(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の反射鏡と，活性層と，第二の反射鏡とを備えた面発光半導体レーザにおいて，
該第一及び第二の反射鏡のうち少なくとも一方の反射鏡は，該反射鏡に平行な一方向へ延在する複数の量子細線を有する多層膜からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
第一の反射鏡と，活性層と，第二の反射鏡とを備えた面発光半導体レーザにおいて，
該第一又は第二の反射鏡と該活性層との間に，該第一及び第二の反射鏡に平行な一方向へ延在する複数の量子細線を有する層が設けられたことを特徴とする面発光半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，所定の偏光方位を有する光を発振する垂直共振器型面発光半導体レーザに関する。
【０００２】
面発光半導体レーザは，低消費電力で動作し，光ファイバとの結合が容易であり，かつ２次元アレイ構造を実現できるという利点を有することから，光インタコネクションシステムの発光素子としての利用が期待されている。
【０００３】
かかる光伝送の用途では，発光素子の偏光方位の安定が，単一発振モードを担保し，コヒーレント特性又は発振の安定性を保証するために不可欠である。
このため，偏光方位を任意方位に固定した面発光半導体レーザが要望されている。
【０００４】
【従来の技術】
図９は従来例構造説明図であり，垂直共振器型面発光半導体レーザを表している。なお，図９（ａ）は垂直共振器型面発光半導体レーザの断面図を表し，図９（ｂ）は従来の改良例の部分断面図により光の出射面である窓の構造を表し，図９（ｃ）は従来の他の改良例斜視図により第一の反射鏡の構造を表している。
【０００５】
発光面と垂直にレーザ共振器を構成する垂直共振器型面発光半導体レーザは，図９を参照して，（１００）面を主面とする半導体基板１上に，多層膜からなる第一の反射鏡２，下側のクラッド層３，活性層４，上側のクラッド層５，多層膜からなる第二の反射鏡９を順次積層し，その上下面に電極１０を設けた構造を有する。この第一及び第二の反射鏡２，９は，発光面と垂直に構成されたレーザ共振器，即ち垂直共振器を構成する。なお，第二の反射鏡上面に設けられた電極１０には，光放射用の窓１０ａが設けられる。
【０００６】
かかる構造の半導体レーザでは，２つの反射鏡２，９が構成する垂直共振器の光軸（反射鏡２，９に垂直な軸）の垂直面内で互いに直交する２つの偏光方位に対応して，２つの横発振モードを生ずる。このため，これらのモード間の遷移を生じ又は複数モードの発振を起こし，発振の不安定性及びコヒーレンスの劣化を招来する。また，偏光方位が定まらないため，所定の偏光面を必要とする用途には用いることができない。
【０００７】
かかる横発振モードを制限するため共振器内に偏光子を挿入し，予め予定された偏光方位の発振モードのみを励起する面発光半導体レーザが考案されている。例えば，公開特許公報，特開平５−２１８８９号には，図９（ｂ）を参照して，出射面となる窓１０ａが形成された第二の反射鏡９の表面に，一定周期の平行な溝２２を形成し，その溝を埋め込む金属膜２１を堆積してグレーテングを形成する発明が開示されている。かかるグレーテングは，周知のように一定の偏光方位を有する光の反射率又は透過率を変化させる。このため，共振器の利得は偏光方位により相違し，グレーテングで定まる特定の偏光方位を有する光のみが発振するようになる。従って，この発明に係る面発光半導体レーザの偏光方位はグレーテングにより固定される。
【０００８】
上記のグレーテングの光学特性は，グレーテングを構成する金属が埋め込まれた凹溝の断面形状及び凹溝の周期に対して極めて鋭敏に変動する。このため，溝の形状及び周期を発振波長に合わせて精密に製作する必要がある。しかし，半導体層からなる反射鏡の表面に凹溝を形成し，これを金属で埋め込み製作されたグレーテングの断面形状及び周期は，加工条件の僅かな変化により大きく変動する。このため，グレーテングを精密に製造することは極めて難しい。
【０００９】
さらに偏光子を用いて横発振モードを規制する他の方法に，公開特許公報，特開平５−３０８１７３号に開示された，量子細線を偏光子として利用する考案がある。この考案では，図９（ａ）及び（ｃ）を参照して，基板１側の第一の反射層２は，ＧａＡｓ量子細線２３とＡｌＡｓ量子細線２４とを横断面がモザイク状に上下，左右に相互の量子細線が隣接するように一定の周期をもって配列した周期構造と，その上にＧａＡｓ膜２５とＡｌＡｓ膜２６とを交互に積層した多層膜とから構成される。かかるモザイク状の周期構造を有する量子細線は，その面内における周期を量子効果を生ずる迄小さくして，特定波長における反射率及び透過率が偏光方位により異なるものとする。この結果，共振器の偏光方位依存性が生じて，特定偏光方向の光のみが安定に発振する。
【００１０】
しかし，モザイク状に量子細線を構成する上記方法では，モザイクの一層の厚さを多層膜と同じくλ／４としなければならない。このため，情報処理装置に利用される可視乃至赤外の長波長の光では，厚さ方向の量子効果は生ぜず，専ら平面方向の短周期に基づく量子効果を利用することとなる。その結果，量子細線は２次元の閉じ込め効果しか生ぜず，本来の１次元閉じ込め効果を奏しないから，偏光方位依存性が顕著には表れず発振モードの安定性が劣化する。他方，１次元閉じ込め効果を奏する程に波長が短い場合には，一層が非常に薄くなる。このモザイク状量子細線は結晶成長機構を利用して製作されるが，薄い層からなるモザイク構造の製作は極めて困難なものとなる。特に，偏光方位依存性は量子細線の断面形状に依存するため，モザイク構造の断面形状を精密に制御しなければならず，製作は一層困難になる。
【００１１】
上述したグレーテング又はモザイク状量子細線を形成する困難性を回避する方法として，出射用の窓の形状若しくは共振器の形状，又は基板方位の異方性を利用する方法がある。
【００１２】
図１０は従来例断面図であり，出射用の窓の形状若しくは共振器の形状を利用した垂直共振器型面発光半導体レーザを表している。この構造の半導体レーザでは，反射鏡９の平面形状を楕円又は長方形に形成する。又は，クラッド層５上に活性層への電流通路を画定する開口を有する電流狭窄層２８を設け，その開口を長方形とする。この反射鏡９の形状又は電流狭窄層２８の開口の形状に基づいて，特定の偏光方位を有する横発振モードのみが励起される。
【００１３】
しかし，この半導体レーザでは，反射鏡９又は電流狭窄層２８の開口を長方形状にするため，出射光のビーム断面は必ずしも円形にならない。このため，光ファイバ又はその他の光学部品に用いるには不便である。さらに，横発振モードを安定にするには反射鏡９又は電流狭窄層２８の開口を精密に形成する必要があり，加工が難しい。
【００１４】
基板方位の異方性を利用する半導体レーザは，基板主面の方位を（１００）面以外の方位，例えば（３１１）面とする。この（１００）面以外の面では，面内の光学的異方性が顕著に表れるため，偏光方向が固定した発振モードのみが励起される。
【００１５】
しかし，（１００）面以外の基板表面に良質の半導体層を堆積することは難しく，実用されるに至っていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の垂直共振器型面発光半導体レーザでは，面内の偏光方位が定まらず発振の不安定及びコヒーレンスの劣化を招来するという欠点がある。
【００１７】
他方，反射鏡にグレーテング又はモザイク構造状の量子細線を設けた面発光半導体レーザでは，製造が難しいという問題がある。また，モザイク構造状の量子細線では，電子の２次元閉じ込めができず，発振モードの偏光方位の制御性が不十分になるという問題がある。
【００１８】
さらに，反射鏡又は電流狭窄層の開口の形状を利用して偏光方位を制御する面発光半導体レーザでは，必要な加工精度を実現することが難しい。
本発明は，光共振器の内部又は反射鏡の中に量子細線を平行に配置することで光共振器に偏光方位依存性を付与するもので，簡単に製造できかつ偏光方位が規定された垂直共振器型面発光半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
図１〜図４はそれぞれ本発明の第一〜第四実施形態例断面図であり，垂直共振器型面発光半導体レーザを表している。
【００２０】
図１〜図４を参照して，上記課題を解決するための本発明の第一の構成は，第一の反射鏡２と，活性層４と，第二の反射鏡９とを備えた面発光半導体レーザにおいて，該第一及び第二の反射鏡２，９のうち少なくとも一方の反射鏡は，該反射鏡に平行な一方向へ延在する複数の量子細線８を有する多層膜からなることを特徴として構成し，及び，
第二の構成は，第一の反射鏡２と，活性層４と，第二の反射鏡９とを備えた面発光半導体レーザにおいて，該第一又は第二の反射鏡２，９と該活性層４との間に，該第一及び第二の反射鏡に平行な一方向へ延在する複数の量子細線を有する層が設けられたことを特徴として構成する。
【００２１】
本発明の構成では，図１〜図４を参照して，垂直共振器を構成する第一の反射鏡２又は第二の反射鏡９の中に，これらの反射鏡２，９に平行なかつ一方向に向きを揃えた複数本の量子細線８が設けられる。初めに，かかる量子細線と光との相互作用について説明する。
【００２２】
図７は量子細線と偏光の相互作用を表す図であり，平行に配置された複数の量子細線による光吸収の偏光方向依存性を表している。
図７（ａ）を参照して，平行に配列した量子細線８を設けた平面に，量子細線と平行な偏光成分Ｅｙ及び量子細線と直交する偏光成分Ｅｘを有する入射光３１が入射した場合，量子細線８が設けられた平面を透過した透過光３２は，量子細線８と平行な偏光成分Ｅｙが量子細線８と直交する偏光成分Ｅｘよりも大きな吸収を受ける。
【００２３】
図７（ｂ）は，平行に配列した量子細線８を設けた平面を透過する光吸収の偏光方位依存性を表している。図７（ｂ）を参照して，量子細線８と平行な偏光成分Ｅｙの光吸収は，直交する偏光成分Ｅｘよりも大きく，その吸収量は量子細線の材料及び断面形状ににより定まる波長において著しい。従って，かかる量子細線は偏光子として有効に機能する。
【００２４】
本発明の第一の構成では，図１〜図４を参照して，多層膜からなる第一又は第二の反射鏡２，９の何れかの内部に，例えば第二の反射鏡９の内部に，その多層膜の一層をなす半導体の層中に半導体の量子細線８を平行に埋め込んだ量子細線層６を設ける。この量子細線層６は偏光子の機能を有するため，第二の反射鏡９の反射率に偏光方位依存性を与える。その結果，第二の反射鏡９を光共振器に用いた本構成の半導体レーザでは，量子細線８の延在方位で定まる特定の偏光方位の光が発振し易く，他の偏光方位を有する光の発振が抑制されるので，発振光の偏光方位が固定される。
【００２５】
かかる量子細線層６は，光共振器を構成する第一又は第二の反射鏡２，９の何れに設けてもよい。また，量子細線層６を一つの反射鏡内に複数層設けることもできる。さらに，両方の反射鏡２，９に同時に設けることもできる。
【００２６】
本発明の第二の構成では，第一又は第二の反射鏡２，９と活性層４との中間に量子細線を設ける。この場合，量子細線は活性層４に近く電界の大きい場所に位置するから，少ない数の量子細線でも偏光方位を固定できる。
【００２７】
上述した図７（ｂ）に示す量子細線の吸収特性は，量子細線の材料と断面形状とにより定まり，量子細線の間隔及び配置には依存しない。後述するように，量子細線の材料及び断面形状は精密に作製することが容易である。他方，量子細線の配置及び相互位置関係を精密に実現するには，極めて精密なリソグラフィ及び加工技術を必要とする。しかし，量子細線の配置及び相互位置関係が吸収特性に及ぼす影響が少なく，これらの製造上の誤差は本発明に係る光共振器の特性に大きな影響を与えない。従って，本発明において量子細線の配置及び相互位置関係を精密に製造する必要はない。このため，本発明に係る半導体レーザの製造は，精密なリソグラフィ及び加工を要せず，製造が容易である。
【００２８】
本発明では，量子細線の太さは，通常は発振光の波長よりも極めて細くかつその配置，間隔は波長と直接に関係しない。このため，量子細線を，半導体レーザを構成する層，例えば反射鏡を構成する各層の厚さよりも十分に細くすることができるので，量子細線のもつ電子の２次元閉じ込め効果が十分に発揮される。従って，量子細線層は，発振光の吸収が少なく，他方，発振光と直交する偏光方位を有する光の吸収が大きな偏光子として機能するので，偏光方位を固定するための量子細線層を挿入しても半導体レーザの発振効率の低下は小さい。また，量子細線が細いので，高密度に量子細線を設けることができ，垂直共振器のように短い共振器の内部に設けるに便宜である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下，本発明を実施形態例を参照して説明する。
先ず，本発明に係る量子細線の形成方法について説明する。図８は量子細線製造工程図であり，半導体層中に量子細線を埋め込んだ構造を有する量子細線層の製造方法を断面図により表している。
【００３０】
図８（ａ）を参照して，量子細線層の下地層（通常は半導体層である。）上に，半導体からなる下層６ａを例えば減圧ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル成長法）により堆積する。次いで下層６ａ表面上にレジスト３１のストライプパターンを形成する。このレジストパターンは，下層６ａ表面上に塗布したレジストに干渉光を照射し，干渉パターンの形状に現像して形成される。勿論，他の方法によるリソグラフィにより形成してもよい。
【００３１】
次いで，図８（ｂ）を参照して，レジスト３１をマスクとする異方性エッチングにより，下層６ａ表面に，平行な溝６ｃを形成する。この溝６ｃは，例えば閃亜鉛鉱型結晶の異方性エッチングによりＶ溝又凹溝として形成される他，異方性イオンエッチングにより形成することもできる。なお，溝６ｃは相互に平行ではあるが，等間隔に配列する必要はない。さらに，平行な溝６ｃを形成した後，再びレジストを塗布して溝６ｃをレジストで埋め，全面をエッチングすることで溝６ｃの周期を半分にかつ本数を２倍にすることができる。この周期を半分にする工程を繰り返することで，高密度の量子細線を形成することもできる。
【００３２】
次いで，図８（ｃ）を参照して，減圧ＭＯＶＰＥ法により，薄く半導体を堆積する。適切な成長温度の下で，この半導体は溝６ｃの底に堆積し，量子細線８を形成する。次いで，図８（ｄ）を参照して，さらに半導体層からなる上層６ｂを堆積して量子細線８を埋込み，量子細線層６が形成される。なお，上記量子細線の製造方法は，藤井等による「信学技報，TECHNICAL REPORT OF IEIEC,(1994),p13，微細凹凸ＩｎＰ基板上へのＧａＡｓ量子細線成長」に開示されている。
【００３３】
本発明の第一実施形態例は，図１を参照して，第二の反射鏡９に量子細線８を設けた垂直共振器型面発光半導体レーザに関する。
図１を参照して，Ｓｉを２×１０18atm/cm3 ドープした厚さ３００μｍの主面を（１００）とするｎ型ＧａＡｓ基板１上に，第一の反射鏡２を堆積する。なお，本実施例において，半導体層の堆積は全てＭＯＶＰＥ法により行うことができる。この第一の反射鏡２は，Ｓｉを２×１０18atm/cm3 ドープした厚さ８３nmのｎ型ＡｌＡｓ薄膜とＳｉを２×１０18atm/cm3 ドープした厚さ70nmのｎ型ＧａＡｓ薄膜とを交互に積層した多層膜として形成される。なお，この多層膜において，ｎ型ＡｌＡｓ薄膜は低屈折率層として，ｎ型ＧａＡｓ薄膜は高屈折率層として機能し，全体で多層反射膜を構成する。従って，これらの薄膜の厚さはそれぞれ発振波長λの１／４とする。また，多層膜の層数は，例えば多層膜の両面に設けた低屈折率層のｎ型ＡｌＡｓ薄膜を含め，全部で２１層のｎ型ＡｌＡｓ薄膜と２０層のｎ型ＧａＡｓ薄膜とする。
【００３４】
次いで，Ｓｉを２×１０17atm/cm3 ドープした厚さ１３５０nmのｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなるクラッド層３を堆積する。
次いで，活性層４を堆積する。この活性層４は，厚さ１００nmのノンドープＧａＡｓからなる光閉じ込め層，発光層となる厚さ７０nmのノンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなる量子井戸層，及び厚さ１００nmのノンドープＧａＡｓからなる光閉じ込め層をこの順に積層した３層構造からなる。
【００３５】
次いで，Ｚｎを５×１０17atm/cm3 ドープした厚さ１３５０nmのｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなるクラッド層５を堆積する。
なお，上述したクラッド層３，活性層４及びクラッド層５は，全体として発振波長λの整数倍，例えば１倍となるように厚さを定める。
【００３６】
次いで，半導体の多層膜からなり，その１層を量子細線層６とした第二の反射鏡９を形成する。この第二の反射鏡９の製作は，先ずクラッド層５上にＺｎを２×１０18atm/cm3 ドープした厚さ８３nmのｐ型ＡｌＡｓ薄膜を堆積し，次いで，Ｚｎを２×１０18atm/cm3 ドープした厚さ７０nmのｐ型ＧａＡｓ薄膜中にＩｎ0.22Ｇａ0.78Ａｓからなる量子細線８が形成された量子細線層６を堆積する。この上に，上記のｐ型ＡｌＡｓ薄膜及びｐ型ＧａＡｓ薄膜をそれぞれ低屈折率層及び高屈折率層として交互に各１７層づづ堆積して第二の反射鏡９が製作される。
【００３７】
次いで，基板１の裏面（図１では下面）に光を出射する窓１０ａが開設された負電極，例えばＡｕＧｅ／Ａｕの電極を設ける。また，第二の反射鏡９の上面に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの正電極を設けて，本発明に係る面発光半導体レーザが製造される。
【００３８】
本実施形態例では，量子細線８を活性層４を堆積した後に形成するため，活性層４の結晶品質を劣化させることが少ない。また，量子細線層６を活性層に近い位置に設けるため量子細線８による偏光子の効果が大きいという利点がある。
【００３９】
本発明の第二実施形態例は，図２を参照して，量子細線層６を，第一実施形態例における高屈折率層であるｐ型ＡｌＡｓ薄膜に代えてクラッド層５に接する低屈折率層であるｐ型ＧａＡｓ薄膜中に埋設する。
【００４０】
本発明の第三実施形態例は，図３を参照して，量子細線８を，第二の反射鏡の上面に最も近いｐ型ＡｌＡｓ薄膜又はｐ型ＧａＡｓ薄膜中に設ける。この例では，半導体層の堆積の最終段階で量子細線を形成するから，量子細線製造工程が半導体レーザを構成する半導体層の品質を劣化させるおそれが少ない。
【００４１】
本発明の第四実施形態例は，図４を参照して，量子細線層６を，光出射側の第一の反射鏡２に設ける。この量子細線層６の位置は，上述した例と同様に，第一の反射鏡の内部の何れの層に設けてもよい。
【００４２】
図５及び図６はそれぞれ本発明の第五及び第六実施形態例断面図であり，垂直共振器型面発光半導体レーザを表している。
本発明の第五実施形態例は，第二の反射鏡９を誘電体多層膜とする。本実施形態例では，先ず第四実施形態例と同様の工程により基板１上に，量子細線層６を含む第一の反射層２，クラッド層３，活性層４，クラッド層５をこの順序で堆積する。これらの層２〜５は第一実施例で詳述した構造と同様である。次いで，クラッド層５上に，誘電体多層膜からなる第二の反射鏡９を形成する。
【００４３】
第二の反射鏡９は，厚さ１６３nmのＳｉＯ2 層と厚さ７６nmのＳｉ層とを交互に積層して構成される。なお，ＳｉＯ2 層及びＳｉ層は，それぞれ低屈折率層及び高屈折率層として機能し，発振光波長λの１／４の厚さを有す層をそれぞれ７層づつ堆積した。第二の反射鏡９の製造は，イオンアシスト蒸着法によりＳｉＯ2 層及びＳｉ層を堆積した後，塩素系ガスを反応ガスとする反応性イオンエッチングにより島状領域を残して除去することで，この島状領域を第二の反射鏡９として形成する。その後，第二の反射鏡９の外側に表出するクラッド層５上と，基板１の下面とに，電極１０を形成して半導体レーザを製造する。
【００４４】
本発明の第六実施形態例は，図６を参照して，第五実施形態例において，第二の反射鏡９とクラッド層との間に半導体層部９ａを設け，この半導体層部９ａ中に量子細線層６を設けたものである。かかる半導体層部９ａは，記述した第一実施例と同様の半導体多層膜の積層数を１〜４層としたものでもよい。この場合は，半導体層部９ａは第二の反射鏡９の一部として機能する。また，半導体層部９を量子細線８を埋め込んだ一層の半導体層とすることもできる。この場合，第一の反射鏡２と第二の反射鏡９との間隔が，半導体層部９ａを含めて波長λの整数倍となるように半導体層部９ａの厚さを定める。この構造では，半導体層部９ａの材料及び厚さを屈折率と直接関係させずに設計することができるという利点がある。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば，垂直共振器のなかに電子の２次元閉じ込め効果を奏する細い量子細線を容易に組み込むことができるので，製造が容易でかつ偏光方位を任意に固定した面発光半導体レーザを提供でき，光情報処理装置の性能向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態例断面図
【図２】本発明の第二実施形態例断面図
【図３】本発明の第三実施形態例断面図
【図４】本発明の第四実施形態例断面図
【図５】本発明の第五実施形態例断面図
【図６】本発明の第六実施形態例断面図
【図７】量子細線と偏光の相互作用を表す図
【図８】量子細線製造工程図
【図９】従来例構造説明図
【図１０】従来例断面図
【符号の説明】
１  基板
２  第一の反射鏡
３，５  クラッド層
４  活性層
４ａ  発光領域
６  量子細線層
８  量子細線
９  第二の反射鏡
１０  電極
１０ａ  窓
２１  金属膜
２２  溝
２３  ＧａＡｓ
２４  ＡｌＡｓ
２５  ＧａＡｓ
２６  ＡｌＡｓ
２７  導電層
２８  電流狭窄層
【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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