(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された下部分布ブラッグ反射鏡と、
前記下部分布ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された上部分布ブラッグ反射鏡と、
を含む積層構造を有し、
前記積層構造の第１領域に垂直共振器面発光レーザが形成され、
前記積層構造の前記第１領域に対して基板平面の第１方向に隣接する第２領域に、電界吸収型変調器が形成され、
前記垂直共振器面発光レーザは、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡に挟まれた第１導波領域を有し、前記第１導波領域においてレーザ光を前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡の間で多重反射させながら前記第１方向に伝搬させ、
前記電界吸収型変調器は、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡に挟まれた第２導波領域を有し、前記第２導波領域において、前記第１導波領域からの前記レーザ光を、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡の間で多重反射させ、その一部が基板垂直方向に出射光として取り出され、
前記第１導波領域の、前記基板平面の前記第１方向と垂直な第２方向の幅は、前記第２導波領域の第２方向の幅よりも狭いことを特徴とする光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項２】
前記垂直共振器面発光レーザと前記電界吸収型変調器の接続面における反射を利用して、前記垂直共振器面発光レーザに横モードが形成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項３】
前記電界吸収型変調器の終端付近で、前記上部分布ブラッグ反射鏡の反射率を低くして、そこから光出力を取り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項４】
前記第２導波領域は、多モード干渉導波路であり、
前記電界吸収型変調器の前記第１方向の長さは、前記電界吸収型変調器の内部あるいは外部からの反射に対して、前記垂直共振器面発光レーザへの戻り光が小さくなるように定められることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項５】
前記活性層と近接して、電流および導波光を横方向に閉じこめるよう形成された電流狭窄層または屈折率差による光ガイド層をさらに備え、
前記電流狭窄層または前記光ガイド層によって、前記第１導波領域の幅と、前記第２導波領域の幅が定まることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項６】
前記電流狭窄層は、側面から内側に向かって選択的に酸化された酸化領域と前記酸化領域に囲まれた非酸化領域とを含む選択酸化層であることを特徴とする請求項５に記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項７】
前記電流狭窄層の前記垂直共振器面発光レーザと前記電界吸収型変調器の結合領域には、イオン注入による高抵抗領域が形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項８】
前記垂直共振器面発光レーザが形成される領域内に、前記上部分布ブラッグ反射鏡の上に形成された金属ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項９】
前記電界吸収型変調器が形成される領域における前記上部分布ブラッグ反射鏡の層数が、前記垂直共振器面発光レーザが形成される領域における前記上部分布ブラッグ反射鏡の層数よりも少ないことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項１０】
前記垂直共振器面発光レーザと前記電界吸収型変調器の結合領域において、前記第１導波領域から前記第２導波領域に向かって、前記第２方向の幅がテーパー状に変化していることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光変調機能付き面発光レーザ。
【請求項１１】
垂直共振器面発光レーザと、
電界吸収型変調器と、
を備え、
前記垂直共振器面発光レーザと前記電界吸収型変調器は、積層された半導体基板と、下部分布ブラッグ反射鏡と、活性層と、上部分布ブラッグ反射鏡と、含む構造体を共有して、基板平面の第１方向に隣接して構成され、
前記垂直共振器面発光レーザは、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡に挟まれた第１導波領域を有し、前記第１導波領域においてレーザ光を前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡の間で多重反射させながら前記第１方向に伝搬させ、
前記電界吸収型変調器は、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡に挟まれた第２導波領域を有し、前記第２導波領域において、前記第１導波領域からの前記レーザ光を、前記下部分布ブラッグ反射鏡と前記上部分布ブラッグ反射鏡の間で多重反射させ、その一部が基板垂直方向に出射光として取り出され、
前記第１導波領域の、前記基板平面の前記第１方向と垂直な第２方向の幅は、前記第２導波領域の第２方向の幅よりも狭いことを特徴とする光変調機能付き面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光データ通信のキーデバイスとして、高速で、かつ低消費電力な光源が挙げられる。このような光源として、垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下ＶＣＳＥＬとも称する）が重要な役割を果たしている。近年ＶＣＳＥＬの高速化が進められ、２５Ｇｂｐｓにも及ぶ素子が開発されているが、さらなる高速化が求められている。その中で、ＶＣＳＥＬ上に変調器が集積された素子の開発が進められているが、変調速度の観点から、市場の要求を満たすには至っておらず、世界中でさらなる高速化を目指した開発が進められている。
【０００３】
図１は、非特許文献１に記載の、光変調器が集積された面発光レーザの断面図である。光変調機能付き面発光レーザ１００ｒは、垂直方向に積層されたＶＣＳＥＬ２００および電界吸収型変調器（Electroabsorption modulator、以下ＥＡＭとも称する）３００を備える。ＶＣＳＥＬ２００は、垂直方向に積層されたＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板２０４、下部分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector、以下、ＤＢＲ）２０６、選択酸化層（電流狭窄層）２０８、活性層２１０、上部ＤＢＲ２１２、駆動用電極２１４を備える。駆動用電極２１４から基板側に直流電流を供給することで、活性層２１０が励起され、光が放出される。放出された光は、下部ＤＢＲ２０６と上部ＤＢＲ２１２の間で基板垂直方向に多重反射され、活性層２１０の誘導放出により光が増幅される。上部ＤＢＲ２１２の反射率は１００％未満に設計されており、増幅された一部の光が、ＥＡＭ３００側に取り出される。
【０００４】
ＥＡＭ３００は、ＶＣＳＥＬ２００上に形成され、その基本となるレイヤ構造はＶＣＳＥＬ２００のそれと同様である。具体的にはＥＡＭ３００は、垂直方向に積層された下部ＤＢＲ３０２、光吸収層３０４、上部ＤＢＲ３０６、制御用電極３０８を備える。制御用電極３０８に印加する電圧を変調することにより、光吸収層３０４のバンドギャップが変化し、透過率・吸収率を変化させることができ、出射光１０２の強度が変調される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７４６４０号公報
【特許文献２】特開２００７−１８９０３３号公報
【特許文献３】特開２０１０−３９３０号公報
【特許文献４】特開２０１２−４９１８０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Germann et al.「Electro-optical resonance modulation of vertical-cavity surface-emitting lasers」、13 February 2012、Vol. 20, No. 4, 5102, OPTICS EXPRESS
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで図１の光変調機能付き面発光レーザ１００ｒでは、ＶＣＳＥＬ２００とＥＡＭ３００を縦方向に積層するため、ＥＡＭ３００の厚み（高さ）に制約が生じ、薄くせざるを得ない。これにより、ＶＣＳＥＬ２００には、ＥＡＭ３００からの望ましくない戻り光が入射する。ここでＥＡＭ３００の吸収率を変調すると、ＶＣＳＥＬ２００への戻り光の強度が変化する。これにより本来一定であるべきＶＣＳＥＬ２００内の光強度が時間的にゆらぐこととなり、これが光変調機能付き面発光レーザ１００ｒの変調速度を低下させる、および／またはノイズの一因となっている。
【０００８】
本発明者らはこの問題を解決するために、基板横方向にＶＣＳＥＬとＥＡＭ３００を配置した光変調機能付き面発光レーザについて提案している（特許文献４参照）。
【０００９】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ＶＣＳＥＬとＥＡＭの結合方法を改善することにより、高速化され、および／またはノイズを低減した光変調機能付き面発光レーザの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、光変調機能付き面発光レーザに関する。光変調機能付き面発光レーザは、半導体基板と、半導体基板の上に形成された下部分布ブラッグ反射鏡と、下部分布ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された上部分布ブラッグ反射鏡と、を備える。垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器は、光学的に結合するように、基板平面の第１方向に隣接して形成され、出射光は、変調器において基板垂直方向に取り出される。垂直共振器面発光レーザの基板平面の第１方向と垂直な第２方向の幅は、電界吸収型変調器の幅よりも狭い。
【００１１】
垂直共振器面発光レーザにより生成されたレーザ光は、上部ＤＢＲと下部ＤＢＲの間を多重反射しながら、第１方向にゆっくりと伝搬する（slow light）。光は幅が狭い領域から広い領域に入射するときに結合しやすく、反対に幅が広い領域から狭い領域に入射するときに結合しにくい性質を有するため、垂直共振器面発光レーザの導波領域の第２方向の幅を、電界吸収型変調器の導波領域の第２方向の幅よりも狭くすることで、垂直共振器面発光レーザから電界吸収型変調器は光を結合しやすくしつつ、電界吸収型変調器から垂直共振器面発光レーザへの戻り光を抑制することができる。これにより、垂直共振器面発光レーザ内の光強度のゆらぎを抑制し、ひいては変調速度を改善し、および／またはノイズを低減できる。
【００１２】
垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器の接続部分における幅の違いにより、垂直共振器面発光レーザから基板平面の第１方向に進む光の一部が反射されてもよい。これにより面発光レーザに光が閉じ込められ、面発光レーザの横モードが形成されてもよい。
【００１３】
電界吸収型変調器の終端付近で、上部分布ブラッグ反射鏡の反射率を低くして、そこから光出力を取り出してもよい。
【００１４】
電界吸収型変調器の導波領域は、多モード干渉導波路であってもよい。電界吸収型変調器の第１方向の長さは、電界吸収型変調器の内部あるいは外部からの反射に対して、垂直共振器面発光レーザへの戻り光が小さくなるように定められてもよい。
電界吸収型変調器から垂直共振器面発光レーザへの戻り光の強度は、電界吸収型変調器の長さに対して周期的に増減する。そこで電界吸収型変調器の長さを最適化することで、戻り光をさらに抑制することができる。
【００１５】
面発光レーザは、活性層と近接して、電流および導波光を横方向に閉じこめるよう形成された電流狭窄層または屈折率差による光ガイド層をさらに備えてもよい。電流狭窄層または光ガイド層によって、垂直共振器面発光レーザの導波領域の幅と、電界吸収型変調器の導波領域の幅が定まってもよい。
【００１６】
電流狭窄層あるいは屈折率差による光ガイド層は、選択酸化層であってもよい。
【００１７】
電流狭窄層は、イオン注入によって形成された絶縁層であってもよい。屈折率差による光ガイド層は、上部ブラッグ反射鏡の一部の厚さを変えたものであってもよい。
【００１８】
電流狭窄層の垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器の結合領域には、イオン注入による高抵抗領域が形成されてもよい。
これにより、電流が横方向に流れるのを抑制しつつ、垂直共振器面発光レーザの導波領域から電界吸収型変調器の導波領域へと光を伝搬させることができる。
【００１９】
面発光レーザは、垂直共振器面発光レーザが形成される領域内に、上部分布ブラッグ反射鏡の上に形成された金属ミラーをさらに備えてもよい。あるいは面発光レーザは、上部分布ブラッグ反射鏡の上に形成された誘電体多層膜ミラーをさらに備えてもよい。
これにより、垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器それぞれの領域で、上部ＤＢＲの層数を共通としつつ、垂直共振器面発光レーザでは反射率を１００％に近づけることができ、電界吸収型変調器では反射率を１００％未満とすることができる。
【００２０】
あるいは、面発光レーザおよび電界吸収型光変調器の一部に、金属ミラーあるいは誘電体多層膜ミラーを備えて、電界吸収型光変調器の終端近傍から出力を取り出してもよい。
【００２１】
あるいは、実質的に１００％の反射率を有する上部分布ブラッグ反射鏡を形成しておき、電界吸収型変調器が形成される領域において、エッチングなどにより上部分布ブラッグ反射鏡の層数を削減することで、電界吸収型変調器では反射率を１００％未満としてもよい。
【００２２】
電界吸収型変調器の基板平面の第１方向の終端の酸化領域で、光を全反射させてもよい。
この場合、反射された光も変調されることとなり、電界吸収型変調器の小型化が可能となる。電界吸収型変調器の変調速度は、素子の浮遊容量により制限されることとなるが、小型化により高速化が可能となる。
【００２３】
垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器の結合領域において、導波領域の第２方向の幅がテーパー状に変化してもよい。
【００２４】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のある態様によれば、垂直共振器面発光レーザと電界吸収型変調器の高効率の光結合が可能となる。またそのある態様によれば、電界吸収型変調器の小型化が可能となり、その変調速度を改善できる。またそのある態様によれば、電界吸収型変調器から垂直共振器面発光レーザへの戻り光を抑制してノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】比較技術に係る光変調器を集積した面発光レーザの断面図である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態に係る光変調機能付き面発光レーザの斜視図であり、図２（ｂ）はその断面図であり、図２（ｃ）はその上部から見た平面図である。
【図３】図３（ａ）は、順方向の導波を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は、逆方向の導波を模式的に示す図である。
【図４】図４（ａ）は、順方向の導波光の強度分布図であり、図４（ｂ）は、電界吸収型光変調器の終端で反射された逆方向の導波光の強度分布図である。
【図５】ＥＡＭの素子長Ｌと、ＥＡＭからＶＣＳＥＬに入射する戻り光の強度の関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、実施の形態に係る面発光レーザによって得られる変調波形（アイパターン）の測定結果を示す図であり、図６（ｂ）は、戻り光を抑制しない面発光レーザのアイパターンの測定結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、実施の形態に係る面発光レーザの小信号変調特性の測定結果を示す図であり、図７（ｂ）は、ＥＡＭの長さの逆数１／Ｌと、３ｄＢバンド幅の関係を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、変形例に係る光変調機能付き面発光レーザの断面図であり、図８（ｂ）は、その上部から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２８】
図２（ａ）は、実施の形態に係る光変調機能付き面発光レーザ１００の斜視図であり、図２（ｂ）はその断面図であり、図２（ｃ）はその平面図である。はじめに図２（ｂ）を参照して、光変調機能付き面発光レーザ１００の積層構造を説明する。
【００２９】
光変調機能付き面発光レーザ（以下、単に面発光レーザともいう）２は、主として垂直方向に形成された半導体基板１０、下部ＤＢＲ１２、活性層１４、上部ＤＢＲ１６、を備える。本実施の形態において面発光レーザ２は、９８０ｎｍの光を生成するものとし、各構成要素の材料や濃度については、その波長に適したものを説明する。
【００３０】
半導体基板１０は、III-V族半導体であり、本実施の形態においてＧａＡｓ基板である。半導体基板１０の裏面には、ｎ側電極３０が形成される。下部ＤＢＲ１２は、ｎ型不純物であるシリコンがドープされたＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層とＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（ＡｌＧａＡｓ＝アルミニウムガリウムヒ素）の積層構造となっている。レーザの発振波長をλ、屈折率をｎｒとするとき、各層の厚みはλ／４ｎｒであり、１００％に近い高反射率が得られるように、たとえば４１．５周期にわたり積層される。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００３１】
活性層１４は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素／ガリウムヒ素）の多重量子井戸構造１８を有する。たとえば活性層１４は、３層量子井戸構造を有してもよい。多重量子井戸構造１８の両側には、必要に応じてアンドープのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層である下部スペーサ層２０および上部スペーサ層２１が形成される。上部ＤＢＲ１６は、炭素がドープされたＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層とＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（ＡｌＧａＡｓ＝アルミニウムガリウムヒ素）の積層構造となっており、たとえば２６周期の厚みを有する。
【００３２】
活性層１４と近接する領域、たとえば上部ＤＢＲ１６の最下層、あるいはその内部には、電流狭窄層（選択酸化層）２２が形成される。電流狭窄層２２は、たとえばＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層あるいはＡｌＡｓ層である。電流狭窄層２２は、下部ＤＢＲ１２や上部ＤＢＲ１６に比べてＡｌ組成が高いため、メサの酸化工程において、酸化が速い速度で進行する。これにより電流狭窄層２２は、外周部の酸化領域２４と、それに囲まれる非酸化領域２６とを有することとなり、ＶＣＳＥＬ４およびＥＡＭ６を導波する光は、平面方向（横方向）に関して、非酸化領域２６内に閉じこめられる。ＶＣＳＥＬ４、ＥＡＭ６それぞれの光が閉じこめられる領域を導波領域４０、４２と称する。上部ＤＢＲ１６の上層には、後述の駆動電極３２、制御電極３４として機能するｐ側電極が形成される。ｐ側電極は、たとえば１×１０１９ｃｍ−３と不純物濃度が高いコンタクト層でありえる。半導体領域の周辺は、ポリマー８で封止される。
【００３３】
以上が面発光レーザ２の断面構造である。続いて面発光レーザ２の平面方向の構造を、図２（ａ）、（ｃ）を参照して説明する。
【００３４】
ＶＣＳＥＬ４およびＥＡＭ６は、基板平面の第１方向（図中、Ｘ軸方向）に隣接して形成され、それらは光学的に結合されている。出射光は、ＥＡＭ６の実質的に全領域において基板垂直方向（図中、Ｚ方向）に取り出される。基板平面の第１方向と垂直な方向を第２方向（図中、Ｙ軸方向）と称する。面発光レーザ２は、図２（ｃ）に示すように、ＶＣＳＥＬ４の導波領域４０の第２方向の幅（以下、単に幅という）Ｗ１は、ＥＡＭ６の導波領域４２の幅Ｗ２よりも狭いことをその特徴のひとつとする。具体的には、電流狭窄層２２は、ＶＣＳＥＬ４における非酸化領域２６の幅Ｗ１が、ＥＡＭ６における非酸化領域２６の幅Ｗ２よりも狭くなるように、選択的に酸化される。具体的には、半導体基板１０上には、ＶＣＳＥＬ４において狭く、ＥＡＭ６において広くなる形状のメサをエッチングで形成し、下部ＤＢＲ１２、活性層１４、上部ＤＢＲ１６などが積層され、外周から実質的に均等に酸化が進行することにより、Ｗ１＜Ｗ２なる導波領域が形成できる。
【００３５】
電流狭窄層２２内の導波領域４０と導波領域４２の結合領域には、イオン（陽子）注入により１ＭΩ程度の高抵抗領域４４を形成することが望ましい。これにより、電流が横方向に流れるのを抑制しつつ、導波領域４０から導波領域４２へと光を伝搬させることができる。ＶＣＳＥＬ４の縦型共振器の上側ミラーの反射率を１００％に近づけるために、上部ＤＢＲ１６の上面には、高反射ミラー３６を形成することが望ましい。高反射ミラー３６は、たとえば金Ａｕなどの金属や誘電体多層膜鏡が好適である。
【００３６】
以上が面発光レーザ２の構造である。続いてその動作を説明する。
制御電極３４からＤＣ電流を注入すると、ＶＣＳＥＬ４の導波領域４０内においてレーザ発振が起こり、レーザ光がＥＡＭ６の導波領域４２側で伝搬する。このときＶＣＳＥＬ４とＥＡＭ６の接続境界で幅の違いにより反射が起こり、ＶＣＳＥＬ４内で横モードが形成される。ＥＡＭ６の制御電極３４は、駆動電極３２とは逆極性で変調用の制御電圧（ＡＣ電圧）が印加され、これにより導波領域４２の吸収率が変化し、取り出される出射光の強度が変調される。上述のように高抵抗領域４４を形成することにより、導波領域４０と４２の間の電流リークが抑制される。
【００３７】
続いて面発光レーザ２の利点を説明する。
ＶＣＳＥＬ４により生成されたレーザ光は、下部ＤＢＲ１２と上部ＤＢＲ１６の間を多重反射しながら、第１方向（Ｘ方向）に伝搬していく。このとき、ＥＡＭ６の終端では、酸化領域と非酸化領域の境界で全反射が起こり伝搬する光が折り返されるため、ＥＡＭ６の素子長Ｌを短くすることができる。ＥＡＭ６のの変調速度は、浮遊容量で律速されるため、素子長Ｌを短くすることで、変調速度の高速化が可能になる。ここで光は、進行方向に対して垂直方向の幅が狭い領域から広い領域に入射するときに結合しやすく、反対に幅が広い領域から狭い領域に入射するときに結合しにくい性質を有するため、ＶＣＳＥＬ４の導波領域４０の幅Ｗ１を、ＥＡＭ６の導波領域４２の幅Ｗ２よりも狭くすることで、ＶＣＳＥＬ４からＥＡＭ６へは光が結合しやすくする反面、ＥＡＭ６からＶＣＳＥＬ４への戻り光を抑制することができる。これにより、ＶＣＳＥＬ４内の光強度のゆらぎを低減することができ、ノイズを低減できる。
またＥＡＭ６から外部に出力してきた光が外部で反射されて戻ってきた戻り光に対しても、ＶＣＳＥＬ４への結合を抑制し、ノイズを低減できる。
【００３８】
図３（ａ）は、ＶＣＳＥＬ４からＥＡＭ６に向かう順方向の導波を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は、ＥＡＭ６からＶＣＳＥＬ４へ向かう逆方向の導波を模式的に示す図である。ＶＣＳＥＬ４においてシングルモードで発振した光は、ＥＡＭ６内ではマルチモードとして伝搬する。図３（ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ４から入射した光は、ＥＡＭ６の端面４６で反射されるが、ＥＡＭ６内の導波モードは、導波領域４２の長さＬに応じて変化する。そこで、図３（ｂ）に示すように、導波領域４２の長さＬを最適化することで、導波領域４０への戻り光を低減することができる。
また、ＥＡＭ６から外部に出力された光が外部で反射されて戻ってきた戻り光に対してもＶＣＳＥＬ４への結合を抑圧し、ノイズを低減できる。
【００３９】
図４（ａ）は、順方向の導波光の強度分布図であり、図４（ｂ）は、逆方向の導波光の強度分布図である。ＶＣＳＥＬ４とＥＡＭ６の進行方向に対して垂直方向の幅の違いにより、ＶＣＳＥＬからのＥＡＭに入射する光の一部は接続点で反射して、ＶＣＳＥＬの横モードが形成される。
【００４０】
また面発光レーザ２は、ＶＣＳＥＬ４およびＥＡＭ６それぞれの導波領域の幅を異ならしめることに加えて、ＥＡＭ６の第１方向の長さＬ（素子長ともいう）を最適化することにより、戻り光の強度を低減することができる。
【００４１】
図５は、ＥＡＭ６の素子長Ｌと、ＥＡＭ６からＶＣＳＥＬ４に入射する戻り光の強度の関係を示す図である。戻り光の相対的な強度は周期的に増減するため、光路長２Ｌ（ＥＡＭ６の素子長Ｌ）は、戻り光強度が小さくなるように設計すればよい。光路長２Ｌは、電磁界シミュレーションにより最適化することができ、および／または実験データもとづいて最適化しうる。
【００４２】
図６（ａ）は、実施の形態に係る面発光レーザ２によって得られる変調波形（アイパターン）の測定結果を示す図である。比較のために図６（ｂ）には、戻り光を抑制しない面発光レーザのアイパターンの測定結果を示す。測定は、２５Ｇｂｐｓで行った。なお、図６（ｂ）のアイパターンは、非特許文献（Dalir他著、APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 091109, 2013年、Dalir他著、APPLIED PHYSICS EXPRESS 7, 022102  2014年、Dalir他著、Electronics Letters, Vol. 50 No. 2 pp. 101-103, 2014年）に示される面発光レーザついて測定されたものである。測定は、ＮＲＺ（Non Return zero）、出力パターン２３１−１の疑似ランダムビットシーケンス（ＰＢＲＳ）を用いて行った。測定に用いた面発光レーザ２のＥＡＭ６の長さは５０μｍであり、これは図７（ａ）に示すように、３ｄＢバンド幅が１２ＧＨｚのものであるが、２５ＧｂｐｓのＰＲＢＳ信号に対して、４ｄＢのＥ．Ｒ（Extinction Ratio）が得られている。
【００４３】
このように実施の形態に係る面発光レーザ２によれば、戻り光が小さくなるようにＶＣＳＥＬ４とＥＡＭ６の幅Ｗ１、Ｗ２を、Ｗ１＜Ｗ２となるように設計し、またＥＡＭ６の素子長Ｌを最適化することで、ノイズを低減でき、伝送レートを高めることができる。
【００４４】
図７（ａ）は、実施の形態に係る面発光レーザの小信号変調特性の測定結果を示す図である。具体的にはＥＡＭ６の幅Ｗ２が１７μｍ、素子長Ｌが異なる４つのサンプルを作成し、それぞれについて小信号変調特性を測定した。ＶＣＳＥＬ４は６．５ｍＡのＤＣ電流により駆動し、出射光の強度はマルチモードファイバにより集光し、２５ＧＨｚの帯域を有する光検出器により測定した。小信号変調特性は、４０ＧＨｚの帯域を有するネットワークアナライザで測定している。Ｌ＝３０μｍ、５０μｍ、７０μｍ、１００μｍのサンプルそれぞれについて、制御電極３４には、−０．８Ｖ、−０．５Ｖ、−０．５Ｖ、−０．４ＶのＡＣ電圧を印加している。図７（ｂ）は、ＥＡＭ６の長さの逆数１／Ｌと、３ｄＢバンド幅の関係を示す図である。ＥＡＭ６の長さを短くするほど、浮遊容量の低減により３ｄＢ帯域を広げることができることがわかる。つまり、さらにＥＡＭ６の素子長Ｌが短い面発光レーザ２によれば、２５ＧＨｚよりも高い信号を伝送しうることが実験的に示されている。
【００４５】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【００４６】
実施の形態では、電流狭窄層２２の非酸化領域２６が、導波領域４０と導波領域４２の間の領域でテーパー状に変化している場合を説明したが本発明はそれには限定されない。図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、導波領域４０と導波領域４２の幅Ｗ１、Ｗ２は不連続で変化してもよい。
【００４７】
面発光レーザ２の発振波長は９８０ｎｍには限定されない。したがって当業者によれば、発振波長に応じて、各構成要素の材料や濃度を最適化しうることが理解される。
【００４８】
実施の形態では、上部ＤＢＲ１６の上面に駆動電極３２、制御電極３４を形成したが本発明はそれには限定されない。駆動電極３２、制御電極３４は、上部ＤＢＲ１６の内部、あるいは下部に形成してもよい。
【００４９】
実施の形態では、ＶＣＳＥＬ４の縦型共振器の上側ミラーの反射率を１００％に近づけるために、上部ＤＢＲ１６の上面には、高反射ミラー３６を形成したが、本発明はそれには限定されない。実質的に１００％の反射率を有する上部ＤＢＲ１６を形成しておき、ＥＡＭ６が形成される領域４２において、エッチングなどにより上部ＤＢＲ１６の層数を削減することで、ＥＡＭ６における反射率を１００％未満とし、光を取り出すようにしてもよい。
【００５０】
図８（ａ）は、変形例に係る光変調機能付き面発光レーザ２ａの断面図であり、図８（ｂ）は、その平面図である。図２（ｂ）においては、ＥＡＭ６の実質的に全領域から出射光を取り出すこととしたのに対して、この変形例では、ＥＡＭ６の終端４６付近で、上部ＤＢＲ１６の層数を減らしてその反射率を低くし、そこから光出力を取り出す。
【００５１】
実施の形態では、ＶＣＳＥＬ４の導波領域４０とＥＡＭ６の導波領域４２それぞれにおける横方向の光閉じこめを、選択酸化膜による電流狭窄層２２を利用して実現したが本発明はそれに限定されない。電流狭窄の別のアプローチとしては、イオン注入を用いる方法（Zeeb et al. "Planar Proton Implanted VCSEL’s and Fiber-Coupled 2-D VCSEL Arrays", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 1. NO. 2, JUNE 1995）、トンネルｐｎ接合と結晶の再成長を用いる方法（Ortsiefer et al. "Low-threshold index-guided 1.5 m long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency", VOLUME 76, NUMBER 16, APPLIED PHYSICS LETTERS）、量子井戸の混晶化プロセスを用いる方法（Sugawara et al., "Laterally intermixed quantum structure for carrier confinement in vertical-cavity surface-emitting lasers", Vol. 45 No. 3, ELECTRONICS LETTERS )などが提案されており、これらの技術を用いてもよいし、将来利用可能な技術を用いてもよい。
【００５２】
ある実施の形態において、電流狭窄層２２に加えて、あるいはそれに代えて、活性層の近傍に屈折率差による光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層は、電流狭窄層２２と同様に構成されてもよいし、異なって構成されてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
２…面発光レーザ、４…ＶＣＳＥＬ、６…ＥＡＭ、８…ポリマー、１０…半導体基板、１２…下部ＤＢＲ、１４…活性層、１６…上部ＤＢＲ、１８…多重量子井戸構造、２０…下部スペーサ層、２１…上部スペーサ層、２２…電流狭窄層、２４…酸化領域、２６…非酸化領域、３０…ｎ側電極、３２…駆動電極、３４…制御電極、３６…高反射ミラー、４０，４２…導波領域、４４…高抵抗領域。
【要約】
【課題】変調速度を改善し、および／またはノイズを低減した光変調機能付き面発光レーザを提供する。
【解決手段】面発光レーザ２は、半導体基板１０、下部ＤＢＲ１２、活性層１４の積層された構造体を有する。ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）４とＥＡＭ（電界吸収型変調器）６は、それらが光学的に結合するように、基板平面の第１方向に隣接して形成される。ＶＣＳＥＬ４の導波領域４０の、第２方向の幅Ｗ１は、ＥＡＭ６の導波領域４２の幅Ｗ２よりも狭い。出射光は、ＥＡＭ６から基板垂直方向に取り出される。
【選択図】図２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図６】
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