(57)【要約】【課題】  環境温度の変化に対して、安定に高速変調が動作できる変調器集積面発光レーザを提供すること【解決手段】  本発明に係る変調器集積面発光レーザは、基板上に面発光レーザと光変調器が集積され、前記変調器の吸収端波長の温度変化の割合と前記面発光レーザの共振波長の温度変化の割合が同程度であるものである。変調器の吸収端波長と面発光レーザの発振波長の温度変化の割合が同程度であるならば、広い温度範囲において高速変調することが可能となる。  【選択図】  図１
2006216862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にIII−Ｖ族半導体で構成される面発光レーザとIII−Ｖ族半導体で構成される光変調器が集積された変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の吸収端波長の温度変化の割合と前記面発光レーザの共振波長の温度変化の割合が同程度である変調器集積面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の吸収端波長の温度変化の割合と前記面発光レーザの共振波長の温度変化の割合が０ｎｍ／℃以上０．２ｎｍ／℃以下である変調器集積面発光レーザ。
【請求項３】
請求項１に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の吸収端エネルギーの温度変化の割合と前記面発光レーザの共振エネルギーの温度変化の割合が０．０５〜０．１５ｍｅＶ／Ｋである変調器集積面発光レーザ。
【請求項４】
基板上に面発光レーザと光変調器が集積された変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の変調層がＢｉ又はＴｌを含むIII−Ｖ族半導体で構成されることを特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【請求項５】
請求項１または請求項４に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記面発光レーザの活性層がＢｉ又はＴｌを含むIII−Ｖ族半導体で構成されることを特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【請求項６】
請求項１、請求項４または請求項５に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の変調層が前記面発光レーザの共振器である二つのブラッグ反射ミラーの間に存在する変調器集積面発光レーザ。
【請求項７】
請求項１、請求項４または請求項５に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記光変調器の変調層が前記面発光レーザの共振器である二つのブラッグ反射ミラーの外に存在する変調器集積面発光レーザ。
【請求項８】
請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、前記変調層が多重量子井戸構造であることと特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【請求項９】
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、変調層を構成する前記III−Ｖ族半導体混晶のＶ族半導体に対するＢｉの含有率ｘＢｉが１．０≦ｘＢｉ≦６．０％であることを特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【請求項１０】
請求項９に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、変調層を構成する前記III−Ｖ族半導体混晶の前記Ｖ族半導体に対するＢｉの含有率ｘＢｉが、より好ましくは、１．０≦ｘＢｉ≦２．５％であることを特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【請求項１１】
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、変調層を構成する前記III−Ｖ族半導体混晶のＶ族半導体に対するＴｌの含有率ｘＴｌが０．０＜ｘＴｌ≦８．０％であることを特徴とする変調器集積面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調器集積面発光レーザに関し、特に安定した変調動作が可能な変調器集積面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル信号を処理する電子回路やＬＳＩにおいて、さらなる高速化が要求されている。また、回路間・チップ間の信号伝送が金属配線では困難になり、光配線やボード間またはチップ間光通信である光インターコネクション等の新たな技術の開発が急務である。
【０００３】
前述の光インターコネクション技術において、面発光レーザは、従来の端面発光レーザに比べて集積化が容易、低消費電力、低コストなどのメリットがあるため、注目を集めている。面発光レーザを光通信や光配線に適用するためには、１０Ｇｂｐｓ以上の超高速変調を小型、低コストで実現することが望ましい。
【０００４】
面発光レーザの変調方式として、印加電流に信号電流を重ね合わせて面発光レーザの出射光強度を変調する直接変調方式がある。直接変調方式は、広い変調帯域と高速変調を実現するために限られた電圧の中で、駆動電流を発振閾値電流よりもかなり高い状態に設定しなければならない。また、活性層に流れる電流が時間的に変化するために、レーザ波長が時間的に変化する。そのために、直接変調方式を長距離の光通信に適用した場合、レーザ光が光ファイバを通った後に光波形が劣化し、光信号の伝送帯域が制限されることになる。
【０００５】
上述の直接変調方式に対して、面発光レーザに光変調器を集積した外部変調方式も提案されている。この方式によれば、面発光レーザの駆動電圧と変調器に印加される電圧が区別されるため、直接変調方式でおこる波長変化が抑制することができる。その結果、直接変調方式に比べると、光ファイバ通過後の光波形の劣化が抑えられるため、伝送帯域が増大するメリットがある。非特許文献１に示された面発光レーザは、変調器を共振器内に集積した面発光レーザであり、変調層に量子井戸を用いているため、低電圧駆動で高速変調可能な面発光レーザが得られている。
【非特許文献１】S．F．Lim et al．， "Modulation of a vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Using an Intracavity Quantum-Well Absorber，" IEEE Photonics Tech． Lett．， vol． 10， pp． 319-321， Mar． 1998．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、光通信で用いられている、変調器が集積された端面発光レーザでは、ペルチェ素子によって一定温度に保たれた状態で、変調器と端面発光レーザが動作している。そのため、今まで温度変化に対する考慮がなされていなかった。しかし、低コスト化のためにはペルチェ素子のような大型の冷却手段を使用しないことが望ましい。特に小型化が可能な面発光レーザでは、ペルチェ素子を使うことによって多くのスペースが必要となり、小型化というメリットが生かせなくなる。
【０００７】
このため、変調器集積面発光レーザにおいて、環境温度の変化に対して安定した動作ができるものが要求される。しかしながら、従来、面発光レーザにおいても、環境温度の変化に対して高速変調を安定して動作させることについて検討されておらず、また安定した動作ができても動作温度が極めて狭い範囲に限られていた。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、環境温度の変化に対して、安定に高速変調が動作できる変調器集積面発光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】
【０００９】
本発明の一つの態様に係る変調器集積面発光レーザは、基板上に面発光レーザと光変調器が集積され、前記変調器の吸収端波長の温度変化の割合と前記面発光レーザの共振波長の温度変化の割合が同程度であるものである。変調器の吸収端波長と面発光レーザの発振波長の温度変化の割合が同程度であるならば、広い温度範囲において高速変調することが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る他の変調器集積面発光レーザは、基板上に面発光レーザと光変調器が集積され、前記光変調器の変調層がＢｉ又はＴｌを含むIII−Ｖ族半導体で構成されるものである。ＢｉまたはＴｌを含むIII−Ｖ族半導体は、温度変化に対してバンドギャップの変化が少なく、変調層に用いることによって、温度変化に対して動作波長の変化の少ない変調層を作成することが可能になる。
【００１１】
特に本発明における面発光半導体レーザは、変調層が多重量子井戸構造で構成されるものである。多重量子井戸構造は、電圧が印加されると量子閉じ込めシュタルク効果がおこり吸収係数が変化する。この変化は高速におこるため、変調層に多重量子井戸構造を用いることによって、高速変調をすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の変調器集積面発光レーザによれば、広い温度範囲で安定に動作することができる変調器集積面発光レーザを低コストで提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１.
本発明は、変調器集積面発光レーザにおける温度変化に対する影響という今まで考えられていない課題について考慮している。本発明者らは、広い温度範囲で安定に動作する変調器集積面発光レーザを作製するために、面発光レーザの発振波長と光変調器の吸収端波長それぞれの温度依存性について着目した。
【００１４】
図１を用いて、本発明の実施の形態１にかかる変調器集積面発光レーザ１００の構造について説明する。本実施の形態の一例として考えているのは、発振波長が８５０ｎｍの変調器集積面発光レーザである。
【００１５】
本実施形態における構造は、高抵抗基板１の上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー２、第１のｎ型クラッド層３を積層させる。ｎ型ブラッグ反射ミラー２は、Ａｌ濃度の違うＡｌＧａＡｓ層を組み合わせることによってほぼ１００％近い反射率ミラーを形成している。組成の一例として、ｎ−Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層（層厚７１ｎｍ）とｎ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（層厚６２ｎｍ）を２８対組み合わせている。
【００１６】
第１のｎ型クラッド層３の上に多重量子井戸層４、第１のｐ型クラッド層５を積層させる。第１のｎ型クラッド層３は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層（例えば、Ｓｉドープｎ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ層、１１５ｎｍ）によって形成されている。
【００１７】
多重量子井戸層４は、２層のＧａＡｓＢｉ層（例えば、ＧａＡｓ０．９７６Ｂｉ０．0２４層、８ｎｍ）を間にＡｌＧａＡｓ層（例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、１０ｎｍ）で挟んだ多重量子井戸構造になっている。多重量子井戸構造４は電圧を印加することによって実効的にバンドギャップエネルギーが小さくなり、その結果、いままで吸収されなかった波長の光が吸収される。すなわち電界によって吸収係数が変化するので、この層を用いることによって変調がかけられる。
【００１８】
第１のｐ型クラッド層５は、ＡｌＧａＡｓ層（例えば、炭素ドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、７５ｎｍ）から形成されている。さらに第１のｐ型クラッド層５の上に、高抵抗ＡｌＧａＡｓ層６、第２のｎ型クラッド層７を積層させる。
【００１９】
高抵抗ＡｌＧａＡｓ層６によって、変調するための信号電圧と、面発光レーザに印加される直流電圧が分離されている。高抵抗ＡｌＧａＡｓ層６の組成の一例は、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層を用い、層厚は６０ｎｍである。第２のｎ型クラッド層７は、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、膜厚７５ｎｍ）で形成されている。
【００２０】
第２のｎ型クラッド層７の上では、ポスト形状１３に加工されている。ポスト形状１３の内部は、多重量子井戸活性層８、第２のｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラッグ反射ミラー１１が積層されている。
【００２１】
多重量子井戸活性層８は、３層のノンドープＧａＡｓ（例えば、８ｎｍ）で、ノンドープＡｌＧａＡｓ層（例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、層厚１０ｎｍ）を挟んだものである。第２のｐ型クラッド層９は、ＡｌＧａＡｓ層（例えば、炭素ドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層、１０６ｎｍ）で形成されている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０の組成の一例は、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を用い、層厚は、３０ｎｍである。
【００２２】
ｐ型ブラッグ反射ミラー１１は、Ａｌ組成の違うＡｌＧａＡｓ層を組み合わせることによって反射率の高いミラーを形成している。ｐ型ブラッグ反射ミラー１１の反射率は、ｎ型ブラッグ反射ミラー２より少し低い反射率にすることによって、開口１４からレーザ光が出射される。組成の一例として、ｎ−Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層（層厚７１ｎｍ）とｎ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（６２ｎｍ）を２５対組み合わせている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０の外側には高抵抗層１２が形成され、電流が狭窄されることによってレーザの効率を高めている。高抵抗層１２は、Ａｌ２Ｏ３から形成されている。
【００２３】
電極としては、レーザ光が放射される開口１４を持ったリング状部を含みｐ型ブラッグ反射ミラー１１表面に接するｐ電極１５と、第２のｎクラッド層７に接するｎ電極１６と、第１のｐクラッド層５に接するｐ電極１７と、第１のｎクラッド層３に接するｎ電極１８の合計４つの電極がある。
【００２４】
ｐ電極１５とｎ電極１６を介して順バイアスを印加することにより、多重量子井戸活性層８を発光させる。このときｐ電極１５とｎ電極１６には直流バイアス電圧ＶＤＣが印加される。ｎ型ブラッグ反射ミラー２とｐ型ブラッグ反射ミラー１１により共振器が形成され、発振閾値電流以上で多重量子井戸活性層８によりレーザ発振が生じる。一方、変調を行うときは、ｐ電極１７とｎ電極１８を介して交流バイアスＶｍを印加する。このことによって、変調層である多重量子井戸層４の吸収係数が印加バイアスによって変化し、出射されるレーザ強度に変調がかけられることになる。
【００２５】
また、本実施の形態１においては、レーザ共振器であるｎ型ブラッグ反射ミラー２とｐ型ブラッグ反射ミラー１１の間に変調層である多重量子井戸層４を配置したものである。多重量子井戸層４において、電圧印加によって吸収係数が変化する電界吸収効果を利用している。
【００２６】
特に、変調層に多重量子井戸層４を用いることによって、電圧印加でおこる量子閉じ込めシュタルク効果で多重量子井戸層４の吸収係数が変化する。この変化は高速におこるため、変調層に多重量子井戸層４を用いることによって、高速変調をすることができる。また、多重量子井戸を用いることによって吸収係数の変化量が増加するため、変調の高効率化をすることが可能になる。
【００２７】
本実施の形態に係る面発光レーザにおいては、ＢｉやＴｌを含むIII−Ｖ族半導体によって多重量子井戸層４を構成している。多重量子井戸層４にはＢｉやＴｌを含むIII−Ｖ族半導体を用いているため、ｎ型ブラッグ反射ミラー２とｐ型ブラッグ反射ミラー１１で挟まれた半導体層３〜１０の屈折率の温度依存性で決まるレーザの波長と同程度の温度依存性を示すことになる。以下に、面発光レーザの発振波長と変調層の吸収端波長の温度依存性について記述する。
【００２８】
面発光レーザの発振波長は、共振器の光学長によって決められる。そのため、共振器を構成する半導体層の屈折率が温度変化することによって、発振波長が温度に対して変化する。面発光レーザの発振波長の変化の割合は、０．１ｎｍ／℃程度である。
【００２９】
これに対して、吸収型光変調器における動作波長の温度依存性は、主として変調層を構成する材料のバンドギャップエネルギーの温度依存性による。通常、光変調層における吸収端波長の温度変化の割合は０．４ｎｍ／℃程度となる。
【００３０】
上記のことから、面発光レーザの共振波長と変調器の吸収端波長の温度依存性を図２に示した。縦軸は、面発光レーザの共振波長、変調器の吸収端波長であり、横軸は温度を示す。図２からわかるように、光変調器における吸収端波長と面発光レーザにおける発振波長は、１０℃の温度変化で３ｎｍずれることになる。
【００３１】
このため、従来の変調器集積面発光レーザでは、面発光レーザの共振器で決まる発振波長の温度依存性と、変調器の動作波長の温度依存性とが大きく異なっていたため、ある温度で良好な変調特性が得られていても温度が変わると変調層の吸収が減り、消光比が悪くなっていた。
【００３２】
変調層の厚さを最適化した状態で、消光比を５ｄＢ以上確保するためには、面発光レーザの発振波長と変調器吸収端波長の差は３ｎｍ以下としなければならない。そのため、図２に示すように、±１０℃程度という非常に限られた範囲しか安定した動作が得られなかった。
【００３３】
温度依存性の原因は、レーザ発振波長と変調器の吸収端波長の温度依存性の違いに起因する。したがって、温度変化によってレーザ発振波長と変調器の吸収端波長の相対的な波長関係が変わらなければ、良い温度特性をもつ変調器集積面発光レーザが実現できることになる。
【００３４】
このために、変調器における吸収端波長の温度変化の割合を面発光レーザの共振波長の温度変化の割合と同程度にすることが望まれる。そこで本発明者らは、バンドギャップエネルギーが温度変化の影響を受けにくい半導体材料系を変調器集積型面発光レーザの光変調器に適用し、光変調器における吸収端波長が温度変化によって大きく変動しない構成としている。
【００３５】
図３にＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと、ＧａＡｓＢｉのＰＬピーク波長の温度依存性のデータを示す。ＧａＡｓＢｉのＰＬピーク波長の温度変化に対する変化の割合は、０．１ｍｅＶ／℃である。これに対して、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーの温度変化に対する変化の割合は、０．４ｍｅＶ／℃と４倍も大きい。
【００３６】
このＧａＡｓＢｉのＰＬ波長の変化をバンドギャップエネルギーの変化とみなすと、ＧａＡｓＢｉを変調層に用いた場合の吸収端波長の温度変化は、ＧａＡｓを変調層に用いた場合の１／４になる。
【００３７】
つまり、ＧａＡｓＢｉを変調層に用いることによって、変調層の吸収端波長と共振器長の変化による面発光レーザの発振波長の温度変化に対する変化の割合とほぼ同じになると考えられる。したがって、ＧａＡｓＢｉ系を変調層に使えれば、広い温度範囲で安定的に動作する変調器集積面発光レーザを作成することが可能になる。
【００３８】
ここで、動作可能温度範囲を±３０℃とすると、変調層の吸収端波長と共振器長の変化による面発光レーザの発振波長の温度変化に対する変化の割合の差を±０．１ｎｍ／℃としなければならない。ここで、面発光レーザの発振波長の温度変化に対する変化の割合は、０．１ｎｍ／℃であるから、変調層の吸収端波長の温度に対する変化の割合は０〜０．２ｎｍ／℃となる。
【００３９】
例えば、ＧａＡｓＢｉ半導体材料でＢｉを２．４％程度に設定すると、そのバンドギャップエネルギーの温度依存性は、およそ０．１ｍｅＶ／℃となり、共振器の屈折率の温度依存性から決まる発振波長の温度依存性とほぼ一致させることができる。その結果、面発光レーザの発振波長と変調器の吸収端波長をある温度で一致させれば、広い温度範囲にわたって良好な変調特性を得ることができる。
【００４０】
また、図３に示されるように、ＧａＡｓ１−ｘＢｉｘのバンドギャップの温度変化に対する変化の割合は、ｘ＝０の時、０．４３ｍｅＶ／℃（０．３５ｎｍ／℃）であり、ｘ＝２．４％のとき、０．１ｍｅＶ／℃（０．０７ｎｍ／℃）である。
【００４１】
ここから考えられるに、Ｂｉ量を１％以上置換することによって、十分に変調層の吸収端波長と共振器長の変化による面発光レーザの発振波長の温度変化に対する変化の割合の差を小さくできると考えられる。また、Ｂｉ量を増やすことは原理的には可能であるが、結晶性が悪くなり実用的にはならなくなるので、良好な結晶が得られ、面発光レーザの発振波長と変調器の吸収端波長との温度依存性がほぼ一致する６．０％以下にする必要性がある。好ましくは、より良好な結晶が得られる２．５％以下にすると良い。
【００４２】
また、Ｔｌを置換したIII−Ｖ族半導体は、Ｂｉを置換したＧａＡｓ同様に、バンドギャップの温度依存性が小さくなるという効果を有している。ここで、Ｂｉを置換したＧａＡｓとＴｌを置換したＩｎＧａＡｓの面発光レーザの発振エネルギー及び変調器の吸収端エネルギーの温度依存性とＢｉ及びＴｌの置換量との関係を図４に示す。
【００４３】
図４に示されるように、変調器の吸収端エネルギーの温度依存性は、０．３７〜０．４２ｍｅＶ／Ｋであるが、面発光レーザの発振エネルギーの温度依存性は、０．０５〜０．０７５ｍｅＶ／Ｋであり、およそ１／６になっている。このずれが、動作可能温度の範囲を狭くしている原因である。
【００４４】
従って、面発光レーザの発振エネルギーの温度依存性に変調器の吸収端エネルギーの温度依存性が近づくことによって、この問題は解決される。そこで、変調器の吸収端エネルギーの温度依存性がＴｌの添加により０．０５〜０．１５ｍｅＶ／Ｋ程度になれば良いと考えられる。
【００４５】
上述の温度依存性を示すためには、Ｔｌの添加量ｘが０＜ｘＴｌ≦０．０８とすることによって、変調器の吸収端エネルギーの温度依存性と面発光レーザの発振エネルギーの温度依存性を小さくすることが可能となり、広い温度範囲で安定的に動作する変調器集積面発光レーザを作成することが可能になる。
【００４６】
これは、図４からわかるように、８５０ｎｍ帯のＧａＡｓでも１５５０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓでも、Ｔｌが添加されない場合、バンドギャップの温度依存性は、０．３７〜０．４２ｍｅＶ／Ｋである。また、屈折率の温度変化できまる面発光レーザの発振波長は、８５０ｎｍ帯のＧａＡｓと、１５５０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓとで、０．０５〜０．０７５ｍｅＶ／Ｋである。
【００４７】
このことから、本発明は、ＧａＡｓに限定されるものではなく、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＡｓＳｂなどのIII-Ｖ族半導体にＢｉやＴｌを添加したものを用いることもできる。バンドギャップを調節する上でも、上記のような材料系の組合せが適用可能である。
【００４８】
以上のことから、Ｂｉの含有量ｘＢｉを１．０％≦ｘＢｉ≦６．０％又は、Ｔｌの含有量ｘＴｌを０＜ｘＴｌ≦０．０８にしたIII−Ｖ族半導体を変調層に用いることによって、広い温度範囲で安定に動作する変調器集積面発光レーザを作成することが可能となる。
【００４９】
本発明によって、広い温度範囲で良好な変調特性を得ることが可能となるため、ペルチェ素子などによる温度安定化の必要はなくなり、低消費電力化、小型化、低コスト化の点で大いに有利になると考えられる。
【００５０】
本実施の形態１の変調器集積面発光レーザ１００は、ＭＯＣＶＤを用いた従来の製造方法を応用することにより製造できる。ＢｉやＴｌを含むIII−Ｖ族半導体の中のＧａＡｓＢｉの成長方法の一例として、III族元素を供給するラインに、キャリアガス（水素）とトリイソプロピルガリウムを流し、Ｖ族元素を供給するラインに、キャリアガス（水素）とターシャリブチルアルシン、トリメチルビスマスを流すことによって、多重量子井戸層４の量子井戸層にＧａＡｓＢｉ混晶を成長させる。その温度は通常のＧａＡｓの成長温度である６００℃よりも低温の３００℃〜４００℃程度で行う。
【００５１】
また、多重量子井戸活性層８には、ＢｉやＴｌを添加したＧａＡｓを用いても良い。活性層８にＢｉやＴｌを添加したＧａＡｓを用いることによって、活性層８のバンドギャップエネルギーの温度依存性を小さくすることができるため、共振器光学長の変化による面発光レーザの発振波長の温度変化があっても、活性層の利得ピーク波長の変化が小さく、動作温度範囲の広い面発光レーザを作成することが可能となる。
【００５２】
さらに、半導体基板は高抵抗ＧａＡｓ基板１を用いているが、これをｎ型基板に置き代えてもよい。また、他の半導体基板を用いてもよい。ｐ型基板に置き代えることも可能であるが、この場合は基板上の半導体層の導電型について適当な置換が必要になる。導電型基板の場合は、電極１８を基板裏面に形成することも出来る。
【００５３】
上述した面発光レーザは、多重量子井戸活性層８において発光・増幅を行なわせ、変調層として多重量子井戸層４により光吸収を行なわせるものであったが、多重量子井戸活性層８と多重量子井戸層４の配置を逆にして、ｐ側電極１７とｎ側電極１８との間の多重量子井戸活性層で発振を行なわせ、ｐ側電極１５とｎ側電極１６との間の多重量子井戸層で光吸収を行なわせるようにしてもよい。
【００５４】
上記の例では、ＧａＡｓＢｉを用いたが、活性層や共振器の半導体材料に応じて、ＩｎＧａＡｓＢｉ、ＧａＡｓＮＢｉ、ＩｎＧａＡｓＮＢｉ、ＧａＡｓＳｂＢｉを用いることもできる。バンドギャップを調節する上でも、上記のような材料系の組合せが適用可能である。
【００５５】
本実施の形態において、ｐ型ブラッグ反射ミラー１１の外に、波長選択性のある光学フィルタを付加することにより、出力光パルスの消光比を改善することが出来る。本発明では、デジタル変調をする場合、外部信号の１，０に従って、光変調層８への印加電圧を変化させ光変調層８の吸収係数を変化させている。つまり、信号が１の時は吸収係数を小さくし、信号が０の時は吸収係数を大きくする事によって、光出力を１，０に変化させている。このとき、活性層４のキャリア密度を考えると、信号が１の時はキャリア密度が小さく、信号が０の時はキャリア密度が大きい。この結果、活性層４の屈折率は信号が１の時の方が信号が０の時よりも大きくなる。これにより、信号が１の時の発振波長は、信号が０の時の発振波長よりも長くなる。その差は駆動条件などに依存するが１〜３ｎｍ程度となる。したがって、信号が０の波長を除去するような光学フィルタを設置する事により、光信号０のレベルを下げることが出来、光信号の消光比を上げることが出来る。光学フィルタとしては、誘電体多層膜による長波長パスフィルタや信号１の波長を透過させるバンドパスフィルタが使える。
【００５６】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２の変調器集積型面発光レーザ２００の断面図を図５に示す。図５に示したように、ｎ型基板２１上にｎ電極３５が形成され、ｎ型基板２１のｎ電極３５と反対側にｎ型ブラッグ反射ミラー２２、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５、ｐ型ブラッグ反射ミラー２６、ｐ型コンタクト層２７が積層されている。ｐ型コンタクト層２７に接してｐ電極３２が形成されている。
【００５７】
ｎ型基板２１はコンタクト層としての役割も果たしているが、この構造には限らずコンタクト層を挿入してもよい。２つのブラッグ反射ミラー２２、２６は、屈折率の違う物質の層の超格子構造を用いることによって反射率の高いミラーを形成している。また、上述のブラッグ反射ミラー２２、２６によりレーザ共振器が形成され、面発光レーザに直流電圧が印加されることによって発振することができる。ここまでの部分が面発光レーザの構造である。
【００５８】
さらに、ｐ型コンタクト層２７の上に、高抵抗層２８、ｎ型クラッド層２９、多重量子井戸層３０、ｐ型クラッド層３１が下から順に積層されている。さらに、ｎ型クラッド層２９に接してｎ側電極３３、ｐ型クラッド層３１に接してｐ側電極３４が形成されている。多重量子井戸層３０はＧａＡｓＢｉ井戸層とＡｌＧａＡｓ障壁層で構成されている。
高抵抗層２８は、変調するためにｎ側電極３３とｐ側電極３４に印加する信号電圧と、面発光レーザを発振するためにｎ側電極３５とｐ側電極３２に印加される直流電圧が分離されている。ここまでの部分が変調器の構造である。
【００５９】
本実施の形態２においては、面発光レーザの構造の上に高抵抗層２８を介して、変調器の構造が配置されている。ｐ電極３２とｎ電極３５の間に順バイアス電圧ＶＤＣを印加し、ＶＤＣによる活性層電流が発振しきい値電流以上であれば、面発光レーザがレーザ発振する。このときｐ電極３４とｎ電極３３の間に電圧を印加しない場合は、多重量子井戸層３０はレーザ光に対して透明である。ｐ電極３４とｎ電極３３の間に変調電圧Ｖｍを印加すると、多重量子井戸層３０の光吸収係数は増大し、レーザ出力は低下する。このように、ＶＤＣは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の電圧Ｖｍを変化させることによって、レーザ光は変調される。
【００６０】
多重量子井戸層３０にはＢｉやＴｌを含むIII−Ｖ族半導体から構成されているため、活性層２４から発振されるレーザの波長と同程度の温度依存性を示すことになる。このため、温度変化した場合でも、多重量子井戸層３０の吸収端波長とレーザ発振波長が同じように変化するため、温度が変化しても多重量子井戸層３０の吸収端波長とレーザ発振波長のずれが小さくなる。この結果、広い温度範囲で変調器集積面発光レーザ２００の出射光を高速変調することが可能になる。
【００６１】
特に、ＢｉやＴｌを含むIII−Ｖ族半導体の中でも、ＧａＡｓに置換するＢｉを１．０％〜６．０％に設定すると、そのバンドギャップエネルギーの温度依存性は、０．１〜０．３ｍｅＶ／℃となり、屈折率の温度依存性から決まる共振器波長の温度依存性とほぼ一致させることができる。その結果、ある温度で適切な変調器の動作波長を選んでおけば、広い温度範囲に渡って良好な変調特性をえることができる。このことから、ペルチェ素子などによる温度安定化の必要はなくなるので、低消費電力化、小型化、低コスト化の点で大いに有利になる。
【００６２】
また、半導体基板はｎ型基板１を用いているが、これをｐ型基板に置き代えてもよい。この場合は基板上の半導体層の導電型について適当な置換が必要になる。さらに、上記例では、ＧａＡｓＢｉを用いたが、活性層や共振器の半導体材料に応じて、ＩｎＧａＡｓＢｉ、ＧａＡｓＮＢｉ、ＩｎＧａＡｓＮＢｉ、ＧａＡｓＳｂＢｉを用いることもできる。バンドギャップを調節する上でも、上記のような材料系の組合せが適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１を示す断面図
【図２】面発光レーザの共振波長と変調器の吸収端波長の温度依存性を示す図
【図３】ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと、ＧａＡｓＢｉのＰＬピーク波長の温度依存性を示す図
【図４】Ｂｉを置換したＧａＡｓとＴｌを置換したＩｎＧａＡｓの面発光レーザの発振エネルギー及び変調器の吸収端エネルギーの温度依存性とＢｉ及びＴｌの置換量との関係
【図５】本発明の実施の形態２を示す断面図
【符号の説明】
【００６４】
１  高抵抗ＧａＡｓ基板  ２  ｎ型ブラッグ反射ミラー  ３  第１のｎ型クラッド層
４  多重量子井戸層  ５  第１のｐ型クラッド層  
６  高抵抗ＡｌＧａＡｓ層  ７  第２のｎ型クラッド層  ８  多重量子井戸活性層
９  第２のｐ型クラッド層  １０  ｐ型ＡｌＧａＡｓ層  １１  ｐ型ブラッグ反射ミラー
１２  高抵抗層  １３  ポスト形状  １４  開口
１５、１７  ｐ電極  １６、１８  ｎ電極
１００  本発明の実施の形態１にかかる変調器集積面発光レーザ
２１  ｎ型基板  ２２  ｎ型ブラッグ反射ミラー  ２３  ｎ型クラッド層
２４  活性層  ２５  ｐ型クラッド層  ２６  ｐ型ブラッグ反射ミラー
２７  ｐ型コンタクト層  ２８  高抵抗層  ２９  ｎ型クラッド層
３０  多重量子井戸層  ３１  ｐ型クラッド層
３２、３４  ｐ電極  ３３、３５  ｎ電極
２００  本発明の実施の形態２の変調器集積型面発光レーザ
【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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