(57)【要約】  高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡（１１６）と、誘電体多層膜反射鏡（１１６）を少なくとも一方の端面とし、かつ、活性層（１０５）を含む共振器（１１０）とを備えた半導体レーザにおいて、高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
2012172606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡および前記第２の反射鏡との間に形成され、かつ、活性層を含む共振器と、
を備えた面発光半導体レーザであって、
前記第１の反射鏡は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、
前記第１の反射鏡および前記共振器の少なくとも一方に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた面発光半導体レーザ。
【請求項２】
前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層が、前記非線形層である請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項４】
前記共振器は、該共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層をさらに含み、
前記非線形層は、前記位相調整層にさらに設けられた請求項３に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項５】
前記共振器は、該共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層をさらに含み、
前記非線形層は、前記位相調整層に設けられた請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項６】
前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項２から５の何れか一項に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項７】
前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項６に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項８】
前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項７に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項９】
請求項２から８の何れか一項に記載の面発光半導体レーザと、
前記面発光半導体レーザからの光を分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターによって分岐された光のうちの一方の光から前記主モードの光を遮光し、前記第二次高調波成分の光を透過させるフィルタと、
を備える半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造からなる誘電体多層膜を有し、前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、伝播する主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた非線形光学素子。
【請求項１１】
前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１０に記載の非線形光学素子。
【請求項１２】
前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項１０又は１１に記載の非線形光学素子。
【請求項１３】
前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項１２に記載の非線形光学素子。
【請求項１４】
前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項１３に記載の非線形光学素子。
【請求項１５】
高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡と、
前記誘電体多層膜反射鏡を少なくとも一方の端面に有し、かつ、活性層を含む共振器と、
を備えた半導体レーザであって、
前記高屈折率誘電体層および前記低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備えた半導体レーザ。
【請求項１６】
前記非線形層は前記主モードのレーザ光の第二次高調波成分の光を発生する請求項１５に記載の半導体レーザ。
【請求項１７】
前記非線形層は、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上２．５以下の非線形性ＳｉｘＮｙからなる請求項１６に記載の半導体レーザ。
【請求項１８】
前記非線形性ＳｉｘＮｙの吸収端が、前記主モードのレーザ光の発振波長よりも短波長側である請求項１７に記載の半導体レーザ。
【請求項１９】
前記発振波長が、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下である請求項１８に記載の半導体レーザ。
【請求項２０】
請求項１６から１９の何れか一項に記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザからの光を分岐するビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターによって分岐された光のうちの一方の光から前記主モードの光を遮光し、前記第二次高調波成分の光を透過させるフィルタと、
を備える半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、面発光半導体レーザ、半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子に関し、特に、垂直共振器型の面発光半導体レーザ（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）、それを用いた半導体レーザモジュール、および、第二次高調波発生用非線形光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の面発光半導体レーザとして、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーである上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を含む複数の半導体層を積層した垂直共振器型面発光半導体レーザが開示されている（米国特許第６９１６６７２号公報、米国特許第６７５００７１号公報参照）。これらの面発光半導体レーザは、メサポスト構造を有すると共に、電流経路を制限して電流注入効率を上げるための電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、外周に位置するＡｌ２Ｏ３からなる電流狭窄部と、電流狭窄部の中心に位置し、ＡｌＡｓからなる円形の電流注入部とを有する。この電流注入部は、面発光半導体レーザに電流を注入した際の電流経路になると共に、レーザ光が出射する開口部になる。このような構造を有する面発光半導体レーザは、例えば複数の素子によるアレイ型の超高速並列光リンクに用いられることが想定され、該リンクにおいては光出力をモニターすることが必要である。面発光半導体レーザの光出力のモニターは、通常、主モードの発振波長成分の一部をモニター光として取り出して行っており、そのためにモニター用の光検出器（モニターＰＤ（Photodiode））を用いている。例えば、ＣＡＮ型パッケージとした面発光半導体レーザモジュールの場合には、面発光半導体レーザの出射面の上部に、低反射率膜を設けた傾斜ミラーを設けることにより、モニター光をモニター用の光検出器へ分岐している。【０００３】
一方、面発光半導体レーザにおいて、主モードの発振波長とは別の波長の光を取り出す手段として、第二次高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を用いた手法が提案されている（米国特許第６２４３４０７号公報、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664参照）。効率の良いＳＨＧを得ることを目的として、米国特許第６２４３４０７号公報には、外部共振器の中にＳＨＧ変換素子を内蔵し、外部ミラーとの間で共振させる構造が開示されており、また、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664には共振器の内部に半導体超格子層を導入する構造が開示されている。
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、面発光半導体レーザを光リンク等の構築のためにアレイ化して使用する場合、面発光半導体レーザの通常の出力モニターを採用しようとすると、モニター用の光検出器をそれぞれの面発光レーザに対応させて結合する必要が生じる。このような構造を面発光半導体レーザモジュール内部に搭載しようとすると、モジュール内にそれに相当するスペースが必要となるので、省スペース化が求められている現状からは適切ではない。また、ＳＨＧ効果で第二次高調波を形成する手法においても、米国特許第６２４３４０７号公報に開示の構造では外部共振器構造をとるので、早い変調速度に対応できない点、および、Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 2559-2664に開示の構造では基本波が導波路中の超格子層で吸収される点などの課題があり、駆動特性、量子効率などの基本性能を維持しつつ、第二次高調波を発生させることは難しいとされている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省スペース化が可能であり、かつ半導体レーザの駆動特性、量子効率などの基本性能の特性劣化を起こすことなく、出力モニター用の第二次高調波を発生することができる半導体レーザ、面発光半導体レーザ、当該半導体レーザまたは面発光半導体レーザを用いた半導体レーザモジュール、および、非線形光学素子を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１の態様による面発光半導体レーザは、第１の反射鏡と、第１の反射鏡に対向する第２の反射鏡と、第１の反射鏡および第２の反射鏡との間に形成され、かつ、活性層を含む共振器と、を備える。第１の反射鏡は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、第１の反射鏡および共振器の少なくとも一方に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
【０００７】
本発明の第２の態様による非線形光学素子は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造からなる誘電体多層膜を有し、高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、伝播する主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
【０００８】
本発明の第３の態様による半導体レーザは、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡と、誘電体多層膜反射鏡を少なくとも一方の端面とし、かつ、活性層を含む共振器と、を備える。誘電体多層膜反射鏡を構成する高屈折率誘電体層および低屈折率誘電体層のいずれか一方の少なくとも一つの層に、主モードのレーザ光に対し非線形性を有する非線形層を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る面発光半導体レーザの模式的な断面図である。
【図２】図１に示す面発光半導体レーザの非線形層に使用する非線形性ＳｉｘＮｙ膜の屈折率の波長依存性を示すグラフである。
【図３】図１に示す面発光半導体レーザの誘電体多層膜の高屈折率層を非線形層にした場合の二次高調波の発振スペクトルの測定結果を示すグラフである。
【図４】図１に示す面発光半導体レーザを使用した面発光半導体レーザモジュールの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
本発明の実施形態に係る面発光半導体レーザの一例は、レーザ発振波長が１０６０ｎｍ帯である面発光半導体レーザである。
【００１２】
図１は、実施形態に係る面発光半導体レーザ１００の模式的な断面図である。図１に示すように、面発光半導体レーザ１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部半導体多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、ｐ型スペーサ層１０９と、ｐ＋型コンタクト層１１１とが順次積層された構造を有する。活性層１０５からｐ＋型コンタクト層１１１までが円柱状のメサポスト１３０を構成している。
【００１３】
レーザ発振波長が１０６０ｎｍ帯の場合、基板１０１は、例えば、アンドープのＧａＡｓ（１００）基板からなる。下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。バッファ層１０３は、アンドープのＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、３つのＩｎＧａＡｓ井戸層と４つのＧａＡｓ障壁層が障壁層から交互に積層された構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層からバッファ層１０３までがｎ側のクラッド層として機能する。また、電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流注入部１０７ｂは、直径が６μｍ〜１５μｍであり、ＡｌＡｓからなる。ｐ型スペーサ層１０９とｐ＋型コンタクト層１１１とは、それぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓ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（ドーパント濃度）は例えば２×１０１９ｃｍ−３より小さい１×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度（ドーパント濃度）は例えば２×１０１９ｃｍ−３である。なお、ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。ｐ＋型コンタクト層１１１上には、リング状（環状）のｐ側電極１１３が設けられている。ｐ側電極１１３の外径は、例えば３０μｍであり、その開口部１１３ａの内径は、例えば１０μｍ〜２０μｍである。
【００１４】
また、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａ内には、例えば窒化珪素（ＳｉｘＮｙ）からなる円板状の誘電体層１１４が形成されている。この誘電体層１１４により、共振器内の定在波の位相が調整される。この場合、最上層のＧａＡｓ障壁層から誘電体層１１４までがｐ側のクラッド層として機能する。この位相調整層として機能する誘電体層１１４の上面からバッファ層１０３の底面までの部分が共振器１１０を構成している。
【００１５】
さらに、ｐ側電極１１３、及び、誘電体層１１４の上からメサポスト１３０の外周にわたって誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１６が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１６は、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層との周期構造を有する誘電体多層膜反射鏡であり、例えばＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２の１０ペア〜１２ペアからなる。
【００１６】
ｎ型コンタクト層１０４は、メサポスト１３０の下部から半径方向外側に延びており、その表面に例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１７が形成されている。ｎ側電極１１７は、例えば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。表面保護のためにＳｉＯ２などの誘電体からなるパッシベーション膜１１８が全面に形成されている。このパッシベーション膜１１８のＳｉＯ２は、上部ＤＢＲミラー１１６の最下層のＳｉＯ２を兼ねている。従って、ＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２からなる上部ＤＢＲミラー１１６は、その最下層は、パッシベーション膜１１８のＳｉＯ２であり、その上に、ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２が交互に積層され、最上層がＳｉｘＮｙである構造となっている。
【００１７】
ｎ側電極１１７に対して、パッシベーション膜１１８に形成された開口部１２１を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極１１９が形成されている。ｐ側電極１１３に対しても、パッシベーション膜１１８に形成された開口部１２２を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極１２０が形成されている。そして、ｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３は、それぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０によって、外部に設けた電流供給回路（不図示）に電気的に接続している。
【００１８】
面発光半導体レーザ１００は、電流供給回路からそれぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０を介してｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１１１を流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５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波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１６との間の共振器１１０で定在波を形成し、活性層１０５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、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａから１０６０ｎｍ帯のレーザ光が基板１０１の<１００>方向に出力する。
【００１９】
本発明においては、誘電体層１１４と上部ＤＢＲミラー１１６の少なくとも一方に主モードのレーザ光に対し光学的非線形性を有する非線形層が形成されている。例えば、誘電体層１１４を構成するＳｉｘＮｙ膜と上部ＤＢＲミラー１１６を構成するＳｉｘＮｙ膜の少なくとも一つの層の少なくとも一方に、主モードのレーザ光の発振波長である１０６０ｎｍで屈折率２．３６のものを用いた（以下、このようなＳｉｘＮｙを非線形性ＳｉｘＮｙと称する）。
【００２０】
本実施例で使用した非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率の波長依存性を図２に示す。図２には、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成、例えば、ｘ：ｙ＝３：４）の屈折率の波長依存性も併せて示している。本実施例に用いられた非線形性ＳｉｘＮｙは、例えば、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により成膜することができる。非線形性ＳｉｘＮｙを成膜するときに、従来のＳｉｘＮｙを成膜する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させた。このようにすると、ＳｉｘＮｙにおいて、ｘがｙより大きくなり、ＳｉｘＮｙの密度が大きくなる。その結果、ＳｉｘＮｙの屈折率が大きくなって、誘電体層１１４または上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性が大きくなり、第二次高調波を発生するようになる。非線形性が大きくなるのは、このように成膜したＳｉｘＮｙにおいて歪が大きくなり、複屈折率（Birefringence）が大きくなるからであると考えられる。なお、ＳｉＯ２は、例えば、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと（Ｎ２Ｏ）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により成膜することができる。このように製作した面発光半導体レーザ１００は、ｐ側電極１１３の開口部１１３ａから１０６０ｎｍ帯のレーザ光が基板１０１の<１００>方向に出力するとともに第二次高調波として５３０ｎｍのレーザ光も同時に基板１０１の<１００>方向に出力する。
【００２１】
つぎに、面発光半導体レーザ１００の製造方法について説明する。
【００２２】
はじめに、エピタキシャル成長法によって、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、ＡｌＡｓ層、ｐ型スペーサ層１０９、ｐ＋型コンタクト層１１１を順次積層し、さらにプラズマＣＶＤ（化学気相成長：Chemical Vapor Deposition）法およびフォトリソグラフィ技術によって、ＳｉｘＮｙからなる円板状の誘電体層１１４をｐ＋型コンタクト層１１１上に選択的に形成する。誘電体層１１４の光学厚さはλ／４である。
【００２３】
つぎに、リフトオフ法を用いて、誘電体層１１４の周囲のｐ＋型コンタクト層１１１上に、Ｐｔ／Ｔｉ層からなるｐ側電極１１３を形成する。
【００２４】
つぎに、ｐ側電極１１３を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポスト１３０を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。
【００２５】
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、活性層１０５上のＡｌＡｓ層のＡｌをメサポスト１３０の外周側から選択酸化する。このとき、電流狭窄層１０７に相当する層の外周部において２ＡｌＡｓ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋２ＡｓＨ３なる化学反応が起こり、電流狭窄部１０７ａが形成される。上記化学反応は電流狭窄層１０７に相当する層の外周側から均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径を６μｍ〜１５μｍとする。このように電流注入部１０７ｂを形成するので、メサポスト１３０の中心と、電流注入部１０７ｂの中心と、さらにｐ側電極１１３の開口部１１３ａの中心とを高精度に一致させることができる。その結果、面発光半導体レーザ１００を発振時の横モード数が安定している再現性の良いマルチモード発振レーザとすることができる。
【００２６】
つぎに、メサポスト１３０の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１７を形成する。つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて全面にＳｉＯ２からなるパッシベーション膜１１８を形成した後、ｎ側電極１１７およびｐ側電極１１３上においてパッシベーション膜１１８に開口部１２１および１２２をそれぞれ形成する。これらの開口部１２１および１２２を介してｎ側電極１１７に接触するｎ側引き出し電極１１９と、ｐ側電極１１３に接触するｐ側引き出し電極１２０をそれぞれ形成する。
【００２７】
つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１６を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さを例えば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光半導体レーザ１００が完成する。
【００２８】
ここでは、本発明の一実施例として、上記の製造方法によって、図１に示す構造を有する面発光レーザを製造するため、誘電体層１１４に非線形層を形成するのと、上部ＤＢＲミラー１１６に非線形層を形成するのと、誘電体層１１４および上部ＤＢＲミラー１１６の両方に非線形層を形成するのと、の３通りのうち、上部ＤＢＲミラー１１６に非線形層を形成する方法を採択した。この場合、誘電体層１１４を構成する高屈折率誘電体層または低屈折率誘電体層の少なくとも一つの層に非線形層を形成すれば良い。当該非線形層は、例えば、非線形性ＳｉｘＮｙで形成される。ただし、本実施例では、非線形性を高め、第二次高調波の発生効率を向上させるため、高屈折率誘電体層であるＳｉｘＮｙ膜の全てに、非線形性ＳｉｘＮｙを用いた。
【００２９】
本実施例の非線形性ＳｉｘＮｙは、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと窒素（Ｎ２）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により製造した。非線形性ＳｉｘＮｙを製造するときには、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成）を製造する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させた。このようにすると、ＳｉｘＮｙの密度が大きくなり、屈折率が大きくなって、ＳｉｘＮｙ膜ひいてはＳｉｘＮｙ／ＳｉＯ２の上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性が大きくなって第二次高調波を発生するようになる。なお、ＳｉＯ２は、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスと（Ｎ２Ｏ）ガスを使用して、プラズマＣＶＤ法により製造した。
【００３０】
この面発光半導体レーザ１００について、２５℃温度での通電下での発振波長スペクトルを測定したところ、１０６０ｎｍ帯の主モードのレーザ光に加えて、図３に示すように５３０ｎｍ付近の発光を得た。
【００３１】
図４に本実施形態の面発光半導体レーザ１００を光ファイバー２２０と結合させるモジュール２００を示す。
【００３２】
モジュール２００は、面発光半導体レーザ１００と、ビームスプリッター２０１と、フィルタ２０２と、窓２０３とを備えている。ビームスプリッター２０１は、４５度ハーフミラーからなっている。フィルタ２０２は、本実施例において、窓２０３に向かう光から主モードの１０６０ｎｍ帯の光を吸収し、５３０ｎｍ付近の第二次高調波の光を透過させる。
【００３３】
面発光半導体レーザ１００からの光２１０は、主モードの光（本実施形態では１０６０ｎｍ帯の光）と第二次高調波成分の光（本実施形態では５３０ｎｍの光）からなっているが、この光の大部分はビームスプリッター２０１によって横方向に反射され、横方向に配置されたデータリンク用の光ファイバー２２０へ結合される。面発光半導体レーザ１００からの光２１０の一部は、ビームスプリッター２０１を透過し、フィルタ２０２によって、主モードの１０６０ｎｍ帯の光が吸収され、第二次高調波成分の光２１１がモジュール上部に形成した窓２０３より放出され、その上のモニター２０４に入射する。
【００３４】
モニター２０４によって、第二次高調波成分の発光を検出して検出結果を出力し、ひいてはその検出結果によって主モードのレーザ光の発光を間接的に検出し出力することができる。また、モニター２０４によって、第二次高調波成分の輝度を測定してそれを出力し、ひいてはその測定によって主モードのレーザ光の出力を間接的に測定し出力することができる。
【００３５】
本実施例においては、上部ＤＢＲミラー１１６のＳｉｘＮｙを屈折率が大きく非線形性を有するものとすることにより、上部ＤＢＲミラー１１６の非線形性を大きくして第二次高調波を発生させている。このように上部ＤＢＲミラー１１６によってモニター用の第二次高調波を発生させているので、何ら新たな構造を必要とせず、省スペース化が可能である。また、外部共振器構造をとる必要もないため、早い変調速度に対応可能である。これに対して外部共振器を設ける構造だと、共振器の長さが非常に長くなってしまう等の理由により、高速変調できないという問題がある。また、半導体内部の超格子層によって第二次高調波を発生させる場合のように、面発光半導体レーザの基本性能の特性劣化を起こすこともない。
【００３６】
また、本実施形態においては、上部ＤＢＲミラー１１６のＳｉｘＮｙを屈折率が大きく非線形性を有するものとすることによって、第二次高調波を発生させているが、このような上部ＤＢＲミラー１１６を製造するには、従来のＳｉｘＮｙ（ストイキオメトリ組成：Ｓｉ３Ｎ４）を製造する場合と比較して、窒素（Ｎ２）ガスに対するシラン（ＳｉＨ４）ガスの流量比を増加させるだけでよく、新たな製造装置が必要になることもなく、新たな製造プロセスが必要になることもないので、製造コストの増加を招くこともない。
【００３７】
本実施形態によれば、モニター光として、主モードの光ではなく、その第二次高調波成分の光を使用する。したがって、主モードの光が１０６０ｎｍ帯（９４０ｎｍ〜１１００ｎｍ）の光、または、１３００ｎｍ帯（１１５０ｎｍ〜１３００ｎｍ）の光であっても、モニター光は、それぞれ、約５３０ｎｍの光、または、約６５０ｎｍの光と可視光域の光となるので、その視認性に優れる。従って、面発光半導体レーザの出力劣化が視認できるようになり、出力モニター構成を簡略化できるようになる。
【００３８】
また、本実施形態の面発光半導体レーザを、可視光域のレーザ光の光源そのものとして使用することもできる。
【００３９】
本実施形態においては、上部ＤＢＲミラー１１６として、ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２を交互にそれぞれ１０〜１２層積層した誘電体多層膜反射鏡を使用し、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層であるＳｉｘＮｙとしては、図２に示す屈折率の波長依存性を持つ非線形性ＳｉｘＮｙを使用した。この非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率は、主モードのレーザ光の発振波長である１０６０ｎｍにおいて２．３６であった。しかし、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層を全て非線形性ＳｉｘＮｙである形成する必要はなく、そのうち少なくとも一つの層を非線形性ＳｉｘＮｙで形成すれば良い。さらに、上記のように、誘電体層１１４を構成する誘電体膜が、非線形性ＳｉｘＮｙで形成されてもよい。また、誘電体層１１４を構成する誘電体膜と、上部ＤＢＲミラー１１６を構成する誘電体膜の少なくとも一つの層との両方を、非線形性ＳｉｘＮｙで形成しても良い。
【００４０】
誘電体層の誘電体膜、又は、誘電体多層膜反射鏡の高屈折率層に使用する非線形性ＳｉｘＮｙは、波長１０６０ｎｍにおいて２．３６の屈折率を有するものに限定されない。波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上のＳｉｘＮｙ膜を誘電体層又は誘電体多層膜反射鏡に使用すると第二次高調波が観測される。したがって、誘電体層又は誘電体多層膜反射鏡に使用する非線形性ＳｉｘＮｙの屈折率としては、波長１０６０ｎｍにおいて２．２以上であれば良い。
【００４１】
一方、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．５を超えたＳｉｘＮｙを使用すると、主モードの発振波長よりもＳｉｘＮｙの吸収端が長くなってしまい、主モードの光出力劣化を引き起こすので、好ましくない。
【００４２】
このように、ＳｉｘＮｙの吸収端を考慮すると、主モードのレーザ光の発振波長はＳｉｘＮｙの吸収端よりも長波長であることが好ましい。
【００４３】
また、面発光半導体レーザ１００の、半導体多層膜で形成された下部ＤＢＲミラー１０２、多重量子井戸構造の活性層１０５、多層膜で形成された上部ＤＢＲミラー１１６等を構成する層の組成、膜厚、層数等を変更することによって、主モードのレーザ光の発振波長を種々変化させることができる。面発光半導体レーザ１００の主モードのレーザ光の発振波長を変化させた場合においても、ＳｉＯ２と、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上のＳｉｘＮｙとを積層した上部ＤＢＲミラー１１６によって、主モードのレーザ光の発振波長に応じた第二次高調波を発生させることができ、例えば、主モードのレーザ光の発振波長帯が１３００ｎｍの場合には、６５０ｎｍの第二次高調波を発生させることができる。なお、高調波を発生させる歪を有する非線形性ＳｉｘＮｙを特定するために、波長１０６０ｎｍにおける屈折率を用いている。波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の屈折率を有するＳｉｘＮｙを使用すれば、高調波を発生させるに十分な歪が生じるので、主モードのレーザ光の発振波長が７２０ｎｍ〜１６６０ｎｍの面発光半導体レーザ１００において、主モードのレーザ光の発振波長に応じた波長を有する第二次高調波を発生させることができる。
【００４４】
また、上記本実施形態の上部ＤＢＲミラー１１６は、上記本実施形態の面発光半導体レーザ１００以外の構造の面発光半導体レーザに適用でき、その場合にも、上部ＤＢＲミラー１１６によって主モードのレーザ光の発振波長に応じた第二次高調波を発生することができる。
【００４５】
また、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した誘電体多層膜反射鏡であって、第二次高調波を発生することができる誘電体多層膜反射鏡は、面発光半導体レーザのみならず、端面出射半導体レーザにも適用できる。端面出射半導体レーザの場合には、当該誘電体多層膜反射鏡をレーザ端面の何れか一方に設けることによって、または必要に応じて反射率を制御し、両側の端面に設けることによって、主モードのレーザ光の発振波長の第二次高調波を発生することができる。
【００４６】
上記本実施形態においては、第二次高調波を発生させる部材として、非線形性ＳｉｘＮｙとＳｉＯ２を交互に積層した誘電体多層膜反射鏡を使用したが、非線形性ＳｉｘＮｙと組み合わせる材料として、ＳｉＯ２以外のものを使用しても第二次高調波を発生することができる。例えば、非線形性ＳｉｘＮｙと、ＭｇＦ、ＣａＦ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡が好ましく使用できる。
【００４７】
また、上記本実施形態においては、高屈折率誘電体層として波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用いて説明してきたが、低屈折率誘電体層として波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用い、かつ高屈折率誘電体層としてＴｉＯ２等、屈折率が当該ＳｉｘＮｙ膜より高い適切な誘電体を用いることもできる。
【００４８】
また、第二次高調波を発生する誘電体多層膜ＤＢＲミラーを構成する誘電体層として、ＳｉｘＮｙを使用しなくてもよく、例えば、高屈折率層として、ＴｉＯ２が好ましく使用される。また、低屈折率層としては、ＳｉＯ２以外にも例えば、ＭｇＦ、ＣａＦ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３が好ましく使用される。この場合には、高屈折率層および低屈折率層のいずれか一方の少なくもと一つの層に、発生する高調波が視認可能な程度まで、十分な非線形性が生じる程度に、歪を導入することによって第二次高調波を発生させることができる。
【００４９】
また、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを位相調整層である誘電体層１１４に使用すれば、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを誘電体多層膜ＤＢＲミラーに使用しなくても、第二次高調波を発生させることができる。
【００５０】
さらに、波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを、位相調整層である誘電体層１１４および誘電体多層膜で形成された上部ＤＢＲミラー１１６の両方に使用することもできる。この場合も、上部ＤＢＲミラー１１６を構成する高屈折率層および低屈折率層のいずれか一方の少なくもと一つの層に波長１０６０ｎｍにおいて屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを使用すれば良い。
【００５１】
主モードのレーザ光の発振波長として、７２０ｎｍ以上１６６０ｎｍ以下のものを使用すれば、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙを用いることによって、可視光域の第二次高調波を発生させることができる。これは、波長１０６０ｎｍにおける屈折率が２．２以上の非線形性ＳｉｘＮｙにおける歪が大きくなり、複屈折率（Birefringence）が大きくなるからである。この場合には、図４を参照して説明したモジュール２００のフィルタ２０２として、波長３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の光を透過する波長選択フィルタが好ましく使用される。
【００５２】
また、主モードのレーザ光の発振波長として、１０００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下のものを使用すれば、緑色の第二次高調波を発生させることができる。この場合には、図４を参照して説明したモジュール２００のフィルタ２０２として、波長５００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の光を透過する波長選択フィルタが好ましく使用される。
【００５３】
上記の実施形態では、非線形層として、ストイキオメトリ組成より密度の大きい非線形性ＳｉｘＮｙ膜を用いたが、本発明にかかる非線形層は、非線形性ＳｉｘＮｙ膜に限定されない。ストイキオメトリ組成より密度を大きくすることによって、主モードのレーザ光に対する光学的非線形性を有する膜であれば如何なる材質の膜でも良い。
【００５４】
種々の典型的な実施形態を示しかつ説明してきたが、本発明はそれらの実施形態に限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。従って、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【００５５】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および、方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００５６】
１００  面発光半導体レーザ
１０１  基板
１０２  下部ＤＢＲミラー 
１０３  バッファ層 
１０４  ｎ型コンタクト層 
１０５  活性層 
１０７  電流狭窄層
１０７ａ  電流狭窄部
１０７ｂ  電流注入部
１０９  ｐ型スペーサ層 
１１０  共振器 
１１１  ｐ＋型コンタクト層 
１１３  ｐ側電極
１１３ａ  開口部
１１４  誘電体層 
１１６  上部ＤＢＲミラー 
１１７  ｎ側電極 
１１８  パッシベーション膜 
１１９  電極 
１２０  電極 
１２１  開口部 
１２２  開口部 
１３０  メサポスト 
２００  モジュール 
２０１  ビームスプリッター 
２０２  フィルタ 
２０３  窓 
２０４  モニター 
２１０  光 
２１１  光 
２２０  光ファイバー
【図１】
2012172606.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2012172606.tif 000008
2012172606.tif 000009
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