(57)【要約】      （修正有）【課題】広範囲の温度変化に対して安定した動作を行うＶＣＳＥＬを提供する。【解決手段】本発明のＶＣＳＥＬは、レーザ光を発する活性領域１０４と、活性領域を挟み込むように配置され、かつ活性領域から発せられたレーザ光を共振する下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１１０と、片持ち梁構造にされた上部ＤＢＲ１１０を温度変化に応じて可変する可変手段とを有する。可変手段は、上部ＤＢＲ１１０を移動させることで、共振波長を変化させ、活性領域の利得のピーク波長に一致しもしくは近づくようにする。【選択図】図５
2008124063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、
活性領域を挟み込むように配置され、かつ活性領域から発せられた光を共振する第１および第２の反射鏡を含む共振器と、
第１の反射鏡に対する第２の反射鏡の位置を温度変化に応じて可変する可変手段とを有し、
活性領域の利得のピーク波長の温度依存性をＴＧ、第１および第２の反射鏡によって共振される共振波長の温度依存性をＴＣとしたとき、前記可変手段により第２の反射鏡の位置を変えることで、温度依存性ＴＧに対する温度依存性ＴＣのずれ量を減少させ、発振する光の波長が共振器長に基づいて決定される半導体レーザ装置。
【請求項２】
温度依存性ＴＧに対する温度依存性ＴＣのずれ量ΔＴを(ＴＧ−ＴＣ)／ＴＧとしたとき、ΔＴは±８５％以内である、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
温度依存性ＴＧは、０．３〜０．５ｎｍ／Ｋであり、前記可変手段により温度依存性ＴＣが０．２〜０．６ｎｍ／Ｋの範囲内に可変される、請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
半導体レーザ装置はさらに、第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に共振器の一部として空気層を含み、第２の反射鏡の位置が可変されたとき空気層の幅が変化される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
半導体レーザ装置はさらに、第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に第３の反射鏡と、第２の反射鏡と第３の反射鏡との間に空気層とを含み、第２の反射鏡の位置が可変されたとき第２の反射鏡と第３の反射鏡の間の空気層の幅が変化される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
第２の反射鏡は、片持ち梁構造を有し、前記可変手段は、第２の反射鏡の前記片持ち梁構造の自由端部を変位させることで共振波長を変化させる、請求項１ないし５いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記可変手段は、第２の反射鏡と熱膨張係数が異なる物質を第２の反射鏡上に含み、温度変化に応じて前記片持ち梁構造の自由端部を変位させる、請求項６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
第２の反射鏡は、複数の半導体層を含み、前記熱膨張係数が異なる物質は、第２の反射鏡を構成する各半導体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する、請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
第２の反射鏡は、Ａｌ組成の異なる複数の半導体層を含み、前記熱膨張係数が異なる物質は、ＡｌＧａＡｓ層である、請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記可変手段は、第２の反射鏡に電気的に接続された電極層を含み、当該電極層に電圧が印加されたとき、共振波長が変化する、請求項６に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記可変手段は、温度変化を検出する検出手段と、検出結果に応じた電圧を前記電極層に印加する回路を含む、請求項１０または１１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記半導体レーザは、分布帰還型レーザまたは面発光型半導体レーザである請求項１ないし１１いずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１２いずれか１つに記載の半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置に電気的に接続された電気接続端子と、半導体レーザ装置から出射された光を入射する光学部品とを備えたモジュール。
【請求項１４】
請求項１ないし１２いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備えた、光源装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を送信する送信手段とを備えた、情報処理装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode:以下、ＶＣＳＥＬと称する）は、半導体基板の表面から光を放射するタイプのレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードと比べ、駆動するための電流値が低い、ウエハレベル、すなわち非破壊で特性検査が可能、２次元化が容易、といった特徴を備えている。このため光情報処理装置や光通信素子、あるいは光を用いたデータ記憶装置の光源として利用されている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザが使用される環境温度は、従来よりも広範囲となっている。このため、今後、広い温度範囲での安定した動作が要求される。さらに、低生産コスト、低部品コスト、省電力も求められており、ペルチェなどの温度制御装置を使用しないレーザが必要とされている。こうした観点から、半導体レーザの温度依存性を抑制する技術が報告されている。
【０００４】
特許文献１は、ＶＣＳＥＬにおいて、熱処理や通電による波長シフト量、環境温度の上昇によるシフト量を考慮して、室温での利得ピーク波長を決定している。
特許文献２は、ＶＣＳＥＬにおいて、所定温度での基本横モードの共振波長と共振器長との関係に基づいて、所定温度での基本横モードの共振波長が利得ピーク波長以下になるように共振器長を設定している。
特許文献３は、ＤＦＢレーザにおいて、２５℃での回折格子で定まる発振波長λｃと利得ピーク波長λｇとの関係が、０≦λｇ−λｃ≦１０nmとなるようにピーク波長λｇを選定している。
非特許文献１は、片持ち梁構造のＶＣＳＥＬにおいて、電圧をかけることで任意にエアギャップ層の幅を変え、共振波長を変化させることができる波長可変レーザを開示している。
非特許文献２は、片持ち梁構造の最上部に熱膨張係数の異なる厚いGaAs層を積層し、環境温度が変わると片持ち梁が動きエアギャップ層の幅が変化し、これにより共振波長を一定に保持しる半導体レーザを開示している。
特許文献４は、一方の基板にＶＣＳＥＬを形成し、他方の基板に可動ミラーを形成し、両基板間にギャップを形成し、可動ミラーを駆動することでギャップの大きさを変化させ、レーザ光の波長を可変する面発光レーザを開示している。
特許文献５は、チップ基板および光導波路を半導体材料で構成し、可動ミラーを用いて広い波長範囲を可変できるＤＦＢ型波長可変レーザを開示している。
特許文献６は、温度依存性をなくすため、ＶＣＳＥＬ近傍に導電路部を形成し、導電路部から誘起光を発光部へ導入し、ＶＣＳＥＬの利得ピーク波長を共振波長と一致させている。
【０００５】
従来の発振波長が利得ピーク波長ではなく共振器長によってのみ決定されるDFB（distributed feedback）レーザや面発光レーザの温度依存性は、共振波長の温度依存性に大きく左右される。共振波長の温度依存性は、その波長の変化がおおよそ０.０６ｎｍ／Ｋであるのに対し、活性層の利得ピーク波長の温度依存性は、おおよそ０．４ｎｍ／Ｋである。そのため、温度が広範囲で変化すると、発振する利得の位置は大幅に変わってしまい、半導体レーザ装置の静特性、動特性が温度によって大きく変化してしまい、安定した動作を得ることができなかった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８９９６８号
【特許文献２】特開２００３−１３３６３９号
【特許文献３】特開平１０−３０３４９５号
【特許文献４】特開２００４−８７９０３号
【特許文献５】特開２００４−２２１３２１号
【特許文献６】特開平１１−１８６６６３号
【非特許文献１】Continuously tunable micromachined vertical cavity surface emitting laser with 18 nm wavelength range,” Electron. Letter., vol. 32, no. 4, pp. 330−332, Feb. 1996.
【非特許文献２】Micromachined GaAs/AlGaAs Resonant-Cavity Light Emitter with Small Temperature Dependence of Emission Wavelength” Japan. J. Applied. Physics ,vol. 42, pp. L1377-1379, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、広範囲の温度変化に対して安定した動作を行うことができる半導体レーザ装置及びこれを用いたモジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置、光空間伝送システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る半導体レーザ装置は、活性領域と、活性領域を挟み込むように配置され、かつ活性領域から発せられた光を共振する第１および第２の反射鏡を含む共振器と、第１の反射鏡に対する第２の反射鏡の位置を温度変化に応じて可変する可変手段とを有し、活性領域の利得のピーク波長の温度依存性をＴＧ、第１および第２の反射鏡によって共振される共振波長の温度依存性をＴＣとしたとき、前記可変手段により第２の反射鏡の位置を変えることで、温度依存性ＴＧに対する温度依存性ＴＣのずれ量を減少させ、発振する光の波長が共振器長に基づいて決定される。
【０００９】
請求項２において、温度依存性ＴＧに対する温度依存性ＴＣのずれ量ΔＴを(ＴＧ−ＴＣ)／ＴＧとしたとき、ΔＴは±８５％以内としている。
請求項３において、温度依存性ＴＧは、０．３〜０．５ｎｍ／Ｋであり、可変手段により温度依存性ＴＣが０．２〜０．６ｎｍ／Ｋの範囲内に可変される。
請求項４において、半導体レーザ装置はさらに、第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に共振器の一部として空気層を含み、第２の反射鏡の位置が可変されたとき空気層の幅が変化される。
請求項５において、半導体レーザ装置はさらに、第１の反射鏡と第２の反射鏡の間に第３の反射鏡と、第２の反射鏡と第３の反射鏡との間に空気層とを含み、第２の反射鏡の位置が可変されたとき第２の反射鏡と第３の反射鏡の間の空気層の幅が変化される、
請求項６において、第２の反射鏡は、片持ち梁構造を有し、前記可変手段は、前記片持ち梁構造の第２の反射鏡の自由端部を変位させることで共振波長を変化させる。
請求項７において、前記可変手段は、第２の反射鏡と熱膨張係数が異なる物質を第２の反射鏡上に含み、温度変化に応じて前記片持ち梁構造の自由端部を変位させる。
請求項８において、第２の反射鏡は、複数の半導体層を含み、前記熱膨張係数が異なる物質は、第２の反射鏡を構成する各半導体層の膜厚よりも厚い膜厚を有する。
請求項９において、第２の反射鏡は、Ａｌ組成の異なる複数の半導体層を含み、前記熱膨張係数が異なる物質は、ＡｌＧａＡｓ層である。
請求項１０において、前記可変手段は、第２の反射鏡に電気的に接続された電極層を含み、当該電極層に電圧が印加されたとき、共振波長が変化する。
請求項１１において、前記可変手段は、温度変化を検出する検出手段と、検出結果に応じた電圧を前記電極層に印加する回路を含む。
請求項１２において半導体レーザは、分布帰還型レーザまたは面発光型半導体レーザである。
【００１０】
請求項１３に係るモジュールは、請求項１ないし１２いずれか１つに記載の半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置に電気的に接続された電気接続端子と、半導体レーザ装置から出射された光を入射する光学部品とを備える。
請求項１４に係る光源装置は、請求項１ないし１３いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置から発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備える。
請求項１５に係る情報処理装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を送信する送信手段とを備える。
請求項１６に係る光送信装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を送信する送信手段とを備える。
請求項１７に係る光空間伝送装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
請求項１８に係る光空間伝送システムは、請求項１３に記載されたモジュールと、半導体レーザ装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１によれば、半導体レーザ装置の温度依存性を小さくすることができ、その結果、広範囲の温度において一定の範囲内の利得分布でレーザ光を発振させ、安定した動作を得ることができる。
【００１２】
請求項２によれば、温度依存性ＴＣが温度依存性ＴＧにほぼ一致し、半導体レーザ装置の静特性および動特性の温度依存性をより小さくすることができる。
請求項３によれば、温度依存性ＴＣの波長の変化を大きく変化させ、温度依存性ＴＧに近づけることができる。
請求項４によれば、より簡単な構成で共振波長を変化させ、これにより温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
請求項５によれば、共振器の実効厚さを薄くし、半導体レーザ装置の小型化を図ることができる。
請求項６によれば、簡単な構成により共振波長を変化させ、これにより温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
請求項７によれば、簡単な構成で温度変化に応じて共振波長を変化させ、温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
請求項８によれば、簡単な半導体製造プロセスを用いて、ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
請求項９によれば、第２の反射鏡を構成する半導体層とAlGaAs層との格子定数が一致するため、同一の製造工程により簡単に熱膨張係数の異なる物質を形成することができる。
請求項１０によれば、簡単な構成により温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
請求項１１によれば、半導体レーザ装置内において温度の検出および検出された温度に応じた片持ち梁の変位を行うことができる。
請求項１２によれば、面発光型半導体レーザやＤＦＢレーザ装置の温度依存性を小さくすることができ、その結果、広範囲の温度において一定の範囲内の利得分布でレーザ光を発振させ、安定した動作を得ることができる。
請求項１３ないし１８によれば、、広範囲の温度において安定した動作のレーザ光を光信号や光源に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１は、半導体レーザの温度依存性を説明する図である。図１（ａ）は、横軸に波長、縦軸に利得を示し、低温時と高温時における２つの温度依存性を示している。１つが、レーザ光を発生する活性領域の利得のピーク波長の温度依存性ＴＧである。低温時におけるピーク波長をλＧＬ、高温時におけるピーク波長をλＧＨとしたとき、温度依存性ＴＧは、λＧＬとλＧＨの単位温度(ケルビン)当りの変化率である。λＧＬとλＧＨの差分を半導体レーザの動作温度範囲で除すれば、温度依存性ＴＧを得ることができる。例えば、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ装置の場合、温度依存性ＴＧは、約０．３〜０．５ｎｍ／Ｋである。
【００１５】
もう一つの温度依存性は、共振波長の温度依存性ＴＣである。活性領域で発生された光は、共振器を構成する反射鏡間で共振される。この反射鏡間の距離、すなわち共振される波長は、温度依存性がある。図に示すように、低温時における共振波長をλＣＬ、高温時における共振波長をλＣＨとしたとき、温度依存性ＴＣは、λＣＬとλＣＨの単位温度当りの変化率である。λＣＬとλＣＨの差分を半導体レーザ装置の動作温度範囲で除すれば、温度依存性ＴＣを得ることができる。例えば、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザ装置の場合、共振波長の温度依存性ＴＣは、約０．０５〜０．０７ｎｍ／Ｋである。
【００１６】
通常、温度依存性ＴＣと温度依存性ＴＧは一致しないため、半導体レーザの動作温度が広範囲で変化すると、発振する波長の利得が大幅に変わり、静特性、動特性が温度によって大きく変化してしまう。
【００１７】
本発明では、発振する波長の利得が温度変化によって大きく変動しないようにするため、図１（ｂ）に示すように、温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは同等となるようにする。好ましくは、温度依存性ＴＧに対する温度依存性ＴＣのずれ量ΔＴを、ΔＴ＝(ＴＧ−ＴＣ)／ＴＧとしたとき、ΔＴは±８５％以内に設定される。
【００１８】
ΔＴを±８５％以内とすることで、従来と比較して、発振する波長の利得が温度変化によって大きく変動せず、広範囲の温度において利得分布の同じ位置（好ましくは利得のピーク位置）で発振させることが可能となり、半導体レーザ装置の温度依存性をより小さくすることができ、半導体レーザの装置の静特性、動特性が安定化され、使用上好ましい。
【００１９】
また、本発明は、発振波長が利得ピーク波長ではなく共振器長によってのみ決定される半導体レーザ装置に適用される。これは一例として、共振される共振波長の周期をλｃ、活性領域の利得のピーク波長に対する分布をλＲとしたとき、λｃ−λＲ＞２０である半導体レーザ装置が含まれ、またＶＣＳＥＬやＤＦＢレーザが含まれる。
【００２０】
次に、温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは同等に変化させる方法について説明する。図２（ａ）に示す半導体レーザ装置１０は、反射鏡１２、スペーサ層１４、活性層を含む領域１６、スペーサ層１８、空気層２０および反射鏡２２を含んで構成される。活性層を含む領域１６で発せされた光は、反射鏡１２と反射鏡２２によって構成される共振器によって共振される。ここで、共振される波長の温度依存性ＴＣを変化させ、これを温度依存性ＴＧに一致もしくは近づけるため、反射鏡２２とスペーサ層１８の間に形成された空気層１８の幅を温度変化に応じて可変し、共振波長を変化させる。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示す半導体レーザ装置３０は、反射鏡３２、スペーサ層３４、活性層を含む領域３６、スペーサ層３８、反射鏡４０、空気層４２および反射鏡４４を含んで構成される。半導体レーザ装置３０は、反射鏡３２と反射鏡４０の間によって形成された共振器と反射鏡４０と反射鏡４４によって形成された共振器とを結合する結合共振器を有する。そして、温度依存性ＴＣと温度依存性ＴＧとのずれ量を減少させるため、反射鏡４４と反射鏡４０の間に形成された空気層４２の幅を温度変化に応じて可変し、共振波長を変化させる。
【００２２】
本実施例は、比較的簡単な構成でかつ容易に半導体レーザ装置を製造することができるようにするため、一方の反射鏡を片持ち梁（カンチレバー）構造とし、反射鏡を物理的に移動させることで空気層の幅を可変する。但し、空気層の幅を可変する方法は、この構造に限定されるものではない。例えば、誘電体層からなる反射鏡を移動させたり、グレーティング層の反射鏡を移動させるようにしてもよい。
【００２３】
次に、温度変化に応じて片持ち梁構造の反射鏡を移動させる方法を説明する。図３は、片持ち梁構造に電圧を印加することにより片持ち梁を変位させ、空気層の幅を可変する例を示している。片持ち梁構造は、梁の両端の一方が固定され、他方が自由端として動くことができる構造体をいう。
【００２４】
同図（ａ）に示すように、基板５０上に、半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ(DBR:Distributed Bragg Reflector)５２と、上部ＤＢＲ５４が形成されている。上部ＤＢＲ５４の一端は、自由端部５６となる片持ち梁構造であり、自由端部５６と下部ＤＢＲ５２との間に空気層（エアギャップ）５８が形成されている。ここで、同図（ｂ）に示すように、環境温度または動作温度に応じた電圧Ｖを上部ＤＢＲ５４に印加するとことで、上部ＤＢＲ５４の自由端部５６が変位し、空気層の幅ｈが可変される。上部ＤＢＲ５４は、それ自身が導電性を持ち通電されるようにしてもよいし、上部ＤＢＲ５４上に電極層を形成し電極層を介して通電されるようにしてもよい。電圧の印加により上部ＤＢＲ５４内に発生した静電力により片持ち梁が変位される。
【００２５】
図４は、片持ち梁構造に熱膨張係数の異なる物質を加えることで片持ち梁を変位させ、空気層の幅を可変する例を示している。同図に示すように、片持ち梁構造の反射鏡６０の上面に、反射鏡６０と熱膨張係数の異なる層６２を形成する。周囲からの熱が反射鏡６０に伝わると、熱膨張係数の差に応じて片持ち梁の自由端部が変位する。層６２の熱膨張係数、梁の長さ、幅等を適宜選択することで、所望の温度に対する片持ち梁の変位量を調整することが可能である。
【００２６】
次に、片持ち梁構造を適用したＶＣＳＥＬについて説明する。図５は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬであり、図２(ａ)に示す共振器の構成を備えている。同図（ａ）は、ＶＣＳＥＬの外観斜視図、同図（ｂ）は、Ｘ−Ｘ線方向に上半分を切除したときの部分断面図である。
【００２７】
ｎ型のGaAs基板１００上には、ｎ型の半導体多層膜からなる下部反射鏡（ＤＢＲ）１０２、アンドープの下部スペーサ層とアンドープの量子井戸活性層とアンドープの上部スペーサ層とを含む活性領域１０４、ｐ型スペーサ層１０６、AlAs（またはAlGaAs）層１０８、アンドープの半導体多層膜からなる上部反射鏡（ＤＢＲ）１１０、AlGaAs層１１２およびGaAs層１１４が順次積層されている。GaAs層１１４上には、ｐ側電極層１１６が形成され、基板１００の裏面には、ｎ側電極層１１８が形成されている。
【００２８】
下部ＤＢＲ１０２は、ｎ型のAlGaAs層(Al組成は、90％から100％)とｎ型のAlGaAs層(Al組成は0％から20％)との複数積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に30.5から40.5周期で積層してある。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1〜5×1018cm-3である。
【００２９】
活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのAlGaAs層であり、量子井戸活性層は、アンドープのGaAs量子井戸層及びAlGaAs(Al組成は20％から45％)障壁層を含む。上部スペーサ層はアンドープのAlGaAs層である。
【００３０】
ｐ型スペーサ層１０６は、ｐ型のAlGaAs層(Al組成は30％から100％)である。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は1〜5×1018cm-3である。ｐ型スペーサ層１０６は、その最上層にｐ型のGaAsコンタクト層を含み、このカーボン濃度は、1×1020cm-3である。さらに、ｐ型スペーサ層１０６は、その内部にｐ型のAlAs層もしくはAlGaAs層を有する(Ga組成は0〜4％)。この層は、開口１２２を介して半導体層をエッチングしたとき、エッチングにより露出された側面から一部が酸化された酸化領域と酸化領域によって囲まれた酸化アパチャー（導電領域）とを有し、酸化領域によって光の閉じ込め及び電流狭窄を行い、電流狭窄層として働く。
【００３１】
AlAs層１０８もエッチングにより露出された側面から酸化された酸化領域と酸化領域によって囲まれた上部構造を支える非酸化領域を有する。酸化領域の一部はアンモニア等でエッチングされ、空気層となる。
【００３２】
上部ＤＢＲ１１０は、ノンドープのAlGaAs層(Al組成は90％から100％)とノンドープAlGaAs層(Al組成は0％から20％)との複数積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に0から23周期で積層してある。周期０の場合には、AlGaAs層の代わりに片持ち梁構造の上部に誘電体多層膜反射鏡(誘電体DBR)を乗せ、反射鏡を形成することができる。
【００３３】
上部ＤＢＲ１１０の上部には、厚いAlGaAs層１１２(Al組成は60％〜90％)が積まれている。その最上部には、AlGaAs層の酸化を防ぐために薄いGaAs層１１４が積層されている。
【００３４】
上部ＤＢＲ１１０を片持ち梁製造とするため、GaAs層１１４上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンによって露出された半導体層をエッチングする。エッチングの深さは、活性領域１０４もしくは下部ＤＢＲ１０２の途中までである。このエッチングより積層された半導体層中に直線状の開口１２０とこれに繋がる円形状の開口１２２が形成され、エッチングされずに残された支持部１２４（図５（ｂ）を参照）が片持ち梁りを支持する。開口１２２によって、上部ＤＢＲ１１０に直線状の梁部分１３０が形成され、開口１２２によって自由端部１３２が形成される。梁部分１３０および自由端部１３２は、空気層１２６によって宙に浮いた状態となる。AlAs層１０８は、酸化されやすい物質であり、例えば、エッチング後に行われる酸化工程においてAlAs層１０８を酸化してAlxOyとし、その後に、BHF等の液体につけることで、AlxOy層のみを選択的に除去し、自由端部１３２を宙に浮かせ、または空気層を形成することができる。
【００３５】
半導体層のエッチング後に、基板は、高温の水蒸気雰囲気中におかれ、これによりｐ型スペーサ層１０６内のAlAs(AlGaAs)電流狭窄層と、p型スペーサ層１０６上のAlAs（AlGaAs）層１０８とが酸化される。上記したように、酸化されたAlAs層は選択的エッチングにより除去され、空気層が形成される。
【００３６】
AlAs層を取り除いた後、上部から絶縁体膜を蒸着し、引き続き、ｐ側電極層１１６が形成される。AlAs層を取り除いた後、上部から絶縁体膜を蒸着し、引き続き、ｐ側電極層１１６が形成される。ｐ側電極層１１６は、GaAs層１１４上を直線状に延び、かつ開口１２２を介してｐ型コンタクト層１０６にオーミック接続される。例えば、VCSELを傾斜させた状態で金属を蒸着させることにより、片持ち梁の自由端部１３２の内側に環状電極１１６ａを形成することができる。環状電極１１６ａの中央にはレーザ光を出射するためのレーザ出射窓１１６ｂが形成されている。なお、絶縁体膜やｐ側電極層の形成方法は、上記に限定されるものではない。例えば開口１２２をより広く開けて絶縁体膜や電極を形成したり、あるいは開口１２２の他に開口を形成し絶縁体膜や電極を形成することも可能である。
【００３７】
上記したように、環状電極１１６ａの上部には、ノンドープの上部ＤＢＲ１１０があり、上部ＤＢＲ１１０は、レーザ出射窓上では空気層１２６により宙に浮いた片持ち梁構造となっており、梁部分１３０の反対側の支持部１２４が梁構造を支えている。
【００３８】
上部ＤＢＲ１１０とｐ型コンタクト層との距離、言い換えれば空気層の幅は、上部ＤＢＲ１１０とその上に形成されたAlGaAs層１１２との熱膨張係数の差により変化される。AlGaAs層(Al組成は60％〜90％)１１２の膜厚、梁部分１３０の長さおよび幅を調整することによって、温度変化時の空気層の幅の変位量をコントロールすることができる。好ましくは、AlGaAs層１１４の膜厚は、上部ＤＢＲ１１０の各層の膜厚よりも大きい。DBR内の2つのAlGaAs層に関して、一方はGaAsに近く、もう一方はAlAsに近いAlGaAs層であり、また、両者の膜厚もほぼ等しく、ほぼ釣り合っている状態にある。そこに膜厚の厚いAlGaAs層１１４を形成することで、その釣り合っている状態が崩れ、自由端部１３２が片持ち梁として変位する。
【００３９】
図６は、AlGaAs層を形成したときの空気層の幅の変化を示すグラフである。縦軸は、自由端部の変位量（ｎｍ）、横軸は温度（Ｋ）であり、梁部分の長さ（L）が２５０μｍ、AlGaAs層の膜厚（ｄ）が５００ｎｍ上部DBRの膜厚が数μｍのときの例を示している。環境温度もしくは動作温度が上昇するにつれ、自由端部１３２がｐ型コンタクト層から離れる方向への変位量が大きくなり、すなわち空気層の幅が大きくなり、共振波長が大きくなる。これにより、共振波長の温度依存性ＴCが利得のピーク波長の温度依存性ＴＧに一致しもしくは近づく。なお、図６に示すように、AlGaAs層の代わりに膜厚の厚いGaAs層を形成した例を示しているが、この場合には、温度が上昇するにつれ、自由端部１３２がｐ型コンタクト層へ近づく方向に変位し、空気層の幅が減少する。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬについて説明する。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬは、図２（ｂ）に示す結合共振器の構成を備えたものである。図７は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの一部断面図を示している。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬは、第１の実施例のときに用いたｐ型スペーサの代わりにｐ型ＤＢＲを用いており、それ以外の構成は第１の実施例のときと同一である。
【００４１】
図７に示すように、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１１０の間に配されたＤＢＲ１４０は、ｐ型のAlGaAs層(Al組成は90％から100％)とｐ型のAlGaAs層(Al組成は0％から20％)との複数積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に0から6周期で積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は1〜5×1018cm-3である。ＤＢＲ１４０の最上層は、ｐ型のGaAsコンタクト層であり、カーボンをドーピングしたキャリア濃度は、1×1020cm-3である。
【００４２】
第２の実施例によれば、ｐ型のＤＢＲ１４０を用いた結合共振器とすることで、第１の実施例で用いたｐ型スペーサ層の厚さよりも薄くすることができ、ＶＣＳＥＬの小型化を図ることができる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬについて説明する。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬは、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの片持ち梁構造を図３に示す電圧駆動により変位させたものである。図８（ａ）に、ＶＣＳＥＬの外観構成を示す。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬは、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬで用いたノンドープの上部ＤＢＲ１１０の代わりにｎ型のＤＢＲ１５０を用い、さらに片持ち梁の梁部分１３０を沿うようにｎ側電極層１６０が形成されている。その他の構成は、第１の実施例と実質的に同じである。
【００４４】
上部ＤＢＲ１５０は、ｎ型のAlGaAs層(Al組成は90％から100％)とｎ型のAlGaAs層(Al組成は0％から20％)との複数積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に0から23周期で積層してある。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、1〜5×1018cm-3である。第３の実施例は、第１の実施例で用いた膜厚の厚いAlGaAs層１１２とGaAs層１１４を用いない。その代わりに、ｐ側電極層１１６を形成する領域には、絶縁膜１５２（ハッチングで表示）が形成され、ｐ側電極層１１６がｎ型のＤＢＲ１５０から電気的に絶縁されている。
【００４５】
図８（ｂ）は、片持ち梁に電圧を印加するための回路例を示している。センサ１７０は、ＶＣＳＥＬが動作される環境温度を検出し、検出結果をドライバ１７２へ出力する。ドライバ１７２は、検出された温度に基づき、共振波長が利得ピーク波長とほぼ同じになるように計算し、ｎ側電極層１６０とｐ側電極層１１６間に電圧を与える。ドライバ１７２は、ＶＣＳＥＬの駆動を同時に行っても良く、その場合、ｐ側電極層１１６とｎ側電極層１１８との間に駆動電流を印加する。
【００４６】
ドライバ１７２が電圧を印加することにより、ｎ側電極層１６０とｐ側電極層１１６の電圧差から静電力が発生し、片持ち梁構造のｎ型ＤＢＲ１５０の自由端部１３２が変位し、空気層の幅を可変し、レーザの共振波長を変化させる。これにより、ＶＣＳＥＬの温度依存性ＴＣを温度依存性ＴＧに一致させもしくは近づけることができる。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬについて説明する。第４の実施例に係るＶＣＳＥＬは、図７に示した第２の実施例のＶＣＳＥＬの片持ち梁構造を電圧駆動により可変するものであり、第３の実施例のときと同様に、第２の実施例に係るノンドープの上部ＤＢＲ１１０をｎ型のＤＢＲに置換し、片持ち梁の梁部分に沿うようにｎ側電極層を形成する。これにより、結合共振器のＶＣＳＥＬにおいて、環境温度に応じて片持ち梁を変位させ、共振波長を利得ピークに合うように変化させることができる。
【００４８】
以上のように、ＶＣＳＥＬの環境温度に応じて変化する共振波長を、活性層の利得ピーク波長と一致しもしくは近づくにように変化させるようにしたので、広範囲の温度（−４０〜１５０℃）において、安定した光出力を得ることができる。なお、上記実施例では、基板上に単一の発光領域が形成されたＶＣＳＥＬを例示したが、複数の発光領域が形成されたＶＣＳＥＬであってもよい。
【００４９】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用したモジュール、光送信装置、空間伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図９は、ＶＣＳＥＬを実装したパッケージ（モジュール）の構成を示す断面図である。パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００５０】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００５１】
図１０は、他のパッケージの構成を示す図であり、同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整される。
【００５２】
図１１は、ＶＣＳＥＬを光源として適用した例を示す図である。光源装置３７０は、図９または図１０のようにＶＣＳＥＬを実装したパッケージ３００（３０２）、パッケージ３００からのマルチビームのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００５３】
図１２は、図９に示すモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００５４】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【００５５】
図１３は、図１０に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。
【００５６】
図１４は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
【００５７】
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を図１５に示す。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有している。
【００５８】
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１６に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１５に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。
【００５９】
上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。
【００６０】
上記実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、半導体レーザ装置を光源に用いた情報処理措置、通信処理装置、画像処理装置等に広く利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１（ａ）は、半導体レーザの一般的な温度依存性を説明する図、図１（ｂ）は、本発明の半導体レーザの温度依存性を説明する図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体レーザ装置の概略構成を説明する図であり、図２（ａ）は典型的な共振器を持つ半導体レーザ装置、図２（ｂ）は複合（結合）共振器を持つ半導体レーザ装置を示す。
【図３】電圧駆動により片持ち梁を移動させる方法を説明する図であり、図３（ａ）は、片持ち梁構造を持つ半導体レーザ装置の外観斜視図、図３（ｂ）は電圧を印加する回路構成を示す図である。
【図４】熱膨張係数の異なる層を設けることにより片持ち梁を移動させる方法を説明する図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの外観斜視図、図５（ｂ）はＸ−Ｘ線に沿う上部断面図である。
【図６】温度変化と片持ち梁の変位量の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの一部断面図である。
【図８】図８(ａ)は、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの一部断面図であり、図８(ｂ)は片持ち梁に電圧を印加する回路構成を示す図である。
【図９】本実施例に係るＶＣＳＥＬに光学部品を実装したモジュールの構成を示す概略断面図である。
【図１０】他のモジュールの構成を示す概略断面図である。
【図１１】ＶＣＳＥＬを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１２】図９に示すモジュールを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。
【図１３】図９に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。
【図１４】光伝送システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】光伝送装置の外観構成を示す図である。
【図１６】図１５の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０、３０：半導体レーザ装置
１２、２２、３２、４０、４４：反射鏡
１４、１８、３４、３８：スペーサ層
１６、３６：活性層を含む領域          ２０、４２：空気層
５０：基板                            ５２：下部ＤＢＲ
５４：上部ＤＢＲ                      ５６：自由端部
６０：反射鏡                          ６２：熱膨張係数の異なる層
１００：基板                          １０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域                      １０６：ｐ型スペーサ層
１０８：AlAs層                        １１０：上部ＤＢＲ
１１２：AlGaAs層                      １１４：GaAs層
１１６：ｐ側電極層                    １１８：ｎ側電極層
１２０、１２２：開口                  １２４：支持部
１２６：空気層（エアギャップ）        １３０：梁部分
１３２：自由端部                      １４０：ｐ型ＤＢＲ
１５０：ｎ型上部ＤＢＲ                １６０：ｎ側電極層
【図１】
2008124063.tif 000003
【図２】
2008124063.tif 000004
【図３】
2008124063.tif 000005
【図４】
2008124063.tif 000006
【図５】
2008124063.tif 000007
【図６】
2008124063.tif 000008
【図７】
2008124063.tif 000009
【図８】
2008124063.tif 000010
【図９】
2008124063.tif 000011
【図１０】
2008124063.tif 000012
【図１１】
2008124063.tif 000013
【図１２】
2008124063.tif 000014
【図１３】
2008124063.tif 000015
【図１４】
2008124063.tif 000016
【図１５】
2008124063.tif 000017
【図１６】
2008124063.tif 000018