(57)【要約】【課題】低発振閾値、高スロープ効率および高周波直接変調を実現することのできる長波長帯発振の面発光レーザ素子と、その面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供すること。【解決手段】９８０ｎｍ〜１６５０ｎｍ帯で発振する構造を有する面発光レーザ素子において、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分のｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６について、高屈折率層５２と低屈折率層５１の界面以外の領域を不純物濃度５×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３でドーピングし、高屈折率層と低屈折率層の界面領域と、残りの２０ペア分のｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の高屈折率層５４と低屈折率層５３のすべての領域を不純物濃度１〜２×１０１９ｃｍ−３でドーピングする。また、この面発光レーザ素子を用いてトランシーバ、光送受信器および光通信システムを構成する。【選択図】　　　図２
2004055912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、高屈折率層と低屈折率層との対を１ペアとして複数のペアから構成されるｎ型半導体多層膜反射鏡と、上下をクラッド層で挟まれるとともに９８０ｎｍ以上を発振波長とする活性層と、高屈折率層と低屈折率層との対を１ペアとして複数のペアから構成されるｐ型半導体多層膜反射鏡とを積層した構造を備えた面発光レーザ素子において、
前記ｐ型半導体多層膜反射鏡のうちの前記活性層に近い側から所定数ペア内に属する高屈折率層は、前記低屈折率層との界面に隣接するとともに第１の不純物濃度でドーピングされた第１の高屈折率領域と、当該第１の高屈折率領域外であってかつ前記第１の不純物濃度よりも低い前記第２の不純物濃度でドーピングされた第２の高屈折率領域とを有し、
前記ｐ型半導体多層膜反射鏡のうちの前記活性層に近い側から所定数のペア内に属する低屈折率層は、前記高屈折率層との界面に隣接するとともに第３の不純物濃度でドーピングされた第１の低屈折率領域と、当該第１の低屈折率領域外であってかつ前記第３の不純物濃度よりも低い第４の不純物濃度でドーピングされた第２の低屈折率領域とを有したことを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の高屈折率領域は、２×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲の不純物濃度でドーピングされ、
前記第２の低屈折率領域は、７．５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされ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】
前記第２の高屈折率領域は、５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされ、
前記第２の低屈折率領域は、５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされ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４】
前記所定数ペアは、１〜１０ペアであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記第１の低屈折率領域と前記第１の高屈折率領域は、１ｎｍ〜４０ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記第１の高屈折率領域および前記第１の低屈折率領域は、２×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記基板はＧａＡｓを含んで形成され、
前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡は（Ａｌ）ＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡の高屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．２）を含んで形成され、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡の低屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ＜１）を含んで形成されたことを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸、ＧａＡｓＳｂ量子井戸、または（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットで形成されたことを特徴とする請求項７または８に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記基板はＩｎＰを含んで形成され、
前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡はＡｌＧａＡｓＳｂを含んで形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸、またはＧａＩｎＡｓＰ量子井戸、またはＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸で形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１２】
前記高屈折率層と前記低屈折率層とは、当該高屈折率層と当該低屈折率層の間でＡｌ組成ｉが緩やかに傾斜するＡｌｉＧａ１−ｉＡｓ組成傾斜層によって接合されていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１３】
前記ｐ型半導体多層膜反射鏡にドーピングされる不純物は、炭素、亜鉛またはベリリウムであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１４】
前記基板は、ＧａＩｎＡｓ３元基板であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、
を備えたことを特徴とするトランシーバ。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、
前記信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路と、
を備えたことを特徴とする光送受信器。
【請求項１７】
請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、
前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、
前記伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、
を備えたことを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｎ型とｐ型の半導体多層膜反射鏡を活性層の上下に配置した垂直共振器型の面発光レーザ素子に関し、特に１．２μｍ以上の長波長帯を発振波長とした構造において、ｐ型の半導体反射鏡によるミラー損失を低減させることにより、低発振閾値、高スロープ効率および高周波直接変調を実現する面発光レーザ素子と、その面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ。以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由として面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウエハレベルでテストできること、活性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振でき消費電力が小さいこと等の利点を有していることが挙げられる。
【０００４】
図９は、従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図１０は、後述する下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図１０において、図９と共通する部分には同一の符号を付している。図９に示す面発光レーザ素子１００を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）によって、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１１２が形成される。ここで、下部半導体多層膜反射鏡１１２は、図１０に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｎ型高屈折率層１４１とｎ型低屈折率層１４２との積層構造を１ペアとして、例えばそれを３５ペア分積層した層である。なお、例えば、ｎ型高屈折率層１４１は、ｎ型ＧａＡｓで形成され、ｎ型低屈折率層１４２は、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成される。
【０００５】
そして、その下部半導体多層膜反射鏡１１２上に、順にＧａＡｓ等の下部クラッド層１３１、多重量子井戸活性層１３０、ＧａＡｓ等の上部クラッド層１３２を形成し、この上部クラッド層１３２の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するために必要となるｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層１１５が形成される。また、さらに、このｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層１１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡１１６（上部ＤＢＲミラー）が形成される。ここで、上部半導体多層膜反射鏡１１６は、図１０に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型高屈折率層１４５とｐ型低屈折率層１４６との積層構造を１ペアとして、例えばそれを２５ペア分積層した層である。なお、例えば、ｐ型高屈折率層１４５は、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓで形成され、ｐ型低屈折率層１４６は、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成される。また、上部半導体多層膜反射鏡１１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１７が形成される。
【０００６】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡１１６とｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層１１５と上部クラッド層１３２と多重量子井戸活性層１３０と下部クラッド層１３１の一部とからなる積層構造の外縁部が除去され、これにより例えば直径４０μｍの円形のメサポストが形成される。
【０００７】
次に、水蒸気雰囲気中にて約４００℃の温度で酸化処理を行なうことでｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層１１５中のＡｌＡｓ層を上記メサポストの側壁から選択的に酸化させ、これによってＡｌ酸化層１１４が形成される。例えばＡｌ酸化層１１４が１７．５μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のＡｌＡｓ層１１５の面積、すなわち電流注入される面積（アパーチャ）は約２０μｍ２（直径５μｍ）の円形になる。
【０００８】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部クラッド層１３１の上面に、保護層として機能するシリコン窒化膜１１９が形成され、続いて、ポリイミド１２２によって、メサポストの周囲が埋め込まれる。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１１９が、直径４０μｍの円形状に除去され、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１７上に、さらに内径１０μｍ、外径４０μｍのリング状のｐ型電極１１８が形成される。ｎ型ＧａＡｓ基板１１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨して適宜調整した後、ｎ型電極１２１が形成される。また、ポリイミド１２２上にはワイヤをボンディングする電極パッド１２０が、上記したｐ型電極１１８に接触するように形成される。
【０００９】
以上に説明した面発光レーザ素子の構造では、特に、上部クラッド層１３２の中央部分上に、周囲のＡｌ酸化層１１４よりも抵抗値の低いｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層１１５が配置されることで、多重量子井戸活性層１３０の狭い部分にのみ集中して電流を流すことが可能となっている。このような構造を酸化狭窄型面発光レーザと呼んでおり、これにより、レーザ発振閾値などのレーザ特性を大幅に向上させている。
【００１０】
また、面発光レーザ素子では、上記した電流狭窄構造も重要であるが、発振波長の選択や熱伝導率の向上などの観点から、下部半導体多層膜反射鏡１１２と上部半導体多層膜反射鏡１１６によって構成される共振器構造も非常に重要である。特に、上述したように下部半導体多層膜反射鏡１１２と上部半導体多層膜反射鏡１１６としてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料を用いることで、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差が大きく取れ、比較的少ないペア数で高い反射率が得られ、なおかつ、熱抵抗が小さいため、活性層の温度が上昇しにくく高温まで動作しやすいという効果が得られる。このような背景から、現在、多重量子井戸活性層１３０をＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、ＧａＡｓＳｂ、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットで構成した面発光レーザ素子の開発が盛んである。
【００１１】
また、光通信システムの信号光源として面発光レーザ素子を使用する場合、その面発光レーザ素子に対し、伝送媒体である光ファイバの低損失波長帯を含む０．８μｍ〜１．６５μｍでのレーザ発振が要求される。この波長帯の面発光レーザ素子は、結晶成長の難しさなどから長い間実現が不可能であったが、近年、本願発明者等によって、波長１．２〜１．５μｍでのレーザ発振を可能とした面発光レーザ素子が実現されている（特願２００１−１２４３００）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状の１．２〜１．３μｍ発振の面発光レーザ素子では、上記したどの活性層についても結晶成長が困難であるため、低発振閾値や高スロープ効率を実現できてはいなかった。特に、面発光レーザ素子は、直接変調による発振が高周波域で安定しており、この点において、ＤＦＢレーザのような端面発光型レーザに比べて有利であるが、面発光レーザ素子において、１．２〜１．３μｍのような０．８５〜０．９８μｍ帯のＶＣＳＥＬよりも長波長での発振を実現しようとすると新たな問題が生じていた。具体的には、半導体多層膜反射鏡において価電子帯間吸収やフリーキャリア吸収を起因としてレーザ発振が不安定となり、現状では、１０Ｇｂｐｓ程度の直接変調の１０〜２０ｋｍシリアル伝送でさえも満足な特性で実現されていない。
【００１３】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、１．２μｍ以上の長波長帯を発振波長とした構造の面発光レーザ素子において、ｐ型の半導体反射鏡による吸収損失を低減させることにより、低発振閾値、高スロープ効率および高周波直接変調を実現することのできる面発光レーザ素子と、その面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる面発光レーザ素子は、基板上に、高屈折率層と低屈折率層との対を１ペアとして複数のペアから構成されるｎ型半導体多層膜反射鏡と、上下をクラッド層で挟まれるとともに９８０ｎｍ以上を発振波長とする活性層と、高屈折率層と低屈折率層との対を１ペアとして複数のペアから構成されるｐ型半導体多層膜反射鏡とを積層した構造を備えた面発光レーザ素子において、前記ｐ型半導体多層膜反射鏡のうちの前記活性層に近い側から所定数ペア内に属する高屈折率層は、前記低屈折率層との界面に隣接するとともに第１の不純物濃度でドーピングされた第１の高屈折率領域と、当該第１の高屈折率領域外であってかつ前記第１の不純物濃度よりも低い前記第２の不純物濃度でドーピングされた第２の高屈折率領域とを有し、前記ｐ型半導体多層膜反射鏡のうちの前記活性層に近い側から所定数のペア内に属する低屈折率層は、前記高屈折率層との界面に隣接するとともに第３の不純物濃度でドーピングされた第１の低屈折率領域と、当該第１の低屈折率領域外であってかつ前記第３の不純物濃度よりも低い第４の不純物濃度でドーピングされた第２の低屈折率領域とを有したことを特徴としている。
【００１５】
この発明によれば、活性層から所定ペア数範囲内に属するｐ型の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層において、その低屈折率層と高屈折率層の界面から所定の領域が高不純物濃度でドーピングされ、その低屈折率層と高屈折率層の残りの領域が、所定値以下の低不純物濃度でドーピングされているので、吸収損失を低減させることが可能となる。
【００１６】
また、請求項２にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第２の高屈折率領域は、２×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３以下の範囲の不純物濃度でドーピングされ、前記第２の低屈折率領域は、７．５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされたことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項３にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第２の高屈折率領域は、５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされ、前記第２の低屈折率領域は、５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされたことを特徴としている。
【００１８】
また、請求項４にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記所定数ペアは、１〜１０ペアであることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項５にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第１の低屈折率領域と前記第１の高屈折率領域は、１ｎｍ〜４０ｎｍの厚みを有することを特徴としている。
【００２０】
また、請求項６にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第１の高屈折率領域および前記第１の低屈折率領域は、２×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲の不純物濃度でドーピングされたことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項７にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板はＧａＡｓを含んで形成され、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡は（Ａｌ）ＧａＡｓを含んで形成されたことを特徴としている。
【００２２】
また、請求項８にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡の高屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．２）を含んで形成され、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡の低屈折率層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ＜１）を含んで形成されたことを特徴としている。
【００２３】
また、請求項９にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸、ＧａＡｓＳｂ量子井戸、または（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットで形成されたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１０にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板はＩｎＰを含んで形成され、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡および前記ｐ型半導体多層膜反射鏡はＡｌＧａＡｓＳｂを含んで形成されたことを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１１にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸、またはＧａＩｎＡｓＰ量子井戸、またはＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸で形成されたことを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１２にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記高屈折率層と前記低屈折率層とは、当該高屈折率層と当該低屈折率層の間でＡｌ組成ｉが緩やかに傾斜するＡｌｉＧａ１−ｉＡｓ組成傾斜層によって接合されていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項１３にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記ｐ型半導体多層膜反射鏡にドーピングされる不純物は、炭素、亜鉛またはベリリウムであることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項１４にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板は、ＧａＩｎＡｓ３元基板であることを特徴としている。
【００２９】
また、請求項１５にかかるトランシーバは、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、入力された電気信号に基づいて前記面発光レーザ素子に注入する電流値を制御する制御回路とを有する光送信部と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子を有する光受信部と、を備えたことを特徴としている。
【００３０】
また、請求項１６にかかる光送受信器は、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、複数の電気信号を多重化する信号多重化回路と、前記信号多重化回路から出力される電気信号に基づき前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、外部から入射する光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子から出力される電気信号を複数の電気信号に分離する信号分離回路と、を備えたことを特徴としている。
【００３１】
また、請求項１７にかかる光通信システムは、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子と、前記面発光レーザ素子を制御する制御回路と、前記面発光レーザ素子から出射された光信号を一端から入射し、伝送する伝送用光ファイバと、前記伝送用光ファイバの他端から入射する前記光信号を受信して電気信号に変換する光電変換素子と、を備えたことを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる面発光レーザ素子、面発光レーザ素子を用いたトランシーバ、光送受信器および光通信システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、９８０ｎｍ〜１６５０ｎｍ帯で発振するとともに、活性層から所定ペア数範囲内に属するｐ型の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層において、その低屈折率層と高屈折率層の界面から所定の領域が高濃度にドーピングされ、その低屈折率層と高屈折率層の残りの領域がレーザ発振に影響を及ぼさない所定値以下の低濃度のドーピングが施されたことを特徴としている。
【００３４】
図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図２は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子のｎ型下部半導体多層膜反射鏡とｐ型上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。図１に示す面発光レーザ素子１０において、特に、従来の面発光レーザ素子と異なるのは、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の各層構造である。よって、その大きな違いは、図２において説明される。
【００３５】
図１に示す面発光レーザ素子１０を作製するには、まず、（１００）面のｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法によって、０．１μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層１２がｎ型不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３として形成され、さらにこのｎ型ＧａＡｓバッファ層１２上に、ｎ型下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１３が形成される。ここで、ｎ型下部半導体多層膜反射鏡１３は、図２に示すように、例えば９４ｎｍ厚のｎ型高屈折率層４１と１１０ｎｍ厚のｎ型低屈折率層４２との積層構造を１ペアとして、それを３４．５ペア分積層した層である。なお、ｎ型高屈折率層４１は、ｎ型ＧａＡｓで形成され、ｎ型低屈折率層４２は、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成される。
【００３６】
そして、そのｎ型下部半導体多層膜反射鏡１３上に、順に、下部のＧａＡｓクラッド層３１、多重量子井戸活性層３０、上部のＧａＡｓクラッド層３２が形成される。ＧａＡｓクラッド層３１，３２は、例えば１５０ｎｍ厚であり、多重量子井戸活性層３０は、７．５ｎｍ厚のＧａ０．６３Ｉｎ０．３７Ｎ０．０１２Ａｓ０．９７２Ｓｂ０．０１６井戸層と、両端を３０ｎｍ厚でその他を２０ｎｍ厚としたＧａＮＡｓ障壁層とで構成される３重量子井戸層である。
【００３７】
上部のＧａＡｓクラッド層３２の上には、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６（上部ＤＢＲミラー）が形成される。ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６は、図２に示すように、１１０ｎｍ厚のｐ型低屈折率層と９４ｎｍ厚のｐ型高屈折率層との積層構造を１ペアとして、例えばそれを２５ペア分積層した層である。なお、ｐ型低屈折率層は、ｐ型ＧａＡｓで形成され、ｐ型高屈折率層は、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成される。また、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６を構成するこれらペアのうち、ＧａＡｓクラッド層３２に隣接した第１番目のペアの低屈折率層は、図２に示すように、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの層と、後の工程において電流狭窄領域を形成するために必要となるｐ型ＡｌＡｓ層５０とで構成される。例えば、その第１番目のペアの低屈折率層は、９０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓと２０ｎｍ厚のｐ型ＡｌＡｓ層５０によって形成される。
【００３８】
ここで、本発明の特徴的な点は、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６において、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分の低屈折率層と高屈折率層の不純物濃度が、残りの２０ペア分の低屈折率層と高屈折率層の不純物濃度と異なることである。具体的には、図２に示すように、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分においては、低屈折率層５１と高屈折率層５２の界面からそれぞれ１０ｎｍ厚の領域のみが不純物濃度１〜２×１０１９ｃｍ−８でドーピングされ、１０ｎｍ厚の領域以外の低屈折率層５１の領域は、不純物濃度７．５×１０１７ｃｍ−３でドーピングされ、その１０ｎｍ厚の領域以外の高屈折率層５２の領域は、不純物濃度２×１０１７ｃｍ−３でドーピングされる。また、残りの２０ペア分においては、低屈折率層５３と高屈折率層５４の領域のすべてが不純物濃度１〜２×１０１９ｃｍ−８でドーピングされる。なお、ドーピングする不純物としては、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）等を用いることができる。
【００３９】
また、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分には、上記したように、その第１番目のペアとして、ｐ型ＡｌＡｓ層５０が含まれている。以上の構造を換言すると、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６のうち、ＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分が、残りの２０ペアと比較して不純物濃度が低くなるように設計されている。
【００４０】
続いて、このｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７が形成される。そして、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６とｐ型ＡｌＡｓ層５０とその下層のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの層と上部のＧａＡｓクラッド層３２と多重量子井戸活性層３０と下部のＧａＡｓクラッド層３１の一部とからなる積層構造の外縁部が除去され、これにより例えば直径４０μｍの円形のメサポストが形成される。
【００４１】
次に、水蒸気雰囲気中にて約４００℃の温度で酸化処理を行なうことでｐ型ＡｌＡｓ層５０を上記メサポストの側壁から選択的に酸化させ、これによってＡｌ酸化層１４が形成される。例えばＡｌ酸化層１４が１７．５μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のｐ型ＡｌＡｓ層１５の面積、すなわち電流注入される面積（アパーチャ）は約２０μｍ２（直径５μｍ）の円形になる。
【００４２】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部のＧａＡｓクラッド層３１の上面に、保護層として機能するシリコン窒化膜１９が形成され、続いて、ポリイミド２２によって、メサポストの周囲が埋め込まれる。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９が、直径４０μｍの円形状に除去され、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、さらに内径１０μｍ、外径４０μｍのリング状のｐ型電極１８が形成される。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨して適宜調整した後、ｎ型電極２１が形成される。また、ポリイミド２２上にはワイヤをボンディングする電極パッド２０が、上記したｐ型電極１８に接触するように形成される。
【００４３】
以下に、本発明の特徴点、すなわちＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分の不純物濃度を小さくしたことによる効果と、上記した不純物濃度の値の選定について説明する。
【００４４】
まず、発振閾値電流とスロープ効率の特性のよい面発光レーザ素子を作成し、なおかつ１０Ｇｂｐｓ等の高周波直接変調シリアル伝送を実現するためには、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の不純物濃度が重要であることが知られている。安定した高周波での直接変調動作を実現するためには、このｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の電気抵抗を下げる必要がある。そのため、電気抵抗値を決定する支配的な領域、すなわち１ペアを構成する高屈折率層と低屈折率層の界面を、１×１０１９ｃｍ−３程度の高濃度で不純物をドーピングしてその部分の電気抵抗を下げる必要があり、通常良く行なわれている。また、その界面以外の部分もある程度の量の不純物をドーピングして、高屈折率層と低屈折率層の全体の電気抵抗を下げるのが好ましい。
【００４５】
ところが、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の多重量子井戸活性層３０に近い領域は光密度が高く、価電子帯間吸収やフリーキャリア吸収を受けることが知られている。よって、その領域に属するペア内の高屈折率層と低屈折率層の界面以外の領域は、不純物濃度をある程度以下として、価電子帯間吸収やフリーキャリア吸収の発現を避け、多重量子井戸活性層３０での安定した光生成を確保する必要がある。
【００４６】
そこで、本願発明者らは、レーザ発振に必要な閾値電流密度Ｊｔｈの試算により、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分のｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の高屈折率層と低屈折率層について、最適な不純物濃度を見出した。ここで、その試算結果を示す。試算のために試作した面発光レーザ素子は、１．３μｍ帯を発振波長とする図１に示した構造を有し、上部のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分のｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６について、高屈折率層と低屈折率層の界面以外の領域は不純物濃度４×１０１８ｃｍ−３でドーピングされ、高屈折率層と低屈折率層の界面領域と、残りの２０ペア分のｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６の高屈折率層と低屈折率層のすべての領域については、不純物濃度１〜２×１０１９ｃｍ−３でドーピングされている。
【００４７】
図３は、垂直方向の閾値電流密度Ｊｔｈとミラー損失との関係を、光がしみ出す有効共振器部分のｐ型半導体多層膜反射鏡中の吸収損失をパラメータとして、端面出射型レーザで抽出済みのレーザパラメータを用いて計算したグラフである。より詳細には、図３に示すグラフは、以下の式（１）と図４に示すレーザパラメータを用いて、ｐ型半導体多層膜反射鏡部の吸収損失（αＰ）を２０ｃｍ−１，４０ｃｍ−１，６０ｃｍ−１，８０ｃｍ−１，１００ｃｍ−１と変化させた場合に得られた結果である。
【００４８】
【数１】
2004055912.tif 000003
ここで、αｍはミラー損失、Ｎｗは井戸数、Γは光閉じ込め係数、αｉは吸収損失、Ｊｔｒは透明化電流密度、ηは閾値における自然放出光の電流注入率、Ｇ０は利得定数を示す。なお、Γは、ピリオディックゲイン（ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｇａｉｎ）を考慮して、２％として計算している。ｍは電流狭窄層のアパーチャー面積に対する電流の広がりの比率を示す。また、αｉは以下の式で表わされる。
【００４９】
【数２】
2004055912.tif 000004
ここで、Ｌｅｆｆ（μｍ）はＤＢＲへの光のしみ出しを考慮した有効共振器長であり、ｐ−ＤＢＲ部へのしみ出し部分以外の有効共振器部の平均内部損失は１０ｃｍ−１、ＤＢＲのしみ出し長は０．４５μｍずつとして計算している。
【００５０】
また、ミラー損失αｍは、前端面反射率（Ｒｆ）、後端面反射率（Ｒｆ）、共振器長（Ｌ）を用いて、以下の式で表わすことができる。
【００５１】
【数３】
2004055912.tif 000005
【００５２】
また、外部微分量子効率（ηｄ）、前端面側の外部微分量子効率（ηｆ）、前端面側のスロープ効率（Ｓｆ）は以下の式で表わすことができる。
【００５３】
【数４】
2004055912.tif 000006
ここで、ηｉとは内部効率を示す。
【００５４】
【数５】
2004055912.tif 000007
【００５５】
【数６】
2004055912.tif 000008
【００５６】
なお、面発光レーザ素子の共振器長として、共振器自体の設計値（２λ）に、半導体多層膜反射鏡への光の染み出し（片側０．４５μｍ）を考慮した実効共振器長（Ｌ）を設定した（この場合、Ｌ＝１．６μｍ）。なお、図４には、各パラメータを一覧表にして示している。
【００５７】
本試作では、αｍ〜５ｃｍ−１であり、ＶＣＳＥＬとしてのＪｔｈ＝３．６ｋＡ／ｃｍ２であるので、図３に示したグラフから、ｐ型半導体多層膜反射鏡の吸収損失（αＣ）を見積もると、８０ｃｍ−１程度と見積もられる。この場合、αｉ＝２７ｃｍ−１となる。なお、８５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子では同様な手法により、αｐ＝２０ｃｍ−１であることが見積もられている。８５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子よりも１．３μｍ帯の面発光レーザ素子の方が、ｐ型半導体多層膜反射鏡の吸収損失が大きいのは、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡において、価電子帯間吸収やフリーキャリア吸収が長波長帯レーザでは大きいためであると考えられる。
【００５８】
図５は、１．３μｍおよび１．５５μｍの入射光に対して、ｐ型ＧａＡｓに関してドーピング濃度と吸収係数の関係をまとめた公知のグラフである［Ｄ．Ｉ．Ｂａｂｉｃ，ＵＣＳＢ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｐｏｒｔ　９５−２０，　ｐ９６，Ａｕｇｅｓｔ　１９９５．］。図５から、不純物濃度４×１０１８ｃｍ−３で吸収係数１００ｃｍ−１であり、今回の界面以外のＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓは不純物４×１０１８ｃｍ−３でドーピングしているので、本解析は比較的正しいと考えられる。
【００５９】
ここで、図３から、垂直方向のＪｔｈを１．５ｋＡ／ｃｍ２程度以下にして十分な低発振閾値を実現するためには、αｐが３０ｃｍ−１以下である必要があることがわかる。そのためには、図５において、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡の活性層に近傍のペアにおいて、高屈折率層と低屈折率層の界面領域以外の領域は不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３を上限とする必要があることがわかる。また、αｐを３０ｃｍ−１とすれば、スロープ効率Ｓｆを０．１Ｗ／Ａ以上の高い値にすることが可能であり、５ｍＡで０．５ｍＷ以上の光出力を得ることが可能である。
【００６０】
逆に、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡の活性層に近傍のペアにおいて、高屈折率層と低屈折率層の界面領域以外の不純物濃度の下限は以下から試算される。面発光レーザ素子において、長波長帯で横モードシングルの発振を実現するためには、電流狭窄領域として直径５μｍ（面積２０μｍ２）程度が必要である。また、面発光レーザ素子を駆動するＣ−ＭＯＳドライバは、動作電圧３．３Ｖであり、面発光レーザ素子単体には２Ｖ上限の制限がある。１．３μｍ帯の面発光レーザ素子の閾値電圧は１．２Ｖであり、１０Ｇｂｐｓの高周波直接変調を行なうためには、バイアス電流をＩｔｈ（＝０．５ｍＡ）の１０倍、すなわち５ｍＡとする必要がある。従って、面発光レーザ素子の微分抵抗（Ｒｄ）は、下記の不等式を満たす必要がある。
【００６１】
【数７】
2004055912.tif 000009
（７）の不等式より、Ｒｄ≦１６０Ωとなる。また、本願発明者らの回路のシミュレーションによって、１０Ｇｂｐｓ動作のためには、回路のインピーダンスマッチングを考慮すると、上記微分抵抗を５０Ωとするのが最適であり、１２０Ω位までならば１０Ｇｂｐｓ動作が可能であることがわかった。これらのことから、面発光レーザ素子の微分抵抗は１２０Ω以下とすることが好ましい。
【００６２】
また、本実施の形態１にかかる１．３μｍ帯の面発光レーザ素子の構造は、活性層以外の構造を除いて、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡を用いた８５０ｎｍ帯の酸化狭窄型面発光レーザ素子とほぼ同一である。直径５μｍ（面積２０μｍ２）の電流狭窄領域を有する８５０ｎｍ帯の酸化狭窄型面発光レーザ素子の微分抵抗は６５Ω程度であるので、本実施の形態１にかかる１．３μｍ帯の面発光レーザ素子の微分抵抗を１２０Ω以下とするためには、８５０ｎｍ帯の酸化狭窄型面発光レーザ素子に対して抵抗上昇分を６０Ω程度までに抑制する必要がある。
【００６３】
図６は、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分に関して、低屈折率層と高屈折率層の界面領域以外の領域の不純物濃度を変化させた場合の、８５０ｎｍ帯の酸化狭窄型面発光レーザ素子に対する抵抗上昇分（ΔＲ）を示す表である。
【００６４】
図６に示す表より、抵抗上昇分を合計で６０Ω程度以下とするためには、低屈折率層５１を構成するｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの不純物濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３（＝４０Ω上昇）以上とし、かつ高屈折率層５２を構成するｐ型ＧａＡｓの不純物濃度を２×１０１７ｃｍ−３（＝１９Ω上昇）以上とするか、低屈折率層５１を構成するｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３（＝５３Ω上昇）以上とし、かつ高屈折率層５２を構成するｐ型ＧａＡｓの不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３（＝６．４Ω上昇）以上とする必要がある。
【００６５】
以上に説明した上限と下限について整理すると、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡の活性層に近傍のペアにおいて、高屈折率層と低屈折率層の界面領域以外の不純物濃度は、
低屈折率層：２×１０１８ｃｍ−３≧不純物濃度≧７．５×１０１７ｃｍ−３
高屈折率層：２×１０１８ｃｍ−３≧不純物濃度≧２×１０１７ｃｍ−３
または
低屈折率層：２×１０１８ｃｍ−３≧不純物濃度≧５×１０１７ｃｍ−３
高屈折率層：２×１０１８ｃｍ−３≧不純物濃度≧５×１０１７ｃｍ−３
を満たす必要がある。なお、図１に示した構造の説明においては、前者の不純物濃度を採用した例を示している。
【００６６】
このような設計パラメータによる構造を採用することによって、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子では、閾値電流０．５ｍＡ、スロープ効率０．２５Ｗ／Ａ、１００℃以上でのＣＷ発振が得られた。なお、微分抵抗値は１２０Ω、５ｍＡでの動作電圧は１．８Ｖであり、１０Ｇｂｐｓで１５ｋｍ伝送後のアイパターンも良好な観測結果として得られた。
【００６７】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子によれば、活性層から所定ペア数範囲内に属するｐ型の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層において、その低屈折率層と高屈折率層の界面から所定の領域が高不純物濃度でドーピングされ、その低屈折率層と高屈折率層の残りの領域が、ミラー損失を低減させるように所定値以下の低不純物濃度でドーピングされているので、低発振閾値、低抵抗、低動作電圧、高スロープ効率および高周波直接変調を実現した１．３μｍ帯等の長波長帯での安定した発振が可能となる。
【００６８】
なお、以上に説明した実施の形態１の説明において、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６およびｎ型下部半導体多層膜反射鏡１３を構成する高屈折率層がＧａＡｓで形成されるとしたが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦０．２）であってもよい。また、低屈折率層がＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで形成されるとしたが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦０．９７）であってもよい。また、低屈折率層および高屈折率層について、互いの境界面付近に低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を緩和するような組成傾斜層が配置された構造を採用することもできる。
【００６９】
また、本実施の形態１の説明では、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分の低屈折率層５１と高屈折率層５２において、それら低屈折率層５１と高屈折率層５２の界面からそれぞれ１０ｎｍ厚の領域が不純物濃度１〜２×１０１９ｃｍ−８でドーピングされるとしたが、それぞれ１ｎｍ厚から４０ｎｍ厚の領域であってもよく、その不純物濃度も２×１０１９ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００７０】
また、本実施の形態１の説明では、ｐ型上部半導体多層膜反射鏡１６のＧａＡｓクラッド層３２から５ペア分の低屈折率層５１と高屈折率層５２の不純物濃度を限定したが、１ペア分から１０ペア分であってもよい。また、酸化狭窄領域を形成するｐ型ＡｌＡｓ層５０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９７≦ｘ＜１．０）であってもよい。
【００７１】
また、本実施の形態１は１３００ｎｍ帯のＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓＳｂ系量子井戸を用いた面発光レーザ素子を示したが、１３００ｎｍ帯面発光レーザ素子をＧａＡｓ基板上に作成するためには、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸、ＧａＡｓＳｂ系量子井戸、（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットなどの種々の半導体材料を用いることができる。さらに、本実施の形態１は、１３００ｎｍ帯に限らず、波長８５０ｎｍ以上の長波長帯、すなわち９８０ｎｍ帯、１２００ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯のＧａＡｓ系面発光レーザ素子に適用することができる。
【００７２】
また、本実施の形態１では、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡を用いた面発光レーザ素子を例に挙げたが、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＡｓＳｂ系半導体多層膜反射鏡を用いた長波長帯面発光レーザ素子（波長１２００ｎｍ帯〜１６５０ｎｍ帯）にも、本発明を適用することができる。この場合にも、活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＡｓＰ系、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系などの種々の半導体材料を採用することができる。また、基板についても、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＩｎＡｓ３元基板などを用いることができる。
【００７３】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる光送受信器について説明する。図７は、実施の形態２にかかる光送受信器の概略構成を示すブロック図である。図７において、実施の形態２にかかる光送受信器７０は、光信号を送受信するための光送信部７４および光受信部７５を有するトランシーバ７１と、電気信号をトランシーバ７１に入力する信号多重化回路７２と、トランシーバ７１が受信した光信号から得られる電気信号を分離する信号分離回路７３とを有する。
【００７４】
光送信部７４は、信号多重化回路７２から入力された電気信号を光信号に変換して送信するためのものである。具体的には、光送信部７４は、光信号を出射する面発光レーザ素子７６と、入力された電気信号に基づいて面発光レーザ素子７６を制御する駆動回路７７と、面発光レーザ素子７６から出射された光信号を外部に出力するための出力光学系７８とを有する。
【００７５】
光送信部７４に含まれる面発光レーザ素子７６には、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を用いる。したがって、面発光レーザ素子７６は、閾値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発振が可能である。
【００７６】
光受信部７５は、外部から受信した光信号を電気信号に変換して信号分離回路７３に出力するためのものである。具体的には、光受信部７５は、光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子７９と、光信号を光電変換素子７９に導くための入力光学系８０と、光電変換素子７９から出力される電気信号を増幅する増幅回路８１とを有する。光電変換素子７９は、受信した光信号の強度に基づいて電気信号を出力する。光電変換素子７９としては、フォトダイオードの他、光抵抗などを用いることが可能である。
【００７７】
信号多重化回路７２は、外部から入力される複数の電気信号を多重化して１本の電気信号にするためのものである。多重化されて得られた１本の電気信号は、トランシーバ７１を構成する光送信部７４に出力される。
【００７８】
信号分離回路７３は、トランシーバ７１を構成する光受信部７５から得られた電気信号について、複数の電気信号に分離するためのものである。光受信部７５で受信される光信号は元来複数の信号を含んでいるため、光信号を光電変換して得られる電気信号についても、情報を取り出すためには複数の電気信号に分離する必要があるためである。
【００７９】
本実施の形態２にかかる光送受信器の動作について説明する。実施の形態２にかかる光送受信器は、複数の電気信号について送受信をおこなうためのものである。最初に、送信動作について説明する。
【００８０】
まず、外部から入力された複数の電気信号は、信号多重化回路７２で単一の電気信号に変換される。そして、この単一の電気信号が信号多重化回路７２から駆動回路７７に入力され、駆動回路７７は、この電気信号に基づいて面発光レーザ素子７６に注入する電流を制御する。具体的には、駆動回路７７によって、電気信号波形に対応した波形を有する光信号が面発光レーザ素子７６から出射される。なお、面発光レーザ素子７６は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子からなるため、最大１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接光変調が可能である。そのため、大量の情報を光信号に付加して送信することが可能である。面発光レーザ素子７６から出力された光信号は、出力光学系７８を介して外部に出力される。以上で送信動作が終了する。
【００８１】
次に、受信動作について説明する。外部から伝送されてきた光信号は、入力光学系８０を介して入射し、光電変換素子７９によって受信される。光電変換素子７９は受信した光信号の強度変化に対応した波形を有する電気信号を出力する機能を有し、変換された電気信号は増幅回路８１に入力される。外部から入力された光信号の強度は、一般に微弱であるため、光電変換素子７９から出力される電気信号の強度も微弱となり、増幅回路８１によってその強度を増幅される。その後、増幅された電気信号は信号分離回路７３に入力され、複数の電気信号に分離される。以上で受信動作が終了する。
【００８２】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる光送受信器によれば、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を用いて光送受信器を構成しているので、面発光レーザ素子７６の低発振閾値、高スロープ効率および高周波直接変調という効果を享受することができ、大量の情報を有する光信号を信頼性高く出力することが可能である。さらに、出力する光信号を光ファイバによって伝送した場合、伝送可能な距離は１５ｋｍ以上となり、長距離伝送が可能となる。
【００８３】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３にかかる光通信システムについて説明する。図８は、実施の形態３にかかる光通信システムの概略構成を示す模式図である。実施の形態３にかかる光通信システムは、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を信号光源に使用している。具体的には、本実施の形態３にかかる光通信システムは、信号多重化回路９１と、信号多重化回路９１に接続された駆動回路９２と、駆動回路９２に接続された面発光レーザ素子９３と、伝送用光ファイバ９５と、面発光レーザ素子９３と伝送用光ファイバ９５の一端とを光結合させるための光学系９４とを有する。また、伝送用光ファイバ９５の他端と光学系９６を介して光結合した光電変換素子９７と、光電変換素子９７と接続された増幅回路９８と、増幅回路９８と接続された信号分離回路９９とを有する。
【００８４】
信号多重化回路９１で得られた単一の電気信号は駆動回路９２に入力され、この電気信号に基づいて駆動回路９２は面発光レーザ素子９３に電流を注入し、駆動させる。これにより、面発光レーザ素子９３から出力される光信号は、信号多重化回路９１で得られた電気信号に対応した波形を有する。面発光レーザ素子９３から出力された光信号は光学系９４を介して伝送用光ファイバ９５の一端に入射し、伝送用光ファイバ９５中を伝送する。
【００８５】
そして、伝送用光ファイバ９５中を伝送した光信号は、伝送用光ファイバ９５の他端から出射し、光学系９６を介して光電変換素子９７に入射する。光電変換素子９７は、受信した光信号に基づく電気信号を出力し、増幅回路９８で増幅された後に信号分離回路９９に入力される。
【００８６】
信号分離回路９９は、入力された電気信号について、信号多重化回路９１で多重化される前の個々の電気信号に分離して、情報を復元する。このようにして本実施の形態３にかかる光通信システムは情報の伝送をおこなう。
【００８７】
以上に説明したとおり、実施の形態３にかかる光通信システムによれば、送信側の信号光源として、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子を使用しているので、低発振閾値、高スロープ効率および高周波直接変調という効果を享受することができ、伝送途上で信頼製高く確実に光信号を伝送することができる。具体的には、伝送用光ファイバ９５のファイバ長を１５ｋｍ以上としても１０Ｇｂｉｔ／ｓで直接変調した光信号を伝送することが可能である。
【００８８】
また、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は出射波長を９８０ｎｍ〜１６５０ｎｍの範囲で変化させることができるため、伝送用光ファイバ９５において低損失となる波長を選択することが可能である。また、これらの波長帯において、既存の光通信システムを利用することができるという利点も有する。たとえば、出射波長を９８０ｎｍとして、伝送用光ファイバ９５の途上にＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ　Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を配置する構造としても良い。この場合、ＥＤＦＡによって光信号の強度を増幅することができるので、伝送距離をさらに延伸させることができる。同様に、ＴＤＦＡ、ラマン増幅器等を用いても良い。
【００８９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、活性層から所定ペア数範囲内に属するｐ型の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層において、その低屈折率層と高屈折率層の界面から所定の領域が高不純物濃度でドーピングされ、その低屈折率層と高屈折率層の残りの領域が、ミラー損失を低減させるように所定値以下の低不純物濃度でドーピングされているので、低発振閾値、低抵抗、低動作電圧、高スロープ効率および高周波直接変調を実現した１．３μｍ帯等の長波長帯での安定した発振が可能となるという効果を奏する。
【００９０】
また、本発明にかかるトランシーバ、光送受信器および光通信システムによれば、上記した面発光レーザ素子を搭載しているので、それによる効果を享受することができ、安定した長距離伝送が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子のｎ型下部半導体多層膜反射鏡とｐ型上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図３】垂直方向の閾値電流密度Ｊｔｈとミラー損失との関係を、半導体多層膜反射鏡中の吸収損失をパラメータとして、端面出射型レーザで抽出済みのレーザパラメータを用いて計算したグラフである。
【図４】図３のグラフを算出するのに用いたレーザパラメータを示す図表である。
【図５】１．３μｍおよび１．５５μｍの入射光に対して、ｐ型ＧａＡｓに関してドーピング濃度と吸収係数の関係をまとめた公知のグラフである。
【図６】ｐ型上部半導体多層膜反射鏡の上部のＧａＡｓクラッド層から５ペア分に関して、低屈折率層と高屈折率層の界面領域以外の領域の不純物濃度を変化させた場合の、８５０ｎｍ帯の酸化狭窄型面発光レーザ素子に対する抵抗上昇分を示す図表である。
【図７】実施の形態２にかかる光送受信器の概略構成を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３にかかる光通信システムの概略構成を示す模式図である。
【図９】従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図１０】従来の面発光レーザ素子において、下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０，７６，９３，１００　面発光レーザ素子
１１，１１１　ｎ型ＧａＡｓ基板
１２　ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３　ｎ型下部半導体多層膜反射鏡
１４，１１４　Ａｌ酸化層
１５，５０　ｐ型ＡｌＡｓ層
１６　ｐ型上部半導体多層膜反射鏡
１７　ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１８　ｐ型電極
１９　シリコン窒化膜
２０，１２０　電極パッド
２１，１２１　ｎ型電極
２２，１２２　ポリイミド
３０，１３０　多重量子井戸活性層
３１，３２　ＧａＡｓクラッド層
４１，１４１　ｎ型高屈折率層
４２，１４２　ｎ型低屈折率層
５１，５３　低屈折率層
５２，５４　高屈折率層
７０　光送受信器
７１　トランシーバ
７２，９１　信号多重化回路
７３，９９　信号分離回路
７４　光送信部
７５　光受信部
７７，９２　駆動回路
７８　出力光学系
７９，９７　光電変換素子
８０　入力光学系
８１，９８　増幅回路
９４，９６　光学系
９５　伝送用光ファイバ
９９　信号分離回路
１１２　下部半導体多層膜反射鏡
１１５　ｐ−ＡｌＡｓを含むｐ型低屈折率層
１１６　上部半導体多層膜反射鏡
１１７　コンタクト層
１１８　型電極
１１９　シリコン窒化膜
１３１　下部クラッド層
１３２　上部クラッド層
１４５　ｐ型高屈折率層
１４６　ｐ型低屈折率層
【図１】
2004055912.tif 000010
【図２】
2004055912.tif 000011
【図３】
2004055912.tif 000012
【図４】
2004055912.tif 000013
【図５】
2004055912.tif 000014
【図６】
2004055912.tif 000015
【図７】
2004055912.tif 000016
【図８】
2004055912.tif 000017
【図９】
2004055912.tif 000018
【図１０】
2004055912.tif 000019