(57)【要約】【課題】  緩和振動周波数が高く、チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送に適した、簡易な構成の高速変調可能な発光装置を提供する。【解決手段】  基板１０１上に多層膜反射鏡１０２，１１２で上下をはさまれた複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源１１７と、励起用直流電源１１８とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層１０５，１０９が設けられ、それぞれの前記活性層１０５，１０９は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層１０５，１０９のうちの１つの活性層１０９は、前記変調用パルス電源１１７に電気的に接続され、また、前記活性層１０５，１０９のうちの他の活性層１０５は、前記励起用直流電源１１８に電気的に接続されている。【選択図】      図１
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【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複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの前記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの１つの活性層は、前記変調用パルス電源に電気的に接続され、また、前記活性層のうちの他の活性層は、前記励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
請求項１記載の発光装置において、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴とする発光装置。
【請求項３】
請求項２記載の発光装置において、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴とする発光装置。
【請求項４】
請求項２記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴とする発光装置。
【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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴とする発光装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることを特徴とする発光装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることを特徴とする発光装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光装置において、前記活性層には、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴とする発光装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システム。
【請求項１０】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。
【請求項１１】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。
【請求項１２】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングさ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素子。
【請求項１３】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。
【請求項１４】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。
【請求項１５】
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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量光伝送などに適した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を備えた発光装置および光伝送システムおよび垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。
【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】
伝送容量が１０Ｇｂｐｓ以下の光伝送用光源においては、半導体レーザの注入電流を変調することで出力光強度を変調する直接変調方式が主に用いられている。しかしながら、半導体レーザを直接変調により１０ＧＨｚを超えた変調周波数で動作させることは困難であった。そこで、１０Ｇｂｐｓを超えた光伝送用光源としては、半導体レーザから出力された光を外部変調器で変調する方式が開発されている。しかし、外部変調方式では、モジュールサイズが大きく、また部品点数が多いためコストが高いというデメリットがある。そのため、外部変調器を備えた光伝送技術は、幹線系のような高価なシステムには用いられても、ＬＡＮやホームネットワークのような一般ユーザが用いるシステムには不向きとなっている。
【０００４】
これに対し、近年では、ＬＡＮや光インターコネクション用の光源として、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）が用いられるようになってきている。ＶＣＳＥＬは、従来の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光源として、直接変調によるＶＣＳＥＬが期待されている。
【０００５】
ＶＣＳＥＬを高速に変調する方法としては、これまで以下のような報告がなされている。
【０００６】
すなわち、特許文献１には、上部の多層膜反射鏡を介さずに電流を活性領域に注入させ、このとき、横方向抵抗を低減するために、２次元キャリアの生成が可能な変調ドープ積層構造を設け、これにより、ＶＣＳＥＬの抵抗を低減して、抵抗（Ｒ）と容量（Ｃ）で制限される電気的な変調帯域を増加させる技術が示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、発光層の近傍にサブバンド間吸収する量子井戸層を設け、変調信号光を入力すると、量子井戸層のサブバンド間吸収によりキャリア分布が変調され、発光層のキャリア密度も変調されて、発光出力が変調され、従って、応答速度がＣＲ時定数やキャリア輸送効果に影響されることなく、高速化される技術が示されている。
【０００８】
また、特許文献３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、ＶＣＳＥＬの活性層の禁制帯幅は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て、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。
【０００９】
また、非特許文献１には、ＶＣＳＥＬにＤＦＢレーザの光を注入させて、ＶＣＳＥＬの発振波長を同期させ（インジェクションロック）、これにより、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を２２．８ＧＨｚに増加させる技術が示されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１８５０７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４０３９号公報
【特許文献３】特開平７−２４９８２４号公報
【非特許文献１】信学技報  ＯＰＥ２００３−２１８，  ＬＱＥ３００３−１５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献１においては、ドライバ回路から出力される電気的変調信号がＶＣＳＥＬの発光層のキャリア密度を変調させるときの応答速度を改善している。また、特許文献２，特許文献３においては、外部から変調光信号を入力することにより、素子に電流が流れるときの電気的な応答速度の遅れの影響をなくしている。
【００１２】
しかしながら、いずれの構造も、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，すなわち緩和振動周波数については増加させることができない。そのため、変調速度が緩和振動周波数で制限されることになる。
【００１３】
一方、非特許文献１においては、ＶＣＳＥＬの発振モードに同期した光を外部から注入することにより、ＶＣＳＥＬ内部の光子密度を高めている。内部光子密度は緩和振動周波数と関係しており、内部光子密度を高めることで、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることが可能となっている。しかしながら、上記方法においては、外部から注入するレーザ光の波長を、ＶＣＳＥＬの共振モード波長と厳密に一致させる必要がある。波長ずれが数ｎｍ程度で、モード同期されなくなり、緩和振動周波数を増加させることができなくなってしまう。そのため、波長のチューニングや温度制御を行う必要があり、装置構成が複雑となってしまう。
【００１４】
本発明は、緩和振動周波数が高く、チャンネル当たりの伝送容量が１０Ｇｂｐｓを超える大容量伝送に適した、簡易な構成の高速変調可能な発光装置および光伝送システムおよび垂直共振器型面発光半導体レーザ素子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】
【００１５】
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複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの前記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの１つの活性層は、前記変調用パルス電源に電気的に接続され、また、前記活性層のうちの他の活性層は、前記励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発光装置において、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の発光装置において、前記励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴としている。
【００１９】
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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項６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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光装置において、前記変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることを特徴としている。
【００２２】
また。請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光装置において、前記活性層には、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２４】
また、請求項１０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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１１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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１２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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項１３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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体であることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項１４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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴としている。
【００２９】
また、請求項１５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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１乃至請求項８記載の発明によれば、複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードが形成されており、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振することにより、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度を増加させてＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。これにより、簡易な構成で１０Ｇｂｐｓを超える高速変調可能な発光装置を提供することができる。
【００３１】
特に、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発光装置において、それぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積が、励起用直流電源に電気的に接続する活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、基本横モードの光出力を増加させることができる。
【００３２】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。
【００３３】
また、請求項４記載の発光装置は、請求項２記載の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対応する高抵抗領域の容量成分が低減され、電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。
【００３４】
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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることにより、素子の抵抗を低減させて、発光装置の消費電力を低減することができる。
【００３５】
また、請求項６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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることにより、光吸収を抑制して高反射率の反射鏡を形成することができて、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減し、また外部量子効率を増加させることができる。
【００３６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることにより、多重量子井戸構造活性層の微分利得を増加させることができ、さらにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【００３７】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光装置において、活性層には、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体が含まれていることにより、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍのＶＣＳＥＬを形成することができ、これによって、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送に適した発光装置を形成できる。
【００３８】
また、請求項９記載の光伝送システムは、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の発光装置を備えていることにより、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調（例えば４０Ｇｂｐｓ）をＶＣＳＥＬの直接変調で可能にしている。そのため、外部変調器や電子冷却素子を用いることなく、低コストで大容量の光伝送システムを構築することができる。
【００３９】
また、請求項１０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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられ、各共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成し、複数の活性層はすべて同一の共振モード波長に対して利得を有しているので、それぞれの活性層に電流注入するとモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができ、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数が増加する。また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡をｎ型で形成することにより、素子抵抗を低減することができ、ＶＣＳＥＬの電気的変調帯域が増加する。従って、ＶＣＳＥＬを高速変調することができる。
【００４０】
また、請求項１１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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。さらに、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であるため、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を低減することができ、ＶＣＳＥＬの閾電流の低減、外部量子効率の向上が可能となる。
【００４１】
また、請求項１２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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングさ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素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされているため、多重量子井戸活性層の微分利得が増加し、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数をさらに増加させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上することができる。
【００４２】
また、請求項１３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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも１つの活性層は窒素と他のＶ族元素との混晶半導体であることにより、活性層の微分利得を高くでき、緩和振動周波数を向上させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上させることができる。また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ帯の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。
【００４３】
また、請求項１４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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられ、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なっており、狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなり、また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減されるため、ＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができ、従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上させることができる。
【００４４】
また、請求項１５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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）であり、このＶＣＳＥＬは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことから、イオン注入により形成した高抵抗領域による電流狭窄構造においては、容量と抵抗を共に小さくすることができ、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制されるため、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。以上の効果により、ＶＣＳＥＬを高速変調動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４６】
（第１の形態）
【００４７】
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複数の共振器を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの１つの活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続され、また、活性層のうちの他の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることを特徴としている。
【００４８】
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。
【００４９】
緩和振動周波数ｆｒは一般に次式（数１）で表される。
【００５０】
【数１】
2006019679.tif 000003
【００５１】
数１において、Γは光閉じ込め係数、ｇは微分利得、Ｓは光子密度、τｐは光子寿命である。数１によれば、緩和振動周波数ｆｒは、光子密度Ｓを大きくするほど、高くできる。しかしながら、発光層中にキャリアが高注入されると、キャリアオーバーフローや素子の発熱等により利得の飽和が生じ、光子密度を増加させることができなくなってしまう。そのため、緩和振動周波数は１０ＧＨｚ程度に抑えられている。
【００５２】
本発明の第１の形態の発光装置は、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を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子と、変調用パルス電源と、励起用直流電源とを備え、前記垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には、それぞれ、活性層が設けられ、それぞれの活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、前記活性層のうちの１つの活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続され、また、活性層のうちの他の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続され、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振するようになっていることにより（すなわち、複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードが形成されており、同一の共振モードに対して、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層と励起用直流電源に電気的に接続された活性層とがモード同期して発振することにより）、垂直共振器型面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子内部の光子密度を増加させてＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。これにより、簡易な構成で１０Ｇｂｐｓを超える高速変調可能な発光装置を形成できる。
【００５３】
以下、共振器構造が２個の場合を例として説明する。第１の共振器構造には第１の活性層が設けられており、第２の共振器構造には第２の活性層が設けられている。第１の活性層は、変調用パルス電源に電気的に接続されており、第１の活性層に注入する電流を変調することにより、第１の活性層内のキャリア密度が変化して、光出力強度が変調されるようになっている。また、第２の活性層は、励起用直流電源に電気的に接続されており、直流電流が注入されることにより誘導放出が生じ、閾電流以上になるとレーザ発振が生じるようになっている。
【００５４】
第１の活性層と第２の活性層は、異なる共振器構造内に設けられているが、第１の共振器構造と第２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、第１の活性層と第２の活性層とはともに利得を有している。従って、第１の活性層に電流注入したときの発振光と第２の活性層に電流注入したときの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、１つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、第２の活性層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。従って、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数が増加し、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調可能な発光装置を実現できる。
【００５５】
本発明の発光装置の特徴を生かすためには、第１の活性層に注入する変調用パルス電源がＯＦＦの場合でも、励起用直流電源より第２の活性層に電流注入することでレーザ発振が維持されている方が好ましい。これにより、少ない注入パルス電流で第１の活性層の利得を増加させることができるため、より高い光出力まで第１の活性層の利得を高く維持することが可能となる。
【００５６】
なお、第１の活性層に電気的に接続されている変調用パルス電源は、パルス電流に直流バイアス電流を付加する機能を有することもできる。第１の活性層に対して、発振閾電流近傍まで直流バイアス電流を加え、さらにパルス電流を重畳させた場合、第１の活性層において、レーザ発振に必要なキャリア密度が蓄積される時間が短縮され、発振遅れ時間が減少する。従って、第１の活性層に加えるパルス電流に対するレーザ発振の応答性が改善され、一層、変調速度を向上させることができる。
【００５７】
また、本発明のＶＣＳＥＬでは、第１の活性層と第２の活性層とはそれぞれ別の共振器構造内に設けられているので、第１の活性層と第２の活性層との距離を離すことができる。従って、第１の活性層と第２の活性層との電気的クロストークや熱的クロストークを低減することができる。
【００５８】
また、前述した非特許文献１に報告されているＶＣＳＥＬは、発振モードに同期した光を外部の端面発光型（ＤＦＢ）半導体レーザから注入することにより、ＶＣＳＥＬ内部の光子密度を高めている。そのため、外部から注入するレーザ光の波長を、ＶＣＳＥＬの共振モード波長と厳密に一致させる必要がある。これに対し、本発明では、励起用直流電源に接続された活性層が発光する光は、変調用パルス電源に接続された活性層が発光する光と同一の共振モードでレーザ発振するため、素子内部の光子密度を常に同一波長で増加させることができる。従って、励起光の発振波長を厳密に制御する必要がなく、簡易な装置構成で高速変調を実現できる。
【００５９】
また、本発明においては、励起光を発生させる構造もＶＣＳＥＬ構造となっているため、励起光を発生させるために必要な消費電力を、端面発光型半導体レーザに比べて低減することができる。
【００６０】
なお、文献「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．３８，  Ｎｏ．１２，  ｐｐ２７８−２８０  （２００２）」には、共振器内に２つの活性層を備えたＶＣＳＥＬ構造が報告されている。上記ＶＣＳＥＬは３端子構造となっており、２つの活性層にそれぞれ独立に電流を注入する構造となっている。しかしながら、電流注入する２つの活性層は同一の共振器構造内に設けられており、本発明とは構造が異なっている。
【００６１】
また、文献「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．３４，  Ｎｏ．１４，  ｐｐ１４０５−１４０７  （１９９８）」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。しかし、この報告例においては、２つの共振器構造の共振モードが結合しておらず、それぞれ独立の発振波長で発振する。そのため、本発明のようにモード同期して内部光出力を増加させることができず、緩和振動周波数を増加させる構造とはなっていない。従って、本発明とは構造及び動作原理が異なっている。
【００６２】
また、文献「ＣＬＥＯ２００１，  ＣｔｕＢ１  （２００１）」には、活性層を有する２つの共振器が光学的に結合したＶＣＳＥＬが報告されている。しかしながら、本発明のような高速変調動作については報告されていない。
【００６３】
本発明において、第１の活性層及び第２の活性層は、ＶＣＳＥＬ素子内の光定在波分布において、腹の位置に設けることが望ましい。これにより、光定在波と活性領域との結合効率が増加して、閾値を低減することができる。
【００６４】
また、ＶＣＳＥＬの温度特性を向上させるために、共振モード波長に対して、室温における活性領域の利得ピーク波長を短波長側にシフトさせることができる。このとき、第１の活性層における波長シフト量と第２の活性層における波長シフト量とは、必ずしも一致させる必要はない。それぞれの活性層の利得スペクトル帯域内に共振モード波長が入っていればよい。
【００６５】
以上、共振器が２個の場合を例として説明してきたが、更に共振器を増加させることも可能である。この場合、変調信号が入力される活性層を１つとし、他の活性層を励起用に用いることができる（他の活性層には直流電流を注入して励起用に用いることができる）。
【００６６】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の発光装置において、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子のそれぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積は、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことを特徴としている。
【００６７】
このように、第２の形態では、第１の形態の発光装置において、それぞれの活性層に対して注入する電流を狭窄する手段が設けられており、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄される面積が、励起用直流電源に電気的に接続する活性層に対して電流狭窄される面積よりも広いことにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、基本横モードの光出力を増加させることができる。
【００６８】
以下、共振器構造が２個の場合を例として説明する。すなわち、例として、第１の形態で説明したように第１の共振器構造には第１の活性層が設けられており、第２の共振器構造には第２の活性層が設けられているとし、第１の活性層及び第２の活性層に対して、それぞれ注入する電流を狭窄する構造が設けられ、第１の活性層に対して電流狭窄される面積は、第２の活性層に対して電流狭窄される面積よりも広くなっているとする。
【００６９】
このように、変調信号が入力される第１の活性層に対して電流を狭窄する面積を大きくすることで、第１の活性層における電流狭窄部の抵抗が低減され、従って、第１の活性層に注入する電流を変調するときのＣＲ時定数が低減されて、電気的な変調帯域を増加させることができる。
【００７０】
また、励起用直流電源に電気的に接続された第２の活性層においては、第１の活性層の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードの光出力を増加させることができる。
【００７１】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第２の形態の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続された活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられることを特徴としている。
【００７２】
このように、第３の形態では、第２の形態の発光装置において、励起用直流電源に電気的に接続される活性層に対して電流を狭窄する手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造を用いることにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。
【００７３】
すなわち、第３の形態では、変調用パルス電源が接続された第１の活性層の電流注入領域よりも狭い面積で、第２の活性層に対する電流狭窄部では水平方向の屈折率差が形成され、光を中央部に閉じ込める構造となっている。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなるため発振が抑制される。これにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。
【００７４】
なお、水平方向に屈折率差が形成される電流狭窄手段としては、例えばＡｌを含む半導体層を側面から選択的に酸化するＡｌ酸化狭窄構造や、エッチング層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造を用いることができる。
【００７５】
Ａｌ酸化狭窄構造では、Ａｌを含む半導体層を酸化することでＡｌＯｘ絶縁層が形成され、酸化された領域は電流が流れなくなる。これにより、電流は、酸化されていない領域に狭窄される。また、酸化されていない領域は、酸化された領域よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じて、光を水平横方向に閉じ込めることができる。
【００７６】
また、エアギャップ構造では、電流はサイドエッチングされていない半導体層にのみ流れることで狭窄される。そして、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、Ａｌ酸化狭窄構造と同様に、光を水平横方向に閉じ込めることができる。
【００７７】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第２の形態の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることを特徴としている。
【００７８】
第４の形態では、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域が用いられることにより、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層に対応する高抵抗領域の容量成分が低減され、電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。
【００７９】
すなわち、プロトンや酸素、Ｃｒ，Ｆｅ等の重金属を半導体層にイオン注入すると、注入された領域は高抵抗となり、電流をイオン注入されていない領域に狭窄することができる。イオン注入により形成した高抵抗領域は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、変調信号が入力される第１の活性層に対する高抵抗領域が形成する容量成分は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いる場合に比べて低減される。従って、第１の活性層に注入される電流を変調するときのＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。
【００８０】
（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発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴としている。
【００８１】
基板に隣接した多層膜反射鏡、及び、最表面側の多層膜反射鏡は、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。一方、共振器の間に設けられた多層膜反射鏡は、共振器が光学的に結合する必要があるため、反射率を下げる必要がある。
【００８２】
多層膜反射鏡を半導体で形成する場合に、屈折率の異なる半導体層をブラッグ反射条件を満たすように交互に積層し、積層数を多くすることで、高反射率が得られる。通常、ＶＣＳＥＬでは２０周期以上の積層数が必要となる。
【００８３】
屈折率の異なる半導体層を積層すると界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約１桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、ｐ型半導体を積層した多層膜反射鏡の抵抗は、ｎ型半導体層を積層した多層膜反射鏡よりも抵抗が高くなる。
【００８４】
そこで、第５の形態では、高反射率が必要であるために積層数が多くなる、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡を、ｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、発光装置の消費電力を低減することができる。
【００８５】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の発光装置において、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることを特徴としている。
【００８６】
多層膜反射鏡を構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにｐ型半導体層では、正孔濃度が増加すると価電子帯間吸収による光吸収が増加してしまう。
【００８７】
基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡は、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。そのため、多層膜反射鏡の積層数を数１０層と多くしている。積層数が多い、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡において、各半導体層のキャリア濃度を低減させることにより、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を効果的に低減することができる。従って、ＶＣＳＥＬの閾電流をさらに低減でき、また外部量子効率も増加させることができる。
【００８８】
このように、第６の形態では、基板に隣接した多層膜反射鏡、および／または、最表面側の多層膜反射鏡が、低キャリア濃度層であることにより、光吸収を抑制して高反射率の反射鏡を形成することができて、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減し、また外部量子効率を増加させることができる。
【００８９】
なお、低キャリア濃度層のキャリア濃度としては、半導体層中の自由キャリア吸収を１０ｃｍ−１未満に低減して、光吸収損失の影響を抑制できるようにするために、５×１０１７ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００９０】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の発光装置において、変調用パルス電源に電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることを特徴としている。
【００９１】
ＭＱＷ構造の障壁層に、ｐ型不純物を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングすることにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、微分利得ｇを増加させることができる。数１より、微分利得ｇを増加させる効果は、ＶＣＳＥＬ素子内の光子密度Ｓを増加させる効果と併用することにより、さらにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【００９２】
障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３よりも小さい場合には、微分利得を増加させる効果がほとんど見られない。また、障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３よりも大きくなると、障壁層の結晶品質が低下してしまう。従って、障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲で行うことが望ましい。
【００９３】
このように、第７の形態では、変調用パルス電源と電気的に接続された活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることにより、多重量子井戸構造活性層の微分利得を増加させることができ、さらにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【００９４】
なお、ｐ型不純物としては、Ｃ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ等を用いることが可能である。特に、Ｃは、高濃度にドーピングしても熱拡散しにくいため、急峻なドーピングプロファイルを形成することができ、適している。
【００９５】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第７のいずれかの形態の発光装置において、活性層には、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体が含まれていることを特徴としている。
【００９６】
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る。以下、ＧａＩｎＮＡｓを例にして説明する。
【００９７】
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を形成可能である。
【００９８】
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直接変調光源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。
【００９９】
このように、第８の形態では、活性層には、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体が含まれていることにより、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍのＶＣＳＥＬを形成することができ、これによって、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送に適した発光装置を形成できる。
【０１００】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第１乃至第８のいずれかの形態の発光装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【０１０１】
上記発光装置は、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調（例えば４０Ｇｂｐｓ）をＶＣＳＥＬの直接変調で可能にしている。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いる。従って、大容量の光伝送システムを低コストで構築することができる。
【０１０２】
（第１０の形態）
本発明の第１０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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１０３】
すなわち、本発明の第１０の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）は、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられている。そして、各共振器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、複数の活性層は、すべて同一の共振モード波長に対して利得を有している。従って、それぞれの活性層に電流注入しても同一波長で発振し、モード同期する。これにより、従来１つの活性層に電流注入して発生する光子密度に、他の活性層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。従って、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数が増加し、高速変調動作が可能となる。
【０１０４】
なお、活性層は、ＶＣＳＥＬ内の光定在波分布において、腹の位置に設けることが望ましい。これにより、光定在波と活性層との結合効率が増加して、閾電流を低減することができる。
【０１０５】
また、本発明の第１０の形態では、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡の導電型が、ｎ型であることを特徴としている。基板に隣接した多層膜反射鏡及び最表面側の多層膜反射鏡は、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。一方、共振器の間に設けられた多層膜反射鏡は、共振器が光学的に結合する必要があるため、反射率を下げる必要がある。
【０１０６】
すなわち、多層膜反射鏡を半導体で形成する場合に、屈折率の異なる半導体層をブラッグ反射条件を満たすように交互に積層し、積層数を多くすることで高反射率が得られる。通常、ＶＣＳＥＬでは２０周期以上の積層数が必要となる。屈折率の異なる半導体層を積層すると、界面にヘテロ障壁が形成される。半導体層において、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも約１桁大きいため、正孔はヘテロ障壁をトンネルすることが困難である。そのため、ｐ型半導体を積層した多層膜反射鏡の抵抗は、ｎ型半導体層を積層した多層膜反射鏡よりも抵抗が高くなる。
【０１０７】
そこで、本発明の第１０の形態では、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡をｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。これにより、ＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、ＶＣＳＥＬの消費電力を低減することができる。
【０１０８】
このように、第１０の形態のＶＣＳＥＬでは、複数の活性層がそれぞれ異なる共振器内に設けられ、各共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成し、複数の活性層はすべて同一の共振モード波長に対して利得を有しているので、それぞれの活性層に電流注入するとモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができ、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数が増加する。また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡をｎ型で形成することにより、素子抵抗を低減することができ、ＶＣＳＥＬの電気的変調帯域が増加する。従って、ＶＣＳＥＬを高速変調することができる。
【０１０９】
（第１１の形態）
本発明の第１１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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１１０】
本発明の第１１の形態のＶＣＳＥＬは、第１０の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。
【０１１１】
さらに、第１１の形態のＶＣＳＥＬは、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であることを特徴としている。多層膜反射鏡を構成する半導体層のキャリア濃度が増加すると、自由キャリアによる光吸収が増加する。さらにｐ型半導体層では、正孔濃度が増加すると価電子帯間吸収による光吸収が増加してしまう。一方、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡は、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減するために、高反射率にする必要がある。そのため、多層膜反射鏡の積層数を数１０層と多くしている。第１１の形態では、積層数が多い基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡において各半導体層のキャリア濃度を低減させることにより、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を効果的に低減することができ、ＶＣＳＥＬの閾電流を一層低減することができる。また、外部量子効率も増加させることができる。
【０１１２】
低キャリア濃度層のキャリア濃度としては、半導体層中の自由キャリア吸収を１０ｃｍ−１未満に低減して、光吸収損失の影響を抑制できるようにするために、５×１０１７ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【０１１３】
このように、第１１の形態のＶＣＳＥＬでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。さらに、基板に隣接した多層膜反射鏡及び／または最表面側の多層膜反射鏡が低キャリア濃度層であるため、ＶＣＳＥＬの内部吸収損失を低減することができ、ＶＣＳＥＬの閾電流の低減、外部量子効率の向上が可能となる。
【０１１４】
（第１２の形態）
本発明の第１２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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングさ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素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１１５】
本発明の第１２の形態のＶＣＳＥＬは、第１０の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。
【０１１６】
さらに、第１２の形態のＶＣＳＥＬは、少なくとも１つの活性層が、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされていることを特徴としている。
【０１１７】
ＭＱＷ構造の障壁層に、ｐ型不純物を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングすることにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、微分利得ｇを増加させることができる。微分利得ｇを増加させる効果は、ＶＣＳＥＬ素子内の光子密度Ｓを増加させる効果と併用することにより、さらにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をより一層向上させることができる。
【０１１８】
障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３より小さい場合には、微分利得を増加させる効果がほとんど見られない。また、障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３より大きくしてしまうと、障壁層の結晶品質が低下してしまう。従って、障壁層に対するｐ型不純物のドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲で行うことが望ましい。
【０１１９】
ｐ型不純物としては、Ｃ，Ｚｎ，Ｂｅ，Ｍｇ等を用いることが可能である。特にＣは高濃度にドーピングしても熱拡散しにくいため、急峻なドーピングプロファイルを形成することができるため、適している。
【０１２０】
このように、第１２の形態のＶＣＳＥＬでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも１つの活性層は、量子井戸層と障壁層を複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）から構成されており、障壁層にｐ型不純物が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲でドーピングされているため、多重量子井戸活性層の微分利得が増加し、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数をさらに増加させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上することができる。
【０１２１】
（第１３の形態）
本発明の第１３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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記活性層のうちの少なくとも１つの活性層は、窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体であることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１２２】
本発明の第１３の形態のＶＣＳＥＬは、第１０の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、高速変調動作が可能となる。
【０１２３】
さらに、第１３の形態のＶＣＳＥＬは、少なくとも１つの活性層が、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体であることを特徴としている。
【０１２４】
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る。以下、ＧａＩｎＮＡｓを例にして説明する。
【０１２５】
ＧａＩｎＡｓに対してＮを添加すると、伝導帯バンド端位置が大きく低下する。そのため、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。従って、活性層中に形成された基底準位と励起準位のエネルギー差が大きくなり、活性層の微分利得を高くすることができる。従って、緩和振動周波数が向上する。
【０１２６】
また、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直接変調光源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帯の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。
【０１２７】
このように、第１３の形態のＶＣＳＥＬでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させて、緩和振動周波数を向上させている。さらに、少なくとも１つの活性層は窒素と他のＶ族元素との混晶半導体であることにより、活性層の微分利得を高くでき、緩和振動周波数を向上させることができる。従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上させることができる。また、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍ帯の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。
【０１２８】
（第１４の形態）
本発明の第１４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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、上記電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１２９】
本発明の第１４の形態のＶＣＳＥＬは、第１０の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。
【０１３０】
さらに、第１４の形態では、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられており、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なることを特徴としている。
【０１３１】
水平方向に屈折率差が形成される電流狭窄手段としては、例えばＡｌを含む半導体層を側面から選択的に酸化するＡｌ酸化狭窄構造や、エッチング層を側面から選択的にサイドエッチングするエアギャップ構造がある。
【０１３２】
ここで、Ａｌ酸化狭窄構造では、Ａｌを含む半導体層を酸化することでＡｌＯｘ絶縁層が形成されるため、酸化された領域は電流が流れなくなる。これにより、電流は酸化されていない領域に狭窄される。また、酸化されていない領域は、酸化された領域よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じて光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。
【０１３３】
また、エアギャップ構造では、電流はサイドエッチングされていない半導体層にのみ流れることで狭窄される。そして、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、同様に光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。
【０１３４】
複数の活性層のそれぞれ設けられた電流狭窄構造の中で、電流狭窄面積が狭い電流狭窄構造は、光を中央部に閉じ込める働きをする。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなる。そのため、高次横モードの発振が抑制される。また、最も電流狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができる。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。
【０１３５】
一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、動作電圧を低減することができ、消費電力増加を抑制することができる。
【０１３６】
狭窄面積が広い電流狭窄構造に対応した活性層に注入する電流を変調信号に応じて変調させる場合、電流狭窄部の抵抗が低いためＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。一方、狭窄面積が狭く抵抗の高い電流狭窄構造に対応した活性層に対しては、励起用直流電流を流すことで電気的な変調速度の低下を生じさせることなく、素子内部の光子密度を増加させることができる。従って、直接変調により、ＶＣＳＥＬの高速変調動作を実現することができる。
【０１３７】
このように、第１４の形態のＶＣＳＥＬでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造が用いられ、上記電流狭窄手段による電流狭窄面積が活性層ごとに異なっており、狭窄面積が狭い電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなり、また、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができ、従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。一方、狭窄面積が広い電流狭窄構造では、電流狭窄部の抵抗が低減されるため、ＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができ、従って、ＶＣＳＥＬの変調速度をさらに向上させることができる。
【０１３８】
（第１５の形態）
本発明の第１５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を備え、複数の共振器は光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、それぞれの共振器内には活性層が設けられ、上記活性層は同一の共振モード波長に対して利得を有しており、それぞれの活性層に対して、電流を注入する電流注入手段と、電流注入手段から注入された電流を狭窄する電流狭窄手段とが設けられており、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。
【０１３９】
本発明の第１５の形態のＶＣＳＥＬは、第１０の形態と同様に、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。
【０１４０】
さらに、第１５の形態では、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことを特徴としている。
【０１４１】
プロトンや酸素，Ｃｒ，Ｆｅ等の重金属を半導体層にイオン注入することにより、注入された領域は高抵抗となるため、電流をイオン注入していない領域に狭窄することができる。イオン注入により形成した高抵抗領域は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、高抵抗領域が形成する容量成分は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いた場合に比べて低減される。また、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積は、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積よりも広いため、電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、容量と抵抗を共に小さくすることができ、活性層に注入する電流を変調するときのＣＲ時定数が一層低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。
【０１４２】
また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、光を中央部に閉じ込める働きをする。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制される。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。これにより、素子内部の光子密度を高めて、ＶＣＳＥＬを高速変調動作させることができる。
【０１４３】
上述したように、本発明の第１０〜第１５の形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）は、異なる共振器にそれぞれ活性層が設けられていることを特徴としている。
【０１４４】
活性層を含むｐｎ接合に電流を流すためには、活性層のバンドギャップエネルギーにほぼ対応したジャンクション電圧を印加する必要がある。そのため、活性層を含むｐｎ接合では電圧降下に対応してジュール熱が発生する。それぞれ独立に電流注入できる複数の活性層を有する場合は、それぞれの活性層で発熱が生じる。そのため、活性層同士が近接していると、一方の活性層の発熱が他方の活性層の発光効率を低下させる熱的クロストークが発生してしまう。本発明のＶＣＳＥＬでは、異なる共振器にそれぞれ活性層が設けられており、活性層間の距離を離すことができるため、活性層間での熱的クロストークを低減することができる。
【０１４５】
また、活性層と活性層の間に設けられた半導体多層膜は、低屈折率層と高屈折率層を含んでいる。低屈折率層は屈折率をできるだけ低下させるため、バンドギャップエネルギーが高く設定される。従って、活性層と活性層の間にはヘテロ障壁高さの高い低屈折率層が設けられることとなり、キャリアが一方の活性層から他方の活性層にオーバーフローしにくい構造となっている。従って、活性層間での電気的クロストークについても低減することができる。
【０１４６】
このように、第１５の形態のＶＣＳＥＬでは、それぞれ活性層を含む複数の共振器が光学的に結合して１つの共振モードを形成しており、各活性層がモード同期して発振するため、素子内部の光子密度を増加させることができる。さらに、電流狭窄手段として、水平横方向に屈折率差を有する構造と、イオン注入により形成した高抵抗領域とが、それぞれ異なる活性層に対して設けられており、水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄手段による狭窄面積が、イオン注入により形成した高抵抗領域による狭窄面積よりも小さいことから、イオン注入により形成した高抵抗領域による電流狭窄構造においては、容量と抵抗を共に小さくすることができ、電気的な変調帯域を増加させることができる。また、狭窄面積が狭い水平横方向に屈折率差を有する電流狭窄構造では、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制されるため、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。以上の効果により、ＶＣＳＥＬを高速変調動作させることができる。
【実施例１】
【０１４７】
実施例１は本発明の第１の形態に対応した実施例である。図１は、本発明の実施例１の発光装置を示す図である。図１の発光装置は、光源として垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を備えている。
【０１４８】
このＶＣＳＥＬは、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２、ｐ型ＡｌＡｓ層１０３、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第１スペーサ層１０４、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸第１活性層１０５、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２スペーサ層１０６、ｎ型ＤＢＲ１０７、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第３スペーサ層１０８、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸第２活性層１０９、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第４スペーサ層１１０、ｐ型Ａｌ０．９９Ｇａ０．０１Ａｓ層１１１、ｐ型上部ＤＢＲ１１２が順次積層されている（積層構造が構成されている）。
【０１４９】
ここで、ｐ型下部ＤＢＲ１０２は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１５０】
また、ｎ型ＤＢＲ１０７は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１５１】
また、ｐ型上部ＤＢＲ１１２は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１５２】
そして、上記積層構造の表面から、ｎ型ＤＢＲ１０７の途中まで円筒状にエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｐ型下部ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて第２のメサ構造が形成されている。
【０１５３】
そして、第１のメサ構造及び第２のメサ構造の側面から、ｐ型ＡｌＡｓ層１０３とｐ型Ａｌ０．９９Ｇａ０．０１Ａｓ層１１１が選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域１１６が形成されている。このとき、ｐ型ＡｌＡｓ層１０３の酸化狭窄開口面積とｐ型Ａｌ０．９９Ｇａ０．０１Ａｓ層１１１の酸化狭窄開口面積とがほぼ等しくなるように作製した。
【０１５４】
そして、ｐ型上部ＤＢＲ１１２の表面には、光出射部を除いて、リング状のｐ側上部電極１１３が形成されている。そして、第１のメサ構造底面（第２のメサ構造頂上部）には、ｎ側電極１１４が形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｐ側下部電極１１５が形成されている。
【０１５５】
ｐ側上部電極１１３とｎ側電極１１４は、変調用パルス電源１１７に電気的に接続されている。変調用パルス電源１１７は、外部からの電気的変調信号に応じてｐ側上部電極１１３とｎ側電極１１４との間に加える電流を変調する機能を有している。また、ｎ側電極１１４とｐ側下部電極１１５は、励起用直流電源１１８に電気的に接続されている。
【０１５６】
図１のＶＣＳＥＬにおいては、ｐ型下部ＤＢＲ１０２とｎ型ＤＢＲ１０７に挟まれた第１の共振器と、ｎ型ＤＢＲ１０７とｐ型上部ＤＢＲ１１２に挟まれた第２の共振器とを有している。ｐ型下部ＤＢＲ１０２、ｎ型ＤＢＲ１０７、ｐ型上部ＤＢＲ１１２のブラッグ反射波長は、全て０．８５μｍとなっている。また、２つの共振器の共振器長は、共に０．８５μｍの光学的距離となるように設計されている。ｎ型ＤＢＲ１０７の積層周期数を３周期と少なくすることで、２つの共振器は光学的に結合し、１つの共振モードが形成される。また、第１活性層１０５と第２活性層１０９は、共振器内の光定在波分布の腹に位置している。
【０１５７】
このような構成の発光装置では、励起用直流電源１１８より、ｎ側電極１１４とｐ側下部電極１１５との間に順方向に電流を通電すると、ＧａＡｓ／  Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸第１活性層１０５にキャリアが注入されて発光再結合し、０．８５μｍ帯の光を放出する。このとき、電流は、ｐ型ＡｌＡｓ層１０３を選択的に酸化したＡｌＯｘ絶縁領域１１６により狭窄される。第１活性層１０５で発光した光は、ｐ型下部ＤＢＲ１０２とｎ型ＤＢＲ１０７とｐ型上部ＤＢＲ１１２が光学的に結合した複合共振器内で共振し、閾電流を超えると、基板と垂直上方にレーザ光が連続的に出射される。
【０１５８】
図５（ａ），（ｂ）は実施例１の発光装置の動作を説明するための図である。図５（ａ）は、励起用直流電源１１８の電流（１）とＶＣＳＥＬの光出力との関係を示す図である。このとき、変調用パルス電源の電流は０である。実施例１の発光装置では、図５（ａ）に示したＩｂの位置に励起用直流電源１１８の電流（１）を設定することにより、光出力Ｐ０が出力される。
【０１５９】
また、変調用パルス電源１１７より、ｐ側上部電極１１３とｎ側電極１１４との間にパルス電流を加えると、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸第２活性層１０９にキャリアが注入されて発光再結合し、０．８５μｍ帯の光を放出する。このとき、電流はｐ型Ａｌ０．９９Ｇａ０．０１Ａｓ層１１１を選択的に酸化したＡｌＯｘ絶縁領域１１６により電流が狭窄される。第２活性層１０９で発光した光は、ｐ型下部ＤＢＲ１０２とｎ型ＤＢＲ１０７とｐ型上部ＤＢＲ１１２が光学的に結合した複合共振器内で共振し、閾電流を超えると、基板と垂直上方にレーザ光が変調信号に応じて出射される。
【０１６０】
第１活性層１０５と第２活性層１０９のバンドギャップを等しくしており、また、２つの共振器が結合した同一の共振モードで発振するため、第１活性層１０５に電流注入したときの発振光と第２活性層１０９に電流注入したときの発振光とは、同一波長で発振する。このとき、第１活性層１０５に連続的に電流を注入して発振させた状態で、第２活性層１０９に注入する電流を０からＩｍの範囲で変調させると、図５（ｂ）に示すように光出力強度は、Ｐ０とＰ１の間で変調される。第１活性層１０５に電流注入して発生する光に、第２活性層１０９で発生した光が同一モードで加えられるため、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度を増加させることができる。これにより、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【０１６１】
単一の活性層のみに注入する電流を増加させても、キャリアのオーバーフローにより利得が飽和してしまい、光出力が増加できなくなる。１つの活性層の層厚を厚くしていくことで利得飽和するキャリア密度を高くできるが、ＶＣＳＥＬ素子内部の光定在波分布の腹の位置から活性層位置がずれてしまうため、活性層利得が光と結合する割合が減少して、実質的に利得が増加しなくなってしまう。また、多重量子井戸活性層において、量子井戸数を増加させていくと、キャリア注入が不均一になってしまい、高利得を得ることが困難となる。
【０１６２】
本発明では、独立に電流注入する手段を有する複数の活性層を有し、またそれぞれの活性層は光定在波分布の腹の位置に設けており、各活性層に注入する電流を制御することで、それぞれの活性層におけるキャリアオーバーフローを抑制して、より高い光出力まで利得飽和が生じにくくしている。従って、緩和振動周波数が増加させて、高速変調が可能である。
【実施例２】
【０１６３】
実施例２は、第２，第３，第５の形態に対応した実施例である。図２は、本発明の実施例２の発光装置を示す図である。図２の発光装置は、光源としてＶＣＳＥＬを備えている。
【０１６４】
このＶＣＳＥＬは、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ２０２、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第１スペーサ層２０３、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層２０４、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第２スペーサ層２０５、ｐ型ＡｌＡｓ層２０６、ｐ型ＤＢＲ２０７、ｐ型第２ＡｌＡｓ層２０８、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第３スペーサ層２０９、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層２１０、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ第４スペーサ層２１１、ｎ型上部ＤＢＲ２１２が順次積層されている（積層構造が構成されている）。
【０１６５】
ここで、ｎ型下部ＤＢＲ２０２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１６６】
また、ｐ型ＤＢＲ２０７は、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１６７】
また、ｎ型上部ＤＢＲ２１２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１６８】
そして、上記積層構造表面から、ｐ型ＤＢＲ２０７の途中まで円筒状にエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型下部ＤＢＲ２０２に達するまで円筒状にエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。
【０１６９】
そして、第１のメサ構造及び第２のメサ構造の側面から、ｐ型第１ＡｌＡｓ層２０６とｐ型第２ＡｌＡｓ層２０８が選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域１１６が形成されている。このとき、ｐ型第１ＡｌＡｓ層２０６の酸化狭窄開口面積は、ｐ型第２ＡｌＡｓ層２０８の酸化狭窄開口面積よりも大きくなるように作製した。
【０１７０】
そして、ｎ型上部ＤＢＲ２１２の表面には、光出射部を除いて、リング状のｎ側上部電極２１３が形成されている。そして、第１のメサ構造底面（第２のメサ構造頂上部）には、ｐ側電極２１４が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、ｎ側下部電極２１５が形成されている。
【０１７１】
ｎ側上部電極２１３とｐ側電極２１４は、励起用直流電源１１８に電気的に接続されている。また、ｐ側電極２１４とｎ側下部電極２１５は、変調用パルス電源１１７に電気的に接続されている。
【０１７２】
図２のＶＣＳＥＬにおいては、ｐ型ＤＢＲ２０７の積層周期数を少なくすることで、２つの共振器は光学的に結合し、１つの共振モードが形成されている。また、第１活性層２０４と第２活性層２１０のバンドギャップを等しくしており、また、２つの共振器が結合した同一の共振モードで発振するため、第１活性層２０４に電流注入したときの発振光と第２活性層２１０に電流注入したときの発振光とは、同一波長（０．９８μｍ）で発振する。第２活性層２１０に変調用パルス電源１１７から入力される変調電気信号に応じて発生するレーザ光に、第１活性層２０４に励起用直流電源１１８から電流注入して発生する光が同一モードで加えられるため、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度が増加し、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【０１７３】
この実施例２では、励起用直流電流を第２活性層２１０に注入するときに通過するＤＢＲにおいて、高反射率が必要であるために積層数が多くなる最表面側の上部ＤＢＲ２１２をｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させている。また、変調信号を入力する第１活性層２０４に対して電流を狭窄する酸化狭窄開口面積を、第２活性層２１０に対する酸化狭窄開口面積よりも大きくしているため、第１活性層２０４における電流狭窄部の抵抗が低減される。従って、第１活性層２０４に注入する電流を変調するときのＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。
【０１７４】
また、励起用直流電源１１８に電気的に接続された第２活性層２１０においては、第２活性層２０４の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができて、基本横モードの光出力を増加させることができる。
【０１７５】
また、酸化狭窄構造において、酸化されていない領域は酸化された領域１１６よりも屈折率が高いため、横方向に屈折率差が生じで光を水平横方向に閉じ込める作用を有する。変調用パルス電源１１７が接続された第１活性層２０４の電流注入領域よりも狭い面積で、ｐ型第２ＡｌＡｓ層２０８の電流狭窄部では水平横方向の屈折率差が形成され、光を中央部に閉じ込める構造となっている。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは損失が大きくなるため発振が抑制される。これにより、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。
【０１７６】
以上の効果より、この実施例２においては、基本横モードを維持した状態で高出力化することが可能であり、実施例１に比べて更にＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができ、１０Ｇｂｐｓを超える高速直接変調が可能となる。
【０１７７】
また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した下部ＤＢＲ２０２についても、導電型をｎ型で形成することにより、素子の抵抗を低減させており、発光装置の消費電力を低減することができる。
【実施例３】
【０１７８】
実施例３は、第４，第６，第７，第８の形態に対応した実施例である。図３は、本発明の実施例３の発光装置を示す図である。図３の発光装置は、光源としてＶＣＳＥＬを備えている。
【０１７９】
このＶＣＳＥＬは、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ノンドープ下部ＤＢＲ３０１、ｐ型ＧａＡｓ第１スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層３０４、ｎ型ＧａＡｓ第２スペーサ層３０５、ｎ型ＤＢＲ３０６、ｎ型ＧａＡｓ第３スペーサ層３０７、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層３０８、ｐ型ＧａＡｓ第４スペーサ層３０９、ノンドープ上部ＤＢＲ３１０が順次積層されている（積層構造が構成されている）。
【０１８０】
ここで、ノンドープ下部ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１８１】
また、ｐ型ＧａＡｓ第１スペーサ層３０２中には、層厚３０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ層３０３が設けられている。
【０１８２】
また、ｎ型ＤＢＲ３０６は、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１８３】
また、ノンドープ上部ＤＢＲ３１０は、ノンドープＧａＡｓ層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１８４】
そして、上記積層構造表面から、ｐ型ＧａＡｓ第４スペーサ層３０９の表面まで円筒状にエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型ＤＢＲ３０６に達するまで円筒状にエッチングされて、第２のメサ構造が形成されている。さらに、第２のメサ構造よりも大きいサイズで、ｐ型ＡｌＡｓ層３０３よりも下側のｐ型ＧａＡｓ第１スペーサ層３０２に達するまで円筒状にエッチングされて、第３のメサ構造が形成されている。
【０１８５】
そして、第３のメサ構造の側面から、ｐ型ＡｌＡｓ層３０３が選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域１１６が形成されている。また、第２活性層３０８の近傍において、第１のメサ構造の外側にはプロトンイオンが注入されて、高抵抗領域３１１が形成されている。高抵抗領域３１１は、第２活性層３０８に対して電流狭窄構造を形成している。このとき、高抵抗領域３１１の狭窄開口面積は、ｐ型ＡｌＡｓ層３０３の酸化狭窄開口面積よりも大きくなるように作製した。
【０１８６】
そして、第１のメサ構造底面（第２のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側上部電極１１３が形成されている。そして、第２のメサ構造底面（第３のメサ構造頂上部）には、リング状のｎ側電極１１４が形成されている。また、第３のメサ構造底面には、ｐ側下部電極１１５が形成されている。
【０１８７】
ｐ側上部電極１１３とｎ側電極１１４は変調用パルス電源１１７に電気的に接続されている。また、ｎ側電極１１４とｐ側下部電極１１５は励起用直流電源１１８に電気的に接続されている。
【０１８８】
実施例３の発光装置は、実施例２の発光装置と同様な効果を有している。さらに、変調用パルス電源１１７に電気的に接続された第２活性層３０８に対して電流狭窄する手段として、イオン注入により形成した高抵抗領域３１１を用いたことを特徴としている。イオン注入により形成した高抵抗領域３１１の積層方向の厚さは約０．２μｍとなっており、Ａｌ酸化狭窄構造に比べて厚くなっている。従って、変調信号を入力する第２活性層３０８に対する高抵抗領域が形成する容量成分が低減され、第２活性層３０８に注入する電流を変調するときの電気的な変調帯域をさらに増加させることができる。
【０１８９】
また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる基板に隣接した下部ＤＢＲ３０１及び最表面側の上部ＤＢＲ３１０は、ノンドープ層で形成されている。キャリア濃度は２×１０１７ｃｍ−３と低キャリア濃度となっているため、自由キャリアによる光吸収が抑制され、高反射率の反射鏡を形成することができる。従って、ＶＣＳＥＬの閾電流を低減し、また外部量子効率も増加させることができる。
【０１９０】
なお、活性層に対する電流注入は、下部ＤＢＲ３０１及び最表面側の上部ＤＢＲ３１０を通さずに、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０２，３０９に設けられた電極より注入する構造となっている。
【０１９１】
実施例３の発光装置においては、第１活性層３０４，第２活性層３０８の量子井戸層に、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓを用いている。そのため、石英光ファイバの分散がゼロである波長１．３１μｍの光源を形成できるため、本発明の高速変調特性を生かすことができる。
【０１９２】
さらに、第２活性層３０８のＧａＡｓ障壁層に対して、ｐ型不純物であるＣを３×１０１８ｃｍ−３ドーピングしている。これにより、レーザ発振に必要な注入電子密度が減少し、第２活性層３０８の微分利得ｇを増加させることができる。数１より、微分利得ｇを増加させる効果は、ＶＣＳＥＬ素子内の光子密度Ｓを増加させる効果と併用することにより、さらにＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。従って、４０Ｇｂｐｓで直接変調可能な光源を提供することができる。
【実施例４】
【０１９３】
実施例４は、第９の形態に対応した実施例である。図４は、実施例４の光伝送システムを示す図である。図４を参照すると、この光伝送システムは、光送信部４０１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４０４に導入され、光ファイバケーブル４０４を導波した光は、光受信部４０２で再び電気信号に変換されて出力されるようになっている。
【０１９４】
光送信部４０１と光受信部４０２は、１つのパッケージに集積されて、光送受信モジュール４０３が構成されている。また、光ファイバケーブル４０４は、送り用と受け用の２本が１対となっており、双方向に通信可能となっている。
【０１９５】
図４の光伝送システムの光送信部４０１には、光源として、実施例３の発光装置が用いられている。実施例３の発光装置は、緩和振動周波数を向上させており、外部変調器を用いることなく４０Ｇｂｐｓの光信号伝送が可能となっている。また、電子冷却素子による温度制御が不要であり、低コストで製造することができる。従って、４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを、低コストで構築することができる。
【実施例５】
【０１９６】
実施例５は、第１４の形態に対応した実施例である。図６は、実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【０１９７】
図６を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ２０２が積層されている。ここで、ｎ型下部ＤＢＲ２０２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ２０２上には、ＧａＡｓ第１スペーサ層６０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層３０４、ＧａＡｓ第２スペーサ層６０２、ｐ型ＡｌＡｓ層２０６、ｐ型ＤＢＲ２０７が積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ２０７は、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。また、ｐ型ＤＢＲ２０７上には、ｐ型第２ＡｌＡｓ層６０３、ＧａＡｓ第３スペーサ層６０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層３０８、ＧａＡｓ第４スペーサ層６０５、ｎ型上部ＤＢＲ２１２が順次積層されている。ここで、ｎ型上部ＤＢＲ２１２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０１９８】
そして、上記積層構造の表面からｐ型ＤＢＲ２０７の途中まで円筒状にエッチングされて、第１のメサ構造が形成されている。さらに、第１のメサ構造よりも大きいサイズで、ｎ型下部ＤＢＲ２０２に達するまで円筒状にエッチングされて第２のメサ構造が形成されている。
【０１９９】
また、第２のメサ構造側面から、ｐ型第１ＡｌＡｓ層２０６が選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域１１６が形成されている。また、第１のメサ構造側面から、ｐ型第２ＡｌＡｓ層６０３が選択的にサイドエッチングされてエアギャップ構造６０６が形成されている。このとき、ｐ型第１ＡｌＡｓ層２０６の酸化狭窄開口面積は、ｐ型第２ＡｌＡｓ層６０３のエアギャップ狭窄開口面積よりも小さくなるように作製されている。
【０２００】
そして、ｎ型上部ＤＢＲ２１２の表面には、光出射部を除いてリング状のｎ側上部電極２１３が形成されている。また、第１のメサ構造の底面（第２のメサ構造の頂上部）には、ｐ側電極２１４が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、ｎ側下部電極２１５が形成されている。
【０２０１】
図６のＶＣＳＥＬにおいては、ｐ型ＤＢＲ２０７の積層周期数を少なくする（例えば３周期にする）ことで、２つの共振器は光学的に結合し、１つの共振モードが形成されている。また、第１活性層３０４と第２活性層３０８のバンドギャップを等しくしており、かつ、２つの共振器が結合した共振モードに対して利得を有しているため、第１活性層３０４に電流注入したときの発振光と、第２活性層３０８に電流注入したときの発振光は、モード同期して同一波長（１．３μｍ）で発振する。従って、活性層が１つの場合に比べて、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度が増加し、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【０２０２】
また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる上部ＤＢＲ２１２について導電型をｎ型で形成することにより、素子抵抗を低減させている。また、第２活性層３０８に対して電流を狭窄するエアギャップ狭窄開口面積を、第１活性層３０４に対する酸化狭窄開口面積よりも大きくしているため、第２活性層３０８における電流狭窄部の抵抗が低減される。
【０２０３】
さらに、サイドエッチング領域６０６の誘電率は、ＡｌＯｘ絶縁領域１１６の誘電率よりも低いため、サイドエッチング領域の寄生容量成分が低減できる。従って、第２活性層３０８に注入する電流を変調するときのＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を増加させることができる。
【０２０４】
また、第１活性層３０４においては、第２活性層３０８の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができるため、基本横モードの光出力を増加させることができる。
【０２０５】
以上の効果より、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができ、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調動作が可能となる。
【０２０６】
なお、この実施例５のＶＣＳＥＬにおいては、電気的変調帯域が高い第２活性層３０８に電流を注入するｎ側上部電極２１３とｐ側電極２１４を変調用パルス電源に接続し、第１活性層３０４に電流を注入するｐ側電極２１４とｎ側下部電極２１５を励起用直流電源に接続することによって、高速変調性能を有効に発揮することができる。
【実施例６】
【０２０７】
実施例６は、第１５の形態に対応した実施例である。図７は、実施例６の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）を示す図である。
【０２０８】
図７を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型下部ＤＢＲ２０２が積層されている。ここで、ｎ型下部ＤＢＲ２０２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。そして、ｎ型下部ＤＢＲ２０２上には、ＧａＡｓ第１スペーサ層６０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層３０４、ＧａＡｓ第２スペーサ層６０２、ｐ型ＤＢＲ２０７が積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ２０７は、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。また、ｐ型ＤＢＲ２０７上には、ｐ型ＡｌＡｓ層７０１、ＧａＡｓ第３スペーサ層６０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層３０８、ＧａＡｓ第４スペーサ層６０５、ｎ型上部ＤＢＲ２１２が順次積層されている。ここで、ｎ型上部ＤＢＲ２１２は、ｎ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を１／４波長厚で交互に積層して形成されている。
【０２０９】
そして、上記積層構造の表面からｐ型ＤＢＲ２０７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。メサ構造側面から、ｐ型ＡｌＡｓ層７０１が選択的にサイドエッチングされて、エアギャップ領域６０６が形成されている。
【０２１０】
また、メサ構造底面から、第１活性層３０４近傍において、プロトンイオンが注入されて、高抵抗領域３１１が形成されている。高抵抗領域３１１は、第１活性層３０４に対して電流狭窄構造を形成している。このとき、高抵抗領域３１１の狭窄開口面積は、ｐ型ＡｌＡｓ層７０１のエアギャップ狭窄開口面積よりも大きくなるように作製されている。
【０２１１】
そして、ｎ型上部ＤＢＲ２１２の表面には、光出射部を除いてリング状のｎ側上部電極２１３が形成されている。また、メサ構造の底面には、ｐ側電極２１４が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、ｎ側下部電極２１５が形成されている。
【０２１２】
図７のＶＣＳＥＬにおいては、ｐ型ＤＢＲ２０７の積層周期数を少なくすることで、２つの共振器は光学的に結合し、１つの共振モードが形成されている。第１活性層３０４と第２活性層３０８のバンドギャップを等しくしており、かつ、２つの共振器が結合した同一の共振モードに対して利得を有しているため、第１活性層３０４に電流注入したときの発振光と、第２活性層３０８に電流注入したときの発振光は、モード同期して同一波長（１．３μｍ）で発振する。従って、活性層が１つの場合に比べて、ＶＣＳＥＬ素子内部の光子密度が増加し、ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増加させることができる。
【０２１３】
また、高反射率が必要であるために積層数が多くなる下部ＤＢＲ２０２について導電型をｎ型で形成することにより、素子抵抗を低減させている。また、第１活性層３０４に対して電流を狭窄する高抵抗領域３１１の狭窄開口面積を、第２活性層３０８に対するエアギャップ狭窄開口面積よりも大きくしているため、第１活性層３０４における電流狭窄部の抵抗が低減される。
【０２１４】
さらに、イオン注入により形成した高抵抗領域３１１は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造に比べて、積層方向の厚さが厚くなる。従って、高抵抗領域３１１が形成する容量成分は、Ａｌ酸化狭窄構造やエアギャップ構造を用いた場合に比べて低減される。従って、第１活性層３０４に注入する電流を変調するときのＣＲ時定数が低減され、電気的な変調帯域を向上させることができる。
【０２１５】
また、狭窄面積が狭いエアギャップ狭窄構造においては、エッチングされていない半導体層がエッチングされた領域よりも屈折率が高くなるため、光を中央部に閉じ込める作用を有する。従って、基本横モードの光は閉じ込められ、逆に高次横モードは発振が抑制される。
【０２１６】
また、第２活性層３０８においては、第１活性層３０４の電流注入領域よりも狭い領域に電流が注入される。これにより、基本横モードに対応した中央部の利得を選択的に増加させることができる。従って、基本横モードを維持した状態で光出力を増加させることができる。これにより、素子内部の光子密度がさらに高められ、ＶＣＳＥＬを高速変調動作させることができる。
【０２１７】
なお、この実施例６のＶＣＳＥＬにおいては、電気的変調帯域が高い第１活性層３０４に電流を注入するｐ側電極２１４とｎ側下部電極２１５を変調用パルス電源に接続し、第２活性層３０８に電流を注入するｎ側上部電極２１３とｐ側電極２１４を励起用直流電源に接続することによって、高速変調性能を有効に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２１８】
【図１】実施例１の発光装置を示す図である。
【図２】実施例２の発光装置を示す図である。
【図３】実施例３の発光装置を示す図である。
【図４】実施例４の光伝送システムを示す図である。
【図５】実施例１の発光装置の動作を説明するための図である。
【図６】実施例５の垂直共振器型面発光半導体レーザを示す図である。
【図７】実施例６の垂直共振器型面発光半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
【０２１９】
１０１          ｐ型ＧａＡｓ基板
１０２          ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  下部ＤＢＲ
１０３          ｐ型ＡｌＡｓ層
１０４          ＡｌＧａＡｓ第１スペーサ層
１０５          ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層
１０６          ＡｌＧａＡｓ第２スペーサ層
１０７          ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  ＤＢＲ
１０８          ＡｌＧａＡｓ第３スペーサ層
１０９          ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層
１１０          ＡｌＧａＡｓ第４スペーサ層
１１１          ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１１２          ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  上部ＤＢＲ
１１３          上部ｐ側電極
１１４          ｎ側電極
１１５          下部ｐ側電極
１１６          ＡｌＯｘ絶縁領域
１１７          変調用パルス電源
１１８          励起用直流電源
２０１          ｎ型ＧａＡｓ基板
２０２          ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  下部ＤＢＲ
２０３          ＡｌＧａＡｓ第１スペーサ層
２０４          ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層
２０５          ＡｌＧａＡｓ第２スペーサ層
２０６          ｐ型第１ＡｌＡｓ層
２０７          ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  ＤＢＲ
２０８          ｐ型第２ＡｌＡｓ層
２０９          ＡｌＧａＡｓ第３スペーサ層
２１０          ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層
２１１          ＡｌＧａＡｓ第４スペーサ層
２１２          ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  上部ＤＢＲ
２１３          上部ｎ側電極
２１４          ｐ側電極
２１５          下部ｎ側電極
３０１          ノンドープＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  下部ＤＢＲ
３０２          ｐ型ＧａＡｓ第１スペーサ層
３０３          ｐ型ＡｌＡｓ層
３０４          ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第１活性層
３０５          ｎ型ＧａＡｓ第２スペーサ層
３０６          ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ＤＢＲ
３０７          ｎ型ＧａＡｓ第３スペーサ層
３０８          ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸第２活性層
３０９          ｐ型ＧａＡｓ第４スペーサ層
３１０          ノンドープＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  上部ＤＢＲ
３１１          高抵抗領域
４０１          光送信部
４０２          光受信部
４０３          光送受信モジュール
４０４          光ファイバケーブル
６０１          ＧａＡｓ第１スペーサ層
６０２          ＧａＡｓ第２スペーサ層
６０３          ｐ型第２ＡｌＡｓ層
６０４          ＧａＡｓ第３スペーサ層
６０５          ＧａＡｓ第４スペーサ層
６０６          サイドエッチング領域
７０１          ｐ型ＡｌＡｓ層
【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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