(57)【要約】【課題】所望の出射ビーム形状が得られ、電流注入効率が悪くなることが抑制できる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】ｐ側電極１１３と、ｎ側電極１１７と、誘電体上部ＢＤＲミラー１１６と、下部ＤＢＲミラー１０２と、活性層１０５を有する共振器１１０と、を備え、上部ＢＤＲミラー１１６と、ｐ側電極１１３と、共振器１１０と、下部ＤＢＲミラー１０２はこの順に配置され、誘電体上部ＢＤＲミラー１１６の上面にフレネルゾーンを形成する同心円状の溝１２１、１２２、１２３が形成されている。【選択図】図1
2011243650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に順に形成された、第１のＤＢＲミラー領域と、活性層と、第２のＤＢＲミラー領域と、前記活性層に電流を注入させるための活性層に対して基板側の第１の電極と、活性層に対して表面側の第２の電極と、前記活性層に注入される電流を狭窄させるため開口を含む電流狭窄層と、を備え、前記基板と反対側の表面からレーザ光を放射する面発光型半導体レーザであって、
前記前記第２のＤＢＲミラー領域は、異なる二つの屈折率を持つ層のペアの繰り返し構造を含み、さらに、
前記第２のＤＢＲミラー領域の前記基板と反対側の表面に、フレネルゾーンを形成し、かつ、前記開口と同心の同心円状の誘電体材料からなる溝が形成されている面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記溝の境界部が、開口部の中心を中心とする半径Ｒｍ２＝ｍｆλの関係を満たす（Ｒｍ：半径、ｍ：フレネルゾーンの次数、ｆ：焦点距離、λ：波長）となっていることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記層は誘電体膜のペアからなることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記誘電体膜のペアは、ＳｉＯ２／ＳｉＮｘ、あるいはα−Ｓｉ／ＳｉＯ２  のペアからなることを特徴とする請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記溝が前記第２のＤＢＲミラー領域の前記表面側の前記ペアの少なくとも一部に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記溝の厚みが前記表面の１ペアであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか1項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える光学機器。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ＬＡＳＥＲ）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザの遠視野像（ＦＦＰ：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）は広がっており、面発光型半導体レーザからの出射ビームを光ファイバ等の外部光学部品に結合させるには、結合効率を上げるために集光用レンズ等を使用している。
【０００３】
面発光型半導体レーザの遠視野像のビーム広がり角度を小さくするため、裏面半導体や上部ＤＢＲ反射鏡上の半導体を一部欠損させることで、ビーム形状を成型する技術が開示されている（特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
しかしながら、裏面形成の場合（特許文献１、２参照）は、基板を薄膜化した後に裏面に加工して形成するのでプロセス的な難しさがあること、発光点からレンズまでの距離が長いことで異なるモード毎に収差が大きくなること、半導体部を伝搬することで出射側の光が広がってしまうこと、基板の吸収損失の影響を受けることなどが問題となっていた。また、半導体ＤＢＲ上に当該層を形成する場合（特許文献３参照）には、電極を端部に作成する必要があるので、電流注入効率が悪くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５０７３０４１号公報
【特許文献２】米国特許第６８８８８７１号公報
【特許文献３】欧州特許公開公報第２１０１３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、所望の出射ビーム形状が得られ、電流注入効率が悪くなることが抑制できる半導体レーザ素子を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
基板と、前記基板上に順に形成された、第１のＤＢＲミラー領域と、活性層と、第２のＤＢＲミラー領域と、前記活性層に電流を注入させるための活性層に対して基板側の第１の電極と、活性層に対して表面側の第２の電極と、前記活性層に注入される電流を狭窄させるため開口を含む電流狭窄層と、を備え、前記基板と反対側の表面からレーザ光を放射する面発光型半導体レーザであって、
前記第２のＤＢＲミラー領域は、異なる二つの屈折率を持つ層のペアの繰り返し構造を含み、さらに、
前記第２のＤＢＲミラー領域の前記基板と反対側の表面に、フレネルゾーンを形成し、かつ、前記開口と同心の同心円状の誘電体材料からなる溝が形成されている面発光型半導体レーザが提供される。
【０００８】
好ましくは、前記溝の境界部が、開口部の中心を中心とする半径Ｒｍ２＝ｍｆλの関係を満たす（Ｒｍ：半径、ｍ：フレネルゾーンの次数、ｆ：焦点距離、λ：波長）となっている。
【０００９】
また、好ましくは、前記層は誘電体膜のペアからなる。
【００１０】
また、好ましくは、前記誘電体膜のペアは、ＳｉＯ２／ＳｉＮｘ、あるいはα−Ｓｉ／ＳｉＯ２  のペアからなる。
【００１１】
また、好ましくは、前記溝が前記第２のＤＢＲミラー領域の前記表面側の前記ペアの少なくとも一部に形成されている。
【００１２】
また、好ましくは、前記溝の厚みが前記表面の１ペアである。
【００１３】
また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える光学機器が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、上記いずれかの半導体レーザ素子またはレーザアレイを備える通信システムが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、所望の出射ビーム形状が得られ、電流注入効率が悪くなることが抑制できる半導体レーザ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好ましい第１の実施の形態の半導体レーザ素子を説明するための概略縦断面図である。
【図２】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の半導体レーザ素子のフレネルゾーンプレートを説明するための図であり、図２（ａ）は概略平面図、図２（ｂ）は概略縦断面図である。
【図３】本発明の好ましい第２の実施の形態の半導体レーザ素子を説明するための概略縦断面図である。
【図４】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを説明するための概略斜視図である。
【図５】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイチップを説明するための概略平面図である。
【図６】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。
【図７】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。
【図８】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。
【図９】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光ディスク用ピックアップを説明するための概略縦断面図である。
【図１０】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光送受信モジュールを説明するための概略平面図である。
【図１１】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。
【図１２】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。
【図１３】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。
【図１４】本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた通信システム、または本発明の好ましい第１および第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた通信システムを説明するための概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１を参照して、本発明の好ましい第１の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１００の模式的な断面図である。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子は、レーザ発振波長が１１００ｎｍ帯である。図１に示すように、この面発光型半導体レーザ素子１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部半導体多層膜反射鏡である下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ＋型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、ｐ型クラッド層１０８と、ｐ＋型コンタクト層１１１とが順次積層した構造を有する。活性層１０５からｐ＋型コンタクト層１１１までが円柱状のメサポスト１３０を構成している。
【００２１】
基板１０１は、アンドープのＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の４０ペアからなる。バッファ層１０３は、アンドープのＧａＡｓからなる。ｎ＋型コンタクト層１０４は、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）などのｎ型ドーパントをドープした、ｎ＋型のＧａＡｓからなる。活性層１０５は、層数が３のＧａＩｎＡｓ井戸層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａは主にＡｌ酸化物からなり、電流注入部１０７ｂはＡｌＡｓからなる。電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１は５μｍである。電流狭窄部１０７ａによって、ｐ側円環電極１１３とｎ側電極１１７との間に流れる電流の経路を制限して、電流注入部１０７ｂに電流の流れを集中させており、電流狭窄層１０７は、電流経路制限層として機能している。
【００２２】
ｐ型クラッド層１０８、ｐ＋型コンタクト層１１１は、それぞれ炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）あるいはベリリウム（Ｂｅ）などのｐ型ドーパントをドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。各ｐ型又はｎ型層のアクセプタ又はドナー濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３程度であり、各ｐ＋型又はｎ＋型層のアクセプタまたはドナー濃度は、例えば３×１０１９ｃｍ−３以上である。
【００２３】
ｐ＋型コンタクト層１１１上に、Ｔｉ／Ｐｔ（下層がＴｉでその上にＰｔが形成された構造）からなり、中心に開口１１３ａを有するとともに、メサポスト１３０の外周と一致する外周を有するｐ側円環電極１１３が形成されている。ｐ側円環電極１１３の外径は、たとえば30μｍであり、開口部１１３ａの内径は、たとえば14μｍである。
【００２４】
ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａ内には、その上に積層される層の平坦性をもたらすために、ｐ側円環電極１１３とほぼ同じ厚さの円板状の誘電体層１１４が形成されている。誘電体層１１４の上面からバッファ層１０３の底面までの部分が共振器１１０を構成している。
【００２５】
ｐ側円環電極１１３および誘電体層１１４上には、誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１６が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１６は、たとえば
たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアからなる。また、表面保護のためにＳｉＯ２１４３とその上のＳｉＮｘ１４４からなるパッシベーション膜１４５が全面に形成されている。このパッシベーション膜１４５のＳｉＯ２１４３とＳｉＮｘ１４４は、ＤＢＲミラー１１６の最下層のＳｉＯ２とＳｉＮｘを兼ねている。従って、ＳｉＮｘ／ＳｉＯ２からなる上部ＤＢＲミラー１１６は、その最下層は、パッシベーション膜１４５のＳｉＯ２１４３であり、その上に、パッシベーション膜１４５のＳｉＮｘ１４４があり、その上にＳｉＯ２とＳｉＮｘが交互に積層され、最上層より一つ下の層がＳｉＯ２１２８であり、最上層がＳｉＮｘ１２９である構造となっている。
【００２６】
ＳｉＯ２１２８とＳｉＮｘ１２９には、同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３が形成されており、ＳｉＯ２１２８とＳｉＮｘ１２９とにより概略矩形の溝からなるフレネルゾーンプレート１２０が構成されている。
【００２７】
図２を参照すれば、フレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１は５μｍであり、外側の半径Ｒ１２は７．１μｍである。その外側の溝１２２の内側の半径Ｒ１３は８．７μｍであり、外側の半径Ｒ１４は１０．０μｍである。その外側の溝１２３の内側の半径Ｒ１５は１１．２μｍであり、外側の半径Ｒ１６は１２．２μｍである。フレネルゾーンプレートに設けられた溝の境界部は、開口の中心部を中心として，半径Ｒｍ２＝ｍｆλの関係を満たし（Ｒｍ：半径、ｍ：フレネルゾーンの次数、ｆ：焦点距離、λ：波長）、この境界部の間に設けられた領域がフレネルゾーン（フレネル帯）となっている。
【００２８】
再び、図１を参照すれば、ｎ＋型コンタクト層１０４は、メサポスト１３０の下部から半径方向外側に延びており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ（下側がＡｕＧｅＮｉ、上側Ａｕ）からなる半円環状のｎ側電極１１７が形成されている。ｎ側電極１１７は、たとえば外径が80μｍ、内径が45μｍである。
【００２９】
ｎ側電極１１７に対して、パッシベーション膜１４５に形成された開口部１４７を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極１３６が形成されている。一方、ｐ側円環電極１１３に対しても、パッシベーション膜１４５に形成された開口部１４６を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極１３５が形成されている。そして、ｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３は、それぞれｎ側引き出し電極１３６およびｐ側引き出し電極１３５によって、外部に設けた電流供給回路(図示せず）に電気的に接続している。
【００３０】
面発光型半導体レーザ素子１００は、外部に設けた電流供給回路(図示せず）からそれぞれｎ側引き出し電極１３６およびｐ側引き出し電極１３５を介してｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３間に電圧を印加すると、電流注入部１０７ｂを介して電流が活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１６との間で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａから１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力し、フレネルゾーンプレート１２０で回折されて集光される。
【００３１】
本実施の形態では、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１は５μｍであり、フレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１は５μｍであり、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１と同じである。半導体レーザ素子１００から出射するレーザ光１５１のビーム広がり角度θ１は3度であった。これに対して、溝１２１、１２２、１２３を設けない場合の、レーザ光１５２のビーム広がり角度θ２は10度であった。
【００３２】
本実施の形態では、フレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１と電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１と同じであるので、電流注入部１０７ｂからの光がフレネルゾーンプレート１２０に達するとビーム径が多少広がっているので、フレネルゾーンプレート１２０による回折作用を受け、レーザ光１５１のビーム広がり角度θ１は小さくなる。その一方で、ビーム径は多少広がる程度なので、上部ＤＢＲミラー１１６の等価的な反射率は溝１２１、１２２、１２３を設けない場合と殆ど変わらない。また、ｐ側電極１１３の外側の上部ＤＢＲミラー１１６にフレネルゾーンプレート１２０を形成するので、電流注入効率が悪くなることが抑制できる。
【００３３】
本構造のようにｐ型電極からの電流注入箇所が共振器内にある構造を採用すると、上部ＤＢＲミラー上には電極用の金属などレーザ光を遮蔽する材料を積層する必要が無いのでメサポスト上の光の存在する領域に渡ってフレネルゾーンを形成することができる。また、ＤＢＲの材料として誘電体材料を用いたことによって、ＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料を用いたＤＢＲに比べて熱レンズ効果による光路ズレにより生じるフレネルゾーンのパターンによるケラレを最小化することができる。
【００３４】
次に、面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
【００３５】
はじめに、エピタキシャル成長法によって、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ＋型コンタクト層１０４、活性層１０５、ＡｌＡｓからなる被酸化層、ｐ型クラッド層１０８、ｐ＋型コンタクト層１１１、電極段差調整用の円板状の誘電体層114を順に選択的に形成する
【００３６】
次に、リフトオフ法を用いて、誘電体層１１４の周囲のｐ＋型コンタクト層１１１上に、Ｔｉ／Ｐｔ層からなるｐ側円環電極１１３を選択的に形成する。
【００３７】
次に、ｐ側円環電極１１３と開口部を覆うレジストパターンからなる部分をマスクとして，酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポスト１３０をｐ側円環電極１１３に対して自己整合的に形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ＋型コンタクト層１０４をエッチングする。
【００３８】
次に、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、ＡｌＡｓからなる被酸化層（電流狭窄層１０７に相当する層）をメサポスト１３０の外周側から選択酸化する。このとき、ＡｌＡｓからなる被酸化層の外周部に選択酸化が起こり、Al酸化物を含む電流狭窄部１０７ａが形成される。上記選択酸化はＡｌＡｓからなる被酸化層の外周側からほぼ均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径の大きさを制御する。
【００３９】
次に、メサポスト１３０の外周側のｎ＋型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１７を形成する。
【００４０】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて全面にＳｉＯ２膜１４３およびＳｉＮｘ膜１４４からなるパッシベーション膜１４５を形成した後、ｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３上においてパッシベーション膜１４５に開口部１４７、１４６をそれぞれ形成し、これらの開口部１４７、１４６を介してｎ側電極１３４に接触するｎ側引き出し電極１３６と、ｐ側円環電極１３１に接触するｐ側引き出し電極１３５をそれぞれ形成する。
【００４１】
次に、プラズマＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１６を形成する。次に、フォトリソグラフィ技術により、ＳｉＯ２１２８とＳｉＮｘ１２９に、同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３を形成して、ＳｉＯ２１２８とＳｉＮｘ１２９とからなるフレネルゾーンプレート１２０を形成する。
【００４２】
次に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さをたとえば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光型半導体レーザ素子１００が完成する。本願の構造によれば、基板から突出した上部ＤＢＲミラー上（特にメサポスト上のＤＢＲミラー上）にフレネルゾーンプレート１２０を形成するので、電流注入部の開口との位置あわせが容易にできる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
次に、図３を参照して、本発明の好ましい第２の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。上述の第１の実施の形態では、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１は５μｍであり、フレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１は５μｍであり、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２１と同じとしたが、本実施の形態では、フレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１は５μｍであるが、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２２を１０μｍとし、電流注入部１０７ｂの半径Ｒ２２をフレネルゾーンプレート１２０の一番内側の溝１２１の内側の半径Ｒ１１よりも大きくした点が第１の実施の形態と異なるが、他の点は同様であり、製造方法も同様である（ただし、構造については第1の実施の形態と基本設計は同じで、必要な部分はサイズを大きくする）。本実施の形態では、半導体レーザ素子１００の焦点距離は４０μｍであり、非常に短焦点のものとすることができ、半導体レーザ素子１００から出射するレーザ光１５３は半導体レーザ素子１００から４０μｍ離れた所で集光する。従って、その位置近傍に、例えば、シングルモード光ファイバを位置すれば、集光レンズ等を使用しなくても効率よく半導体レーザ素子１００と光ファイバとを結合させることができる。
【００４４】
上記実施の形態では、上部ＤＢＲミラー１１６は、ＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアから構成したが、たとえばα−Ｓｉ（アモルファスシリコン）／ＳｉＯ２またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率が得られるようなペア数にしたものでもよい。上部ＤＢＲミラー１１６をα−Ｓｉ／ＳｉＯ２の複数ペアで構成する場合は、最上層のα−Ｓｉ／ＳｉＯ２のペアに同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３を形成してフレネルゾーンプレート１２０を形成し、上部ＤＢＲミラー１１６をα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３の複数ペアで構成する場合は、最上層のα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアに同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３を形成してフレネルゾーンプレート１２０を形成する。なお、同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３の数は３個に限られず、適宜変更することができる。また、フレネルゾーンプレート１２０を形成するのは最上層の２層に限られず、その層数も適宜変更することができる。ただし、最上層の１ペアによってフレネルゾーンプレートを形成すると、異なる組成の層の界面を利用することができるので均一な光学長の膜厚のフレネルゾーンプレートを形成することが可能で、また、フレネルゾーンプレートの光学長がλ/２となるためにもっとも都合が良い。
【００４５】
上記実施の形態では、被酸化層はＡｌＡｓからなるものであったが、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０＜ｘ＜0.2）からなるものでもよい。被酸化層がＡｌ１−ｘＧａｘＡｓからなる場合は、電流狭窄層は、電流狭窄部が（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなり、電流注入部がＡｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるものとなる。
【００４６】
上記のように、誘電体ＤＢＲ１１６の一部をエッチング加工してフレネルゾーンプレート機能を持たせることで、所望のＦＦＰ（ビーム広がり角度）を備える面発光型半導体レーザ素子を、レーザ特性を損なうことなく実現できる。その結果、特に外付けの結合素子を用いなくても、マルチモードの面発光型半導体レーザ素子をシングルモードファイバや幅小の導波路コアにも容易に結合することができるようになる。また、２次元に配列されたマルチモードの面発光型半導体レーザ素子を用いて、２次元配列など高密度集積の有機導波路やＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）導波路に結合させることも容易に行えるようになる。
【００４７】
以上の実施の形態では、１１００ｎｍ帯のレーザの活性層１０５を構成する井戸層／障壁層の組み合わせとして、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓとしたが、上記本発明の好ましい実施の形態は、波長に応じて（基板やその他の層構成はこれらの井戸層と障壁層の組み合わせに応じて適宜選択され）、１３００ｎｍ帯のレーザの場合は、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）／ＧａＮＡｓ（Ｓｂ）、９８０ｎｍ帯のレーザの場合はＩｎＧａＡｓ/ＧａＡｓＰ、８５０ｎｍ帯のレーザの場合ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなど（井戸層と障壁層の組み合わせについてはこれらに限られない）を選択することができる。量子井戸層及びバリア層は、発振させたい所望の波長に合わせてその量子井戸幅などを任意に設計作成することができる。フレネルゾーンプレート１２０を形成するための同心円状の環状溝１２１、１２２、１２３の半径も、この波長に応じて適宜変更することにより、所望の集光特性の面発光レーザを作成することができる。また、本発明の面発光型半導体レーザを積層する基板が活性層等の条件により適宜選択（主にはIII−V族化合物基板）されることは言うまでもない。
【００４８】
次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を複数用いた面発光レーザアレイの例を図４、５を参照して説明する。一例として、図４に示したように、面発光レーザアレイチップ７００がＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｌｅａｄｅｄ  ｃｈｉｐ  ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれる周知のフラットパッケージ７１０に実装されたものを用いている。図では煩雑さを避けるために、金属キャスター（電極）７１４と面発光レーザアレイチップ７００との接続は省略してある。面発光レーザアレイチップ７００は図５に示したように、中央部に設けられた複数の面発光型半導体レーザ素子１００からなる素子部７０２、及び周囲に設けられ、素子部７０２の複数の発光部と接続（図示せず）された複数の電極パッド７０６を有している。さらに、各電極パッド７０６はフラットパッケージ７１２の金属キャスター７１４と接続（図示せず）されている。各発光部は、フラットパッケージ７１２と接続された（図示せず）外部制御回路によって発光制御され、所定の波長のレーザ光を射出する。
【００４９】
次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光学機器に適用した例について図面を参照して説明する。図６は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ３００は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３０４および電極３０６からなる面発光レーザモジュール３０２、ハウジング３１０、光ファイバマウント３１２、光ファイバ３１４とからなる。電極３０６は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光はレンズ等の外部集光素子を用いることなく光ファイバ３１４に結合される。
【００５０】
次に、図７を参照して、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイチップ７００を、２次元配列など高密度集積の有機導波路８１０やＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）導波路８２０に結合させる発光素子のパッケージに適応したときの構成を説明する。面発光レーザパッケージ８００は、面発光レーザ素子アレイチップ７００、ハウジング８５０、導波路マウント８４０、２次元配列の複数の導波路８３０を有する有機導波路８１０またはＰＬＣ導波路８２０を備えている。面発光レーザ素子アレイチップ７００の各面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光はレンズ等の外部集光素子を用いることなく有機導波路８１０またはＰＬＣ導波路８２０の各導波路８３０に結合される。
【００５１】
次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光学機器に適用した別の例について図面を参照して説明する。図８は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ３００は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３０４および電極３０６からなる面発光レーザモジュール３０２、レンズ３１６、ハウジング３１０、光ファイバマウント３１２、光ファイバ３１４とからなる。電極３０６は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光はレンズ３１６で集光され光ファイバ３１４に結合される。
【００５２】
図９は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光記憶媒体への書き込み／読み出し装置のピックアップに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。ピックアップ３５０は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３５４、電極３５６、駆動ＩＣ３５８、およびこれらの要素を封止する樹脂３６０からなる面発光レーザモジュールと、レンズ３７６、ハーフミラー３７０、回折格子３７４、光センサー３８０、光記憶媒体３７２とからなる。樹脂３６０の出射面は凸状に加工されレンズ３６２を構成している。電極３５４は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、レーザピックアップの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光は、レンズ３６２で平行光とされ、ハーフミラー３７０で反射された後、レンズ３７６によって集光され光記憶媒体３７２の所定の箇所に集光される。また、光媒体で反射された光は光センサー３８０に入射される。ここでは、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信用の発光素子パッケージ、あるいは光ディスク用ピックアップに適用した例を示したがこれに限られず、測量機器、レーザポインター、光学マウス、あるいは、プリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源等の光学機器として用いることもできる。
【００５３】
図１０は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を適用した光送受信モジュールの概略構成図である。図１０に示すように、光送受信モジュール４００は、保持部材４０２、光導波路（光ファイバ）４１２と、保持部材４０２上で光導波路（光ファイバ）４１２の位置決め用のスペーサ４１０、光導波路（光ファイバ）４１２を介して光信号を送信する面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ及び光信号を受信する受光素子４０４、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイの発光状態を制御する駆動回路４０６、受光素子４０４で受信された信号を増幅する増幅回路４０８とで構成されている。面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイは外部の制御部（図示せず）からの制御信号によって駆動回路４０６を介して発光制御され、受光素子４０４で受信された信号が増幅回路４０８を介して制御部へ送信される。煩雑さを避けるために、駆動回路４０６と面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイおよび増幅回路４０８と受光素子４０４のワイヤボンディングは省略している。
【００５４】
図１１〜図１３は図１０における面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイと、光導波路４１２との光結合部分の概略構成図であり、基板５００、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ、光導波路４１２は図１１〜図１３で共通している。図１１では、導波路４１２の端面が光軸に対してほぼ４５度に傾斜するように加工されており、さらにこの傾斜面が反射面５０４として、反射膜のコーティング等による鏡面加工が施され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、導波路４１２の下面から導波路に入射され、傾斜面５０４で反射されて光導波路４１２内を伝播する。図１２では、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ上、光導波路４１２の端面側方に内部に反射面５０４の設けられたミラーアセンブリ５０６が設置されて、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、ミラーアセンブリ５０６の下面から入射され、反射面５０４で反射され、ミラーアセンブリ５０６から出射された光が光導波路４１２に結合されて光導波路４１２内を伝播する。ミラーアセンブリ５０６の入射面あるいは／および出射面にはマイクロレンズ（アレイ）が設けられてもよい。図１３は、コネクタハウジング５１２内に光ファイバ４１２が配置され、さらに光ファイバ心線の曲部５１４の端部が面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイに対向するように配置され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光が光ファイバ４１２に結合される。
【００５５】
次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信システムに適用した例を示す。図１４には、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイを用いた波長多重伝送システムの構成例が示されている。図１４の波長多重伝送システムはコンピュータ、ボードあるいはチップ６０２、通信制御回路（ＣＰＵ，ＭＰＵ、光―電気変換回路、電気―光変換回路、波長制御回路）６０４、面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ６０６、受光素子集積部６０８、合波器６１０、分波器６１２、電気配線６１６、光ファイバ６１７、６１８、通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４からなる。図１４の波長多重伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を配列して面発光レーザアレイ６０６を構成し、面発光レーザアレイ６０６の各面発光レーザ素子からの各発振光を合波器を通して１本の光ファイバに結合させるように構成されている。このような構成では、１本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。このように、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能になる。なお、本実施形態では各面発光レーザアレイ６０６あるいは受光素子集積部６０８からの出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバは合波器６１０あるいは分波器６１２を用いて1本の光ファイバに結合されているが、用途に応じては出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバをそのまま通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４に接続して並列伝送システムとすることもできる。この場合、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各波長が安定しているので、複数の光源をもつ信頼性の高い並列伝送システムの構築が容易になる。
【００５６】
以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１００  面発光型半導体レーザ素子
１０１  基板
１０２  下部ＤＢＲミラー
１０３  バッファ層
１０４  ｎ＋型コンタクト層
１０５  活性層
１０７  電流狭窄層
１０７ａ  電流狭窄部
１０７ｂ  電流注入部
１０８  ｐ型クラッド層
１１０  共振器
１１１  ｐ＋型コンタクト層
１１３  ｐ側円環電極
１１３ａ  開口部
１１４  誘電体層
１１６  上部ＤＢＲミラー
１１７  ｎ側電極
１２０  フレネルゾーンプレート
１２１、１２２、１２３  溝
１３０  メサポスト
１３５  ｐ側引き出し電極
１３６  ｎ側引き出し電極
１２８、１４３  ＳｉＯ２膜
１２９、１４４  ＳｉＮｘ膜
１４５  パッシベーション膜
１４６、１４７  開口
１５１、１５２、１５３  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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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