(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスであって、
−    基板と、
−    前記基板上にあり、第1の分布型ブラッグ反射器を形成している半導電性層の第1の層スタックと、
−    前記第1の層スタック上にあり、一つ以上の量子井戸層を有する活性領域と、
−    前記活性領域の上にあり、第2の分布型ブラッグ反射器を形成している半導電性層の第2の層スタックと、
−    前記活性領域に電流を注入するための第1の端子接点及び第2の端子接点と、
を有し、当該垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスは更に、
−    垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードによって発生したレーザ光に感応する分布型のフォトトランジスタを形成する複数の層
を有し、当該複数の層が少なくとも一つのベース層と、少なくとも一つのエミッタ層と、少なくとも一つのコレクタ層とを有する分布型のフォトトランジスタを形成しており、前記基板に対して垂直な方向に流れる電流が前記エミッタ層、前記コレクタ層、及び前記ベース層の中を流れるよう前記少なくとも一つのベース層が前記少なくとも一つのエミッタ層と前記少なくとも一つのコレクタ層との間にあり、前記基板に最も近い前記第1の層スタックの最下層と前記第2の層スタックの最上層との間に当該ベース層があり、
前記フォトトランジスタが、前記ベース層に沿って最大の光強度の周辺にあるエリア内で局所的に飽和するよう設計されていることを特徴とする、垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項２】
第1の分布型ブラッグ反射器を形成している前記第1の層スタック、又は第2の分布型ブラッグ反射器を形成している前記第2の層スタックの層のうちの少なくとも一つの層が、前記フォトトランジスタのエミッタ層又はコレクタ層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項３】
分布型のフォトトランジスタを形成している前記複数の層が、当該フォトトランジスタの飽和状態において前記複数の層に垂直な方向の導電性よりも低い水平方向の導電性を有することを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項４】
前記第1の端子接点及び前記第2の端子接点に加えてスタータ端子接点を有する請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスであって、当該スタータ端子接点を前記活性領域にキャリヤを注入するための電源へと接続することによって前記フォトトランジスタの一つの接合部が少なくとも部分的にブリッジされるよう、前記スタータ端子接点が前記ベース層か又は前記活性領域と前記少なくとも一つのベース層との間にある層に接している、垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項５】
前記スタータ端子接点が、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスの中心光軸に対して水平方向にオフセットした前記少なくとも一つのベース層と前記活性領域との間にある前記層を接していることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一項に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項６】
前記スタータ端子接点が、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスの共振器へと電流を注入するための前記第1の端子接点及び前記第2の端子接点のうちの一つへと電気的に接続していることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか一項に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項７】
少なくとも2個の前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードを有し、当該垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードによって発生したレーザ光に感応性がある分布型のフォトトランジスタを形成する複数の層を各々の前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードが有し、当該複数の層が少なくとも一つのベース層と、少なくとも一つのエミッタ層と、少なくとも一つのコレクタ層とを有する分布型のフォトトランジスタを形成しており、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードの各々が、それぞれの前記フォトトランジスタの少なくとも一つの接合部をブリッジしているスタータ端子接点を有する、請求項４に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスであって、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードの前記活性領域に電流を注入するための複数の前記第1の端子接点が一緒に接続され、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードの前記活性領域に電流を注入するための複数の前記第2の端子接点が一緒に接続されていることを特徴とする、垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項８】
第1の分布型ブラッグ反射器及び第2の分布型ブラッグ反射器を形成している前記第1の層スタック及び前記第2の層スタックのうちの一つがp-ドーピングされた層を有し、分布型のフォトトランジスタを形成している前記複数の層が、p-ドーピングされた層を有する前記層スタックと隣接しているか、又は埋め込まれていて、分布型のフォトトランジスタを形成している前記複数の層がPNPタイプのトランジスタを形成していることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項９】
第1の分布型ブラッグ反射器及び第2の分布型ブラッグ反射器を形成している前記第1の層スタック及び前記第2の層スタックのうちの一つがn-ドーピングされた層を有し、分布型のフォトトランジスタを形成している前記複数の層が、n-ドーピングされた層を有する前記層スタックと隣接しているか、又は埋め込まれていて、分布型のフォトトランジスタを形成している前記複数の層がNPNタイプのトランジスタを形成していることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項１０】
前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス中のレーザ光の定常波のパターンが当該レーザ光の最大値の少なくとも2/3を有する位置に、前記ベース層が位置していることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項１１】
前記ベース層が前記活性領域に対して距離を置いて位置しており、当該距離は前記第1の分布型ブラッグ反射器及び前記第2の分布型ブラッグ反射器のうちの一つの層の対の2個分乃至15個分の間であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項１２】
前記ベース層が、第1の分布型ブラッグ反射器及び第2の分布型ブラッグ反射器を形成している前記第1の層スタック及び前記第2の層スタックのうちの一つに埋め込まれ、この結果、当該層スタックが前記ベース層によって二つの下位スタックに分割され、前記活性領域の近位にある前記下位スタックが、当該活性領域の遠位にある前記下位スタックよりも薄いことを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項１３】
第1の分布型ブラッグ反射器及び第2の分布型ブラッグ反射器を形成していて、1/4波長よりも小さな光学厚さをもつ前記第1の層スタック及び前記第2の層スタックのうちの一つに前記ベース層が埋め込まれていて、当該ベース層が埋め込まれた分布型ブラッグ反射器を形成している前記層スタックに隣接する層のうちの一つの層と前記ベース層の厚さとが、合計すると前記レーザ光の約1/4波長の光学厚さになることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイス。
【請求項１４】
請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスを有する自己混合干渉型のセンサ・デバイスであって、前記第1の端子接点及び前記第2の端子接点間の電圧の交番する部分を測定するための回路を有する、自己混合干渉型のセンサ・デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）に関する。本発明は特に、電流の閉じ込め手段を有するVCSELに関する。
【背景技術】
【０００２】
全ての半導体レーザにとって、注入したキャリヤをレーザ動作に貢献する活性領域に出来るだけ多く閉じ込めることは非常に好都合である。空間位置に注入され、モード・プロファイルと重畳することの無いキャリヤは失われる。このように、キャリヤの閉じ込めが良好に行われるほど、全体効率は高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
VCSELの中央付近の電流を閉じ込めるための周知の手段は、共振器の中央で高い導電性を有し、共振器の縁部で低い導電性をもつ開口層である。開口層は、高度のアルミニウムを含む層の水平方向の酸化によってか、又は局所的な陽子の移植により実現されることができる。しかしながら両方の方法（酸化及び移植）に対するキャリヤの注入が、必ずしも発光モードの水平方向の強度プロファイルに対して適応しているというわけではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、キャリヤの閉じ込めを改善することが本発明の目的である。この目的が、請求項１に記載の内容により達成される。本発明の有利な改善点が、従属請求項に規定されている。
【０００５】
本発明の総体的な概念として、フォトトランジスタの層構造をVCSELの層スタックに組み込むことが提唱されている。レーザが光を発すると、フォトトランジスタの感光層のレーザ光が透過するエリア内に注入キャリヤが水平方向に閉じ込められるよう、フォトトランジスタは局所的に導通状態となる。このようにフォトトランジスタは、流された活性電流の閉じ込めを提供する。
【０００６】
より具体的には、本発明による垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード（VCSEL）は、
−    基板と、
−    当該基板上にあり、第1の分布型ブラッグ反射器を形成している半導電性の層の第1の層スタックと、
−    当該第1の層スタック上に配置された一つ以上の量子井戸層を有する活性領域と、
−    当該活性領域上に配置され、第2の分布型ブラッグ反射器を形成している半導電性の層の第2の層スタックと、
−    前記活性領域に電流を注入するための第1の端子接点及び第2の端子接点と、を有する。
【０００７】
垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードは更に、当該垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードにより発されたレーザ光に感応する分布型のフォトトランジスタを形成する複数の層を有する。これらの層は、少なくとも一つのベース層、少なくとも一つのエミッタ層、及び少なくとも一つのコレクタ層を有する。基板に対して垂直方向に流れる電流がエミッタ層、コレクタ層、及びベース層の中を流れるよう、少なくとも一つのベース層が少なくとも一つのエミッタ層と少なくとも一つのコレクタ層との間に配置され、基板に最も近い第1の層スタックの最下層と第2の層スタックの最上層との間に当該ベース層が配置される。
【０００８】
エミッタ層及びコレクタ層は、好都合にもVCSELの層スタック内に少なくとも部分的に組み込まれることができる。このように、本発明の詳細によれば、第1の分布型ブラッグ反射器を形成している第1の層スタック、又は第2の分布型ブラッグ反射器を形成している第2の層スタックの層のうちの少なくとも一つの層が、分布型のフォトトランジスタのエミッタ層又はコレクタ層を形成する。
【０００９】
分布型フォトトランジスタを形成している層、特にベース層が、飽和状態において、フォトトランジスタの層に対して垂直な方向の導電性よりも低い導電性を水平方向にもつ場合は更に好都合である。低い導電性はフォトトランジスタに発生した光電流の水平方向への広範囲にわたる拡散を回避する。当該光電流が水平に拡散した場合、ベース層の点状の照光が接合部のより大きなエリアの導通を招き、電流の閉じ込め効果が劣化する。
【００１０】
理想的には、デバイスが既に一旦レーザ光を発しているならば、キャリヤは活性領域にのみ注入されることであろう。キャリヤの最初の注入を容易にするために、第1の端子接点及び第2の端子接点に加えて更なる接点を備えることが好都合である。この接点を、これ以降「スタータ電極」又は「スタータ端子接点」と呼ぶことにする。キャリヤを活性領域に注入するための電源へとスタータ端子接点を接続することによってフォトトランジスタの一つの接合部が少なくとも部分的にブリッジされるよう、スタータ端子接点は、活性領域と少なくとも一つのベース層との間にある層を接触させる。接合部がブリッジされたので、光子の欠如に起因して電流がフォトトランジスタによって係止された場合であっても、スタータ端子接点を介してキャリヤが活性領域へと注入されることができる。
【００１１】
一旦VCSELがレーザ光を発したならば、スタータ端子接点が電源から切り離されてもよい。代替的には、スタータ端子接点が第1の端子接点及び第2の端子接点のうちの一つに電気的に接続されてもよい。端子接点がレーザ・ダイオードの中心光軸に対して水平方向にオフセットされていて、水平方向の導電性が垂直方向の導電性と比較してより低い場合、レーザ光によるベース-コレクタ接合部の照光と共に、主電流は垂直方向に流れる。
【００１２】
別の追加の可能性又は代替の可能性は、スタータ端子接点によって直接ベース層を接触することである。この場合、フォトトランジスタはベース層に印加された適切な電流によってスイッチ-オン（導通）することができる。
【００１３】
好都合にも、分布型フォトトランジスタの複数の層が分布型ブラッグ反射器の層の一つでもよい。このように、本発明の好ましい詳細によれば、第1の層スタック又は第2の層スタックのうちの少なくとも一つの層が、分布型フォトトランジスタを形成する層のうちのエミッタ層又はコレクタ層を形成する。
【００１４】
PNPタイプ又はNPNタイプの両方のフォトトランジスタを使用することができる。PNPタイプのトランジスタの場合、分布型ブラッグ反射器を形成している第1の層スタック及び第2の層スタックのうちの一つが、p-ドーピングされた層を有し、分布型のフォトトランジスタを形成している複数の層が、p-ドーピングされた層を有する層スタックに埋め込められるか、又は当該層スタックと隣接する。同様に、フォトトランジスタがNPNタイプである場合、分布型ブラッグ反射器を形成している第1の層スタック及び第2の層スタックのうちの一つが、n-ドーピングされた層を有し、分布型フォトトランジスタを形成している複数の層が、n-ドーピングされた層を有する層スタックに埋め込められるか、又は当該層スタックと隣接する。
【００１５】
概して、フォトトランジスタの光活性のある接合部をVCSELの光軸に沿った位置に定めることは好都合であり、定常波のパターンが高輝度となる。これに関して、VCSELの中のレーザ光の定常波パターンが同レーザ光の最大値の少なくとも2/3を有する位置にベース層の場所を定めるのが好ましい。当該ベース層が埋め込まれた分布型ブラッグ反射器のそれぞれの層の対を用いて、活性領域から少し距離を置いてベース層の場所を定めることが好都合であり、当該距離はブラッグ反射器のミラーの対の数個分に相当する距離である。これによりブラッグ反射器のミラーの対は、異なる屈折率をもつ二つの層により構成される。好ましくは、前記距離は層の対の2個分乃至15個分の間である。
【００１６】
同様に好都合にも、VCSELにより発されるレーザ光の1/4の波長に相当する光学的な厚さをベース層はもっており、当該ベース層が、分布型ブラッグ反射器を形成する第1の層スタック又は第2の層スタックに埋め込まれる。このようにベース層は、それぞれの分布型ブラッグ反射器の反射層として効力を生ずる。
【００１７】
本発明の代替の実施例によれば、ベース層の光学厚さはレーザ光の波長の1/4よりも小さい。好ましくは本実施例では、ベース層はレーザ光の波長の1/8よりも小さな光学厚さを有する。本実施例において、分布型ブラッグ反射器を形成している層スタックのうちの一つにベース層が位置する場合、それぞれの層スタックのインタフェースで反射された部分的な波の位相関係がレーザモードの反射に対して正しく保たれるよう、隣接する層のうちの一つの層の厚さが当該ベース層の厚さに適応される。もちろん、ベース層の厚さと、隣接する分布型ブラッグ反射器を形成している層スタックの層のうちの一つとが合計で波長の約1/4の光学厚さになる場合、適応は容易に達成される。分布型フォトトランジスタ中での吸収を減じるために、より薄いベース層が好都合である。
【００１８】
フォトトランジスタのゲインが非常に高い場合、光の強度が低いエリアにおいてさえ、同トランジスタは局所的に飽和することがある。これゆえ適度なゲインを選択するか、又は非常に高いゲインを回避することが好都合である。好ましくは、フォトトランジスタは500未満のゲインをもつよう設計される。
【００１９】
一方では、ベース層に沿った最大の光強度の周辺のエリアでフォトトランジスタが局所的に飽和するよう当該フォトトランジスタを設計且つ配置することが好都合である。相応して、このエリアが共振器の水平方向の全寸法に沿って拡散してはならない。例えば、最大でも水平方向の光強度分布のFWHMにより規定されるサイズのエリア内で飽和するよう、フォトトランジスタが設計されることができる。
【００２０】
フォトトランジスタが局所的に飽和した場合、レーザ・ダイオードを流れる電流が光の強度と厳密に比例することはない。このように、レーザ出力をモニタするためには駆動電流は信頼性が高いパラメータではない。しかしながら、ベース層が端子接点を具備している場合、ベース-コレクタ接合部に発生した光電流は、ベース層と少なくとも一つのコレクタ層とに接続されたモニタ回路で測定されることができる。当該モニタ回路をコレクタ層に接続するために、電流を注入するための第1の端子接点又は第2の端子接点の何れかが、これらの接点のうちのどちらがベース層に対してコレクタ層と同じ側にあるかに応じて使うことができる。この構成は、フォトトランジスタを切替えるために小さな電流がこれらの接点に注入されればよいとの長所も有し、これによりレーザ動作を開始するために、第1の端子接点と第2の端子接点とを通じたキャリヤの注入を可能にする。
【００２１】
効率の改善という効果の他に、本発明は更に、分布型フォトトランジスタは概して光ビームの品質も改善するという利点を有する。これは、より高い光強度をもつモードが更に強化されるよう、フォトトランジスタが正帰還を水平方向の強度分布に提供するという事実に起因する。また、概してキャリヤの閉じ込めのためにしばしば使われる電流開口部は、光学モードを水平方向に案内することとなる、水平方向に変化する屈折率をもっている。これは次にマルチモードのレーザ発光の趨勢を増大させる。酸化物の開口部が本発明により省略されることができるので、これによる既存のVCSELの欠点が回避される。このように、本発明によるレーザデバイスは、より高いシングルモードの出力パワー及びより小さな遠視野角など、改善されたシングルモードの特徴をもつことが期待される。より小さな遠視野角は、酸化物の開口により誘発される水平方向の屈折率の変化が無いことから特に生じる。
【００２２】
これらの長所が、マルチモードでレーザ発光する本発明によるデバイスにも同様にあてはまる。マルチモードのレーザ発光に対しては、改善されたM2-ファクタが期待される。
【００２３】
本発明は好都合にも、高出力の上面発光のVCSEL又は下面発光のVCSELにも適用できる。最適化された電流の閉じ込めが改善されたモード選択性を備えているので、本発明は更にシングルモードのVCSELを実現するのに特に適している。更にまた、簡略化した自己混合型の干渉センサを本発明のVCSELデバイスに備えることが可能である。モニタ用のフォトダイオードを使用する周知の干渉センサ・デバイスとは対照的に、自己混合型のセンサの信号はレーザ電圧から容易に抽出されることができる。このように、このデバイスのVCSELは二つの端子接点のみを、即ちキャリヤ注入用の第1の端子接点及び第2の端子接点のみを動作用と測定用とに必要とする。第1の端子接点と第2の端子接点との間の電圧の交番する部分を測定する回路が設けられる。当該交番する部分は、主にフォトトランジスタの導電率に応じた光の強度から生じる。このようにフォトトランジスタは、レーザ共振器中における自己混合干渉効果により誘発されるレーザ電流及びレーザ電圧の変化を増幅するための増幅エレメントとしても役立つことができる。特に、フォトトランジスタが飽和していない状況で作動する場合、光出力に対するレーザ電圧の強い依存性が生じる。
【００２４】
上述の干渉センサに加えて、又は同センサの代替例としての更なる実施例によれば、分布型のフォトトランジスタは、特にVCSELのうちの一つが破損した場合、電気的に並列に接続された少なくとも二つのVCSELの間を自動的に切り替えるスイッチとして好都合に動作することもできる。これは、VCSEL中のフォトトランジスタのレーザ発光に応じた増幅が、最初にレーザ発光したVCSEL中で非常に高い導電性を生じるという事実に起因する。他のフォトトランジスタの導電性は低いままであり、結果として電流は最初にレーザ発光したVCSEL中を殆ど独占的に流れ、他のVCSELのレーザ発光はキャリヤの欠如に起因して阻止される。しかしながら、レーザ発光しているVCSELが破損した場合、次のVCSELがレーザ発光を開始するであろう。この自動切り替え動作は、VCSELの自動スタート機能を誘起するようフォトトランジスタの一つの接合部にブリッジしているスタータ端子接点を有するVCSELによって最も簡単に実現されることができる。
【００２５】
このように、本発明の詳細によれば、前記垂直共振器型面発光レーザ・ダイオードによって発生するレーザ光に感応する分布型のフォトトランジスタを形成する層を各々のVCSELが有する少なくとも2個のVCSELを有するVCSELデバイスが提供され、これによって、分布型のフォトトランジスタを形成している層は、少なくとも一つのベース層と、少なくとも一つのエミッタ層と、少なくとも一つのコレクタ層と、それぞれのフォトトランジスタの少なくとも1箇所の接合点にブリッジしているスタータ端子接点と、を有する。VCSELの活性領域に電流を注入するための第1の端子接点及び第2の端子接点が、例えばチップ上の共用端子接点で一緒に接続される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】分布型のNPNタイプのフォトトランジスタを有する垂直共振器型面発光レーザ・ダイオード・デバイスの第1の実施例を示す。
【図２】薄いベース層を有する分布型のフォトトランジスタの実施例を示す。
【図３】モード・プロファイルの線図及び分布型のフォトトランジスタの局所的な導電性を示す。
【図４】スタータ端子接点がベース層の上に蒸着されているVCSELデバイスの異型を示す。
【図５】VCSELへの2箇所の電気的接続部のみを備えた自己混合干渉センサが実現されているVCSELデバイスの異型を示す。
【図６】図5によるデバイスの電圧のグラフ及び光強度の特性を示す。
【図７】3個のVCSELを共用基板上に備えた実施例を示す。
【図８】図7の実施例の等価回路図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図1は、適応性のあるキャリヤ閉じ込めのために一体化されたNPNタイプのフォトトランジスタを備えたVCSELデバイス1の概観図を示す。当該VCSELデバイス1は、基板3と、同基板上に第1の分布型ブラッグ反射器5を形成している半導電性の層の第1の層スタックと、一つ以上の量子井戸層を備えた活性領域7と、第2の分布型ブラッグ反射器9を形成している半導電性の層の第2の層スタックと、を有する。
【００２８】
基板用に適切で頻繁に使われる材料は、砒化ガリウム（GaAs）である。しかしながら、燐化インジウム（InP）又はGaInAsNなどの他の材料も同様に使うことができる。
【００２９】
GaAsが基板材料として使われる場合、分布型ブラッグ反射器5、同9はエピタキシャル成長しているGaAs層とAlGaAs層とを交互させることにより製作されることができる。基板がn-ドーピングされる場合、下方の又は第1の分布型ブラッグ反射器5も同様にn-ドーピングされ、一方、上方の又は第2の分布型ブラッグ反射器はp-ドーピングされる。第2の分布型ブラッグ反射器9は、所定のレーザ光量がこの反射器で外へと出射されるよう半透鏡として設計される。このために、第2の分布型ブラッグ反射器9は、第1の分布型ブラッグ反射器5と比較してより少数の交互する層の対を有する。例えば、第1のブラッグ反射器5及び第2のブラッグ反射器9は、それぞれ35層のGaAs層及び28層のAlGaAs層の対から構築される。光が上方のブラッグ反射器から出射されるので、図1の例は上面発光のVCSELである。もちろん、出射されたレーザ光が基板3を透過するよう、第1の分布型ブラッグ反射器を出射エレメントとして設計することも可能である。
【００３０】
分布型ブラッグ反射器5、同9により形成された共振器にキャリヤを注入するために、第1の端子接点11及び第2の端子接点13が設けられている。第1の端子接点11は、基板3の背面に配置された金属層である。第2の端子接点13はリング状の電極として形成され、出射されたレーザ光はリングの中心を透過できる。
【００３１】
図1の例では、第1の分布型ブラッグ反射器5を形成している層スタックは、分布型のフォトトランジスタ60のベースを形成するベース層6により遮断されている。このようにベース層6は、ブラッグ反射器5の層スタックを層スタック51と層スタック53とに再分割する。
【００３２】
しかしながらベース層自体は、VCSELデバイス1により発されるレーザ光の1/4波長の光学厚さを好都合にも有する。このようにベース層は、分布型ブラッグ反射器により形成される鏡（ミラー）の一部として光学的に機能できる。代替的には、1/4波長未満の光学厚さを有するベース層が使用される。例えば当該厚さは5nm乃至25nmの間である。図2は、この態様で層スタック5に埋め込まれた分布型のフォトトランジスタ60の一例を示す。層スタック5は第1のタイプの層451、同453、同455、及び第2のタイプの層452、同454、同456を有する。第1のタイプの層及び第2のタイプの層は屈折率が異なる。しかしながら各々の層は、ブラッグ反射器を形成するために、1/4波長の光学厚さをもつ。ベース層6の厚さはかなり薄く、例えば波長の1/8未満である。インタフェース部で反射される部分的な波間の位相関係を維持するために、ベース層6に隣接する層スタックのうちの一つの層453が、ベース層6及び隣接層453の光学厚さの合計が再度1/4波長の厚さになるようベース層6の厚さの分だけ減じられた厚さを有してもよい。
【００３３】
ベース層6に隣接したスタック51、同53の層は、フォトトランジスタのエミッタ層及びコレクタ層を形成する。層スタック51、同53がn-ドーピングされるので、分布型フォトトランジスタはNPNタイプのトランジスタとして設計される。したがって、スタック53の層はコレクタ部を形成し、スタック51の層はエミッタ部を形成し、ベース層6はp-ドーピングされる。
【００３４】
VCSELがレーザ光を発する場合、光の強度はレーザ光のモード・プロファイルに従いベース層6に沿って変化する。光軸において最大強度を有する所望のモード・プロファイル17が図1に概観的に示されている。光がベース-コレクタ接合部で光電流を誘起し、次に、光が当たっていないフォトトランジスタのエリアに沿った駆動電流が低いか又はゼロであるよう、フォトトランジスタを流れる局所電流を制御する。このように、VCSELの共振器内に埋め込まれた分布型のフォトトランジスタが、単純で効果的な適応性のある電流の閉じ込めを提供する。
【００３５】
連続した層内におけるベース層6の位置は、所望のレーザ発光モードの定常波のパターンが当該ベース層において高い輝度をもつよう好ましくは選択される。好ましくはベース層6は、VCSELの共振器内のレーザ光の定常波のパターンが、同パターンの最大値の少なくとも2/3である位置に場所を定める。
【００３６】
図1とは異なり、コレクタ層を活性領域に隣接して配置することも可能である。この場合、高い光強度が確約される。更にまた、適応性のある電流閉じ込めは、フォトトランジスタと活性領域7との間の電流の水平方向の拡散が最小化されるので、活性領域の近くで最も効果的である。
【００３７】
一方では、コレクタ-ベース接合部がフォトダイオードとして作用し、結果として光を吸収する。このように、図1に示すように、高い全体性能を実現するためには、ベース層の良好な位置は幾つかのミラーの対の分だけ活性領域7から離れた位置である。概して、図1に示された特定の実施例に対する制限が無いと、それぞれ第1の分布型ブラッグ反射器及び第2の分布型ブラッグ反射器を形成している層スタック5、同9のうちの一つにベース層を埋め込むことが好都合であり、この結果、層スタックがベース層6によって二つの下位の層スタックへと分割され、活性領域に対して近位にある下位の層スタックは、活性領域に対して遠位にある下位の層スタックよりも薄い。好ましくは、活性領域に対して近位にある下位の層スタックの厚さは、活性領域に対して遠位にある下位の層スタックの厚さの2/5乃至1/8の範囲内にある。例えば、層スタック53は層の対の2個分乃至15個分の厚さを有し、層スタック51は20層乃至30層の更なる層から構成される。
【００３８】
第1の端子接点11及び第2の端子接点13に加えて、VCSELはスタータ端子接点15を有する。当該スタータ端子接点15は、活性領域7とベース層6との間にある層スタック53の層と接触しており、同接点は、VCSELの中心光軸に対して水平方向にオフセットした場所に位置している。したがって、キャリヤを共振器へと注入するための電源がスタータ端子接点15と第2の端子接点13とに接続した場合、ベース及びベース-エミッタ接合部がブリッジされる。この態様で、注入された電流は層スタック53の中を水平方向に流れることによって活性領域に入ることができる。このように、フォトトランジスタが動作していないにもかかわらずレーザ発光動作が開始できる。
【００３９】
更に、分布型のフォトトランジスタを形成している層が、フォトトランジスタが飽和した状態において、層に対して垂直な方向の導電性よりも低い水平方向の導電性を有する場合、レーザ発光動作が始まった後もスタータ端子接点15及び第1の端子接点11が接続されたままの場合であっても、主な電流は接点端子11と同13との間を流れる。このように、本発明の単純な実施例によれば、スタータ端子接点及び第1のターミナルの接点は永久に短絡していることができる。
【００４０】
図3は、光の強度線図及びフォトトランジスタを流れる電流の密度を示す。横座標の原点が、VCSELの光軸によって与えられる。光の強度が、既に図1に示されたモード・プロファイル17により表されている。モード・プロファイル17の強度は、光軸（半径R＝O）での最大強度から共振器の縁部の方へ向かって減少する。同様に、フォトトランジスタを透過する局所電流密度18は、光軸の方へ向かって共振器の縁部から増す。
【００４１】
光軸近くの電流密度が台形状であることから分かるように、フォトトランジスタは特定の光強度で飽和する。これは、VCSELの中心では殆ど無制限にキャリヤの透過が出来て好都合である。このようにフォトトランジスタは、少なくとも所望のレーザ発光モードの最大強度で飽和するために十分に大きなゲインファクタをもつよう好ましくは設計される。しかしながら、非常に高いゲインが選択された場合、電流密度の波形は正方形の形状に近づき、低い光強度を有するエリアにおいてさえ、最大の電流密度が活性領域に注入されることであろう。これ故、ゲインファクタは最高でも500であるよう好ましくは選択される。所望のモード・プロファイルに応じて、適切なゲインファクタは5乃至500の範囲である。
【００４２】
他方、フォトトランジスタが飽和するかどうかは光の吸収にも依存する。少ない吸収をもつに過ぎない薄いベース層が選択された場合、ゲインは500よりも高いよう選ばれることがある。本願明細書においては、フォトトランジスタの光活性領域の吸収の低さとは、1回の透過当たりレーザ光の5％未満の吸収と考えられる。後者の、レーザ光の1回の透過当たり5％未満の吸収という特徴は概して好都合であり、低いゲインをもつフォトトランジスタに適用することもできる。レーザ共振器又はそれぞれのブラッグ反射器の高品質を維持するために、分布型のフォトトランジスタの光活性領域における吸収の低さは概して好都合である。
【００４３】
図4は、図1の実施例の異型を示す。このVCSELデバイス1の異型では、スタータ端子接点15がベース層6の上に蒸着されている。これは、従来のトランジスタと同様に、スタータ端子接点15を介して電流をベース層6に印加することによってフォトトランジスタの制御を可能にする。特に、端子接点13と同15との間に電圧を印加することによって、電流が端子接点11と同13との間を流れることができるようフォトトランジスタが切替えられることができ、これによってレーザ発光動作を開始する。更にまた、スタータ端子接点15を介してベース層6及び端子接点13へとモニタ回路20を接続することができ、当該モニタ回路がフォトトランジスタのベース-コレクタ接合部において発生する光電流を測定する。モニタされた光電流が、光強度を安定させる安定化回路の入力として次に使うことができる。
【００４４】
これまで説明した例示的な実施例とは異なり、上方にある分布型ブラッグ反射器9を形成している第2の層スタックにベース層6を埋め込むことも可能である。更にまた図1及び図3に示す実施例では、p-ドーピングした基板3と、同じくp-ドーピングした第1の分布型ブラッグ反射器体5とが使用されてもよい。この場合、第1の分布型ブラッグ反射器5に埋め込まれたベース層6はn-ドーピングされ、結果としてPNPタイプのフォトトランジスタが実現される。
【００４５】
図5はVCSELデバイス1の更なる異型を示している。具体的には、VCSELへの2箇所の電気的接続部のみを備えた自己混合干渉センサが実現されている。図1の実施例と同様に、フォトトランジスタ60のベース-コレクタ接合部をブリッジするスタータ電極15が設けられている。本実施例ではブリッジングは、第1の端子接点11とスタータ電極15とを短絡させることにより行われるのではない。そうではなくて、スタータ電極15は層スタック51及び層スタック53の両方の層と接触している。しかしながら、自己混合干渉センサの動作原理では、スタータ電極15と第1の端子接点11とが短絡された図1の実施例でも同様に動作する。VCSELは、第1の端子接点11及び第2の端子接点13を介して電流源と接触している。レーザ共振器中の自己混合干渉によって生じたVCSELの光発振を示す信号を取得するための更なる電気的接触部は必要ない。例示するように、交流電圧測定回路24が接地電位又は別の基準電位に対するレーザ電圧の交番部分を測定する。
【００４６】
分布型のフォトトランジスタ60が飽和を下回る動作電流又は光強度でVCSELが作動された場合、レーザ電圧に重畳される強い交流電圧部が得られる。これは図6を引用して更に詳細に説明される。図6は、電圧特性30及びレーザ強度の特性32をレーザ電流の関数として示す。比較のために、普通のVCSELの電圧特性32も示されている。
【００４７】
特性32から見て取れるように、分布型のフォトトランジスタを備えていない普通のVCSELの場合には、電圧はレーザ電流の増加と共に着実に上昇する。特定の電流で発光閾値に達した場合、レーザ強度又はレーザ出力は、それぞれ、レーザ電流と殆ど線形比例して増加する。この特性は、本発明によるデバイスも保持している。しかしながら、特性30から見て取れるように、端子接点11、同13に印加される電圧は、レーザ電流と共に単調に増加してはいない。
【００４８】
より詳しく説明すると、電圧特性30には三つの領域が区別されることができる。発光閾値以下の低い電流では（領域1）、普通のVCSELと比較すると相当強く電圧が増加する。これは、導通状態にないフォトトランジスタに起因しており、分布型ブラッグ反射器5の層を垂直方向に流れる電流路を係止する。レーザ電流は、スタータ電極を介して水平方向に流れることができるに過ぎない。この電流路に対する導電性が、層スタックを垂直方向に流れる導電性よりも非常に低いので、より高い電圧降下が発生する。発光閾値に達すると、レーザ光に起因してフォトトランジスタが導通するようになる。これは結果として、VCSELの他の層の電圧の増加を過度に補償するフォトトランジスタ全体の電圧降下を生じる。このように領域2では、レーザ電圧は電流の増加と共に減少する。レーザ強度がフォトトランジスタを飽和させるのに十分になった場合（領域3）、電圧特性は普通のVCSELに近づいてゆく。しかしながら本発明によるVCSELの電圧が、フォトトランジスタの接合部間の電圧降下と相殺される。したがって、領域3での普通のVCSELの特性と本発明によるVCSELの特性とは類似しているがオフセットをもつ。
【００４９】
レーザ電流の関数としての電圧の変化率が特に領域2で強いので、VCSELはこの領域の中で、レーザ電圧の強い自己混合発振を得るよう動作されることができる。
【００５０】
VCSELを回路に接続するのに端子接点を二つ必要とするだけなので、VCSELメサによって覆われるエリアと比較して端子接点の面積が大きい故に、VCSELチップの全体サイズはかなり減じられることが可能である。
【００５１】
フォトトランジスタは更に、別のVCSELが破損した場合でも動作を続けるよう一つのVCSELを選択するための自動切り替え手段を提供する目的に都合よく用いることができる。図7はこの実施例の一例を示し、図8が当該実施例の等価回路を示す。この実施例によるVCSELデバイス1は、基板3上のメサ43、同44、同45から形成された3個のVCSEL 40、同41、同42を有する。2箇所の端子接点パッド50、同51が基板3に蒸着されている。スタータ電極151、同152、同153が、第1の端子接点パッド50に一緒に接続している。この端子接点パッド50は更に、図1、図4、及び図5の実施例と同様に、即ちVCSEL 40、同41、同42の全てにより共有される第1の電極11が配置された基板3の背面へと接続している。第2の端子接点131、同132、同133は、第2の端子接点パッド51に一緒に接続している。動作のために、供給電流が端子接点パッド50、同51に印加される。
【００５２】
等価回路図において抵抗器64、同65、同66は、スタータ電極151、同152、同153からの電流路中で高い抵抗値を示す。これらの抵抗器は、共通して端子接点パッド50に接続され、VCSEL 40、同41、同42のフォトトランジスタ60、同61、同62と活性領域70、同71、同72との間に接続される。電圧が端子接点パッド50、51に印加された場合、電流は最初に抵抗器64、同65、同66又はスタータ電極150、同151、同152を介して活性領域中をそれぞれ流れる。概して、3個のVCSELの発光閾値は僅かに異なることであろう。したがって、この後VCSEL 40、同41、同42のうちの一つが他のVCSELに先行してレーザ光を出し始める。発光したVCSELに属するフォトトランジスタが、この後、電流が主に当該フォトトランジスタの中を流れるよう切り替わり、これにより、発光したVCSELを流れる電流路の全体抵抗を減少させる。この結果、レーザ電流は既にレーザ光を出し始めたVCSELの中を主に流れ、他のVCSELのうちの一つが発光閾値に達することが回避される。しかしながら、発光しているVCSELが破損した場合、次のVCSELが発光閾値に達することによって自動的にスイッチを入れられるよう、フォトトランジスタ60、同61、又は同62のそれぞれが電流を係止する。したがって一体化されたフォトトランジスタが、非常に単純な冗長性をもつレーザ素子を可能にすることであろう。例えば、図7によるVCSELデバイスが図5の実施例に類似する自己混合センサとして使われた場合、非常に信頼性が高い動きセンサとして用いられることが可能である。
【００５３】
本発明の好ましい実施例が添付の図面において例示され、これまでの記述にて説明されたにもかかわらず、本発明は開示された実施例に限定されるのではなく、以下の請求項において述べられている本発明の範囲から逸脱することなく数多くの改変ができることが理解されよう。
【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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