ＝１である。また、ｐ型クラッド層７からｎ型コンタクト層３までは、Ａｌ１−ｚＧａｚＡｓ（ｘ＜ｚ≦１）からなる。ただし、ｐ型クラッド層７においてはｚ≠１であり、Ａｌを必ず含んでいる。また、上述したように、ｐ型コンタクト層１４はＧａＡｓからなるので、ｚ＝１である。
【００５０】
ｐ型スペーサ層１１からｐ型スペーサ層１３までがｙ＝１、即ちＧａＡｓからなる場合、上部組成傾斜層１０は、積層方向において電流狭窄層９からｐ型スペーサ層１１まで、そのＡｌ組成が段階的または連続的に単調減少し、ＧａＡｓに近づくように構成されている。
一方、ｐ型スペーサ層１１からｐ型スペーサ層１３までがｙ≠１、即ちＡｌ１−ｙＧａｙＡｓからなる場合は、図２の線Ｃ１で示すように、上部組成傾斜層１０は、積層方向において電流狭窄層９からｐ型スペーサ層１１まで、そのＡｌ組成が段階的または連続的に単調減少し、ｐ型スペーサ層１１のＡｌ組成に近づくように構成されている。ｐ型スペーサ層１１からｐ型スペーサ層１３の半導体層の積層方向におけるＡｌ組成は、上部組成傾斜層１０からｐ型コンタクト層１４に向かって段階的または連続的に単調減少している。
【００５１】
下部組成傾斜層８は、電流狭窄層８からｐ型クラッド層７までそのＡｌ組成が段階的または連続的に減少し、ｐ型クラッド層７のＡｌ組成に近づくように構成されている。このようなＡｌ組成の減少によって、電流狭窄層８からｐ型コンタクト層１４に向かって、バンドギャップエネルギーがなだらかに連続的に減少している。電流狭窄層８からｎ型コンタクト層３に向かっては、活性層６の量子井戸若しくは量子箱を飛び越してバンドギャップエネルギーが段階的に減少している。Ａｌ組成またはバンドギャップエネルギーが減少しているとは、Ａｌ組成またはバンドギャップエネルギーが途中で増加に転じないことを意味している。したがって、Ａｌ組成またはバンドギャップエネルギーの減少は連続的でも段階的でもよい。ここで，「飛び越して」とは、たとえば量子井戸若しくは量子箱との界面で変化（減少）の不連続点が生じ、界面を跨いで仮想の線を引くと連続的な変化（減少）を示すのである。
即ち、下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０は、ＡｌＧａＡｓを材料として形成され、積層方向において電流狭窄層９から反対側の隣接する層に近づくにつれてそのＡｌ組成およびバンドギャップエネルギーが段階的または連続的に単調減少し、隣接する層のＡｌ組成およびバンドギャップエネルギーに近づくように構成されている。
【００５２】
つぎに、上記各半導体層のＡｌ組成について説明する。各半導体層のＡｌ組成は、電流狭窄層９からｐ型コンタクト層１４に向かって単調減少している。また、電流狭窄層９からｎ型コンタクト層３に向かっても、Ａｌ組成は単調減少している。なお、Ａｌ組成が単調減少しているとは、Ａｌ組成が途中で増加に転じないことを意味している。
【００５３】
つぎに、この光源１００の動作について説明する。はじめに、制御器１０２が、ｐ側電極１５とｎ側電極４との間にバイアス電圧および変調電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）については、主に図２の経路Ｐが示すように、ｐ側電極１５からｐ型コンタクト層１４、ｐ型スペーサ層１３を通過し、高導電率のｐ型高導電率層１２においては層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層１１、上部組成傾斜層１０を通過し、電流狭窄層９の開口部９ａ内に集中して密度が高められた状態で、下部組成傾斜層８を介して活性層６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極４からｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５を通過して、活性層６に注入される。
【００５４】
キャリアが注入された活性層６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６の光増幅作用と光共振器の作用とによって、８５０ｎｍ以上の波長、たとえば１０００ｎｍ帯の波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ１０１は、上部ＤＢＲミラー１６上から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。
【００５５】
上述したように、ｐ側電極１５は、上部ＤＢＲミラー１６を介さずにｐ型コンタクト層１４上に直接形成されており、ｎ側電極４も、下部ＤＢＲミラー２を介さずにｎ型コンタクト層３上に直接形成されている。その結果、ｐ側電極１５およびｎ側電極４と、活性層６との間に存在する異種材料間の界面であるヘテロ界面の数が少なくなっている。また、Ａｌ組成は、電流狭窄層９からｐ型コンタクト層１４に向かって単調減少し、かつ電流狭窄層９からｎ型コンタクト層３に向かっても単調減少しているため、ヘテロ界面におけるバンドオフセットも単調に変化している。
【００５６】
ここで、たとえば室温において、従来のような上部ＤＢＲミラー上にｐ側電極が形成された構成の面発光レーザに電流を流す場合を考える。電流はホールとしてｐ側電極から注入されるが、ホールの一部は上部ＤＢＲミラー内に存在する多数のヘテロ界面においてトラップされるため、面発光レーザの微分抵抗が高くなる。なお、ヘテロ界面のバリアエネルギーをφＢとすると、微分抵抗率は、１／ｅｘｐ（−φＢ／ｋＴ）に比例する。ただし、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度であり、φＢは６０ｍｅＶ程度である。
【００５７】
一般的に、面発光レーザは注入する電流を増加させるにつれて温度上昇する。その結果、ホールは熱エネルギーを得るので、ヘテロ界面でトラップされるホールの割合が減少する。そのため、上述した式が示すように微分抵抗率も減少する。すなわち、従来の面発光レーザは、駆動電流の増加に応じて微分抵抗が減少するＩ−Ｒｄ特性となる。たとえば、非特許文献１に開示される面発光レーザの場合、ｐ側電極から活性層との間に存在するヘテロ界面の数は、上部ＤＢＲミラー内だけでも３５ペアの場合で７０〜２１０程度と多くなっている。
【００５８】
一方、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、上述したように、ｐ側電極１５と活性層６との間に存在するヘテロ界面の数が従来よりも大幅に少ない。さらに、ヘテロ界面におけるバンドオフセットも単調に変化しているため、キャリアの経路においてエネルギーレベルに凹凸が無く単調に変化する。その結果、ヘテロ界面においてトラップされるホールの割合は、室温においてもきわめて少なくなるため、素子が温度上昇しても、微分抵抗はあまり変動しなくなる。また、ｎ側電極４から注入されるキャリアである電子についても、ｎ側電極４から活性層６に注入される電子が通過するヘテロ界面が少なく、またバンドオフセットも単調に変化するため、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。なお、ｐ側電極１５と活性層６との間に存在するヘテロ界面の数は、３０以下が好ましい。
【００５９】
さらに、この面発光レーザ１０１においては、図２の経路Ｐが示すように、ｐ側電極１５から電流狭窄層９の開口部９ａまでキャリアを注入する際に、低抵抗のｐ型高導電率層１２を経由するようにしているとともに、開口部９ａにより電流が狭窄された後は、キャリアは、Ａｌを必ず含んでいるＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層７を介して活性層６に注入される。ＡｌＧａＡｓは、キャリアの移動度を低下させる元素であるＡｌを組成として含むので、ＧａＡｓよりもキャリアの移動度が小さい。そのため、電流が横方向に広がりにくい。その結果、素子の温度が変化したとしても、電流経路が変動せずに安定しているので、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。
【００６０】
ちなみに、活性層６の中心から電流狭窄層９の中心までの距離が３λ／４ｎ以上の距離とすると、活性層６の信頼性が向上し好ましいが、このように電流狭窄層９と活性層６との距離を離隔させても、上述したようにｐ型クラッド層７はＡｌを必ず含んでいるＡｌＧａＡｓからなるので、電流が横方向に広がりにくい。
【００６１】
また、ｐ型高導電率層１２内におけるホールの移動度μは、その半導体材料にかかわらず、４００（３００／Ｔ）２．３に比例する。したがって、素子の温度が上昇すると移動度は低下して微分抵抗が増加する。この微分抵抗の増加が、上述したヘテロ界面におけるキャリアトラップによる微分抵抗の減少を打ち消すように作用するため、微分抵抗の変動はさらに少なくなる。
【００６２】
本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、以上のような複合的な作用によって、閾値電流以上の電流において、微分抵抗の変動がきわめて少ないものとなる。また、レーザ発振波長が８５０ｎｍ帯以上、特に１０００ｎｍ帯以上の面発光レーザの場合、活性層のバンドギャップが小さく、バイアス電圧を一層低くし、より好ましい低消費電力駆動が可能である。
【００６３】
また、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、さらに、下部組成傾斜層８のｐ型のキャリア濃度が２×１０１９ｃｍ−３である。このように、下部組成傾斜層８のｐ型のキャリア濃度が電流狭窄層９のキャリア濃度と同じまたはそれよりも高いことによって、電流が１ｍＡ以下の場合でも、微分抵抗の増加が抑制されたものとなる。
【００６４】
以下、シミュレーション計算結果を用いて具体的に説明する。まず、図１に示す面発光レーザ１０１において、開口部９ａの開口径を所定の値に設定して、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度を変えた場合の、上部組成傾斜層１０から電流狭窄層９を通って下部組成傾斜層８に流れる電流の電流密度と電流狭窄に供する層９付近の微分抵抗Ｒｄとの関係を説明する。なお、電流狭窄層９付近の微分抵抗Ｒｄとは、上部組成傾斜層１０から電流狭窄層９を通って下部組成傾斜層８までの領域の微分抵抗を意味するものとする。また、上部組成傾斜層１０、電流狭窄層９、下部組成傾斜層８の厚さは、それぞれ１０ｎｍ、３０ｎｍ、１５ｎｍとする。下部組成傾斜層８の厚さは好ましくは、３ｎｍ〜４０ｎｍである。
【００６５】
図３は、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度を変えた場合の、電流密度と電流狭窄層９付近の微分抵抗との関係を示す図である。なお、図３の凡例中の数値は、（下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度）／（電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度）を示している。また、上部組成傾斜層１０のｐ型キャリア濃度はいずれの場合も２×１０１９ｃｍ−３である。また、電流密度が２．６×１０３Ａ／ｃｍ２の場合が電流値１ｍＡに対応する。
【００６６】
図３に示すように、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が３×１０１７ｃｍ−３のときは、電流密度が小さい領域で微分抵抗Ｒｄが急激に上昇している。従来の面発光レーザは、バイアス電流５ｍＡで使用されており、酸化に供する層付近の抵抗成分は問題とならなかったので、吸収損失の増加を懸念して、下部組成傾斜層は、１０１７ｃｍ−３のオーダーの低ｐ型キャリア濃度が使われていた。しかしながら、本実施の形態１では、１ｍＡ程度の低バイアス電流（２．６×１０３Ａ／ｃｍ２）で使用する場合を想定して、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度を増加させることにより微分抵抗Ｒｄの上昇を抑制し、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が２×１０１９ｃｍ−３の場合には、微分抵抗Ｒｄが電流密度に依存せずほぼ一定の値となるようにする。また、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が２×１０１９ｃｍ−３の場合は、電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３であっても１×１０１９ｃｍ−３であっても微分抵抗Ｒｄはほんど同じである。このように、微分抵抗Ｒｄの特性は下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度に大きく依存する。
【００６７】
このように、本発明者らが鋭意検討した結果により、面発光レーザのＩ−Ｒｄ特性における低電流側での微分抵抗の上昇は、電流狭窄層に対して活性層側に配置された下部組成傾斜層のｐ型キャリア濃度を増加させることによって抑制できることが、はじめて確認された。
【００６８】
つぎに、図４は、図３において、電流値が１ｍＡ、すなわち電流密度が２．６×１０３Ａ／ｃｍ２の場合の、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度と電流狭窄層９付近の微分抵抗との関係を示す図である。なお、上部組成傾斜層１０のｐ型キャリア濃度は２×１０１９ｃｍ−３であり、電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度は電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度で規格化したものである。
【００６９】
図４に示すように、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度以上（すなわち規格化した値で１以上）であれば、微分抵抗Ｒｄは小さくなる。さらに、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上（すなわち規格化した値で４以上）であれば、微分抵抗Ｒｄを１０Ω以下とすることができる。さらに、８×１０１８ｃｍ−３以上（すなわち規格化した値で８以上）であれば、微分抵抗Ｒｄを２Ω程度ときわめて低くできるのでさらに好ましい。
【００７０】
なお、図４、５に示した微分抵抗Ｒｄは、電流狭窄層９の開口部９ａの開口径が好ましい範囲である４μｍ〜１５μｍであれば、その絶対値は変化するものの、電流密度またはキャリア密度に対してほぼ同様の曲線形状となる。
【００７１】
以上のように、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、下部組成傾斜層８のｐ型のキャリア濃度が４×１０１８ｃｍ−３以上の２×１０１９ｃｍ−３であることによって、電流が１ｍＡ以下の場合でも、微分抵抗の増加が１０Ω以下の２Ωに抑制されたものとなる。その結果、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、バイアス電流が２ｍＡ以下である低バイアス駆動の場合に、±０．２Ｖ、さらに好ましくは±０．１Ｖの変調電圧で変調した場合にも、出力するレーザ信号光の消光比が４ｄＢ以上となり、１０ギガビットイーサーネットの規格に適合する信号光源として利用できるものとなる。
【００７２】
特に、面発光レーザ１０１の微分抵抗Ｒｄが閾値電流（たとえば、約０．２ｍＡ）と等しいか略等しい電流値においてもＩ−Ｒｄ特性における微分抵抗が上昇しないことが好ましい。この場合は、閾値電流と略等しい電流値が変調電流の下限となるような最低バイアス電流以上のバイアス電流を設定した場合に、±０．２Ｖ、さらに好ましくは±０．１Ｖの変調電圧で、出力するレーザ信号光の消光比が４ｄＢ以上となる。これによって、面発光レーザ１０１は、１０ギガビットイーサーネットの規格に適合し、かつきわめて低消費電力の信号光源として利用できるものとなる。
【００７３】
つぎに、図１に示す面発光レーザ１０１において、開口部９ａの開口径を所定の値に設定して、下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０の厚さを変えた場合の、上部組成傾斜層１０から電流狭窄層９を通って下部組成傾斜層８に流れる電流の電流密度と電流狭窄層９付近の微分抵抗Ｒｄとの関係を説明する。なお、上部組成傾斜層１０、電流狭窄層９、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度を、それぞれ２×１０１９ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３、３×１０１７ｃｍ−３とする。また、上部組成傾斜層１０、電流狭窄層９、下部組成傾斜層８の基準となる厚さを、それぞれ１０ｎｍ、３０ｎｍ、１５ｎｍとする。
【００７４】
図５は、下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０の厚さを変えた場合の、電流密度と電流狭窄層９付近の微分抵抗との関係を示す図である。なお、図５の凡例において、たとえば「×３」は、下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０の厚さを上記の基準となる厚さの３倍にしたことを意味する。また、電流密度が２．６×１０３Ａ／ｃｍ２の場合が電流値１ｍＡに対応する。
【００７５】
図５に示すように、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が３×１０１７ｃｍ−３と低い場合には、下部組成傾斜層８および上部組成傾斜層１０の厚さを基準となる厚さの０．３倍から１０倍まで変化させても、電流密度が２．６×１０３Ａ／ｃｍ２の場合の微分抵抗Ｒｄを２０Ω以下にはできない。すなわち、本実施の形態１の場合のように、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度を４×１０１８ｃｍ−３以上とする（図４参照）ことが、微分抵抗Ｒｄの低減のために効果的である。
【００７６】
つぎに、下部組成傾斜層８の厚さを変えた場合の、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度と面発光レーザ１０１の出力効率との関係、およびキャリア濃度と面発光レーザ１０１の閾値電流との関係を説明する。なお、出力効率とは、面発光レーザ１０１が出力するレーザ光の強度を電流値で除算したものである。また、上部組成傾斜層１０、電流狭窄層９の厚さを、それぞれ１０ｎｍ、３０ｎｍとする。また、上部組成傾斜層１０、電流狭窄層９のｐ型キャリア濃度を、それぞれ２×１０１９ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３とする。
【００７７】
図６−１は、下部組成傾斜層８の厚さを変えた場合の、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度と面発光レーザ１０１の出力効率(Ｓｅ)との関係を示す図である。なお、電流値は２ｍＡとしている。図６−１において、ｐ型キャリア濃度が最も低いデータ点におけるｐ型キャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３である。図６−１に示すように、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が高くなるにつれて下部組成傾斜層８によるレーザ光の光吸収が大きくなるため出力効率Ｓｅは低下する。また、下部組成傾斜層８が厚くなるにつれて出力効率Ｓｅの低下が顕著になる。
【００７８】
つぎに、下部組成傾斜層８の最適ｐ型ドーピング濃度（ｐ型キャリア濃度）である１×１０１９ｃｍ−３にて、下部組成傾斜層８の厚さを変化させて出力効率Ｓｅを計算した。結果を図６−２に示す。出力効率Ｓｅの低下を２０％以下に抑制するには、たとえば下部組成傾斜層８の厚さは４０ｎｍ以下にすることが好ましい。ここで出力効率Ｓｅの低下を２０％以下に抑制しなければいけないのは、変調時の光変調振幅（ＯＭＡ）が確保出来なくなるからである。
【００７９】
また、図７は、下部組成傾斜層８の厚さを変えた場合の、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度と面発光レーザ１０１の閾値電流との関係を示す図である。図７において、ｐ型キャリア濃度が最も低いデータ点におけるｐ型キャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３である。図７に示すように、下部組成傾斜層８の厚さが４０ｎｍの場合は下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が高くなるにつれて閾値電流Ｉthは急激に増加する。
【００８０】
ここで、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が３×１０１７ｃｍ−３である場合の出力効率Ｓｅおよび閾値電流Ｉthを基準値とすると、基準値からの出力効率Ｓｅの低下量および閾値電流Ｉthの増加量は２０％以内であることが望ましい。図６−１、７より、下部組成傾斜層８の厚さが３．２ｎｍおよび１０ｎｍの場合は、下部組成傾斜層８のｐ型キャリア濃度が２×１０２０ｃｍ−３以下、厚さが４０ｎｍの場合はｐ型キャリア濃度が２×１０１９ｃｍ−３以下であれば、この望ましい出力効率Ｓｅおよび閾値電流Ｉth（たとえば約０．２ｍＡ）を実現することができる。
【００８１】
このように、本実施の形態１に係る光源１００は、低消費電力化が可能なので、特に１０ＧＨｚ以上の高速の変調電圧を印加して、１０Ｇｂｐ以上の高速伝送を実現するための光源として適するものとなる。
【００８２】
また、上述したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ１０１は、素子の温度上昇に伴う微分抵抗の変動がきわめて少ないものとなる。したがって、この面発光レーザ１０１は、環境温度が変化しても微分抵抗の変動がきわめて少ないため、変調時の光出力の環境温度依存性が小さい。さらに、井戸層６ａが、利得曲線の温度変化が小さいＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるため、閾値電流および閾値電圧が小さい事に加え、Ｉ−Ｌ特性の環境温度依存性が小さい。したがって、本実施の形態１に係る光源１００は、ペルチェ素子等の温度調整手段が冷却能力の低いものでよいか、あるいは不要なので、一層簡易かつ低消費電力、さらには低コストのものとなる。また、駆動回路もシンプルになり、ＣＭＯＳでも駆動可能とすることができる。
【００８３】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る光源１００の製造方法の一例について説明する。まず、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ、ＣＢＥ、ＭＯＣＶＤ等の公知の成長方法を用いて、表面にアンドープＧａＡｓバッファ層を積層したｎ型ＧａＡｓ基板１上に、下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、下部組成傾斜層８、電流狭窄層９を形成するためのＡｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有層、上部組成傾斜層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型高導電率層１２、ｐ型スペーサ層１３、ｐ型コンタクト層１４を順次積層する。
【００８４】
つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極１５を形成する。つぎに、ｐ側電極１５をＳｉＮ膜で覆い、酸性エッチング液等を用いてｎ型クラッド層５に到る深さまでエッチングして円柱状のメサポストＭを形成する。
【００８５】
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、Ａｌ含有層をメサポストＭの外周側から選択酸化し、電流狭窄層９を形成する。このように、電流狭窄層９は選択酸化熱処理によって簡易かつ高精度に所望の形状に形成できる。
【００８６】
つぎに、メサポストＭの外周側のｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極４を形成し、さらにｎ側引出電極１７およびｐ側引出電極１８を形成する。
【００８７】
つぎに、上部ＤＢＲミラー１６を形成した後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨して所望の厚さとし、素子分離を行って、面発光レーザ１０１が完成する。そして、この面発光レーザ１０１と、レーザ駆動用の公知のＩＣドライバーを備える制御器１０２とを接続し、光源１００が完成する。
【００８８】
なお、上記実施の形態１では、ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層１１、１３、ｐ型高導電率層１２等を構成するＡｌＧａＡｓが、アロイである例を示したが、ＡｌＧａＡｓからなる層はデジタルアロイから構成されても良い。デジタルアロイは、１層あたりの膜厚が２．５ｎｍ以下の薄膜層から構成され、トンネル効果によりミニバンドを形成する。例えば、膜厚１．５ｎｍのＧａＡｓ層と膜厚１ｎｍのＡｌＡｓ層とのペアを１０ペア繰り返し形成することにより、平均Ａｌ組成が４０％で厚さが２５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層と見なす事が可能である。この平均組成を有するＡｌＧａＡｓ層が、上述した組成傾斜になっていれば良い。なお、膜厚２．５ｎｍ以下の高Ａｌ組成（たとえば８０％）のＡｌＧａＡｓ層が１層のみ有る場合では、トンネル効果により、このＡｌＧａＡｓ層を介してキャリアが注入可能であるので、このＡｌＧａＡｓ層は抵抗上昇にほぼ寄与しない。この場合は、このＡｌＧａＡｓ層は無視して考える事ができる。
また、ここで示した構造に限らず、酸化狭窄構造にプロトンや酸素等でイオン注入を施し、寄生容量を低減する構造にも、本発明は適用可能である。
【００８９】
また、本発明の実施の形態に係る面発光レーザは、１０Ｇｂｐｓ〜４０Ｇｂｐｓにおいても直接変調が可能であり、低消費電力特性と高速応答性を兼ね備えた面発光レーザを実現可能である。例えば、本発明により、緩和振動周波数（ｆｒ）の注入電流効率（ＭＣＥＦ）として１０ＧＨｚ／（ｍＡ）０．５が得られ、低抵抗な為に活性層の発熱が少なく、バイアス電流１０ｍＡ程度まではｆｒが飽和しないので、ｆｒは３０ＧＨｚまで到達する事が可能である。小信号変調による周波数帯域（ｆ−３ｄＢ）は，ｆｒ×１．５５まで可能なので、最大４６ＧＨｚまで変調が可能である。
【００９０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態に係る面発光レーザは、光導波路と組み合わせて様々な光モジュールを構成することができる。
図８は、本実施の形態２に係る２つの光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂが、２本の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。図８において、光送受信モジュール４００Ａは、保持部材４０１Ａと、保持部材４０１Ａ上に設けられた各要素、すなわち、光ファイバ等の光導波路４１０Ａ、４１０Ｂを載置してこれらの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ａ、光導波路４１０Ａを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ａ、光導波路４１０Ｂを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ａ、面発光レーザ４０２Ａの発光状態を制御する駆動回路４０４Ａ、および受光素子４０３Ａが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ａとで構成されている。面発光レーザ４０２Ａは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ａを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ａが変換した電気信号は増幅回路４０５Ａを介して制御部へ送信される。なお、煩雑さを避けるために、駆動回路４０４Ａと面発光レーザ４０２Ａおよび増幅回路４０５Ａと受光素子４０３Ａのワイヤボンディングは記載を省略している。
【００９１】
なお、光送受信モジュール４００Ｂは、光送受信モジュール４００Ａと同様の構成を有するが、光送受信モジュール４００Ａとは送信に係る構成と受信に係る構成とが入れ替わっている。すなわち、光送受信モジュール４００Ｂは、保持部材４０１Ｂと、保持部材４０１Ｂ上に設けられた各要素、すなわち、光導波路４１０Ａ、４１０Ｂの位置決めを行うためのスペーサ４０６Ｂ、光導波路４１０Ｂを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザ４０２Ｂ、光導波路４１０Ａを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子４０３Ｂ、面発光レーザ４０２Ｂの発光状態を制御する駆動回路４０４Ｂ、および受光素子４０３Ｂが変換した電気信号を増幅する増幅回路４０５Ｂとで構成されている。面発光レーザ４０２Ｂは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路４０４Ｂを介して発光制御される。また、受光素子４０３Ｂが変換した電気信号は増幅回路４０５Ｂを介して制御部へ送信される。
【００９２】
この光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂは、簡易な制御によって高品質の光信号を出力できる本発明の面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂを使用しているため、構成が簡易であり、かつ低消費電力、低コストのものとなる。
【００９３】
つぎに、図８に示す光送受信モジュール４００Ａ、４００Ｂにおける面発光レーザ４０２Ａ、４０２Ｂと光導波路４１０Ａ、４１０Ｂとの光結合部分について具体的に説明する。なお、以下では、光送受信モジュール４００Ａの面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の説明を行うが、これらの光結合部分は光送受信モジュール４００Ｂの面発光レーザ４０２Ｂと光導波路４１０Ｂとの光結合部分に対しても適用できるものである。
【００９４】
はじめに、図９は、図８に示す光送受信モジュール４００Ａにおける面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の第１の例を示す側面図である。図９に示すように、光導波路４１０Ａの端面はその光軸に対して略４５度傾斜するように加工されており、かつ端面には光結合手段としての反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。また、面発光レーザ４０２Ａと反射膜４１１Ａとの相対位置はスペーサ４０６Ａによって位置決めされており、面発光レーザ４０２Ａが反射膜４１１Ａの下方に位置するように調整されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
【００９５】
図１０は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の第２の例を示す側面図である。図１０に示す例では、光結合手段として、面発光レーザ４０２Ａ上であって光導波路４１０Ａの端面側方に、面発光レーザ４０２Ａに対向する入射面４２０ａと光導波路４１０Ａの端面に対向する出射面４２０ｂとを有し、内部に反射面４２１の設けられたミラーアセンブリ４２０が設置されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、ミラーアセンブリ４２０に入射面４２０ａから入射し、反射面４２１によって反射され、出射面４２０ｂから出射されて光導波路４１０Ａの端面で結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。なお、ミラーアセンブリ４２０の入射面４２０ａおよび／または出射面４２０ｂに、コリメートや集光を行なうためのマイクロレンズ（アレイ）を設けてもよい。
【００９６】
また、図１１は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の第３の例を示す一部断面側面図である。図１１に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置されたコネクタハウジング４３０内に光ファイバである光導波路４１０Ａが保持され、さらに光結合手段として、光ファイバ心線４３１が、なめらかに屈曲して一方の端面が光導波路４１０Ａに接続するとともに他方の端面が面発光レーザ４０２Ａに対向するように保持されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、光ファイバ心線４３１の端面から入射して光ファイバ心線４３１を伝播し、その後光導波路４１０Ａ内に結合されて伝播する。
【００９７】
また、図１２は、面発光レーザ４０２Ａと光導波路４１０Ａとの光結合部分の第４の例を示す側面図である。図１２に示す例では、スペーサ４０６Ａに載置された光導波路４１０Ａには、光軸に対して略４５度傾斜する傾斜内面を有する楔形の溝４１２Ａが形成されている。また、この傾斜内面には反射膜４１１Ａが形成され、鏡面加工されている。そして、溝４１２Ａと反射膜４１１Ａとが光結合手段を構成している。また、面発光レーザ４０２Ａは、この溝４１２Ａ上の位置において、光導波路４１０Ａに直接取り付けられている。なお、この面発光レーザ４０２Ａは、その基板側すなわち下方へ光信号Ｌ６を出射するように構成されている。そして、面発光レーザ４０２Ａから出射した光信号Ｌ６は、溝４１２Ａの傾斜内面に形成された反射膜４１１Ａによって反射されて光導波路４１０Ａに結合し、光導波路４１０Ａ内を伝播する。
【００９８】
なお、上記実施の形態においては、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層１４はＡｌを含まないＧａＡｓからなるものである。また、ｐ型スペーサ層１１、１３、ｐ型高導電率層１２は、ＡｌＧａＡｓからなるものである。しかしながら、Ａｌ組成が電流狭窄層９からｐ型コンタクト層１４に向かって単調減少し、かつ電流狭窄層９からｎ型コンタクト層３に向かって単調減少するという条件を満たせば、これらの各層の組成は実施の形態のものに限定されず、たとえばｎ型コンタクト層３をＡｌＧａＡｓからなるものとしてもよい。また、Ａｌ組成が単調減少するという条件を満たせば、実施の形態で示した半導体層以外の半導体層を備えていてもよい。
【００９９】
また、上記実施の形態においては、基板上と活性層との間にｎ型半導体層が形成され、活性層の上側にｐ型半導体層が形成されているが、基板上と活性層との間にｐ型半導体層を形成し、活性層の上側にｎ型半導体層を形成してもよい。
【０１００】
また、上記実施の形態においては、上部ＤＢＲミラーは全体が誘電体多層膜からなるが、少なくともその一部が誘電体多層膜であり、その他の部分が半導体多層膜である構成としてもよい。また、面発光レーザを構成する半導体材料は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系に限らず、レーザ発振波長に応じてＩｎＰ系等の他の半導体材料を使用することができる。本発明は、ＧａＡｓ基板で実施例を示したが、ＩｎＰ基板でも良い。その際、酸化に供する層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ若しくはＡｌＩｎＡｓとする。酸化層からｐ型コンタクト層間と、酸化層からｎ型コンタクト層間はＡｌＧａＩｎＡｓで構成し、コンタクト層に向かうに連れてＡｌ組成が単調減少になるように構成する。
【０１０１】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１０２】
１  基板
２  下部ＤＢＲミラー
３  ｎ型コンタクト層
４  ｎ側電極
５  ｎ型クラッド層
６  活性層
６ａ  井戸層
６ｂ  障壁層
７  ｐ型クラッド層
８  下部組成傾斜層
９  電流狭窄層
９ａ  開口部
９ｂ  選択酸化層
１０  上部組成傾斜層
１１、１３  ｐ型スペーサ層
１２  ｐ型高導電率層
１４  ｐ型コンタクト層
１５  ｐ側電極
１６  上部ＤＢＲミラー
１７  ｎ側引出電極
１８  ｐ側引出電極
１００  光源
１０１、４０２Ａ、４０２Ｂ  面発光レーザ
１０２  制御器
４００Ａ、４００Ｂ  光送受信モジュール
４０１Ａ、４０１Ｂ  保持部材
４０３Ａ、４０３Ｂ  受光素子
４０４Ａ、４０４Ｂ  駆動回路
４０５Ａ、４０５Ｂ  増幅回路
４０６Ａ、４０６Ｂ  スペーサ
４１０Ａ、４１０Ｂ  光導波路
４１１Ａ  反射膜
４１２Ａ  溝
４２０  ミラーアセンブリ
４２１  反射面
４３１  光ファイバ心線
Ａｒ１〜Ａｒ４  矢印
Ｌ６  光信号
Ｐ    経路
【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６−１】
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【図６−２】
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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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