(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性に優れた安定的な動作を行う面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】長共振器構造の面発光型半導体レーザ１０は、基板上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、発振波長よりも光学的膜厚が大きいｎ型の共振器延長領域１０４、活性領域１０６、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８、電流狭窄層１１０、出射面付加膜１２０とを有する。出射面付加膜１２０は、電流狭窄層１１０の導電領域１１０Ｂと共振器延長領域１０４内で生じ得るスローライト共振を抑制するように膜厚の異なる中心部１２０Ａと外周部１２０Ｂとを有する。中心部１２０Ａは、導電領域１１０Ｂと重複する位置関係にあり、外周部１２０Ａは、酸化領域１１０Ａと重複する位置関係にある。【選択図】図１
2014086565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、
第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ前記活性領域の共振器の長さを延長する導電性の半導体材料を含む共振器延長領域と、
前記基板上に形成され、相対的に屈折率が低い低屈折率領域と当該低屈折率領域によって囲まれた相対的に屈折率が高い高屈折率領域とを含む光閉じ込め層と、
第２の半導体多層膜反射鏡の出射面上に形成され、発振波長を透過可能な材料から構成された出射面付加膜とを有し、
前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器延長領域、前記活性領域および前記第２の半 導体多層膜反射鏡によって規定される反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、かつ、選択された共振波長が発振され、
前記出射面付加膜は、前記光閉じ込め層の高屈折率領域と前記共振器延長領域内で生じ得る共振を抑制するように膜厚が異なる中心部と外周部とを有し、前記中心部は、前記光閉じ込め層の高屈折率領域と重複する位置関係にあり、前記外周部は、前記低屈折率領域と重複する位置関係にある、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記出射面付加膜は、前記中心部に対応する共振器部分の等価屈折率と前記外周部に対応する共振器部分の等価屈折率の差を低減する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記中心部の径は、前記高屈折率領域の径と等しいか、それより小さい、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記出射面付加膜は、前記外周部に対応する共振器部分の反射率を低減する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記中心部の径は、前記高屈折率領域の径と等しいか、それよりも小さい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記光閉じ込め層は、高屈折率領域内にキャリアを閉じ込める、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造内には前記光閉じ込め層が形成され、前記低屈折率領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化された酸化領域であり、前記高屈折率領域は、酸化されない導電領域である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項８に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項１０】
請求項１ないし７いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザは、基板と垂直方向にレーザ光を出射する発光素子であることから２次元アレイ化が容易であり、プリンタ、画像形成装置、光通信などの光源への実用化が進められている。そして、面発光型半導体レーザを単一横モードで安定的に動作させるため、基本横モードと高次横モード間に損失差を与える検討がなされている。その中で、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡間の共振器長を長くした、いわゆる長共振器構造の面発光型半導体レーザが開示されている（特許文献１、２）。長共振器構造の面発光型半導体レーザは、高次横モードに回折損を与えることで、基本横モードの高光出力化を図っている。また、非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０号公報
【特許文献２】特開２００９−１５２５５３号公報
【非特許文献１】H. J. Unold, el al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性に優れた安定的な動作を行う面発光型半導体レーザ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】
【０００５】
請求項１は、基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ前記活性領域の共振器の長さを延長する導電性の半導体材料を含む共振器延長領域と、前記基板上に形成され、相対的に屈折率が低い低屈折率領域と当該低屈折率領域によって囲まれた相対的に屈折率が高い高屈折率領域とを含む光閉じ込め層と、第２の半導体多層膜反射鏡の出射面上に形成され、発振波長を透過可能な材料から構成された出射面付加膜とを有し、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器延長領域、前記活性領域および前記第２の半 導体多層膜反射鏡によって規定される反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、かつ、選択された共振波長が発振され、前記出射面付加膜は、前記光閉じ込め層の高屈折率領域と前記共振器延長領域内で生じ得る共振を抑制するように膜厚が異なる中心部と外周部とを有し、前記中心部は、前記光閉じ込め層の高屈折率領域と重複する位置関係にあり、前記外周部は、前記低屈折率領域と重複する位置関係にある、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記出射面付加膜は、前記中心部に対応する共振器部分の等価屈折率と前記外周部に対応する共振器部分の等価屈折率の差を低減する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記中心部の径は、前記高屈折率領域の径と等しいか、それより小さい、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記出射面付加膜は、前記外周部に対応する共振器部分の反射率を低減する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記中心部の径は、前記高屈折率領域の径と等しいか、それよりも小さい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記光閉じ込め層は、高屈折率領域内にキャリアを閉じ込める、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造内には前記光閉じ込め層が形成され、前記低屈折率領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化された酸化領域であり、前記高屈折率領域は、酸化されない導電領域である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項９は、請求項８に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１０は、請求項１ないし７いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１によれば、面発光型半導体レーザの動作を安定化させることができる。
請求項２、３によれば、光閉じ込め層による光の閉じ込めを弱めることができる。
請求項４、５によれば、高屈折率領域内で共振される光の量を減少させることができる。
請求項６によれば、光とキャリアの閉じ込め同時に行うことができる。
請求項７によれば、光閉じ込め層を酸化工程により形成することができる。
請求項８ないし１０によれば、安定的な動作を行う面発光型半導体レーザを利用した面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図２】従来の長共振器構造の面発光型半導体レーザにおけるスローライト共振の発生を説明する図である。
【図３】従来の長共振器構造の面発光型半導体レーザにおけるスローライト共振のフリースペクトルレンジを示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施例による長共振器構造の面発光型半導体レーザにおけるスローライト共振の抑制を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施例に適用可能な出射面付加膜の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例に適用可能な出射面付加膜の例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図８】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１０】図８（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：以下、ＶＣＳＥＬを称する）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。今後、プリンタ等のさらなる高速化に向けて、シングルモード高出力ＶＣＳＥＬが求められている。従来の酸化狭窄型構造のＶＣＳＥＬでシングルモード（基本横モード）を得るためには、酸化アパーチャの径を２〜３μｍにする必要があるが、この酸化アパーチャ径では、３ｍＷ以上のシングルモード出力を安定的に得ることが難しくなる。酸化アパーチャ径をさらに大きくすれば、高出力化が可能になるが、マルチモード（高次横モード）発振となってしまう。そこで、酸化アパーチャ径を広げてもシングルモードを維持しつつ高光出力化する技術として、長共振器構造のＶＣＳＥＬが有望である。
【０００９】
長共振器構造のＶＣＳＥＬは、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬ内の発光領域と一方の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）との間に、数〜数十λ分のスペーサ層を導入して共振器長を長くすることで高次横モードの損失を増加させ、これにより、λ共振器構造のＶＣＳＥＬの酸化アパーチャ径よりも大きい酸化アパーチャ径でシングルモード発振を可能にする。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造のＶＣＳＥＬを例示する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域１０４、共振器延長領域１０４上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた多重量子井戸層を含む活性領域１０６、活性領域１０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を含んで構成される。
【００１２】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
【００１３】
共振器延長領域１０４は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層である。従って、共振器延長領域１０４は、ＧａＡｓ基板と格子定数が一致しまたは整合するような、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓまたはＡｌＡｓ等から構成される。ここでは、７８０ｎｍないし８５０ｎｍ帯のレーザ光を出射させるため、共振器延長領域１０４は、光吸収を生じさせないＡｌＧａＡｓから構成される。共振器延長領域１０４の膜厚は、発振波長λの数倍ないし数十倍であり、キャリアの移動距離が長くなる。このため、共振器延長領域１０４は、キャリアの移動度が速いｎ型であることが望ましく、それゆえｎ型の下部ＤＢＲ１０２と活性領域１０６との間に挿入される。例えば、共振器延長領域１０４の膜厚は、好ましくは、５λないし２０λ（λは所望の発振波長）の間の厚み、または反射帯域内（本実施の形態においては９７％以上の反射率の帯域内）に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たす。このような共振器延長領域１０４は、空洞延長領域またはキャビティスペースとしても参照され得る。また、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域１０４、共振器延長領域１０４上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた多重量子井戸層を含む活性領域１０６、活性領域１０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を含んで構成された、面発光レーザの反射帯域内には、少なくとも２つの共振モードが存在しているが、そのうちの一つの共振モードにて選択的に発振がなされる。この反射帯域の範囲は反射率が９７％以上となる範囲である。９７％よりも反射率が低い領域に共振モードが存在しても、光ノイズやキンク、発振波長スイッチングなどの悪影響を及ぼすことはない。
【００１４】
活性領域１０６の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１５】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、例えば、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.４Ｇａ0.６Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型のＡｌＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００１６】
上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成され、電流狭窄層１１０は、メサＭによって露出される。電流狭窄層１１０には、メサＭの側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂが形成される。酸化工程において、ＡｌＡｓ層はＡｌＧａＡｓ層よりも酸化速度が速く、酸化領域１１０Ａは、メサＭの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化されるため、導電領域１１０Ｂの基板と平行な平面形状は、メサＭの外形を反映した形状、すなわち円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るための導電領域１１０Ｂの径を、通常のλ共振器構造のＶＣＳＥＬよりも大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ないし８ミクロン程度まで大きくすることができ、高光出力化を図ることが可能になる。
【００１７】
メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、メサＭの光軸と一致する中心を持つ円形状の光出射窓１１２Ａが形成され、当該光出射窓１１２Ａによって露出された領域は、出射面付加膜１２０によって覆われる。基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１８】
出射面付加膜１２０は、光軸近傍の等価屈折率とその外周部の等価屈折率の差も低減させ、または外周部の反射率を低減させる機能を備え、これにより、長共振器構造のＶＣＳＥＬの発光領域において発生するスローライト共振を抑制する。その結果、ｐ側電極１１２の光出射窓１１２Ａからは、動作が安定化された単一横モード、単一縦モードの高出力のレーザ光が出射される。
【００１９】
出射面付加膜１２０は、発振波長に対して透過性の材料から構成され、光軸近傍の円形状の中心部１２０Ａと、中心部１２０Ａを取り囲み中心部１２０Ａよりも膜厚が大きい外周部１２０Ｂとを含んで構成される。外周部１２０Ｂの膜厚は、出射面付加膜１２０における中心部１２０Ａの等価屈折率が外周部１２０Ｂの等価屈折率よりもあたかも小さくなるように調整される。平面的に見たとき、中心部１２０Ａは、電流狭窄層１１０の導電領域１１０Ｂと重複する位置関係にあり、中心部１２０Ａの中心は、導電領域１１０Ｂの中心に略一致する。好ましい態様では、導電領域１１０Ｂの径をＤ０、中心部１２０Ａの径をＤ１としたとき、Ｄ１＜Ｄ０、またはＤ１≦Ｄ０の関係にある。平面的に見たとき、外周部１２０Ｂは、酸化領域１１０Ａと重複する位置関係にある。
【００２０】
出射面付加膜１２０は、好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層（例えば、ＧａＡｓコンタクト層）の屈折率よりも小さい屈折率の材料、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などから構成される。例えば、中心部１２０Ａの膜厚は、λ×（ｘ／２ｎ１）、外周部１２０Ｂの膜厚は、λ×（ｙ＋１／２）／２ｎ１である。ここで、λは発振波長、ｘ、ｙは自然数（０を含む）、ｎ１は出射面付加膜１２０の屈折率である。
【００２１】
ここで、長共振器構造のＶＣＳＥＬにおいて発生するスローライト共振について説明する。図２は、図１のＶＣＳＥＬから出射面付加膜１２０を取り除いたＶＣＳＥＬを表している。電流狭窄層１１０は、典型的にＡｌＡｓ、または下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓから構成される。ＡｌＡｓの屈折率は、約３．０であり、それが酸化されると、屈折率は、約１．７に変化する。同時に、ＡｌＡｓの酸化は、その性質を電気的に高抵抗に変化させる。これにより、屈折率の高い導電領域１１０Ｂ内に光とキャリアが閉じ込められる。
【００２２】
下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０８との間に共振器延長領域１０４が挿入されると、発光領域内に新たな共振モード（スローライト共振）が発生し、信頼性やスペクトルに悪影響を与えてしまうことが判明した。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、それぞれ９９％以上の非常に高い反射率を有し、活性領域１０６で発生された光は、一定の広がり角を持って上下のＤＢＲ間で反射されながら共振器延長領域１０４内を横方向に進行する。横方向に進行する光は、屈折率の高い導電領域１１０Ｂ内に閉じ込められるが、このことは、導電領域１１０Ｂと酸化領域１１０Ａの境界の反射端で反射されることを意味する。従って、活性領域１０６で発生された光は、導電領域１１０Ｂと共振器延長領域１０４で囲まれた領域内で、あたかもファブリーペローエタロンのように左右方向（基板の主面と平行な方向）に共振する、いわゆるスローライト共振となり得る。
【００２３】
図３は、このようなスローライト共振の発生を示すグラフであり、横軸は波長、縦軸はレベルである。発振波長λを８５０ｎｍに設定したとき、波長８３３ｎｍないし８６３ｎｍの間に、多数のスペクトルが発生し、その中でスローライト共振が発生している。スローライト共振の間隔であるフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、約２ｎｍである。スローライト共振では、ほぼ等間隔のスペクトルが立ち、これは、従来の横モードによるスペクトルの立ち方とは明らかに異なる。また、フリースペクトルレンジの値は、電流狭窄層１１０の導電領域１１０Ｂの径（酸化アパーチャ径）に依存する関係があり、導電領域１１０Ｂの径を狭くするほど、フリースペクトルレンジの値は大きくなる（間隔が広がる）。フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）は、次式で求めることが可能である。
ＦＳＲ＝λ２／２ｎeffＬ
ここで、λは発振波長、ｎeffは等価屈折率、Ｌは共振する長さである。
例えば、発振波長λが８５０ｎｍ、等価屈折率ｎeffが３．４、共振する長さＬが６０μｍ、導電領域１１０Ｂの径が３μｍであるとき、ＦＳＲ＝１．８９ｎｍである。
【００２４】
本実施例では、出射面付加膜１２０がスローライト共振を抑制する機能を有する。図４は、出射面付加膜１２０によるスローライト共振の抑制を説明する図である。通常の長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、電流狭窄層１１０の導電領域１１０Ｂの外周である酸化領域１１０Ａ上の共振器部分の等価屈折率ｎeff2は、導電領域１１０Ｂ上の発光領域の共振器部分の等価屈折率ｎeff1よりも低い（ｎeff2＜ｎeff1）。そのため、活性領域１０６で発生された光は、導電領域１１０Ｂ内に閉じ込められるとともに、上記したように導電領域１１０Ｂと酸化領域１１０Ａの境界の反射端で反射されスローライト共振となってしまう。本実施例の出射面付加膜１２０は、導電領域１１０Ｂに対応する中心部１２０Ａと、酸化領域１１０Ａに対応する外周部１２０Ｂとを有し、中心部１２０Ａの上層には空気層（屈折率が１）が存在し、外周部１２０Ｂの空気層に対応する位置には絶縁膜（例えば、ＳｉＮであれば、屈折率が１．５）が存在する。このため、中心部１２０Ａに対応する共振器部分の等価屈折率ｎeff1はそのままで、外周部１２０Ｂに対応する共振器部分の等価屈折率ｎeff2が上昇する。その結果、中心部１２０Ａと外周部１２０Ｂの等価屈折率差（ｎeff1−ｎeff2）が小さくなり、光の閉じ込めも弱まり、スローライト共振の反射端としても反射される光の量が減少し、これにより、スローライト共振が弱められる。スローライト共振が弱められることで、単一横モードおよび単一縦モードのスペクトルが安定したレーザ光が出射される。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例では、出射面付加膜１２０により外周部１２０Ｂの共振器部分の反射率を調整する。スローライト共振のためには、導波路すなわち共振器(スペーサ層)の上下に高い反射率が必要となる。そこで、スローライト共振を低減するために、酸化領域１１０Ａと導電領域１１０Ｂの境界を含む近傍の共振器部分の反射率を低減させる。このため、第２の実施例では、好ましくは、出射面付加膜１２０の中心部の径Ｄ１は、導電領域１１０Ｂの径Ｄ０よりも小さくなるように設定される（Ｄ１＜Ｄ０）。また、導電領域１１０Ｂ上の中心部の反射率は、レーザ特性を維持するために高いままであることが望ましい。
【００２６】
好ましくは、出射面付加膜１２０は、上部ＤＢＲ１０８の最上層（例えば、ＧａＡｓコンタクト層）の屈折率よりも小さい屈折率の材料、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などから構成される。例えば、中心部１２０Ａの膜厚は、λ×（ｘ／２ｎ１）、外周部１２０Ｂの膜厚は、λ×（ｙ＋１／２）／２ｎ１である。ここで、λは発振波長、ｘ、ｙは自然数（０を含む）、ｎ１は出射面付加膜１２０の屈折率である。
【００２７】
第２の実施例では、外周部１２０Ｂに対応する共振器部分の反射率を低下させることで、外周部側へ透過する光の量が増加し（すなわち、反射される光の量が減少し）、これによりスローライト共振が弱められる。なお、第２の実施例は、第１の実施例と別々のものとして説明したが、出射面付加膜１２０の形状、材料および膜厚を適宜選択することで、第１の実施例による等価屈折率差の低減および第２の実施例による外周部の反射率の低減の双方を同時に成し得ることが可能である。
【００２８】
次に、第１、第２の実施例に適用可能な出射面付加膜の種々の例を図５、図６に示す。図５は、第１の実施例に適用可能な出射面付加膜１２２の例を示し、上記したように中心部と外周部との等価屈折率差を低減させる。図６は、第２の実施例に適用可能な出射面付加膜１２４の例を示し、上記したように外周部の反射率を低減させる。図５、図６に示す出射面付加膜１２２、１２４は、図１に示す出射面付加膜１２０が単一の材料から構成されるのに対し、複数の材料から構成される。
【００２９】
図５（Ａ）において、層間絶縁膜１３０は、メサの側面および頂部の周縁を覆い、層間絶縁膜１３０によって露出されたメサ頂部のコンタクト層上には、環状のｐ側電極１１２が形成される。出射面付加膜１２２は、第１の屈折率調整材料１４０と第２の屈折率調整材料１４２とから構成される。第１の屈折率調整材料１４０は、ｐ側電極１１２の光出射窓の全面を覆うように形成され、その上には環状の第２の屈折率調整部材１４２が積層される。第２の屈折率調整材料１４２によって露出された領域が中心部を規定する。第１の屈折率調整材料１４０および第２の屈折率調整材料１４２の材料および膜厚を適宜選択することで、第１の屈折率調整材料１４０の単体の等価屈折率ｎｃを、第１および第２の屈折率調整材料１４０、１４２の積層の等価屈折率ｎｐよりも低くし、これにより、等価屈折率差（ｎeff1−ｎeff2）を低減させる。例えば、第１の屈折率調整材料１４０は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層（ＧａＡｓ）よりも屈折率が小さいＳｉＯＮ（屈折率＝１．５７）から構成され、第２の屈折率調整材料１４２は、第１の屈折率調整材料１４０よりも屈折率が大きいＳｉＮ（屈折率＝１．９２）から構成される。
【００３０】
図５（Ｂ）に示す例では、光出射窓の径よりも小さな外径の第１の屈折率調整材料１４０が出射窓内に形成され、その周辺に環状の第２の屈折率調整材料１４２が形成される。第２の屈折率調整材料１４２は、第１の屈折率調整材料１４０よりも屈折率が大きい材料から構成され、第２の屈折率調整材料１４２の膜厚を第１の屈折率調整材料１４０の膜厚よりも厚くすることで、中心部の等価屈折率ｎｃを、外周部の等価屈折率ｎｐよりも低くすることができる。
【００３１】
図５（Ｃ）、（Ｄ）は、出射面付加膜１２２が３層構造によって構成される例を示している。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）の構成に、一定の膜厚の第３の屈折率調整材料１４４を積層したもの、図５（Ｄ）は、図５（Ｂ）の構成に、第３の反射率調整材料１４４を積層したものである。第３の屈折率調整材料１４４は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などの発振波長に対し透過性のある材料から構成され、第１および第２の屈折率調整材料１４０、１４２と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
【００３２】
図６（Ａ）に示す出射面付加膜１２４は、第１の反射率調整材料１５０と、第１の反射率調整材料１５０とから構成される。第１の反射率調整材料１５０は、ｐ側電極１１２の光出射窓の全面を覆うように形成され、その上には環状の第２の反射率調整部材１５２が積層される。第２の反射率調整材料１５２によって露出された領域が中心部を規定する。第１の反射率調整材料１５０および第２の反射率調整材料１５２の材料および膜厚を適宜選択することで、中心部の共振器部分の反射率Ｒ１をレーザ発振に必要な高い値に維持しつつ、外周部の共振器部分の反射率Ｒ２を低下させる。
【００３３】
好ましい態様では、第１の反射率調整材料１５０は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層の屈折率よりも小さい屈折率を有し、その膜厚は、発振波長の１／２の奇数倍であり、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２などの材料が用いられる。第２の反射率調整材料１５２は、第１の反射率調整材料１５０の屈折率よりも大きな屈折率を有し、その膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍であり、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２などの材料が用いられる。
【００３４】
図６（Ｂ）に示す例では、光出射窓の径よりも小さな外径の第１の反射率調整材料１５０が出射窓内に形成され、その周辺に環状の第２の反射率調整材料１５２が形成される。第２の反射率調整材料１５２は、第１の反射率調整材料１５０よりも屈折率が大きい材料から構成され、両者の膜厚を適宜選択することで、外周部の共振器部分の反射率Ｒ２を低減させることができる。
【００３５】
図６（Ｃ）の例は、図６（Ａ）の構成に均一の膜厚の第３の反射率調整材料１５４を積層したもの、図６（Ｄ）は、図６（Ｂ）の構成に、第３の反射率調整材料１５４を積層したものである。第３の反射率調整材料１５４は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などの発振波長に対し透過性のある材料から構成され、第１および第２の反射率調整材料１５０、１５２と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
【００３６】
図６（Ｅ）では、出射面付加膜１２４は、ｐ側電極１１２の光出射窓を覆う第１の反射率調整材料１５０と、その上に形成された中心部を覆う円形状の第２の反射率調整材料１５２とから構成される。好ましい態様では、第１の反射率調整材料１５０および第２の反射率調整材料１５２のそれぞれの膜厚は、発振波長のλ／４の奇数倍であり、第１の反射率調整材料１５０よりも第２の反射率調整材料１５２の屈折率が高く、第２の反射率調整材料１５２よりも上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層の屈折率が高い。例えば、第１の反射率調整材料１５０が膜厚λ／４のＳｉＯＮであり、第２の反射率調整材料１５２が膜厚λ／４のＳｉＮである。
【００３７】
図６（Ｆ）の例では、中心部を覆う第１の反射率調整材料１５０が光出射窓内に形成され、その周辺に環状の第２の反射率調整材料１５２が形成される。この場合にも、第１の反射率調整材料１５０の屈折率、膜厚、および第２の反射率調整材料１５２の屈折率、膜厚を適宜選択することで、外周部の共振器部分の反射率Ｒ２を低下させる。
【００３８】
図６（Ｇ）は、図６（Ｅ）の構成に、均一の膜厚の第３の反射率調整材料１５４を積層したもの、図６（Ｈ）は、図６（Ｆ）の構成に、均一の膜厚の第３の反射率調整材料１５４を積層したものである。第３の反射率調整材料１５４は、発振波長に対し透過性のある材料から構成され、第１および第２の反射率調整調整材料１５０、１５２と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図７は、第３の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第３の実施例では、ｐ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成される。下部ＤＢＲ１０２のうちの活性領域１０６に隣接する低屈折率層またはその一部は電流狭窄層１１０に置換される。活性領域１０６上にｎ型の共振器延長領域１０４が形成され、共振器延長領域１０４上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成される。基板１００の底部には、ｐ側電極１１２が形成され、上部ＤＢＲ１０８の頂部には、円形の出射窓を含むｎ側電極１１４が形成される。ｎ側電極１１４の出射窓内には出射面付加膜１２０が形成される。なお、第３の実施例においてメサＭを形成する場合は、エッチングは、電流狭窄層１１０が露出するように下部ＤＢＲ１０２まで到達する深さである。
【００４０】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。量子井戸の利得に関して、一般的に、利得ピーク波長と共振波長の温度依存性の違いより、量子井戸の利得ピーク波長と、所望の共振波長の関係は、室温のとき、利得ピーク波長が所望の共振波長よりも短波長側に設定されるように、長共振器構造のＶＣＳＥＬを構成する半導体材料の組成を調整する。あるいは、使用温度範囲内において、最低の温度のとき、利得ピーク波長が所望の共振波長よりも短波長側に設定され、最高の温度のとき、利得ピーク波長が所望の共振波長よりも長波長側に設定されるように、ＶＣＳＥＬの構成を調整する。
【００４１】
第４の実施例によれば、長共振器構造のＶＣＳＥＬを一定の駆動電流で駆動するとき、活性層の利得ピーク波長を共振器の共振波長よりも短波長に設定することで、温度上昇時に両者の波長を一致させ、所望の動作温度範囲における閾値電流の温度依存性を小さくし、高温での光出力の低下を改善することができる。
【００４２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４３】
上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、ＡｌＧａＡｓにより形成したが、ＡｌＧａＡｓ以外の半導体材料を用いて高屈折率層と低屈折率層の対を形成することができる。例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。また、発振波長が長い場合には、ＧａＡｓによりＤＢＲを構成してもよい。
【００４４】
上記実施例では、単一の電流狭窄層を例示したが、電流狭窄層１１０は複数であってもよい。さらに上記実施例では、電流狭窄層により光とキャリアの閉じ込めを行う例を示したが、電流狭窄層に代えて光を閉じ込める光閉じ込め層を用いたＶＣＳＥＬにおいても本発明は適用される。また、上記実施例では、基板の裏面にｎ側電極１１４を形成する例を示したが、ｎ側電極１１４は、下部ＤＢＲ１０２に直接接続されるようにしてもよい。この場合には、基板１００は、半絶縁性とすることができる。
【００４５】
また、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器構造のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに、上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。
【００４６】
次に、本実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図８（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、長共振器構造のＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００４７】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００４８】
図８（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
【００４９】
図９は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図８（Ａ）または図８（Ｂ）のように長共振器構造のＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００５０】
図１０は、図８（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００５１】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０、１０Ａ：長共振器構造のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器延長領域
１０６：活性領域
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射窓
１１４：ｎ側電極
１２０、１２２、１２４：出射面付加膜
１２０Ａ：中心部
１２０Ｂ：外周部
１４０：第１の屈折率調整材料
１４２：第２の屈折率調整材料
１４４：第３の屈折率調整材料
１５０：第１の反射率調整材料
１５２：第２の反射率調整材料
１５４：第３の反射率調整材料
【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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