(57)【要約】【課題】共振器として所望の反射率を有した誘電体多層膜ミラーを実現することができ、所望のレーザ出力特性を実現することができること。【解決手段】面発光レーザ素子１００は、基板１上に積層された活性層４と誘電体多層膜ミラーとしての上部ＤＢＲミラー７とを備え、上部ＤＢＲミラー７は、それを構成する誘電体多層膜内の少なくとも１つの界面に、面発光レーザ素子１００が射出するレーザ光に対して上部ＤＢＲミラー７が所定反射率となる表面粗さを有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層が発した光を反射させる誘電体多層膜ミラーを備え、該誘電体多層膜ミラーが反射させた光をレーザ光として射出する面発光レーザ素子において、
前記誘電体多層膜ミラーは、該誘電体多層膜ミラー内の少なくとも１つの界面に、前記レーザ光に対して前記誘電体多層膜ミラーが所定反射率となる表面粗さを有したことを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記誘電体多層膜ミラーは、該誘電体多層膜ミラー内の各界面に、前記所定反射率と前記誘電体多層膜ミラー内の誘電体層数および光学定数とに基づいた略等しい表面粗さを有したことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記所定反射率は、前記誘電体層数に対して略飽和状態の反射率であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記誘電体多層膜ミラー内の各界面が有する表面粗さは、二乗平均平方根粗さが０．５〜２．０ｎｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
基板上に積層された活性層と誘電体多層膜ミラーとを備え、該誘電体多層膜ミラーが反射させたレーザ光を発する面発光レーザ素子の製造方法において、
前記誘電体多層膜ミラーを形成するとともに、該誘電体多層膜ミラー内の少なくとも１つの界面に、前記レーザ光に対して前記誘電体多層膜ミラーが所定反射率となる表面粗さを形成する多層膜形成工程を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記多層膜形成工程は、前記誘電体多層膜ミラー内の各面に、前記所定反射率と前記誘電体多層膜ミラー内の誘電体層数および光学定数とに基づいた略等しい表面粗さを形成することを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記所定反射率は、前記誘電体層数に対して略飽和状態の反射率であることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層が発した光を反射させる誘電体多層膜ミラーを備え、該誘電体多層膜ミラーが反射させた光をレーザ光として射出する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。）は、光インターコネクションをはじめとする種々の光通信用光源、あるいは他の様々なアプリケーション用デバイスとして利用されている（例えば、特許文献１参照）。面発光レーザ素子は、基板に対して垂直方向にレーザ光を射出するため、従来の端面発光型レーザ素子に比べて同一基板上に複数の素子を容易に２次元配列させることができる。また、活性層体積が非常に小さいため、極低閾値電流および低消費電力でレーザ発振が可能であるなど、多くの利点を有している。
【０００３】
一般に、面発光レーザ素子では、共振器を構成するミラーにＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーが利用されている。なかでも誘電体多層膜ミラーとしての誘電体ＤＢＲミラーは、光の吸収損失を低減し、レーザ光の高出力化を可能にするものとして知られており、これを共振器に用いた面発光レーザ素子が開発されている（例えば、特許文献２参照）。誘電体ＤＢＲミラーでは、積層させる誘電体層数によって反射率を変化させることができ、誘電体ＤＢＲミラーを共振器に用いた面発光レーザ素子では、その誘電体層数によってレーザ出力特性を変化させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０７３８０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０３７５４号公報
【非特許文献１】“High-finesse AlxOy/AlGaSs nonabsorbing optical cavity”、Appl. Phys. Lett.、1998、Vol.72、No.18、p.2205-2207
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、誘電体ＤＢＲミラーでは、各誘電体層間の屈折率差が大きいため、誘電体層数の増減に対する反射率変化が大きく、所望の反射率を実現することができない場合が生じるという問題があった。これにともない、誘電体ＤＢＲミラーを共振器に用いた面発光レーザ素子では、所望のレーザ出力特性が得られない場合が生じるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、共振器として所望の反射率を有した誘電体多層膜ミラーを実現することができ、所望のレーザ出力特性を実現することができる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる面発光レーザ素子は、活性層が発した光を反射させる誘電体多層膜ミラーを備え、該誘電体多層膜ミラーが反射させた光をレーザ光として射出する面発光レーザ素子において、前記誘電体多層膜ミラーは、該誘電体多層膜ミラー内の少なくとも１つの界面に、前記レーザ光に対して前記誘電体多層膜ミラーが所定反射率となる表面粗さを有したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記誘電体多層膜ミラーは、該誘電体多層膜ミラー内の各界面に、前記所定反射率と前記誘電体多層膜ミラー内の誘電体層数および光学定数とに基づいた略等しい表面粗さを有したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記所定反射率は、前記誘電体層数に対して略飽和状態の反射率であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記誘電体多層膜ミラー内の各界面が有する表面粗さは、二乗平均平方根粗さが０．５〜２．０ｎｍであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、基板上に積層された活性層と誘電体多層膜ミラーとを備え、該誘電体多層膜ミラーが反射させたレーザ光を発する面発光レーザ素子の製造方法において、前記誘電体多層膜ミラーを形成するとともに、該誘電体多層膜ミラー内の少なくとも１つの界面に、前記レーザ光に対して前記誘電体多層膜ミラーが所定反射率となる表面粗さを形成する多層膜形成工程を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記多層膜形成工程は、前記誘電体多層膜ミラー内の各面に、前記所定反射率と前記誘電体多層膜ミラー内の誘電体層数および光学定数とに基づいた略等しい表面粗さを形成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記所定反射率は、前記誘電体層数に対して略飽和状態の反射率であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法によれば、共振器として所望の反射率を有した誘電体多層膜ミラーを実現することができ、所望のレーザ出力特性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１６】
（実施の形態）
図１および図２は、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１００の要部構成を示す図である。図１は平面図であり、図２は、図１中に示したII−II矢視断面を示す断面図である。これらの図に示すように、面発光レーザ素子１００は、半絶縁性の基板１上に積層された下部ＤＢＲミラー２、ｎ型クラッド層３、活性層４、電流狭窄層５、ｐ型クラッド層６、上部ＤＢＲミラー７、ｐ型電極８およびｎ型電極９を備える。このうち、ｎ型クラッド層３上に積層された活性層４、電流狭窄層５およびｐ型クラッド層６は、エッチング処理等によって柱状形成されたメサポスト１０として形成されている。
【００１７】
下部ＤＢＲミラー２は、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複合半導体層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。この複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー７は、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2からなる複合誘電体層が複数積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、全体として所定反射率を有している。
【００１８】
電流狭窄層５は、開口部５ａと選択酸化層５ｂとから構成されている。電流狭窄層５は、例えばＡｌＡｓからなるＡｌ含有層によって形成され、選択酸化層５ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化され、輪帯上に形成されている。選択酸化層５ｂは、絶縁性を有し、ｐ型電極８から注入される電流を狭窄して開口部５ａ内に集中させることで、開口部５ａ直下における活性層４内の電流密度を高めている。
【００１９】
活性層４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる３層の量子井戸構造を有し、ｐ型電極８から注入されて電流狭窄層５によって狭窄された電流をもとに自然放出光を発する。この自然放出光は、共振器としての下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー７との間で活性層４を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部ＤＢＲミラー７の上面部に設けられた射出窓（透過窓）としてのアパーチャ７ａからレーザ光として射出される。このアパーチャ７ａは、上部ＤＢＲミラー７の上面部における開口部５ａ直上の円形領域である。
【００２０】
ｐ型電極８は、例えばｐ−ＧａＡｓからなるｐ型クラッド層６上に積層され、開口部５ａの直上部における上部ＤＢＲミラー７の一部をその積層面に沿って取り囲むようにリング状に形成されている。一方、ｎ型電極９は、例えばｎ−ＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３上に積層され、メサポスト１０の底面部をその積層面に沿って取り囲むようにＣ字状に形成されている。これらｐ型電極８およびｎ型電極９は、それぞれｐ型引出電極１１およびｎ型引出電極１２によって、図示しない外部回路（電流供給回路等）に電気的に接続されている。
【００２１】
つづいて、上部ＤＢＲミラー７について詳細に説明する。上部ＤＢＲミラー７は、図１に示すように、積層面に沿った断面が円形であるメサポスト１０に対し、その全体を包むように所定範囲内に成膜され、一体形成されている。上部ＤＢＲミラー７は、図２に示すように、ｐ型電極８の上面部からメサポスト１０の側面を介してｎ型クラッド層３の上面部まで成膜されている。
【００２２】
また、上部ＤＢＲミラー７は、それを構成する誘電体多層膜内の各界面に、レーザ光に対して上部ＤＢＲミラー７が所定反射率となるように、その所定反射率に応じた略等しい表面粗さが形成されている。具体的には、その表面粗さσは、界面に対して要求される反射率Ｒsと、表面粗さが存在しない場合のその界面の反射率Ｒ0と、誘電体層の光学定数としての屈折率ｎと、面発光レーザ素子１００が射出するレーザ光の波長λとを用い、次式（１）を満足するものとされている。
Ｒs＝Ｒ0ｅｘｐ（−（４πσｎ／λ）2）                        ・・・（１）
【００２３】
一般に、誘電体多層膜ミラーとしての上部ＤＢＲミラー７の反射率は、それを構成する誘電体層数などの構成条件をもとに定められる伝達行列（transfer matrix）と、各誘電体層の界面の反射率とを用いて算出できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。これより、各界面に対して要求される反射率Ｒsは、上部ＤＢＲミラー７に対して所望される反射率が定められた場合、その所望される反射率をもとに、伝達行列の逆行列を用いて算出することができる。そして、各界面に必要とされる表面粗さσは、その算出された反射率Ｒsをもとに、式（１）を用いて算出することができる。面発光レーザ素子１００では、このようにして算出される表面粗さσが上部ＤＢＲミラー７内の各界面に形成されている。なお、表面粗さは種々の指標値によって示すことができるが、式（１）に用いる表面粗さσは、二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さによって示されるものである。
【００２４】
図３は、式（１）と伝達行列とをもとに、上部ＤＢＲミラー７の誘電体層数に対する反射率を表面粗さσごとに計算した結果を示すグラフである。ここでは、誘電体層数としてＳｉＮ／ＳｉＯ2からなる複合誘電体層の層数を示している。また、計算上、面発光レーザ素子１００が射出するレーザ光の波長λは１．３μｍとしている。
【００２５】
図３に示すように、表面粗さσが０ｎｍの場合、つまり誘電体多層膜の各界面を従来技術のように理想的な鏡面状態とした場合には、ＳｉＮ／ＳｉＯ2層数を１１層以上とすることで、上部ＤＢＲミラー７の反射率は約１００％となり、ほぼ飽和状態に達する。一方、ＳｉＮ／ＳｉＯ2層数が８層以下のときには、その層数を１層増減させるだけで、上部ＤＢＲミラー７の反射率が大きく変化する。例えば、ＳｉＮ／ＳｉＯ2層数を７層から８層へ増加させることで、上部ＤＢＲミラー７の反射率は９９．１％から９９．６％へ変化することがわかる。すなわち、表面粗さσが０ｎｍである場合には、上部ＤＢＲミラー７では、面発光レーザ素子１００の共振器として有用な９９．１〜９９．６％間の反射率を実現できないことがわかる。
【００２６】
これに対して、例えば表面粗さσを１．０ｎｍとした場合、ＳｉＮ／ＳｉＯ2層数を８〜１５層とすることで、上部ＤＢＲミラー７において約９９．１〜９９．４％間の反射率を実現できることがわかる。また、この８〜１５層間では、上部ＤＢＲミラー７の反射率がＳｉＮ／ＳｉＯ2層数に対してほぼ飽和状態にあるため、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2層数を１層増減させても上部ＤＢＲミラー７の反射率を大きく変化させることがなく、ＳｉＮ／ＳｉＯ2層数に対して安定的に約９９．１〜９９．４％間の反射率を実現できることがわかる。
【００２７】
さらに、少なくとも表面粗さσが０．５〜２．０ｎｍである場合には、表面粗さσを増減させることで、上部ＤＢＲミラー７の反射率を増減させることができ、その表面粗さσを連続的に増減させることで、上部ＤＢＲミラー７の反射率を連続的に増減できることが容易に理解できる。したがって、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2層数を８〜１５層間とし、表面粗さσを０．５〜１．０ｎｍ間とすることで、上部ＤＢＲミラー７の反射率として約９９．１〜９９．８％間の任意の反射率を実現することができ、一般に面発光レーザ素子１００の共振器として所望される反射率を適宜実現できることがわかる。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１００では、上部ＤＢＲミラー７は、それを構成する誘電体多層膜の各界面に、上部ＤＢＲミラー７の所定反射率と、上部ＤＢＲミラー７内の誘電体層の層数および光学定数とに基づいて略等しい表面粗さσが形成されている。このため、面発光レーザ素子１００では、一般に共振器として所望される反射率を有した上部ＤＢＲミラー７を適宜実現することができ、所望のレーザ出力特性を実現することができる。
【００２９】
なお、上述した面発光レーザ素子１００では、上部ＤＢＲミラー７は、ＳｉＮ／ＳｉＯ2からなる複合誘電体層が複数積層された誘電体多層膜ミラーであるものとして説明したが、複合誘電体層はＳｉＮ／ＳｉＯ2限定されず、例えばＳｉ／ＳｉＯ2等、種々の材料を用いることができる。
【００３０】
図４は、上部ＤＢＲミラー７を構成する複合誘電体層をＳｉ／ＳｉＯ2とし、その層数に対する上部ＤＢＲミラー７の反射率を表面粗さσごとに計算した結果を示すグラフである。この結果は、複合誘電体層の光学定数を除き、図３に示した結果と同じ条件で計算して得られたものである。この図に示す結果から、Ｓｉ／ＳｉＯ2を用いて上部ＤＢＲミラー７を形成した場合にも、ＳｉＮ／ＳｉＯ2を用いた場合と同様の効果が得られることがわかる。すなわち、上部ＤＢＲミラー７を構成する誘電体多層膜の各界面に略等しい表面粗さを形成し、その表面粗さとＳｉ／ＳｉＯ2層数とを上部ＤＢＲミラー７に対する所望の反射率に基づいて設定することで、従来技術のように表面粗さを設けない場合には実現できなかった上部ＤＢＲミラー７の反射率を実現することが可能となる。また、その反射率をＳｉ／ＳｉＯ2層数に対して安定的に実現することができる。
【００３１】
つづいて、面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。面発光レーザ素子１００は、基板１上に下部ＤＢＲミラー２とｎ型クラッド層３とを順に積層し、その上部に活性層４からｐ型クラッド層６までの各層をメサポスト１０として積層形成するとともに、ｐ型クラッド層６上にｐ型電極８を形成する。その後、多層膜形成工程として、メサポスト１０の上からその全体を包むように上部ＤＢＲミラー７を形成する。
【００３２】
この多層膜形成工程では、メサポスト１０上から成膜する誘電体多層膜ミラー内の各界面に、面発光レーザ素子１００が射出するレーザ光に対して上部ＤＢＲミラー７が所定反射率となるように、その所定反射率に応じた表面粗さを形成する。具体的には、誘電体多層膜ミラー内の各界面に、上部ＤＢＲミラー７に対する所望の反射率と、誘電体多層膜ミラー内の誘電体層数および光学定数とに基づいた略等しい表面粗さを形成する。また、上部ＤＢＲミラー７に対する所望の反射率は、例えば上部ＤＢＲミラー７を構成する誘電体多層膜の誘電体層数に対してほぼ飽和状態にある反射率とする。
【００３３】
誘電体多層膜ミラー内の各界面に表面粗さを形成するには、例えばＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法によって各誘電体層を成膜するとともに、その成膜温度（基板温度）を２００℃程度の比較的低い温度にするとよい。これによって、表面粗さを形成するための特別な工程を用いることなく、誘電体多層膜の形成と表面粗さの形成とを１つの工程で一括して行うことができる。なお、表面粗さを形成する方法は、ＰＣＶＤ法に限定されず、例えばイオンビーム蒸着、イオンビームアシスト蒸着等のイオンビームを用いた蒸着法など、各種の成膜手法を利用することができる。
【００３４】
ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態として説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。
【００３５】
例えば、上述した面発光レーザ素子１００では、上部ＤＢＲミラー７は、それを構成する誘電体多層膜内の各界面に表面粗さを有するものとして説明したが、必ずしも各界面に有する必要はなく、誘電体多層膜内の少なくとも１つの界面に、上部ＤＢＲミラー７がレーザ光に対して所定反射率となる表面粗さを有するものであればよい。この場合、上部ＤＢＲミラー７を形成する多層膜形成工程では、誘電体多層膜内の少なくとも１つの界面に、上部ＤＢＲミラー７がレーザ光に対して所定反射率となるように、その所定反射率に応じた表面粗さを形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる面発光レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示したII−II矢視断面を示す断面図である。
【図３】上部ＤＢＲミラーのＳｉＮ／ＳｉＯ2層数に対する反射率を表面粗さごと計算した結果を示す図である。
【図４】上部ＤＢＲミラーのＳｉ／ＳｉＯ2層数に対する反射率を表面粗さごと計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    基板
２    下部ＤＢＲミラー
３    ｎ型クラッド層
４    活性層
５    電流狭窄層
５ａ    開口部
５ｂ    選択酸化層
６    ｐ型クラッド層
７    上部ＤＢＲミラー
７ａ    アパーチャ
８    ｐ型電極
９    ｎ型電極
１０    メサポスト
１１    ｐ型引出電極
１２    ｎ型引出電極
１００    面発光レーザ素子
【図１】
2008251719.tif 000003
【図２】
2008251719.tif 000004
【図３】
2008251719.tif 000005
【図４】
2008251719.tif 000006