(57)【要約】【課題】変調器内蔵型の半導体レーザー素子を提供する。【解決手段】基板（６０）と、基板（６０）上に形成される下部分散ブラッグ反射層（６１）と、下部分散ブラッグ反射層（６１）上に形成され、複数の障壁層（６４、６５ａ、６５ｂ）及び前記障壁層の間に介在される複数の量子ウェル層（６３、６５ｃ）を備える活性層（６２、６６）と、活性層（６２、６６）の上方に所定間隔離隔して配置され、活性層（６２、６６）から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を活性層（６２、６６）へ反射する外部ミラー（７１）と、を備え、活性層（６２、６６）内の少なくとも一つの量子ウェル層（６５ｃ）の一の面と接する障壁層（６５ａ）及び当該量子ウェル層の他の面と接する障壁層（６５ｂ）は、それぞれ異なるタイプにドーピングされる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、
前記下部分散ブラッグ反射層上に形成され、複数の障壁層及び前記障壁層の間に介在される複数の量子ウェル層を備える活性層と、
前記活性層の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、
を備え、
前記活性層内の少なくとも一つの量子ウェル層の一の面と接する障壁層及び当該量子ウェル層の他の面と接する障壁層は、それぞれ異なるタイプにドーピングされることを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項２】
前記ドーピングされた障壁層を介して逆バイアスが印加される場合、前記ドーピングされた一の障壁層と前記一の障壁層に隣接する前記ドーピングされた他の障壁層との間の前記量子ウェル層が光を吸収することにより、レーザー発振を抑制することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー素子。
【請求項３】
さらに、前記活性層にポンピング用のエネルギーを提供するポンプレーザーを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザー素子。
【請求項４】
さらに、前記活性層上に形成され、前記活性層よりもエネルギーバンドギャップの大きい物質から形成されるウィンドウ層を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザー素子。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、
前記下部分散ブラッグ反射層上に形成され、少なくとも一つの障壁層と少なくとも一つの量子ウェル層とが一層ずつ交互に積層された活性層と、
前記活性層上に形成される第１ドーピング障壁層、前記第１ドーピング障壁層上に形成される変調層、及び前記変調層上に形成され前記第１ドーピング障壁層と異なるタイプにドーピングされる第２ドーピング障壁層を備える変調器と、
前記変調器の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、
を備えることを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項６】
前記第１ドーピング障壁層及び第２ドーピング障壁層は前記活性層の障壁層と同じ材料から形成され、前記変調層は前記活性層の量子ウェル層と同じ材料から形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザー素子。
【請求項７】
前記変調層のエネルギーバンドギャップは、前記量子ウェル層のエネルギーバンドギャップと同じ大きさであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザー素子。
【請求項８】
前記第１ドーピング障壁層及び前記第２ドーピング障壁層を介して前記変調器に逆バイアスが印加される場合、前記第１ドーピング障壁層と前記第２ドーピング障壁層との間の変調層が光を吸収することにより、レーザー発振を抑制することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子。
【請求項９】
前記変調器に逆バイアスが印加されない場合、前記変調層は前記活性層の量子ウェル層と同じ利得領域として機能することを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１０】
前記変調層に隣接した前記量子ウェル層と前記変調層との間隔は、レーザー発振波長の１／２であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１１】
さらに、前記変調器上に形成され、前記活性層よりエネルギーバンドギャップの大きい物質から形成されるウィンドウ層を備えることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１２】
前記変調層は、前記第１ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１３】
さらに、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極と、
前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極と、
を備え、
前記第１電極は前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２電極は前記ウィンドウ層の端部に沿って形成されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１４】
前記ウィンドウ層は、前記第２ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１５】
さらに、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極と、
前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極と、
を備え、
前記第１電極は前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２電極は前記第２ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１６】
さらに、前記活性層にポンピング用のエネルギーを提供するポンプレーザーを備えることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１７】
基板と、
前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、
前記下部分散ブラッグ反射層上に形成される第１ドーピング障壁層、前記第１ドーピング障壁層上に形成された変調層、及び前記変調層上に形成され、前記第１ドーピング障壁層と異なるタイプにドーピングされる第２ドーピング障壁層を備える変調器と、
前記変調器上に形成され、少なくとも一つの量子ウェル層と少なくとも一つの障壁層とが一層ずつ交互に積層された活性層と、
前記活性層の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、
を備えることを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項１８】
前記第１ドーピング障壁層及び第２ドーピング障壁層は前記活性層の障壁層と同じ材料から形成され、前記変調層は前記活性層の量子ウェル層と同じ材料から形成されることを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザー素子。
【請求項１９】
前記変調層のエネルギーバンドギャップは、前記量子ウェル層のエネルギーバンドギャップと同じ大きさであることを特徴とする請求項１７に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２０】
前記第１ドーピング障壁層及び第２ドーピング障壁層を介して前記変調器に逆バイアスが印加される場合、前記第１ドーピング障壁層と第２ドーピング障壁層との間の変調層が光を吸収することにより、レーザー発振を抑制することを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２１】
前記変調器に逆バイアスが印加されない場合、前記変調層は、前記活性層の量子ウェル層と同じ利得領域として機能することを特徴とする請求項２０に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２２】
前記変調層に隣接した前記量子ウェル層と前記変調層との間隔は、レーザー発振波長の１／２であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２３】
さらに、前記活性層上に形成され、前記活性層よりエネルギーバンドギャップの大きい物質から形成されるウィンドウ層を備えることを特徴とする請求項１７〜請求項１９に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２４】
前記変調層は、前記第１ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成され、前記活性層は、前記第２ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成されることを特徴とする請求項１７〜請求項１９に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２５】
さらに、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極と、
前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極と、
を備え、
前記第１電極は前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２電極は前記第２ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成されることを特徴とする請求項２４に記載の半導体レーザー素子。
【請求項２６】
さらに、前記活性層にポンピング用のエネルギーを提供するポンプレーザーを備えることを特徴とする請求項１７〜請求項１９に記載の半導体レーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調器内蔵型の光ポンピング半導体レーザー装置に係り、より詳細には、障壁層の一部をドーピングして、少なくとも一つの量子ウェル層を変調器と共用することができるようにした変調器内蔵型の半導体レーザー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーは、プリンタ、スキャナー、医療装備、光通信装備及びレーザーＴＶ（ＬＴＶ）といった様々な応用分野で光出力装置として幅広く利用されている。このような分野で使用されるレーザーは、その出力を周期的に変化させることにより、所定のデジタル信号を発生させる必要がある。このような動作を変調と称し、特に、光通信分野では、高周波変調に大きく注目している。
【０００３】
前記レーザーの光出力を高周波に変調する方法は、一般的には、レーザー素子に印加される電流量を変化させる直接変調方式やレーザー光を連続的に発振させつつ、光変調のための別途の変調器を設置して光を変調する方式がある。
【０００４】
図１は、直接変調方式の原理を示すグラフである。図１に示すように、直接変調方式は、レーザーに印加される電流を所定の区間Ｉ１〜Ｉ２内で変化させ、レーザーの出力の幅を所定値Ｐ１、Ｐ２とする方式である。デジタル光通信の場合、例えば、レーザーの出力が基準値Ｐ０を超えれば、信号は‘１’となり、超えなければ、信号は‘０’となる。このような直接変調方式によれば、出力値の傾斜が十分に大きい場合、電流を小さな区間内で変化させてもよいため、数十ＧＨｚの非常に速い高周波変調が可能であり、変調回路を比較的簡単に構成することができるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、レーザーＴＶのような応用分野では、単位時間の間にレーザーが‘オン’となっている比率によって、グレースケールを調節するため、変化させるべき電流区間が広く、直接変調方式を適用することは難しい。すなわち、レーザーＴＶでは、レーザーの最低出力と最大出力との間でレーザーの光出力を変調する。例えば、数百ｍＷ〜数Ｗの高出力を使用するレーザーＴＶ用のレーザーは、１０Ａ以上の高い電流を使用するため、直接変調方式による場合、電流変化区間が１０Ａ以上となり、高速変調は不可能である。したがって、この場合には、レーザー素子に別途の変調器を設置して使用している。
【０００６】
図２は、光放出部に変調器が付着された従来の側面発光レーザーを示す一部破断斜視図である。図２に示すように、側面発光レーザー１１の光放出部に変調器１５が一体に形成されている。側面発光レーザー１１及び変調器１５は、同じ基板１０上に形成され、同じ材料（例えば、ＩｎＧａＡｓＰ）から形成される層１２及び層１７をそれぞれ有している。ここで、側面発光レーザー１１における層１２は発光させる量子ウェル層としての役割を、変調器１５における層１７は光吸収層としての役割を担う。
【０００７】
図３Ａ及び図３Ｂは、図２に示す側面発光レーザーで変調動作の原理を説明するためのエネルギーバンドを示すグラフである。図２に示すように、変調器１５が側面発光レーザー１１より幅が狭いため、通常、光吸収層１７が量子ウェル層１２よりやや広いバンドギャップを有している。この状態で、側面発光レーザー１１を発振させれば、量子ウェル層１２で発生した光が、広いバンドギャップを有する光吸収層１７をそのまま通過する。ところが、変調器１５に逆バイアスを加えると、図３Ｂに示すように、量子束縛効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  ｅｆｆｅｃｔ；ＱＣＳＥ）によって光吸収層１７のバンドギャップが狭くなって量子ウェル層１２で発生した光が光吸収層１７に吸収される。したがって、変調器１５に印加される逆バイアスを周期的に調節すれば、レーザーの光出力を高速で変調できる。しかし、変調器がレーザーの外部に設置されている場合、変調器は、レーザーから出力される光を１００％吸収することができない。すなわち、放出されるレーザービームを完全にオン・オフすることができないという問題点がある。
【０００８】
そこで、図４に示すような共振器の内部に変調器が内蔵された垂直共振器型の面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ；ＶＣＳＥＬ）が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、図４に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２０上にｎ−ドーピングされた分散ブラッグ反射層（ｎ−Ｄｏｐｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ｎ−ＤＢＲ）２１が形成されており、その上に量子ウェル層２２ａ及び障壁層２２ｂから構成された活性層２２が形成されている。活性層２２上にはｐ−ＤＢＲ層２４が形成されており、ｐ−ＤＢＲ層２４内には、電流注入を一定領域に制限するための酸化物層２５が形成されている。そして、ｐ−ＤＢＲ層２４上には、スペーサ層２７ｂ及び光吸収層２７ａから構成された変調層２７が形成されており、変調層２７上にはｎ−ＤＢＲ層２８が形成されている。すなわち、特許文献１に開示されたＶＣＳＥＬは、上部ミラー内に変調層２７が挿入された構造である。
【０００９】
ここで、変調層２７内の光吸収層２７ａのバンドギャップは、量子ウェル層２２ａのバンドギャップより大きく形成されている。したがって、基板２０の下部の電極（図示せず）と、ｐ−ＤＢＲ層２４上のｐ−電極２６とを介して順方向に電圧を印加すれば、レーザーは正常に発振して、矢印方向にレーザービームが放出される。この時、ｎ−電極２９及びｐ−電極２６を介して逆方向に変調層２７にバイアスを印加すれば、ＱＣＳＥによって変調層２７内の光吸収層２７ａで光吸収がなされる。その結果、レーザー内部の発振条件が変化しつつ、光放出が中断される。したがって、レーザービームの完全なオン・オフが可能である。
【００１０】
しかし、一般的にＶＣＳＥＬは、出力が数ｍＷ程度と弱いため、光通信分野で主に利用されており、少なくとも数百ｍＷの出力が要求されるレーザーＴＶ分野で使用することは難しい。また、共振器の内部にある変調層２７は、レーザーの発振に全く寄与することができないため、レーザーの効率を全体的に低下させるのみならず、レーザーの発振も困難にし、レーザーの発振条件を満足させるように構成することが非常に難しいという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第６０２６１０８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、変調器が内蔵された高出力レーザー素子を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、レーザーの発振に変調層を実質的に寄与させることにより、レーザーの発振条件を満足させ易くし、発振効率に優れた変調器内蔵型の半導体レーザー素子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】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体レーザー素子は、基板と、前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、前記下部分散ブラッグ反射層上に形成され、複数の障壁層及び前記障壁層の間に介在される複数の量子ウェル層を備える活性層と、前記活性層の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、を備え、前記活性層内の少なくとも一つの量子ウェル層の一の面と接する障壁層及び当該量子ウェル層の他の面と接する障壁層は、それぞれ異なるタイプにドーピングされることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る半導体レーザー素子は、前記ドーピングされた障壁層を介した逆バイアスの印加される場合、前記ドーピングされた一の障壁層と前記一の障壁層に隣接する前記ドーピングされた他の障壁層との間の量子ウェル層が光を吸収することにより、レーザー発振を抑制することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る半導体レーザー素子は、基板と、前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、前記下部分散ブラッグ反射層上に形成され、少なくとも一つの障壁層と少なくとも一つの量子ウェル層とが一層ずつ交互に積層された活性層と、前記活性層上に形成された第１ドーピング障壁層、前記第１ドーピング障壁層上に形成された変調層、及び前記変調層上に形成され前記第１ドーピング障壁層と異なるタイプにドーピングされる第２ドーピング障壁層を備える変調器と、前記変調器の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１ドーピング障壁層及び第２ドーピング障壁層は、前記活性層を形成する障壁層と同じ材料から形成され、前記変調層は、前記活性層の量子ウェル層と同じ材料から形成されることを特徴とする。したがって、前記変調層のエネルギーバンドギャップは、前記量子ウェル層のエネルギーバンドギャップと同じ大きさである。
【００１７】
また、前記第１ドーピング障壁層及び第２ドーピング障壁層を介して前記変調器に逆バイアスが印加される場合、前記第１ドーピング障壁層と前記第２ドーピング障壁層との間の変調層が光を吸収することにより、レーザー発振を抑制する。一方、前記変調器に逆バイアスが印加されない場合、前記変調層は、前記活性層の量子ウェル層と同じ利得領域として機能する。このため、前記変調層に隣接した量子ウェル層と前記変調層との間隔は、レーザー発振波長の１／２であることが好ましい。
【００１８】
また、前記変調器上に形成され、前記障壁層よりエネルギーバンドギャップの大きい物質から形成されるウィンドウ層をさらに備えることができる。
【００１９】
前記変調層は、前記第１ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成される。この場合、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極は、前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極は、前記ウィンドウ層の端部に沿って形成される。
【００２０】
また、前記ウィンドウ層は、前記第２ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成されても良い。この場合、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極は、前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極は、前記第２ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成される。
【００２１】
また、本発明に係る半導体レーザー素子は、前記活性層にポンピング用のエネルギーを提供するポンプレーザーをさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る半導体レーザー素子は、基板と、前記基板上に形成される下部分散ブラッグ反射層と、前記下部分散ブラッグ反射層上に形成される第１ドーピング障壁層、前記第１ドーピング障壁層上に形成される変調層、及び前記変調層上に形成され、前記第１ドーピング障壁層と異なるタイプにドーピングされた第２ドーピング障壁層を備える変調器と、前記変調器上に形成され、少なくとも一つの量子ウェル層と少なくとも一つの障壁層とが一層ずつ交互に積層して形成される活性層と、前記活性層の上方に所定間隔離隔して配置され、前記活性層から発生した光の一部を透過させて出力し、残りの一部を前記活性層へ反射する外部ミラーと、を備えることを特徴とする。
【００２３】
また、前記変調層は、前記第１ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成され、前記活性層は、前記第２ドーピング障壁層の上面の中央に部分的に形成されることを特徴とする。
【００２４】
この場合、前記第１ドーピング障壁層に電圧を印加するための第１電極は、前記第１ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成され、前記第２ドーピング障壁層に電圧を印加するための第２電極は、前記第２ドーピング障壁層の上面の端部に沿って形成される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る半導体レーザー素子によれば、変調器がレーザー素子の反射層内ではなく活性層内にあるので、前記変調層は、活性層と同じく利得領域としての機能を行うことができる。したがって、レーザーの発振に変調器を実質的に寄与させることにより、発振効率に優れた変調器内蔵型の半導体レーザー素子を提供することができる。
【００２６】
また、本発明に係る半導体レーザー素子によれば、レーザーの発振条件を満足させ易いため、従来よりも容易にレーザーを製造することができる。
【００２７】
また、本発明は、高出力を有する垂直外部共振器型の面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＥＣＳＥＬ）に適用することができる。この結果、ＬＴＶ用のレーザーの変調に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体レーザー素子をさらに詳細に説明する。
【００２９】
前記のように、図４に示すＶＣＳＥＬは、出力が数ｍＷ程度と弱いため、少なくとも数百ｍＷの出力が要求されるレーザーＴＶ分野で使用することは難しい。また、共振器内部の変調器がレーザーの発振に全く寄与することができないため、レーザーの効率を全体的に低下させるだけでなく、レーザーの発振を難しくする。
【００３０】
そこで、本発明に係る半導体レーザー素子よれば、高出力のＶＥＣＳＥＬを利用して、変調器内蔵型の半導体レーザーを構成するようにする。一般的に、ＶＥＣＳＥＬは、外部ミラーを介して利得領域を拡大させることにより、最小数百ｍＷ以上の高出力を得ることができる。本発明に係る半導体レーザー素子は、レーザーの発振に寄与できるように構成した変調器をそのような高出力のＶＥＣＳＥＬに内蔵することにより、前記問題点を改善する。
【００３１】
図５は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザー素子（変調器内蔵型の半導体レーザー素子）の概略構成を示す断面図である。図に示すように、本実施の形態に係る半導体レーザー素子は、基板６０、基板６０上に形成された下部分散ブラッグ反射層（ＤＢＲ）６１、下部ＤＢＲ層６１上に形成された活性層６２、活性層６２上に形成された変調器６６及び外部ミラー７１を備える。また、活性層６２を外部から保護し、活性層６２内に電子及び正孔を閉じ込めるために、活性層６２よりエネルギーバンドギャップの大きい物質から形成されるウィンドウ層６７を変調器６６上にさらに形成することができる。そして、活性層６２から発生した光の周波数を２倍にする２次調和波発生（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）結晶７２を、外部ミラー７１とウィンドウ層６７との間にさらに備えても良い。
【００３２】
ここで、基板６０としては、例えば、ＧａＡｓのような材料を使用して形成する。下部ＤＢＲ層６１は、レーザー発振波長（以下、「発振波長」と称する）に対して高い反射率を得るために、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した複数の層から構成される。例えば、高屈折率層としてＧａＡｓを使用し、低屈折率層としてＡｌＡｓを使用することができる。この時、下部ＤＢＲ層６１の内部の各層の間隔は、発振波長の１／４であることが好ましい。活性層６２は、少なくとも一つの障壁層６４と少なくとも一つの量子ウェル層６３とが一層ずつ交互に積層された複数の層から構成される。量子ウェル層６３は、電子と正孔とが再結合して特定波長の光が発生する層であって、例えば、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＮのような材料を利用することができ、障壁層６４は、ドーピングされていない（Ａｌ）ＧａＡｓを使用して形成することもできる。この時、一の量子ウェル層と前記一の量子ウェル層に隣接する他の量子ウェル層との間隔は、発振波長の１／２であることが好ましい。
【００３３】
一方、変調器６６は、活性層６２上に形成された第１ドーピング障壁層６５ａ、第１ドーピング障壁層６５ａ上に形成された変調層６５ｃ、及び変調層６５ｃ上に形成され、第１ドーピング障壁層６５ａと異なるタイプにドーピングされた第２ドーピング障壁層６５ｂから構成される。この時、第１ドーピング障壁層６５ａ及び第２ドーピング障壁層６５ｂは、活性層６２の障壁層６４と同じ材料から形成され、変調層６５ｃは、活性層６２の量子ウェル層６３と同じ材料から形成されることが好ましい。例えば、変調層６５ｃは、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＮのような材料を利用して形成されることができる。また、第１ドーピング障壁層６５ａ及び第２ドーピング障壁層６５ｂは、（Ａｌ）ＧａＡｓを使用して形成されることができる。差異点としては、活性層６２の場合には、上述のようにドーピングされていない材料を使用することができるが、変調器６６の場合には、ドーピングされた材料を使用するという点である。例えば、第１ドーピング障壁層６５ａとしてｐ−ＡｌＧａＡｓを使用し、第２ドーピング障壁層６５ｂとしてｎ−ＡｌＧａＡｓを使用することができる。したがって、活性層６２内の量子ウェル層６３と、変調器６６内の変調層６５ｃは、同じ大きさのエネルギーバンドギャップを有する。
【００３４】
このように、本実施の形態では、変調器６６と活性層６２との構造が同じであり、使用する材料も同じであるため、変調器６６を活性層６２の一部としてみなしても良く、具体的には、活性層６２と変調器６６とは、広い意味で統合された一つの活性層として見ることができる。この場合（活性層６２及び変調器６６を活性層６２、６６として見る場合）、複数の量子ウェル６３、６５ｃ（変調層６５ｃは、量子ウェル層と見ることができる）を備える活性層６２、６６において、一部の障壁層６５ａ、６５ｂ（をドーピングすることによって活性層６２、６６内に変調器を部分的に形成することができる。。すなわち、活性層６２内で障壁層６４の一部をドーピングすることにより変調器６６を形成することが可能である。このような本実施の形態の構成によれば、変調器６６内の変調層６５ｃも、量子ウェル層６３と同様に、レーザー発振に寄与する利得領域として動作することができる。このため、変調層６５ｃに最も隣接した量子ウェル層６３と変調層６５ｃとの間隔は、上述した量子ウェル層６３間の間隔と同様に、発振波長の１／２であることが好ましい。
【００３５】
次に、第１ドーピング障壁層６５ａ及び第２ドーピング障壁層６５ｂを介して変調器６６に逆バイアス電圧を印加するための電極形成構造について詳細に説明する。図に示すように、まず、変調層６５ｃは、第１ドーピング障壁層６５ａの上面の中央に部分的に形成されており、第１ドーピング障壁層６５ａに電圧を印加するための第１電極６８が、第１ドーピング障壁層６５ａの上面の端部に沿って形成されている。なお、図５には、二つの第１電極６８が第１ドーピング障壁層６５ａの両端部にそれぞれ形成されているかのように示されているが、実際は、環状型の形状を有する一つの電極である。また、第２ドーピング障壁層６５ｂに電圧を印加するための第２電極６９が、ウィンドウ層６７の端部に沿って形成されている。第２電極６９も同様に、例えば、環状型の形状を有する一つの電極である。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザー素子（変調器内蔵型の半導体レーザー素子）の動作について詳細に説明する。
【００３７】
まず、図５に示すように、活性層６２から発生する光の波長λ２より短い波長λ１の光を放出するポンプレーザー７０を介して、活性層６２に光ビームを入射させて活性層６２を励起させる。一般的に、ＶＥＣＳＥＬで活性層を励起させる方法としては、ポンプレーザーを利用して活性層に光エネルギーを印加する光ポンピング方法と、金属コンタクトを介して活性層に電気エネルギーを印加させる電気ポンピング方法とがある。本実施の形態の場合、活性層６２の一部として見なせる変調器６６に逆バイアス電圧を容易に印加することができるように、光ポンピング方法を使用することが好ましい。
【００３８】
ポンプレーザー７０から放出された光ビームλ１が、コリメータレンズ７３を介してウィンドウ層６７に入射されると、光ビームλ１により活性層６２が励起され特定波長λ２の光を放出する。このようにして発生した光は、活性層６２の下部のＤＢＲ層６１と外部ミラー７１との間で反射を繰り返しつつ、活性層６２を往復する。このような過程により、活性層６２内で増幅された特定波長λ２の光の一部は、外部ミラー７１を介してレーザービームとして外部に出力され、残りは、さらに反射されて活性層６２に入射して、光ポンピングに使用される。外部ミラー７１とウィンドウ層６７との間の光路内にＳＨＧ結晶７２を配置させる場合、ＳＨＧ結晶７２により短くなった波長λ３の光が外部ミラー７１に出力される。
【００３９】
この時、量子ウェル層６３と同じエネルギーバンドギャップを有する変調層６５ｃは、活性層６２内の他の量子ウェル層６３と同様に、電子と正孔との再結合による光を放出する機能を有する。図６Ａは、この場合の変調層６５ｃの動作を説明するエネルギーバンドグラフである。図６Ａのエネルギーバンドグラフに示すように、変調層６５ｃは、ポンプレーザーから発生した光、または他の量子ウェル層から発生した光により励起され、その結果、変調層６５ｃの伝導帯にある電子が、価電子帯にある正孔と再結合するために遷移して、光を発生させる。
【００４０】
このようにポンプレーザー７０により量子ウェル層６３及び変調層６５ｃが励起されている間、第１ドーピング障壁層６５ａ及び第２ドーピング障壁層６５ｂを介して変調器６６に逆バイアス電圧を印加すれば、変調層６５ｃのエネルギーバンドグラフは、図６Ｂのように変化する。すなわち、逆バイアス電圧により変調器６６の内部に発生する電場により、変調器でのエネルギーバンドが図６Ｂのように傾き、変調層６５ｃのエネルギーバンドギャップが狭くなる。その結果、電子及び正孔が変調層６５ｃの量子ウェル内に閉じ込められずに流れ出るか、または第１ドーピング障壁層６５ａ及び第２ドーピング障壁層６５ｂでトンネリングされて抜け出る。したがって、変調層６５ｃは、それ以上利得領域としての機能を行えず、むしろ、光を吸収する。これにより、レーザー素子全体の共振が中断され、レーザー素子からの光放出も中断される。
【００４１】
このような原理によって、例えば、高周波発生器を介して変調器６６に印加される逆バイアス電圧を非常に速い速度でオン・オフすれば、レーザー素子の光出力を高周波に変調することが可能となる。
【００４２】
図７は、本発明の他の実施の形態に係る半導体レーザー素子（変調器内蔵型の半導体レーザー素子）の概略構成を示す断面図である。図７では、外部ミラー及びポンプレーザーの図示は省略している。
【００４３】
図７に示す半導体レーザー素子と、図５に示す半導体レーザー素子とを比較すれば、単に、第２電極の位置のみが異なるということが分かる。すなわち、基板４０、下部ＤＢＲ層４１、活性層４２、及び変調器４６の構成は、図５に示す実施の形態と同じである。したがって、量子ウェル層４３、障壁層４４、変調層４５ｃ、第１ドーピング障壁層４５ａ、及び第２ドーピング障壁層４５ｂの構成も、図５に示す実施の形態と同じである。第１ドーピング障壁層４５ａに電圧を印加するための第１電極４８も、図５に示す実施の形態と同様に、第１ドーピング障壁層４５ａの上面の端部に沿って形成されている。しかしながら、図７に示すレーザー素子の場合、ウィンドウ層４７が第２ドーピング障壁層４５ｂの上面の中央に部分的に形成されている。また、第２ドーピング障壁層４５ｂに電圧を印加するための第２電極４９が、第２ドーピング障壁層４５ｂの上面の端部に沿って形成されているという点が異なる。図７の場合、第２電極４９が第２ドーピング障壁層４５ｂの上面と直接接触するため、逆バイアス電圧の注入効率がさらに向上する。
【００４４】
図８は、本発明の他の実施の形態に係る半導体レーザー素子（変調器内蔵型の半導体レーザー素子）の概略構成を示す断面図である。図８でも、外部ミラー及びポンプレーザーの図示は省略した。
【００４５】
図８に示す半導体レーザー素子の場合、変調器が活性層の下部にあるという点が、他の実施の形態と異なる。すなわち、基板５０上に、下部ＤＢＲ層５１、変調器５６、活性層５２、及びウィンドウ層５７が連続的に積層されている構造である。しかしながら、活性層５２及び変調器５６の構造自体は、図５に示す実施の形態と同じである。すなわち、変調器５６は、第１ドーピング障壁層５５ａ、第１ドーピング障壁層５５ａ上に形成された変調層５５ｃ、及び前記変調層５５ｃ上に形成され、第１ドーピング障壁層５５ａと異なるタイプにドーピングされた第２ドーピング障壁層５５ｂを備える。また、活性層５２は、少なくとも一つの量子ウェル層５３と少なくとも一つの障壁層５４とが一層ずつ交互に積層して形成された構造である。
【００４６】
この時、図８に示すように、変調層５５ｃは、第１ドーピング障壁層５５ａの上面の中央に部分的に形成され、活性層５２は、第２ドーピング障壁層５５ｃの上面の中央に部分的に形成されている。また、第１ドーピング障壁層５５ａに電圧を印加するための第１電極５８は、第１ドーピング障壁層５５ａの上面の端部に沿って形成され、第２ドーピング障壁層５５ｂに電圧を印加するための第２電極５９は、第２ドーピング障壁層５５ｂの上面の端部に沿って形成される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、プリンタ、スキャナー、医療装備、光通信装備及びレーザーＴＶなどの半導体レーザーに関する技術分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】レーザービームの直接変調方式の原理を示すグラフである。
【図２】光放出部に変調器が付着された従来の側面発光レーザーを示す一部破断斜視図である。
【図３Ａ】図２に示すレーザーの動作原理を示すエネルギーバンドグラフを示す図である。
【図３Ｂ】図２に示すレーザーの動作原理を示すエネルギーバンドグラフを示す図である。
【図４】共振器内部に変調器が内蔵された従来の面発光レーザーを示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る垂直外部共振器型の面発光レーザーを利用した変調器内蔵型の半導体レーザー素子の概略構成を示す断面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施の形態に係るレーザー素子の動作原理を示すエネルギーバンドグラフを示す図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施の形態に係るレーザー素子の動作原理を示すエネルギーバンドグラフを示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態に係る半導体レーザー素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザー素子の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
６０    基板、
６１    下部ＤＢＲ層、
６２    活性層、
６３    量子ウェル層、
６４    障壁層、
６５ａ    第１ドーピング障壁層、
６５ｂ    第２ドーピング障壁層、
６５ｃ    変調層、
６６    変調器、
６７    ウィンドウ層、
６８    第１電極、
６９    第２電極、
７０    ポンプレーザー、
７１    外部ミラー、
７２    ＳＨＧ結晶、
７３    コリメータレンズ、
λ１    光ビーム、
λ２    特定波長、
λ３    波長。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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