(57)【要約】【課題】  外部励起光によって垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の活性層を励起する構成をとる場合に、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の製造工程を煩雑化させることのない構造のものにする。【解決手段】  基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、共振器構造内に外部励起光によって励起する活性領域を有しており、外部励起光は、共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、外部励起光の入射角を設定可能となっている。【選択図】      図１
2006261150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に外部励起光によって励起する活性領域を有しており、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】
基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に、電流注入で発光する第１の活性領域と、外部励起光によって発光する第２の活性領域とを有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
【請求項３】
基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器構造を有し、複数の共振器構造が光学的に結合して１つの共振モードを形成する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、１つの共振器構造内に電流注入で発光する第１の活性領域を有し、他の共振器構造内に外部励起光によって発光する第２の活性領域を有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記外部励起光として、複数の外部励起光が用いられることを特徴とする垂直共振器型面発光光半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性領域には、窒素とその他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に入射させる外部励起光を発生する外部励起光源とを有していることを特徴とする発光システム。
【請求項７】
請求項６記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、半導体レーザであることを特徴とする発光システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子であることを特徴とする発光システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置が用いられていることを特徴とする光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および発光システムおよび光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮやアクセス系、ホームネットワークにも展開されてきている。例えば、イーサネットにおいては、１０Ｇｂｐｓの伝送容量が開発されてきている。将来的には更なる伝送容量の増加が求められており、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送システムが期待されている。
【０００３】
ＬＡＮや光インターコネクション用の光源としては、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の使用が検討されるようになってきている。ＶＣＳＥＬは、端面発光型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また製造工程で劈開が不用で、ウエハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。そのため、１０Ｇｂｐｓを超えた大容量の光ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、ＶＣＳＥＬが期待されている。
【０００４】
しかしながら、電流注入によって発振するＶＣＳＥＬは、通常、多層膜反射鏡を通して電流が注入される。この多層膜反射鏡は、屈折率が互いに異なる半導体層を交互に積層したものであり、多数のヘテロ界面を持つため、どうしても抵抗が高くなる。その結果、ＶＣＳＥＬの素子抵抗が高くなりやすく、ＣＲ時定数による変調帯域への制限から、高速変調が難しくなりやすく、かつ電流注入による発熱が問題になりやすい。また、素子抵抗を下げるために多層膜反射鏡のドーピング濃度を上げて低抵抗化しようとすると、今度は光吸収によりＶＣＳＥＬの発振が妨げられてしまうという問題が生じる。
【０００５】
また、ＶＣＳＥＬを光通信や光インターコネクション用光源として用いる際には高速での変調が望まれるが、高速変調にはＶＣＳＥＬの素子容量の低減が好ましく、そのためにはＶＣＳＥＬの素子径を小さくすることが有効である。しかし、素子径を小さくすると電流注入による熱の放熱に不利になってしまう。
【０００６】
このようにＶＣＳＥＬはいくつかの問題点から高速変調に対して制限がかかりやすいが、ＶＣＳＥＬを高速に変調する方法としては、これまでいくつかの技術が提案されている。
【０００７】
そのような提案の一形態として外部からの注入光（外部励起光）を用いる方法が提案されている。
【０００８】
例えば特許文献１には、ＶＣＳＥＬに光注入励起を行う横方向共振器型半導体レーザが同一基板上に集積されて形成されており、ＶＣＳＥＬの活性層の禁制帯幅を横方向共振器型半導体レーザの禁制帯幅よりも小さく設定し、かつ横方向共振器型半導体レーザの禁制帯幅がＶＣＳＥＬの障壁層の禁制帯幅より小さいことで、光励起効率を高めており、外部変調として、横方向共振器型半導体レーザからの変調光信号を入力させることにより、ＶＣＳＥＬの変調周波数を増加させる技術が示されている。しかしながら、特許文献１の仕方では、横方向に共振器構造を形成してやらなければならないので、素子の製造工程が煩雑になり、高コスト化するという問題があった。
【０００９】
また非特許文献１には、励起用の０．８５μｍ帯ＶＣＳＥＬと１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬを集積した構造が報告されている。この非特許文献１では、１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬにおいては電流注入構造はとられておらず、０．８５μｍ帯ＶＣＳＥＬで励起することで１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬの発振を得るようになっている。この場合は、１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬの多層膜反射鏡を通して活性層を励起しなければならず、そのため多層膜反射鏡の高反射帯域から大きくずれた０．８５μｍ帯のＶＣＳＥＬで励起を行っている。よって、励起用ＶＣＳＥＬの容量や抵抗を含む各種特性によって、素子全体の変調特性が制限される。また、本来１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬの活性層の禁制帯幅よりエネルギーが高く、障壁層の禁制帯幅よりエネルギーの低い励起光を用いると励起効率が良いが、中でも１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬの多層膜反射鏡の高反射帯域に対応するような波長の光では多層膜反射鏡を透過できないため励起光として用いることができない。
【００１０】
また、非特許文献２には、ＶＣＳＥＬ発振モードに同期した光を外部から注入してＶＣＳＥＬ中での光密度を高めることで、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させ、高速変調を可能にさせることが報告されている。しかし、この方法では、ＶＣＳＥＬの共振モードに厳密に一致したレーザ光を外部から注入してやらなければならず、数ｎｍの波長ずれでモード同期が不可能になり、かつＶＣＳＥＬの共振モードからずれることで多層膜反射鏡の反射でＶＣＳＥＬ内部への光の注入が不可能になってしまう。そのため、注入用のレーザ波長とＶＣＳＥＬの共振モード波長との厳密な一致を必要とし、双方のレーザの歩留まりが制限され、高コスト化してしまうという問題がある。
【特許文献１】特開平７−２４９８２４号公報
【非特許文献１】Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  １９９８，  ３４，  ｐｐ１４０５−１４０７
【非特許文献２】ＬＱＥ２００３−１５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、外部励起光によって垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の活性層（活性領域）を励起する構成をとる場合に、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の製造工程を煩雑化させることのない構造のものにすることができ、また、ＶＣＳＥＬの活性層の禁制帯幅よりもエネルギーが高く、障壁層の禁制帯幅よりもエネルギーの低い励起光で励起効率を上げつつ、ＶＣＳＥＬの多層膜反射鏡の高反射率帯域内の光であってもＶＣＳＥＬ共振モード波長と外部励起光の波長を厳密に一致させなくても多層膜反射鏡を通して励起可能な構成で、高速変調に適した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置および発光システムおよび光伝送システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に外部励起光によって励起する活性領域を有しており、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に、電流注入で発光する第１の活性領域と、外部励起光によって発光する第２の活性領域とを有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器構造を有し、複数の共振器構造が光学的に結合して１つの共振モードを形成する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、１つの共振器構造内に電流注入で発光する第１の活性領域を有し、他の共振器構造内に外部励起光によって発光する第２の活性領域を有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記外部励起光として、複数の外部励起光が用いられることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性領域には、窒素とその他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に入射させる外部励起光を発生する外部励起光源とを有していることを特徴とする発光システムである。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、半導体レーザであることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項６または請求項７記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置が用いられていることを特徴とする光伝送システムである。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の発明によれば、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に外部励起光によって励起する活性領域を有しており、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定（調整）可能となっており、外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角が設定（調整）されているときには、高効率で励起を行うことが可能になるとともに、外部励起光を垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の表面あるいは裏面から入射させることが可能な構成となっているので、活性層の側面方向から外部励起光を入射させるような構成に比べて、素子構造やプロセスが単純で済むため、コスト的に有利である。また、外部励起光を変調することにより、高速変調が可能になる。
【００２２】
また、請求項２記載の発明によれば、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記共振器構造内に、電流注入で発光する第１の活性領域と、外部励起光によって発光する第２の活性領域とを有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定可能となっており、外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角が設定（調整）されているときには、高効率で励起を行うことが可能になるとともに、外部励起光を垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の表面あるいは裏面から入射させることが可能な構成となっているので、活性層の側面方向から外部励起光を入射させるような構成に比べて、素子構造やプロセスが単純で済むため、コスト的に有利である。また、外部励起光を変調することにより、高速変調が可能になる。
【００２３】
また、請求項３記載の発明によれば、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器構造を有し、複数の共振器構造が光学的に結合して１つの共振モードを形成する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、１つの共振器構造内に電流注入で発光する第１の活性領域を有し、他の共振器構造内に外部励起光によって発光する第２の活性領域を有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定（調整）可能となっており、外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角が設定（調整）されているときには、高効率で励起を行うことが可能になるとともに、外部励起光を垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の表面あるいは裏面から入射させることが可能な構成となっているので、活性層の側面方向から外部励起光を入射させるような構成に比べて、素子構造やプロセスが単純で済むため、コスト的に有利である。また、外部励起光を変調することにより、高速変調が可能になる。
【００２４】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記外部励起光として、複数の外部励起光が用いられるので、各外部励起光源として、より低出力のレーザを用いることが可能になり、励起光源の制約が少なくなり低コスト化に有利である。
【００２５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、活性領域には、窒素とその他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられているので、光通信に好適な１．３μｍ帯で発光が可能なデバイスを提供できる。
【００２６】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置と、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に入射させる外部励起光を発生する外部励起光源とを有していることを特徴とする発光システムであり、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置が用いられるので、高速変調が可能であり、また、コスト的に有利な発光システムを提供できる。
【００２７】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、半導体レーザであるので、安価で小型化が可能になり、コスト面で一層有利となる。
【００２８】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子であるので、より小型で安価な発光システムを提供できる。
【００２９】
また、請求項９記載の説明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置が用いられているので、安価で小型の光伝送システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３１】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記共振器構造内に外部励起光によって励起する活性領域を有しており、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定（調整）可能となっていることを特徴としている。
【００３２】
外部励起光は、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）の共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有している。つまり、外部励起光としては、ＶＣＳＥＬの共振モード波長よりわずかに短い波長のものを用いるが、通常の垂直入射では反射鏡で反射されてしまうため活性領域を励起することができない。これに対して垂直入射方向から側面方向に入射角を徐々にずらしていくと、見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていく。そのため、この短波長化した見かけ上の共振モードと外部励起光の波長とが一致したとき、ＶＣＳＥＬ内部に励起光が注入可能になる。つまり、ＶＣＳＥＬの共振波長と外部励起光の波長との関係が適当な範囲に入っていれば、外部励起光の入射角を調整することで、見かけ上の共振モードに一致させて励起光の注入が可能になるため、ＶＣＳＥＬの共振波長と外部励起光の波長とを厳密に一致させる必要が無く、コストの低減に役立つ。また、外部励起光として、ＶＣＳＥＬの共振波長よりも短い波長の光を用いる場合には、ＶＣＳＥＬの共振波長と同じ場合よりも励起効率が良好である。
【００３３】
具体的に一例を挙げると、例えば１３００ｎｍで発振するＶＣＳＥＬ共振器構造の場合、垂直入射（９０°入射）では、１３００ｎｍの共振モードであるのに対して、７５度入射まで倒すと、１２９６ｎｍまで見かけ上の共振モードが短波化する。さらに４５度まで倒すと、１２７０ｎｍまで見かけ上の共振モードが短波化するため、４５度入射までであれば約３０ｎｍ短い励起光まで利用可能になる（図７を参照）。
【００３４】
外部励起光を用いる場合に、側面方向から活性層に入射させるには、どうしても素子構成が複雑になりコストが増加しやすい。これに対して、第１の形態では、素子の表面あるいは裏面から外部励起光を入射させることができるので、素子入射のための開口部分を素子の表面あるいは裏面という比較的プロセス上の制約の少ない部分に設けることができ、かつプロセスの難易度も高くならずに済むため、コストが低くて済むという利点がある。また利用可能な励起光源波長がＶＣＳＥＬの発振波長と近く、かつ短い波長なので、光の励起効率もよくできる。このような構成では、ＶＣＳＥＬは外部励起光により変調できる。
【００３５】
半導体レーザを直接変調する場合に、変調帯域を制限する原因として、ＣＲ時定数から決まる電気的周波数応答特性が挙げられる。ＣＲ時定数τ＝ＣＲは入力電圧に対する電流値変化の遅れ量を表す値であるから、この時定数を少なくすることは変調帯域を広げるのに重要である。
【００３６】
一般に、ＶＣＳＥＬにおいては、酸化狭窄構造に起因する静電容量Ｃ、あるいは、ＤＢＲ中のヘテロ界面での抵抗に起因するＲが大きくなりやすく、どうしても電気的周波数応答が端面発光型半導体レーザに比べて不利になりやすい。
【００３７】
本発明においては、より電気的に直接変調の行いやすいＤＦＢ（分布帰還型）レーザなどを外部励起光源として用い、このＤＦＢレーザなどの外部励起光源の光出力を直接変調することで、ＶＣＳＥＬ活性層からの発光強度を変調させるため、より高速変調が行いやすい。
【００３８】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた共振器構造を有している垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記共振器構造内に、電流注入で発光する第１の活性領域と、外部励起光によって発光する第２の活性領域とを有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は、前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定（調整）可能となっていることを特徴としている。
【００３９】
すなわち、第２の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、共振器内に設けられた電流注入で発光する第１の活性領域に加えて、電流注入機構を有せず外部励起光によって発光する第２の活性領域を備えたことを特徴としている。第１の活性領域に注入する電流を変調することにより、第１の活性領域内のキャリア密度が変化して、光出力強度が変調される。一方、第２の活性領域では、外部から励起光を連続的に注入することで誘導放出が生じ、励起光強度を閾光出力以上に増加させると、レーザ発振が生じる。
【００４０】
この第２の形態においても、第１の形態と同様に、ＶＣＳＥＬの共振波長と外部励起光の波長との関係が適当な範囲に入っていれば、外部励起光の入射角を調整することで、見かけ上の共振モードに一致させて励起光の注入が可能になるため、ＶＣＳＥＬの共振波長と外部励起光の波長とを厳密に一致させる必要が無く、コストの低減に役立つ。また、外部励起光として、ＶＣＳＥＬの共振波長よりも短い波長の光を用いる場合には、ＶＣＳＥＬの共振波長と同じ場合よりも励起効率が良好である。また、素子の表面あるいは裏面から外部励起光を入射させることができるので、素子入射のための開口部分を素子の表面あるいは裏面という比較的プロセス上の制約の少ない部分に設けることができ、かつプロセスの難易度も高くならずに済むため、コストが低くて済むという利点がある。
【００４１】
また、第２の形態では、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光によって発光する第２の活性領域とは、同一の共振器構造内に設けられており、また共振器の有する同一の共振モード波長に対して両者ともに利得を有している。従って、電流注入による発振光と外部励起光による発振光は同一波長で発振し、モード同期する。これにより、従来の電流注入によって発生する光子密度に、外部励起光で発生させた光子密度が同一モードで加えられるため、素子内部の光子密度を従来よりも増加させることができる。
【００４２】
半導体レーザを直接変調する場合に、変調帯域を制限する原因として、ＣＲ時定数，キャリア輸送効果，緩和振動周波数などが挙げられる。特に、緩和振動周波数は、発光層におけるキャリア密度変化に対して誘導放出速度が追随できなくなる限界の周波数であり、直接変調する場合に本質的な制限となっている。  緩和振動周波数ｆｒは一般に次式（数１）で表わされる。
【００４３】
【数１】
2006261150.tif 000003
【００４４】
ここでΓは光閉じ込め係数、ηは微分利得、Ｓは光子密度、τｐは光子寿命である。
【００４５】
この第２の形態では、光子密度を増加させることができ、これによって、数１からわかるようにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させ、高速変調が可能となる。
【００４６】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、基板上に多層膜反射鏡で上下をはさまれた複数の共振器構造を有し、複数の共振器構造が光学的に結合して１つの共振モードを形成する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、１つの共振器構造内に電流注入で発光する第１の活性領域を有し、他の共振器構造内に外部励起光によって発光する第２の活性領域を有し、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光で発光する第２の活性領域とは同一の共振モード波長に対して利得を有し、前記外部励起光は前記共振器構造が有する共振モード波長よりも短く、かつ前記多層膜反射鏡の高反射率帯域の波長を有しており、共振器構造への外部励起光の入射角を垂直入射方向（共振器構造の発光光軸と平行な方向）から側面方向に徐々にずらしていくときに共振器構造における見かけ上の共振モードが短波長側にシフトしていくことを利用して、前記外部励起光の波長が、短波長化した見かけ上の共振モードの波長と一致するよう、前記外部励起光の入射角を設定（調整）可能となっていることを特徴としている。
【００４７】
第３の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）では、第１の活性領域に注入する電流を変調することにより、第１の活性領域内のキャリア密度が変化して、光出力強度が変調される。一方、第２の活性領域では、外部から励起光を連続的に注入することで誘導放出が生じ、励起光強度を閾光出力以上に増加させると、レーザ発振が生じる。この第３の形態においても、ＶＣＳＥＬの表面または裏面から入射角を垂直から傾けて、見かけ上短波になった共振モードに一致させて励起光を注入することで、利用可能な励起光源波長がＶＣＳＥＬの発振波長と近く、かつ短い波長にできる。ゆえに光の励起効率もよくできる。また、ＶＣＳＥＬの構造も、側面方向からの励起光入射を行う場合に比べて、複雑でなくて済むので、コストを低減できる。
【００４８】
また、第３の形態では、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光によって発光する第２の活性領域とは、異なる共振器構造内に設けられているが、複数の共振器構造は光学的に結合して１つの共振モードを形成している。また、同一の共振モード波長に対して、電流注入で発光する第１の活性領域と外部励起光によって発光する第２の活性領域は、ともに利得を有している。従って、電流注入による発振光と外部励起光による発振光は同一波長で発振し、モード同期する。これにより、従来の電流注入によって発生する光子密度に、外部励起光で発生させた光子密度が同一モードで加えられるため、ＶＣＳＥＬ内部の光子密度を従来よりも増加させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数が増加し、高速変調が可能となる。
【００４９】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、前記外部励起光として、複数の外部励起光が用いられることを特徴としている。
【００５０】
本発明では、ＶＣＳＥＬの表面または裏面から、入射角を垂直方向から側面方向に向けて傾けて見かけ上短波になった共振モードに一致させて、励起光を注入することで、ＶＣＳＥＬに対して斜めに外部励起光源を配置できる。ＶＣＳＥＬへの垂直入射では外部励起光源を複数にすることには困難が伴うが、ＶＣＳＥＬに斜めに外部励起光を入射可能な本発明の構成では、ＶＣＳＥＬに対して複数の外部励起光源を用いることができる。これにより、各外部励起光源に比較的出力の弱いレーザを用いることも可能であり、それによって、より安価に光源を選ぶことができる。また、複数の外部励起光源は厳密に同一波長でなくてもよく、それぞれの波長がわずかにずれていても入射角をコントロールすることで励起光源として利用可能であるので、コストが最低限で済む。
【００５１】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性領域には、窒素とその他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴としている。
【００５２】
ここで、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。上記混晶半導体は、ＧａＡｓ基板上に結晶成長可能な長波長帯材料系であり、以下ＧａＩｎＮＡｓを例にして説明する。
【００５３】
ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ等の障壁層との伝導帯電子の閉じ込め障壁高さを３００ｍｅＶ以上と高くすることができるため、電子のオーバーフローが抑制され、良好な温度特性を有している。また、ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた高反射率，高熱伝導性の分布ブラッグ反射鏡を用いることができ、長波長帯で良好な性能の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を形成可能である。
【００５４】
本発明は、変調周波数を向上させることで、１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送を可能とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を提供することを目的としている。１０Ｇｂｐｓ以上の高い伝送帯域では、石英光ファイバの分散によって伝送距離が制限される。ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族元素との混晶半導体を活性領域に用いることで、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍのＶＣＳＥＬを形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。
【００５５】
第５の形態では、第１乃至第４のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）において、活性領域には、窒素とその他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられているので、光通信に好適な１．３μｍ帯で発光可能なデバイスを提供できる。
【００５６】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）と、該垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）に入射させる外部励起光を発生する外部励起光源とを有していることを特徴とする発光システムである。
【００５７】
この第６の形態の発光システムには、第１乃至第５のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）が用いられるので、高速変調が可能であり、また、コスト的に有利な発光システムを提供できる。
【００５８】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第６の形態の発光システムにおいて、前記外部励起光源は、半導体レーザであることを特徴としている。
【００５９】
第７の形態では、外部励起光源を半導体レーザにすることで、発光システムのサイズを小型化することができ、また発光システムの消費電力を低減することができる。外部励起光源として用いる半導体レーザとしては、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ，分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ等を用いることができる。
【００６０】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第６または第７の形態の発光システムにおいて、前記外部励起光源は垂直共振器型面発光半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【００６１】
垂直共振器型面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、端面発光型半導体レーザに比べて、消費電力が低く、また低コストで製造することができる。従って、外部励起光源としてＶＣＳＥＬを用いることにより、より一層の低消費電力化と、発光システムの低コスト化が可能となる。
【００６２】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）が用いられていることを特徴とする光伝送システムである。
【００６３】
第９の形態の光伝送システムは、本発明の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を用いた高速変調に好適な構成を有しており、そのため、外部変調器や電子冷却素子を用いない安価な構成となっており、大容量，低コストの光伝送システムを提供することができる。
【００６４】
次に、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００６５】
図１（ａ），（ｂ）は本発明の実施例１の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。なお、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図（平面図）である。
【００６６】
図１（ａ）を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板上には、ｎ型半導体多層膜反射鏡（ｎ型ＤＢＲ）、ＧａＡｓ下部スペーサ層、Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９／ＧａＡｓ  ＤＱＷ量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層／Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ酸化層／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層、ｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ型ＤＢＲ）が順次に形成されている。ここで、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層，Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ酸化層，Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３層は、全体で光学長で３／４λとなる低屈折率層として設計されている。この低屈折率層の厚さは１／４λの奇数倍であれば良く、必ずしも３／４λでなければならないわけではない。Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層は例えば３０ｎｍ厚になっている。Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を含む低屈折率層の上部には１／４λのＧａＡｓ高屈折率層から始まる積層構造を成長し、全体で上部の反射鏡として働くｐ型ＤＢＲが形成される。この面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を作製する工程は以下のようになる。
【００６７】
まず、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりｎ型ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓとをそれぞれレーザの発振波長に対して光学長が１／４λとなるような厚さで交互に積層（例えば３５周期）して下部ＤＢＲ（ｎ型ＤＢＲ）とし、その上部に、ＧａＩｎＮＡｓ層からなる量子井戸活性層（層厚が８ｎｍ×２）をＧａＡｓスペーサ層で挟んだ光学長λの共振器構造を成長する、さらにその上に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層，ＡｌＡｓ酸化層，Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３層で形成した低屈折率層から始まる上部ＤＢＲ（ｐ型ＤＢＲ）を（例えば２５周期）成長する。
【００６８】
次に上記積層構造を反応性イオンエッチングにより活性層下までエッチングし、例えば約５０μｍφのポスト状のメサに加工する。そして、エッチングにより表面が露出した側面からＡｌＡｓ層を選択的に酸化し、酸化物による絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成される。電流は、絶縁領域によって例えばおよそ５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層に注入される。
【００６９】
また、ｐ型ＤＢＲの表面にはｐ側電極が形成されるが、ｐ型ＤＢＲの表面の一部には、図１（ｂ）に示すように、外部励起光を入射させるための入射口として電極が付けられていない部分が設けられている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にはｎ側電極が形成されている。
【００７０】
このようにＶＣＳＥＬの構成そのものはほとんど通常のＶＣＳＥＬと変わりなく、外部励起光の入射部のみを考慮すればよく、しかも、この入射部は、基板の表面あるいは裏面に設けられるので、プロセス的な手間はほとんど無く、困難なく設けることが可能である。
【００７１】
実施例１のＶＣＳＥＬでは、ＤＱＷ量子井戸活性層で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡で反射して増幅され、レーザ光として基板と垂直方向に放射される。この実施例１では、例えば１３００ｎｍで発振を得られるように共振器構造は設計されている。
【００７２】
なお、この実施例１では、外部励起光をＶＣＳＥＬの表面から入射させているが、ＶＣＳＥＬの裏面から入射させる構造でも良い。また、外部励起光を発生する外部励起光源としては、波長１２７０〜１２７５ｎｍで発光するＤＦＢレーザを用いることができる。ここで、ＤＦＢレーザは、その発光波長が安定であれば、厳密に波長が設定される必要は無く、例えば本実施例のように１２７０〜１２７５ｎｍの発振波長であれば、入射角を４０〜４５度の範囲で調整することで、ｐ型ＤＢＲ上の入射口（入射部）を通じて内部へ励起光を注入することが可能になる。そのため、ＤＦＢレーザの波長は、厳密に特定波長で設定されず、一定波長で駆動するための温度コントロールさえなされていれば、あとは入射角のコントロールのみで注入が可能になる。
【００７３】
また、この実施例１のＶＣＳＥＬには、電流注入構造も設けられており、活性層に電流注入を行なうことができるようになっている。そこで、実施例１では、ＶＣＳＥＬの活性層にしきい電流値よりもわずかに低い電流を連続して注入しておく、このとき活性層は発振直前までキャリアが注入された状態で保たれていることになる。そこに外部励起光としてＤＦＢレーザからの光が注入されることで発振が起きる。このとき、ＤＦＢレーザの波長は１２７０ｎｍ程度であり、ＶＣＳＥＬの発振波長より３０ｎｍ短くなっている。このように、ＶＣＳＥＬの発振波長に近い波長でかつより短波長である光を注入できるため、励起効率が良くなる。
【００７４】
このように外部励起光を併用することで、注入電流を低い状態で発振させることが可能になる。また、光の変調はＤＦＢレーザの変調を用いて行うことで、ＶＣＳＥＬ単体の電流注入で発振を得る場合に比べて、より高速での変調が可能になる。具体的には、例えばＤＦＢレーザーで光パルスを１０ＧＨｚで入力することで、ＶＣＳＥＬの活性層が光パルスに対応して励起され、１０ＧＨｚでの変調が可能になる。ＤＦＢレーザは一般に１０ＧＨｚ程度の変調特性は得られており、この帯域程度であれば比較的容易に変調が可能な素子が得られる。
【００７５】
以上のようなレーザ構造において、ＶＣＳＥＬの発振波長に近く、なおかつわずかに短波長のレーザ光を励起光として用いることが可能になるため励起効率が高くなる。外部励起光源の波長は一定であれば外部励起光源の波長に合わせて外部励起光の入射角をコントロールすることで、ある程度の波長範囲のものを利用可能であり、光源の自由度が上がることで、コストを下げられる。また横方向（側面方向）からの励起光注入（入射）と異なり、励起光を活性層に入射するために特別な構造を形成する必要がなく、コストも高くならずに済む。
【実施例２】
【００７６】
図２は本発明の実施例２の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【００７７】
図２においては、半絶縁性基板（ＧａＡｓ基板）上に、ノンドープＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層構造からなるＤＢＲ１が形成されている。ここで、ＤＢＲ１を構成する各半導体層は１／４波長厚である。ノンドープＤＢＲ１上には、ＧａＡｓからなる第１スペーサ層（スペーサ層１）、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸からなる第１活性層（活性層１）、ｎ型ＧａＡｓからなる第２スペーサ層（スペーサ層２）、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸からなる第２活性層（活性層２）、ＧａＡｓからなる第３スペーサ層（スペーサ層３）、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層、ｐ型ＤＢＲ２が順次に積層されている。ｐ型ＤＢＲ２はｐ型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの積層構造であり、それぞれ１／４波長厚さで構成されている。
【００７８】
図２では、積層構造表面からｎ型の第２スペーサ層（スペーサ層２）の途中まで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。また、メサ側面からＡｌＡｓ選択酸化層が酸化されて電流狭窄構造が形成されている。また、ｐ型ＤＢＲ２の表面には光射出部分を除いてリング状にｐ側電極が形成されている。さらにメサ底面の第２スペーサ層（スペーサ層２）上にはｎ側電極が形成されている。
【００７９】
この実施例２においては、ｐ電極，ｎ電極から電流が注入されることによって第２活性層（活性層２）が励起されて１．３μｍ帯の光が発生する。この際、電流狭窄構造により電流が狭窄され活性層２へと注入される。
【００８０】
活性層２で発した光は、２つのＤＢＲ（ＤＢＲ１，ＤＢＲ２）に挟まれた共振器内で共振して垂直方向にレーザ光が取り出される。この実施例２では、レーザ発振波長が１３００ｎｍである。
【００８１】
この実施例２のＶＣＳＥＬにおいては、電流注入で発光する第２活性層（活性層２）とは別に、外部励起光の入射で発光する第１活性層（活性層１）が設けられている。この活性層１には電流注入構造はなく、活性層１は、外部励起光の入射によって発振する。外部励起光を発生する外部励起光源としては波長１２７０〜１２７５ｎｍで発光するＤＦＢレーザを用いることができる。ここで、ＤＦＢレーザは、その発光波長が安定であれば厳密に波長が設定される必要は無く、例えば本実施例のように１２７０〜１２７５ｎｍの発振波長であれば、入射角を４０〜４５度の範囲で調整することで、ＶＣＳＥＬの裏面（基板の裏面）から内部へ外部励起光を注入することが可能になる。そのため、ＤＦＢレーザの波長は厳密に特定波長で設定されず、一定波長で駆動するための温度コントロールさえなされていれば、あとは入射角のコントロールのみで注入が可能になる。
【００８２】
入射する外部励起光の強度を閾値以上にすれば、第１活性層（活性層１）は１．３μｍ帯で発光し、共振器構造で発振が生じる。第１活性層（活性層１）、第２活性層（活性層２）ともに等しいバンドギャップにしてあり、かつ同一共振構造で発振するように構成してあることで、電流注入で発振した第２活性層（活性層２）と光入射で発振した第１活性層（活性層１）とは同一波長での発振となる。第１活性層（活性層１）が連続して光励起された状態で第２活性層（活性層２）にしきい電流値以上の電流注入を行い連続的に発振させると、ＶＣＳＥＬは単一モードで連続発振する。ここで、第２活性層（活性層２）の注入電流の電流値を変調させると、第２活性層（活性層２）のキャリア密度の変調に対応してＶＣＳＥＬから射出されるレーザ光の強度が変調される。このとき、電流注入による第２活性層（活性層２）からの発光に第１活性層（活性層１）から発生した光が同一モードで加えられるため、ＶＣＳＥＬ構造内における光子密度が増加する。
【００８３】
このように、第２活性層（活性層２）における電流注入によるキャリア密度を抑えたまま光子密度を高くすることで、電流注入する第２活性層（活性層２）のキャリアオーバーフローによる利得飽和が抑制され、その結果、緩和振動周波数が増加して高速変調が可能になる。特に、この実施例２では、石英光ファイバーの分散による影響を低くできる１．３μｍ帯での発振波長を有しており、１０Ｇｂｐｓ以上での高速伝送が可能な光源として利用可能な構成になっている。
【００８４】
以上のような高速変調に好適なＶＣＳＥＬにおいて、ＶＣＳＥＬの発振波長に近く、なおかつわずかに短波長のレーザ光を励起光として用いることが可能になるため、励起効率が高くなる。外部励起光源の波長は一定であれば外部励起光源の波長に合わせて入射角をコントロールすることで、ある程度の波長範囲のものを利用可能であり、外部励起光源の自由度が上がることで、コストを下げられる。また、横方向（側面方向）からの励起光注入と異なり、励起光を活性層に入射するために特別な構造を形成する必要がなく（基板の裏面に励起光の入射部を設けるだけで良く）、コストも高くならずに済む。
【実施例３】
【００８５】
図３は本発明の実施例３の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。この実施例３では、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にノンドープのＤＢＲ１が積層されている。ＤＢＲ１はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓを１／４波長厚で積層したものである。
【００８６】
ノンドープＤＢＲ１上には、ノンドープＧａＡｓのスペーサ層１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸からなる活性層１、ノンドープＧａＡｓのスペーサ層２、ノンドープＤＢＲ２が順次に積層されている。ここで、ノンドープＤＢＲ２もＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ積層であるが、その層数はノンドープＤＢＲ１より少なくなっている。
【００８７】
さらにその上には、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２、ＧａＡｓスペーサ層４、ｐ型ＡｌＡｓ層、ｐ型ＤＢＲ３が積層されている。
【００８８】
ここで、ＤＢＲ３は、ｐ型にドープされたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの積層からなり、その厚さは各１／４波長厚さである。
【００８９】
この実施例３では、積層構造の表面から第３スペーサ層（スペーサ層３）の途中までをエッチングし円筒状のメサ構造を形成している。メサ構造の側面からは選択酸化を行いＡｌＡｓ層を選択酸化して電流狭窄構造を形成している。また、Ｐ型ＤＢＲ３の表面には、リング状のｐ電極を設け、メサ底面の第３スペーサ層上にはｎ電極を形成している。
【００９０】
この実施例３の構造では、ＶＣＳＥＬに、ＤＢＲ１とＤＢＲ２とに挟まれた共振器と、ＤＢＲ２とＤＢＲ３とに挟まれた共振器との２つの共振器が存在する。なお、この実施例３では、各ＤＢＲのブラッグ反射波長はすべて１３００ｎｍにしてある。また共振器の共振波長は１３００ｎｍの整数倍にしてある。ＤＢＲ２の積層数がＤＢＲ１およびＤＢＲ３よりも少なくなっていることで、２つの共振器は光学的に結合して１つの共振モードを有する複合共振器を形成することになる。
【００９１】
この実施例３のＶＣＳＥＬにおいて、ｐ電極，ｎ電極から電流を注入することによって電流狭窄構造で電流が狭窄されて第２活性層（活性層２）に注入され、活性層２では１．３μｍ帯の光を発する。活性層２で発生した光は複合共振器内で共振し、基板と垂直にレーザ光を射出する。
【００９２】
この実施例３のＶＣＳＥＬにおいては、電流注入で発光する第２活性層（活性層２）とは別に、励起光入射で発光する第１活性層（活性層１）が存在する。この活性層１には電流注入構造はなく、外部からの光注入（外部励起光の入射）によって発振する。外部励起光を発生する外部励起光源としては、波長１２７０〜１２７５ｎｍで発光するＤＦＢレーザを用いることができる。ここで、ＤＦＢレーザはその発光波長が安定であれば厳密に波長が設定される必要は無く、例えば１２７０〜１２７５ｎｍの発振波長であれば入射角を４０〜４５度の範囲で調整することで、ＶＣＳＥＬの裏面（基板の裏面）から内部へ外部励起光を入射させることが可能になる。そのため、ＤＦＢレーザの波長は厳密に特定波長で設定されず、一定波長で駆動するための温度コントロールさえなされていれば、あとは入射角のコントロールのみで入射が可能になる。
【００９３】
第１活性層（活性層１）に外部励起光を注入すると活性層１は１．３μｍ帯の光を発し、閾値を越えると上記複合共振器内で発振しレーザ光を射出する。２つの活性層は同一のモードを有して複合共振器内で発振するため２つの活性層は同一波長で発振する。
【００９４】
第１活性層（活性層１）を光励起で連続発振させ第２活性層（活性層２）へしきい値以上の電流を注入し連続発振をさせると、ＶＣＳＥＬは単一モードで連続発振をする。このとき、第２活性層（活性層２）への注入電流値を変調させるとキャリア密度が変化し、これに対応して発振しているレーザ光強度が変調される。このとき第１活性層（活性層１）からのレーザ発振光が同一モードで加わるためＶＣＳＥＬ中の光子密度が高くなり、第２活性層（活性層２）のキャリアオーバーフローを抑制でき、利得飽和が起きにくくなり、緩和振動周波数が増加して、高速変調が可能になる。この実施例３では、石英光ファイバーの分散による影響を低くできる１．３μｍ帯での発振波長を有しており、１０Ｇｂｐｓ以上での高速伝送が可能な光源として利用可能な構成になっている。
【００９５】
以上のような高速変調に好適なＶＣＳＥＬにおいて、ＶＣＳＥＬの発振波長に近く、なおかつわずかに短波長のレーザ光を励起光として用いることが可能になるため、励起効率が高くなる。外部励起光源の波長は一定であれば光源の波長に合わせて入射角をコントロールすることで、ある程度の波長範囲のものを利用可能であり、外部励起光源の自由度が上がることで、コストを下げられる。また、横方向（側面方向）からの励起光注入と異なり、励起光を活性層に入射するために特別な構造を形成する必要がなく（基板の裏面に励起光の入射部を設けるだけで良く）、コストも高くならずに済む。
【実施例４】
【００９６】
図４は実施例４の発光システムを示す図である。この実施例４は、基本構成は実施例２と同一であるが、外部励起光を発生する外部励起光源を複数設けている点が異なっている。この実施例４では、外部励起光源として、ＤＦＢレーザを２個用いているが、可能であればもっと増やしてもかまわない。本発明では、外部励起光を垂直以外の角度で入射しているので、複数の外部励起光源からの外部励起を同時に同一のＶＣＳＥＬに入射することが容易になる。複数の外部励起光源を用いることができれば、各々の外部励起光源として、より出力の低いレーザを用いることが可能になり、低コスト化が可能になる。また、複数の外部励起光源で少しずつ波長がずれていても、入射角度を調整することで、問題なく外部励起光源として利用可能であり、コスト面で有利である。
【実施例５】
【００９７】
図５は実施例５の発光システムを示す図である。この実施例５は基本構成は実施例２と同一であるが、外部励起光を発生する外部励起光源としてＶＣＳＥＬを用いている点が異なっている。ＶＣＳＥＬは小型集積化が容易なレーザ構造であり小型で安価な半導体レーザとして知られているため、これを外部励起光源として用いることで、より低コストで小型の発光システムを構成できる。また、この実施例５において、外部励起光源としてＶＣＳＥＬを複数用いることもできる。ＶＣＳＥＬは一般に出力が端面発光型に比べて低くなるため、外部励起光源として用いる際に複数の素子を使えることは有利である。
【実施例６】
【００９８】
図６は実施例６の光伝送システムを示す図である。図６を参照すると、光送信部において、電気信号が光信号に変換されて光ファイバケーブルに導入される。光ファイバケーブルを導波した光は、光受信部で再び電気信号に変換されて出力される。
【００９９】
光送信部と光受信部は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール（光通信モジュール）として構成されている。光ファイバケーブルは、送り用と受け用の２本が一対となっており、双方向に通信可能となっている。
【０１００】
この実施例６の光伝送システムの光送信部には、光源として実施例２のレーザ装置を用いている。実施例２のレーザ装置は緩和振動周波数を向上させており、高速変調が可能であり、高ビットレートの信号伝送が可能となっている。本実施例では石英光ファイバーの分散による影響を低くできる１．３μｍ帯での発振波長を有しており、１０Ｇｂｐｓ以上での高速伝送が可能な光源として利用可能な構成になっている。以上のような高速変調に好適なシステムにおいて、ＶＣＳＥＬの発振波長に近く、なおかつわずかに短波長のレーザ光を励起光として用いることが可能になるため、励起効率が高くなる。外部励起光源の波長は一定であれば外部励起光源の波長に合わせて入射角をコントロールすることで、ある程度の波長範囲のものを利用可能であり、外部励起光源の自由度が上がることで、コストを下げられる。また横方向（側面方向）からの励起光注入（入射）と異なり、励起光を活性層に入射するために特別な構造を形成する必要がなく、コストも高くならずに済む。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施例１の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【図２】実施例２の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【図３】実施例３の面発光半導体レーザ装置（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【図４】実施例４の発光システムを示す図である。
【図５】実施例５の発光システムを示す図である。
【図６】実施例６の光伝送システムを示す図である。
【図７】外部励起光の入射角度と見かけの共振モード波長との関係を示す図である。
【図１】
2006261150.tif 000004
【図２】
2006261150.tif 000005
【図３】
2006261150.tif 000006
【図４】
2006261150.tif 000007
【図５】
2006261150.tif 000008
【図６】
2006261150.tif 000009
【図７】
2006261150.tif 000010