(57)【要約】【課題】  良好な変調特性が得られる温度範囲を大幅に拡大した変調器集積面発光レーザを提供する。【解決手段】  本発明による変調器集積面発光レーザ１は、レーザ光を励起する活性層６と、電圧印加による光吸収係数の変化を利用して変調を行う吸収型光変調層８と、活性層６及び光変調層８を挟む２つの光反射層４，１２間で光が共振し、温度により共振波長が可変である波長可変共振器１７を備え、波長可変共振器１７の共振波長の温度依存性と光変調層８のバンドギャップエネルギーの温度依存性がほぼ等しい。また、２つの光反射層４，１２のうちの１つからなり、波長可変共振器１７の光反射鏡１２Ｒを構成する部分を支持する熱膨張係数の異なる２つの半導体層１２，１３からなる片持ち梁１８を備える。【選択図】    図１
2006216722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を励起する活性層と；
電圧印加による光吸収係数の変化を利用して変調を行う吸収型光変調層と；
前記活性層及び前記光変調層を挟む２つの光反射層間で光が共振し、温度により共振波長が可変である波長可変共振器とを備え；
前記波長可変共振器の共振波長の温度依存性と前記光変調層のバンドギャップエネルギーの温度依存性がほぼ等しい；
変調器集積面発光レーザ。
【請求項２】
前記２つの光反射層のうちの１つからなり、前記波長可変共振器の光反射鏡を構成する部分を支持する熱膨張係数の異なる２つの半導体層からなる片持ち梁を備える；
請求項１に記載の変調器集積面発光レーザ。
【請求項３】
前記２つの光反射層は、光学長が前記共振波長の１／４にほぼ等しい厚さで、屈折率の異なる２つの膜を交互に多層積層した分布ブラッグ反射鏡である；
請求項１又は請求項２に記載の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する。詳しくは、面発光レーザの波長可変共振器内に吸収型の変調器を集積した変調器集積面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
変調器を共振器内に集積した面発光レーザはすでに開発されている。特に、光変調層を共振器内に集積した面発光レーザの中で、光変調層として量子井戸層における吸収の電界依存性を用いるものは、低電圧で超高速の変調が可能なデバイスとして注目されている。（例えば非特許文献１参照）
【０００３】
このような面発光レーザに関して、小山らは、面発光レーザの２つの反射鏡のうちの一方の反射鏡の支持部を組成の異なる二種類の半導体からなる片持ち梁構造とすることにより、周囲温度が変わると、設計された温度係数で自動的に共振器長が変わる面発光レーザを実現した。（非特許文献２、３参照）
【０００４】
図５にその波長可変共振器２１の構成を示す。光反射鏡として上下に円形の２つの分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、以下ＤＢＲ反射鏡という。）２２Ｒ、２３Ｒがあり、２つのＤＢＲ反射鏡２２Ｒ、２３Ｒとこれらに挟まれた部分が共振器２１を構成しており、２つのＤＢＲ反射鏡２２Ｒ、２３Ｒ間の距離が共振器長となり共振波長が決まる。上側のＤＢＲ反射鏡２３には熱応力層２４が積層され、これを片持ち梁２５が支持する構造になっている。片持ち梁２５は、ＤＢＲ反射鏡２３Ｒと同じ膜構成のＤＢＲ反射鏡層２３と熱応力層２４からなり、上側のＤＢＲ反射鏡２３は片持ち梁２５の先端に形成されている。ＤＢＲ反射鏡層２３と熱応力層２４の熱膨張係数が異なるために、温度が変化すると片持ち梁２５に反りが生じ、共振器長が変化し、共振波長が変化する。熱応力層２４’の熱膨張係数がＤＢＲ反射鏡層２３の熱膨張係数より大きければ、片持ち梁２５は下側に反り、共振波長が短波長側に変化し、熱応力層２４の熱膨張係数がＤＢＲ反射鏡層２３の熱膨張係数より小さければ、片持ち梁２５は上側に反り、共振波長が長波長側に変化する。なお、反射鏡層２２は反射鏡２２Ｒと同じ膜構成である。
【０００５】
図６に温度の変化による共振波長の変化を示す。横軸に温度変化量（Ｋ）を、縦軸に波長変化量（ｎｍ）を示す。波長変化量は熱応力層２４の膜厚や梁の長さにも依存するが、図６では、温度の増加により、熱応力層２４がＧａＡｓ層（膜厚５００ｎｍ、梁長１４０μｍ）の場合には共振波長が短波長側に、熱応力層２４’がＧａ０．２Ａｌ０．８Ａｓ層（膜厚１２５０ｎｍ、梁長１４０μｍ）の場合には共振波長が長波長側に変化している。
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｆ．Ｌｉｍ，  Ｊ．Ａ．Ｈｕｄｇｉｎｇｓ，  Ｌ．Ｐ．  Ｃｈｅｎ，  Ｇ．  Ｓ．  Ｌｉ，  Ｗ．Ｙｕｅｎ，  Ｋ．Ｙ．Ｌａｕ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｊ．  Ｃｈａｎｇ−Ｈａｓｎａｉｎ，  “Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ  Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ａｂｓｏｒｂｅｒ”  ，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈ．  Ｌｅｔｔｓ．，  ｖｏｌ．  １０，  Ｎｏ．  ３，  ｐｐ．  ３１９−３２１，  Ｍａｒ．  １９９８
【非特許文献２】Ｔ．  Ａｍａｎｏ，  Ｆ．  Ｋｏｙａｍａ，  Ｔ．Ｈｉｎｏ，  Ｍ．  Ａｒａｉ  ａｎｄ  Ａ．  Ｍａｔｓｕｔａｎｉ，  “Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｔｒａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ”，  Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．  ｖｏｌ．  ２１，  Ｎｏ．３，  ｐｐ．  ５９６−６０１，  Ｍａｒ．  ２００３
【非特許文献３】Ｔ．  Ａｍａｎｏ，  Ｆ．  Ｋｏｙａｍａ，  Ｍ．  Ａｒａｉ  ａｎｄ  Ａ．  Ｍａｔｓｕｔａｎｉ，  “Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｓｍａｌｌ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ”  ，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ｖｏｌ  ４２，  ｐｐ．  Ｌ１３７７−Ｌ１３７９，  Ｎｏｖ．  ２００３．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この変調器集積面発光レーザの課題は、十分な消光比が得られる温度範囲が＋−５から１０度程度と狭く、安定に動作させるためには、ペルチェ素子などによる温度安定化が要求されていた。これは、デバイスの大型化や消費電力の増大を招き、多数のチャンネルを同時に並列に使う光インターコネクションでは、大きな問題点になっていた。この狭い温度範囲の理由を次に述べる。
【０００８】
従来の変調器集積面発光レーザで効果的な光変調を実現するためには、吸収層（光変調層）である量子井戸層の吸収端波長をレーザの発振波長と合わせる必要がある。吸収型の光変調層は量子井戸の量子準位間のエネルギー差より高いエネルギーの光を吸収する。量子準位間のエネルギー差は、バンドギャップエネルギーと伝導帯、価電子帯内の量子準位エネルギーの和になる。このエネルギー差に対応する波長が吸収端波長となる。光変調層に電圧を印加しない状態では、共振器の共振波長を吸収端波長よりも僅かに長波長（低エネルギー）で、吸収が小さい光の波長に設定しておく。そして、光変調層に電圧を印加すると実効的にバンドギャップエネルギーが小さくなり、設定した共振波長の光が吸収されるようになり、印加電圧に応じて吸収量が変化するので、振幅変調が可能である。従って、レーザ光の発振波長が振幅変調される吸収端波長より僅かに長い時に効果的な変調が行われる。面発光レーザの発振波長、すなわち共振波長は屈折率を考慮した共振器の光学長で決まる。一方、吸収端波長は量子井戸層の材料のバンドギャップエネルギーで決まる。従って、共振器の光学長の温度依存性とバンドギャップエネルギーの温度依存性が異なれば、ある温度で光学長とバンドギャップエネルギーの両者の関係を最適な条件に合わせても、温度が変化すると両者の関係が最適条件からはずれて、効率の良い変調がかからなくなるという問題があった。
【０００９】
これは、共振器光学長は屈折率の温度依存性を反映して波長に換算すると約０．１ｎｍ／℃変化するのに対して、吸収端波長はエネルギーギャップの温度依存性により変化するので、波長に換算すると約０．４ｎｍ／℃変化することに起因する。すなわち、従来の変調器集積面発光レーザでは、このように、共振器の光学長で決まる発振波長と、変調器のバンドギャップエネルギーで決まる吸収端波長の温度依存性が４倍程度も異なるので、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特性が悪化してしまい、効率的な変調動作が可能な温度範囲が極めて狭いという問題があった。
【００１０】
本発明は、良好な変調特性が得られる温度範囲を拡大した変調器集積面発光レーザを提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の変調器集積面発光レーザ１は、例えば図１〜３に示すように、レーザ光を励起する活性層６と、電圧印加による光吸収係数の変化を利用して変調を行う吸収型光変調層８と、活性層６及び光変調層８を挟む２つの光反射層４，１２間で光が共振し、温度により共振波長が可変である波長可変共振器１７を備え、波長可変共振器１７の共振波長の温度依存性と光変調層８のバンドギャップエネルギーの温度依存性がほぼ等しい。
【００１２】
ここにおいて、活性層６及び光変調層８は必ずしも全て波長可変共振器１７の内部にある必要はなく、一部が外側にはみ出ても良い。また、光反射層４，１２も全てが共振器１７の光反射鏡４Ｒ，１２Ｒである必要はなく、その外側にはみ出る部分があっても良い。また、波長可変共振器１７の領域は光や電流が広がる部分であり、空間１１領域も含め光反射層４，１２に挟まれた領域で、酸化狭窄層５，７の開口部より幾分広い部分である。このように構成すると、波長可変共振器１７の温度依存性と光変調層８のバンドギャップエネルギーの温度依存性がほぼ等しいので、良好な変調特性が得られる温度範囲を拡大した変調器集積面発光レーザを提供できる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、例えば図１〜３に示すように、２つの光反射層４Ｒ，１２Ｒのうちの１つからなり、波長可変共振器１７の光反射鏡１２Ｒを構成する部分を支持する熱膨張係数の異なる２つの半導体層１２，１３からなる片持ち梁１８を備える。
【００１４】
ここにおいて、光反射鏡は４Ｒ，１２Ｒは光反射鏡層４，１２のうち、波長可変共振器１７の反射鏡として機能する部分が主であるが、この部分に限られず、所定の形状（図１では円形）でこの部分と一体的に形成された周辺部を含むものとする。波長可変共振器１７の境界が必ずしも明確でないため、実際に反射鏡として機能する部分よりも余裕をもって広く形成される。また、かかる周辺部がかなり広い場合には、対をなす光反射鏡と対向する部分とする。また、光反射鏡１２Ｒは片持ち梁１８の一部であっても良く、片持ち梁１８は光反射鏡１２Ｒと共にそれ以外の部分を支持しても良い。また、片持ち梁１８の光反射鏡１２Ｒの部分とこれを支持する部分で材料が同じでも異なっても良い。また、片持ち梁１８の光反射鏡１２Ｒを支持する部分が３以上の半導体層からなるものであっても、そのうちの２以上の半導体層の熱膨張係数が異なれば熱応力による歪みを生じるので、この場合も熱膨張係数が異なる２つの半導体層に含まれるものとする。このように構成すると、温度が変化すると片持ち梁１８に熱応力による反りが生じ、波長可変共振器１７の２つの光反射鏡４Ｒ，１２Ｒ間の共振器長が変化して共振波長が変化するので、良好な変調特性が得られる温度範囲を拡大した変調器集積面発光レーザに適した構造を得られる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の変調器集積面発光レーザにおいて、例えば図１〜３に示すように、２つの光反射層４Ｒ、１２Ｒは、光学長が共振波長の１／４にほぼ等しい厚さで、屈折率の異なる２つの膜を交互に多層積層した分布ブラッグ反射鏡である。
【００１６】
このように構成すると、波長可変共振器１７の共振特性を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、変調器集積面発光レーザにおいて、量子井戸吸収層の吸収波長の温度変化と、面発光レーザの発振波長の温度変化をほぼ一致させることができるので、良好な変調特性が得られる温度範囲が拡大される。例えば、従来の変調器集積面発光レーザの動作温度範囲は指定温度＋―５〜１０℃程度であったのに対して、本発明によればその動作温度範囲を＋−３０〜４０℃以上に拡大できる。これにより、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１に、本発明の第１の実施の形態による変調器集積面発光レーザの構成例を示す。３次元座標をＸＹＺで表す。また、そのＸ方向から見た側面図を図２に、Ｙ方向から見た側面図を図３に示す。変調器集積面発光レーザ１はＧａＡｓ基板２上に、多数の半導体薄膜を積層して、半導体微細加工技術により形成される。
【００２０】
図１〜３において、基板２上に、バッファ層３を介して光反射層として第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４が形成され、その上の一部に第１の酸化狭窄層５、活性層６、第２の酸化狭窄層７、ｐ型コンタクト層１９が台状に形成され、さらにその上の一部に光変調層（吸収層）８、光反射層として中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９が一方向に長い台状に形成されている。この一方向に長い台上の一方の端部にスペーサ層１０が形成され、その他の大部分の上は空間（空気層）になっている。そしてスペーサ層１０上から中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９上の空間１１を挟み延長して、光反射層としての第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２と熱応力層１３からなる片持ち梁１８が形成されている。
【００２１】
片持ち梁１８の先端で第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２は第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとなっており、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４のうち、この第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒの直下にある部分（対向する部分）が第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒとなっている。なお、光反射鏡４Ｒ，１２Ｒは光反射鏡層４，１２のうち反射鏡として機能する部分が主であるが、この部分に限られず、所定の形状（図１では円形）でこの部分と一体的に形成された周辺部を含むものとする。波長可変共振器１７の境界が必ずしも明確でないため、実際に反射鏡として機能する部分よりも余裕をもって広く形成される。また、かかる周辺部がかなり広い場合には、対をなす光反射鏡と対向する部分とする。図１〜３においては、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２の円形に形成された部分が、所定の形状でこの部分と一体的に形成された部分といえ、また、その直下の第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４の部分が対をなす光反射鏡と対向する部分といえ、それぞれ、第１、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ，１２Ｒに該当する。中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒについては、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９のうち第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒ下の矩形の部分が、所定の形状でこの部分と一体的に形成された部分に該当する。
【００２２】
そして、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとは、その間に、空間１１、第１の酸化狭窄層５、活性層６、第２の酸化狭窄層７、ｐ型コンタクト層１９、光変調層８、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒ（以下空間等という。）を挟んで共振器１７を構成している。正しくは、第１の酸化狭窄層５の開口部及び第２の酸化狭窄層７の開口部の上下に当たる部分が主な光路となるので、共振器の中心部分となり、この部分を含んで光や電流が広がる部分が共振器１７として機能する。この共振器１７として機能する部分が共振器１７の領域であり、空間１１領域も含め光反射層４、１２に挟まれた領域で、酸化狭窄層５，７の開口部より幾分広い部分であり、概略、図２、３に破線で示す。したがって共振器１７は、基板２上に形成、固定された第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒから、第１の酸化狭窄層５、活性層６、第２の酸化狭窄層７、ｐ型コンタクト層１９、光変調層８、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒまでの下部と、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒからなる上部と、その間の空間（空気層）１１で構成される。
【００２３】
共振器１７の上部を片持ち梁１８が支持し、片持ち梁１８をスペーサ層１０が支持する構造になっている。片持ち梁１８は、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２と熱応力層１３からなり、これら２つの半導体層１２、１３は熱膨張係数が異なるものである。なお、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとその上の熱応力層１３は片持ち梁１８の一部になっている。
【００２４】
また、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４の露出部分（活性層６のｎ領域に連なる）にｎＡ電極１４が形成され、ｐ型コンタクト層１９（活性層６のｐ領域及び光変調層８のｐ領域に連なる）の露出部分にｐ電極１５が形成され、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９の露出部分（光変調層８のｎ領域に連なる）にｎＢ電極１６が形成されている。ｎＡ電極１４とｐ電極１５とは活性層６に順方向電圧を印加してレーザ光を励起するための電極であり、ｐ電極１５とｎＢ電極１６とは光変調層８に逆方向電圧を印加して振幅変調するための電極である。
【００２５】
本実施の形態では、基板及び各層は例えば次のように形成される。基板１にはｎ型ＧａＡｓ基板が用いられ、その上の多層の半導体薄膜の結晶成長にはＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を使用できる。バッファ層３はその上に形成する薄膜の結晶格子を整えるための層で、ｎ型ＧａＡｓ層を５００ｎｍ形成する。
【００２６】
第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４としてｎ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層８０ｎｍとｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層７０ｎｍの２層の組み合わせを２８対積層する。ＤＢＲ反射鏡層はＤＢＲ反射鏡を形成するための層である。ＤＢＲ反射鏡は半導体２層を交互に重ね合わせた多重構造の反射鏡で、２つのＤＢＲ反射鏡が光共振器を構成し、反射鏡を多重構造とすることにより反射光の波長を揃え、共振特性を高める（Ｑ値を高くする）ものである。第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒで波長可変共振器１７を構成しており、これら２つのＤＢＲ反射鏡４Ｒ，１２Ｒ間を共振する光のみが、増幅されて第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ又は第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒを透過し、外部に出力される。また、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒは、光学長が共振波長の１／４にほぼ等しい厚さで、屈折率の異なる２つの膜を交互に多層積層したＤＢＲ反射鏡であり、これにより共振器１７の共振特性を向上できる。また、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒは活性層６を挟んで一部光を往復する補助的な共振器を構成することにより、活性層６での発振をし易くするものである。
【００２７】
第１の酸化狭窄層５としてｎ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層５５ｎｍの上にｎ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２ＡＳ層３０ｎｍを形成する。酸化狭窄層５、７は電流を効果的に共振器１７の中心部分に絞って効率よく発振させるための層で、光及び電流を透過させる部分を開口し、他の部分を絶縁性の酸化膜とする。開口部はｎ型の半導体層である。活性層６としてノンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層１１３ｎｍ上に、ＧａＡｓ層１０ｎｍとＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層８ｎｍの２層の組み合わせを３対積層し、その上にＧａＡｓ層１０ｎｍとＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層１１３ｎｍを形成する。活性層６は量子井戸構造を有し、注入されたキャリアが再結合し、量子井戸のバンドギャップエネルギーおよび量子準位エネルギーの和に応じた光を発光する。第２の酸化狭窄層７としてｐ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層５５ｎｍの上にｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２ＡＳ層３０ｎｍを形成する。開口部はｐ型の半導体層であり、他の部分を絶縁性の酸化膜となる。酸化狭窄層は１層でも良いが、ここでは２層にして効率性を高めている。第２の酸化狭窄層７上にｐ型コンタクト層１９としてｐ型ＧａＡｓ層を１１０ｎｍ形成する。
【００２８】
光変調層８として２つのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層１４０ｎｍのほぼ中央にＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層８ｎｍを挟む層構造とする。光変調層８として吸収型光変調層を採用する。したがって、光変調層８は吸収層でもあり、量子井戸の量子準位間エネルギー差より高いエネルギーの光を吸収する。すなわち、バンドギャップエネルギーと量子準位エネルギーの和に対応する波長が吸収端波長となる。光変調層８に電圧を印加しない状態では、共振器の共振波長を吸収端波長よりも僅かに長波長（低エネルギー）に設定して、吸収が小さい光の波長に設定しておく。光変調層８に逆方向電圧を印加すると実効的にバンドギャップエネルギーが小さくなり、設定した共振波長の光が吸収されるようになり、印加電圧に応じて吸収量が変化するので、振幅変調が可能である。
【００２９】
中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９としてｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層７０ｎｍとｐ型Ａｌ０９．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層８０ｎｍの組み合わせを３対積層する。中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒは必須ではないが、共振器を形成する第１、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ，１２Ｒの中間に設置され、活性層６を第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒで挟むことにより、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒで光を一部活性層６側に反射させることにより、発振し易くし、発振閾値を下げる効果がある。中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒは積層数が少ないので共振波の一部を反射し、一部を透過する。中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒの反射率を上げれば外側の波長可変共振器１７の共振パワーが小さくなり、反射率を下げればレーザ動作そのものがしにくくなるので、反射率としては６０〜９０％程度が適当である。なお、第１、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ，１２Ｒ間の光学長、及び第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒ間の光学長は共に共振波長の１／２の整数倍にほぼ等しい。
【００３０】
スペーサ層１０としてＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層を１６００ｎｍ形成する。スペーサ層１０の厚さで中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９と第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２間の空間の距離が定まり、これにより、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒで構成される共振器１７の光学長（空間等を光路とする）が定まり、共振波長が定まる。第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２としてｎ型Ａｌ０．９０Ｇａ０．１０Ａｓ層８０ｎｍとｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層７０ｎｍの組み合わせを３３対積層する。熱応力層１３としてＡｌ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ層を５００ｎｍ形成する。
【００３１】
これら多数の膜が積層された後に、フォトリソグラフィと、ドライエッチングで活性層６を含む６０μｍ角の台、光変調層８を含む３０μｍ角の台、およびスペーサ層１０として残す台（１６００ｎｍ）の部分を形成する。次いで、化学エッチングにより、台上のスペーサ層１０のみを残して、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒの下の部分を除去し、空間（空気層）１１を形成する。次いで、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２および熱応力層１３の形状を、フォトリソグラフィとドライエッチングなどで図１〜図３に記載の形状に整える。次いで、ＡｕＺｎ−Ａｕなどの導電膜でｐ電極１５を、ＡｕＮｉ−Ａｕ又はＡｕＧｅ−Ａｕなどの導電膜でｎＡ電極１４、ｎＢ電極１６を形成する。
【００３２】
ｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２（ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ半導体多層膜反射鏡層）と熱応力層１３は片持ち梁１８を構成し、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ（ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓ半導体多層膜反射鏡）と第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとが空間（空気層）１１等を挟んで共振器１７を構成する。すなわち、共振器１７の上部は片持ち梁１８の先端に形成される。上下のＤＢＲ反射鏡４Ｒ、１２Ｒ間で共振した光のみが共振器１７を透過し、第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒから出力、又は第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒから基板２を通して出力される。本実施の形態では、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層４より第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２の方が層数が多いので、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒ側に出力される。また、熱応力層１３はＤＢＲ用材料系でエピタキシャル成長が可能なＧａＡｓ又はＡｌＡｓの混晶半導体で構成されている。
【００３３】
熱応力層１３と第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２の熱膨張係数の差異により、温度変化時に応力によって片持ち梁１８が変位する。熱応力層１３がＧａＡｓ層の時はＧａＡｓ層が第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２よりも大きな熱膨張係数を有し、温度上昇時に片持ち梁１８は基板側に下がるように反る。また、応力層１３がＡｌＡｓ層の時はＡｌＡｓ層が第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層１２よりも小さな熱膨張係数を有し、温度上昇時には片持ち梁１８は基板とは反対側にせり上がるように反る。この様に温度を変化させることで、片持ち梁１８の位置の上下方向への変位をもたらし、共振器１７の共振器長が変化する。
【００３４】
このような片持ち梁１８（カンチレバー）構造を用いて、共振器長の変化による発振波長の変化の温度係数と量子井戸のバンドギャップエネルギーの変化による吸収端波長の変化の温度係数とを一致させることが可能である。例えば、Ｇａ０．２Ａｌ０．８Ａｓ層の厚さを増す、片持ち梁１８の長さを少し長くする等の工夫をし、両者の温度係数を合わせるように正確な設計をすることにより、適切な波長可変共振器１７と光変調層８の組み合わせを実現でき、良好な変調特性が得られる温度範囲を拡大した変調器集積面発光レーザ１を提供できる。
【００３５】
本実施の形態では、熱応力層１３のＡｌ組成を０．４８とし、熱応力層１３の厚さを５００ｎｍとし、片持ち梁１８の長さ（先端まで）を２５０μｍと設定した。このとき、熱応力層１３の熱膨張係数はその直下の第２のＤＢＲ反射鏡層１２の平均的な熱膨張係数よりも小さいために、周囲温度が上昇すると、この片持ち梁１８は図の上方に反る。すなわち、第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒの間でつくる共振器１７の共振器長（光学長）は温度上昇とともに長くなり、その結果発振波長も長くなる。共振波長として約０．９８μｍを選択し、パラメータを上述の如く設定した結果、温度上昇１℃あたり、０．４ｎｍの波長変化になった。この波長変化率は、ＩｎＧａＡｓ光変調層８のバンドギャップが温度とともに縮むことによる光変調層８の最適動作波長（吸収端波長）の波長変化率とほぼ等しい。これにより、このデバイスは、０℃から８０℃の広い温度範囲に渉って、変調された光のオンオフ比が１０ｄＢ以上など、すぐれた変調特性を示した。これにより、温度が変わっても、量子井戸の吸収端波長と発振波長の相対的な関係はほとんど変わらないので、安定な変調特性が期待できる。すなわち、良好な変調特性が得られる温度範囲を大幅に拡大した変調器集積面発光レーザを実現できる。
【００３６】
また、従来の変調器集積面発光レーザをこのような広い温度範囲で使うには、ペルチェ素子などの温度制御素子をいっしょに使わざるを得ず、デバイス形状が大きくなり、消費電力も大幅に増大し、その結果、多数の素子を並列に使う光インターコネクションなどへの適用に大きな制限が加えられていたのに対して、本実施の形態によれば、小型で低消費電力のデバイスを実現可能となり、上記光インターコネクションなどへの適用における上記制限が除去される。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態による変調器集積面発光レーザについて説明する。第１の実施の形態では、ＤＢＲ反射鏡が３つ、酸化狭窄層が２つの例を説明したが、本実施の形態では、ＤＢＲ反射鏡を２つとし、酸化狭窄層を１つとするものである。すなわち、第１の実施の形態から、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層９と第１の酸化狭窄層５を除去して、波長可変共振器１７の光反射鏡を第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとで構成する。この場合、空間１１を含む第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡４Ｒと第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡１２Ｒの光学長から共振波長が定まる。したがって、中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡９Ｒと第１の酸化狭窄層５の光路分、空間１１の距離を長くし、熱応力層１３の膜厚、片持ち梁１８の長さを調整する等により、共振器長の変化による発振波長の変化の温度係数と量子井戸のバンドギャップエネルギーの変化による吸収端波長の変化の温度係数とを一致させることが可能である。例えば、熱応力層１３の厚さと、片持ち梁１８の長さをパラメータとして、ｍ×ｎのサンプルを試作し、そのうち発振波長の変化の温度係数とバンドギャップエネルギーの変化の温度係数が最も近い組み合わせの近傍でパラメータを再調整する等により、実験を通して両者の温度係数とを一致させても良い。
【００３８】
次に、本発明の第３の実施の形態による変調器集積面発光レーザについて説明する。第１、第２の実施の形態では、温度変化とともに反りが変わる光反射鏡を保持する片持ち梁１８として、ＤＢＲ反射鏡層１２の一方と同じ組成の層を下側に熱応力層１３を上側にして２層を組み合わせた。同じ効果を得るのに、片持ち梁１８のうち共振器１７のＤＢＲ反射鏡１２Ｒを支持する部分のみ熱膨張係数の異なる２つの半導体層、たとえば、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層との組み合わせを用い、共振器１７のＤＢＲ反射鏡１２Ｒを別に積層しても良い。この構造では、ＤＢＲ反射鏡１２Ｒとして、半導体でなく、誘電体多層膜を蒸着などにより片持ち梁１８の先端部分に形成し、可動反射鏡としても良い。
【００３９】
図４に本発明の第４の実施の形態として、変調器集積面発光レーザをアレイ状に配置した変調器集積面発光レーザ装置を示す。４×４のレーザアレイ３１が基板３２上に配置され、そのうちの３×３の発光レーザ３３からレーザ光３４が発光している状態を示している。各発光レーザ３３は第１の実施の形態における変調器集積面発光レーザを用いる。この場合各発光レーザ３３の発振周波数が等しくなるので、並列処理用、時系列的使用、大電力利用等の場合に使用できる。なお、各レーザ光３４の発振周波数を変えて、波長多重通信用等、全体として広い周波数帯で使用できるようにしても良い。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。
【００４１】
例えば、レーザ光の利用効率を高めるため活性層を埋め込み型にしたり、省電力化のため量子ドット構造の活性層としても良い。また、共振波長も例えば０．４μ〜１．６μの間で選択可能である。また、本実施の形態では、光反射鏡としてＤＢＲ反射鏡の例を説明したが、単層の反射鏡でも良い。また、本実施の形態では、酸化狭窄層が１つ又は２つの例を説明したが、無くても良い。また、薄膜の形成はＭＯＣＶＤ法に限られず、ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いても良い。また、一致する温度係数の値も任意に選択でき、その他、反射鏡層等の２種の層の対数、薄膜の組成や膜厚、台や電極の配置等は多様である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、使用温度範囲の広いレーザ光の取得に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による変調器集積面発光レーザの構成例を示す図である。
【図２】図１の変調器集積面発光レーザをＸ方向から見た側面図である。
【図３】図１の変調器集積面発光レーザをＹ方向から見た側面図である。
【図４】本発明による変調器集積面発光レーザをアレイ状に配置した図である。
【図５】従来の変調器集積面発光レーザの構成例を示す図である。
【図６】温度の変化による共振波長の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    変調器集積面発光レーザ
２    基板
３    バッファ層
４    第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡層（光反射層）
４Ｒ  第１のｎ型ＤＢＲ反射鏡
５    第１の酸化狭窄層
６    活性層
７    第２の酸化狭窄層
８    光変調層
９    中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡層（光反射層）
９Ｒ  中間ｎ型ＤＢＲ反射鏡
１０  スペーサ層
１１  空間
１２  第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡層（光反射層）
１２Ｒ  第２のｎ型ＤＢＲ反射鏡
１３  熱応力層
１４  ｎＡ電極
１５  ｐ電極
１６  ｎＢ電極
１７  波長可変共振器
１８  片持ち梁
１９  ｐ型コンタクト層
２１  波長可変共振器
２２、２３  ＤＢＲ反射鏡層
２２Ｒ，２３Ｒ  ＤＢＲ反射鏡
２４、２４’  熱応力層
２５  片持ち梁
３１  レーザアレイ
３２  基板
３３  面発光レーザ
３４  レーザ光
【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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