(57)【要約】【課題】変調帯域幅を改善した面発光レーザを提供する。【解決手段】面発光レーザ１は、メイン共振器１０と複数の外部共振器３０を備える。メイン共振器１０は、ＶＣＳＥＬ構造１２を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有する。各外部共振器３０は、メイン共振器１０と活性層同士が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、メイン共振器１０に対して横方向に結合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有するメイン共振器と、
前記メイン共振器と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、前記メイン共振器に対して横方向に結合される複数の外部共振器と、
を備えることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記複数の外部共振器のサイズは異なることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記複数の外部共振器は、前記メイン共振器との結合係数が互いに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記メイン共振器と隣接する領域に形成される電極をさらに備え、
前記複数の外部共振器の少なくともひとつは、前記電極の境界における反射を利用して構成さ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面発光レーザ。
【請求項５】
前記複数の外部共振器と前記メイン共振器は、縦方向の共振波長が異な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面発光レーザ。
【請求項６】
前記複数の外部共振器は、横方向の共振器長が異なることを特徴とする請求項４または５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記複数の外部共振器のＶＣＳＥＬ構造は位相調整層を含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の面発光レーザ。
【請求項８】
ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有するメイン共振器と、
前記メイン共振器と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、前記メイン共振器に対して横方向に結合される少なくともひとつの外部共振器と、
を備え、
前記少なくともひとつの外部共振器と前記メイン共振器は、縦方向の共振波長が異なることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項９】
ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有するメイン共振器と、
前記メイン共振器と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、前記メイン共振器に対して横方向に結合される少なくともひとつの外部共振器と、
を備え、
前記外部共振器は、電極の境界における反射を利用して構成されることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１０】
前記少なくともひとつの外部共振器は、縦方向の共振器長が異なることを特徴とする請求項８または９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記少なくともひとつの外部共振器のＶＣＳＥＬ構造は位相調整層を含むことを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の面発光レーザ。
【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し、特にその高速化あるいは高出力化に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、面発光レーザの単一波長出力は、ｍＷレベルに制限されてきた。ワット級高出力動作が可能になれば、光断層像（OCT：Optical Coherence Tomography）用の波長掃引用光源、中長距離光通信用光源、自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダー（LIDAR）用光源、監視システム、製造現場での自動検査装置、プリンタのレーザ乾燥器など様々な応用展開が可能になる。
【０００３】
特許文献１には、横方向に結合されたメイン共振器と外部共振器を備える垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Diode）が開示される。この技術において、メイン共振器と外部共振器は、同一の断面構造を有しており、したがってそれらの共振器長、すなわち共振波長は等しい。
【０００４】
特許文献１のＶＣＳＥＬによれば、外部共振器からメイン共振器へと光をフィードバックすることにより、高速変調が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第６２４０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、特許文献１に記載のＶＣＳＥＬについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
【０００７】
特許文献１のＶＣＳＥＬは、外部共振器が無い場合に比べて帯域を広げることができ、高速変調が可能となるが、メイン共振器と外部共振器の共振波長が実質的に等しく（具体的には波長差Δλが１ｎｍ程度）であることから、単一モード発振が不安定であり、また雑音レベルに改善の余地があった。さらに、単一モード発振のためには、酸化狭窄の開口を数μｍ程度まで微小化する必要があり、電流密度が大きくなることで信頼性に大きな問題があった。
【０００８】
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、変調帯域幅を改善した面発光レーザの提供にあり、また例示的な目的の別のひとつは、比較的な大きな酸化狭窄の開口に対してもマルチモード発振を抑制して単一モードを実現し、および／または、雑音特性が改善された面発光レーザの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は面発光レーザに関する。面発光レーザは、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有するメイン共振器と、メイン共振器と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、メイン共振器と横方向に結合される複数の外部共振器と、を備える。
【００１０】
この態様によると、複数の外部共振器を設けることにより、複数の外部共振器からメイン共振器にスローライト光がフィードバックされるため、１個の外部共振器を設けた場合に比べて、変調帯域幅をさらに拡大できる。
【００１１】
複数の外部共振器のサイズは異なっていてもよい。これにより、外部共振器ごとに、フィードバックされるスローライト光の位相を、外部共振器のサイズをパラメータとして最適化できる。外部共振器が矩形の場合には、そのサイズは、スローライト光の伝搬方向の共振器長およびそれと垂直な幅として把握できる。外部共振器が円形の場合、そのサイズは、その半径として把握できる。外部共振器が、スローライト光の伝搬方向に対角線を有する四角形の場合、そのサイズは、対角線の長さとして把握できる。メイン共振器や外部共振器が酸化狭窄構造を有する場合、そのサイズは、酸化開口径にもとづいて規定される。
【００１２】
複数の外部共振器は、メイン共振器との結合係数が互いに異なっていてもよい。これにより、外部共振器ごとに、フィードバックされるスローライト光の強度（すなわち帰還率）を、結合係数をパラメータとして最適化できる。
【００１３】
複数の外部共振器とメイン共振器は、横方向の大きさが異なっていてもよい。これにより、メイン共振器の大きさが大きくても、安定な単一モード発振が実現でき、ひいては高出力動作、高信頼性、低雑音特性が実現できる。
【００１４】
複数の外部共振器は、縦方向の共振器長が異なっていてもよい。複数の外部共振器の縦方向の共振器長を個別に最適化することにより、面発光レーザ全体としての性能を改善できる。
【００１５】
複数の外部共振器のＶＣＳＥＬ構造は位相調整層を含んでもよい。これにより、外部共振器の共振波長λ２をメイン共振器の共振波長λ１よりも長くできる。位相調整層の厚みを制御することにより、外部共振器とメイン共振器の共振波長の差Δλを数ｎｍから数十ｎｍまで離すことが可能となり、安定な横方向結合が可能となる。
【００１６】
位相調整層は、半導体層であってもよい。位相調整層は、誘電体（絶縁体）層であってもよい。誘電体多層膜を利用して位相調整層を形成すると、多層膜の各層の厚みを管理する必要があるが、半導体層や誘電体層を用いることで、単層の厚みを制御すればよいため、一般的な半導体プロセスを用いて容易に形成することができる。
【００１７】
面発光レーザは、メイン共振器と隣接する領域に形成される電極をさらに備えてもよい。複数の外部共振器の少なくともひとつは、電極の境界における反射を利用して構成されてもよい。
【００１８】
外部共振器の形成に、電極の境界における反射を用いてもよい。この場合、メイン共振器と外部共振器の共振波長は同じでもよい。これによって、通常の面発光レーザの製造プロセスを適用することができる。
【００１９】
本発明の別の態様も、面発光レーザに関する。面発光レーザは、ＶＣＳＥＬ構造を有し、変調用電極およびレーザビームの出射窓を有するメイン共振器と、メイン共振器と活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造を有し、メイン共振器に対して横方向に結合される少なくともひとつの外部共振器と、を備える。少なくともひとつの外部共振器とメイン共振器は、共振波長が異なる。
【００２０】
これにより、メイン共振器と外部共振器の間の複合共振器の効果により、マルチモード発振を抑制でき、また雑音特性を改善できる。
【００２１】
なお、本明細書における上下、横方向、水平方向、垂直方向は、実動作時における方向とは無関係な便宜的なものである。
【００２２】
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】
【００２３】
本発明のある態様によれば、面発光レーザの変調帯域幅を改善できる。またある態様によれば、マルチモード発振を抑制し、および／または、雑音特性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態１に係る面発光レーザを模式的に示す図である。
【図２】面発光レーザの動作を説明する図である。
【図３】面発光レーザの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。
【図４】面発光レーザの相対強度雑音（シミュレーション結果）を示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、ＤＴＣＣの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。
【図６】ＳＴＣＣの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、ＤＴＣＣおよびＳＴＣＣのサンプルの変調帯域幅の測定結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、一実施例に係る面発光レーザの斜視図および平面図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る面発光レーザの平面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る面発光レーザ１Ａの平面図である。
【図１１】実施形態２に係る面発光レーザの断面図である。
【図１２】図１１の面発光レーザの、メイン共振器および外部共振器それぞれの発振スペクトル（測定結果）を示す図である。
【図１３】面発光レーザの出力ビームのスペクトルを示す図である。
【図１４】面発光レーザの出力の遠視野像と近視野像を示す図である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）は、実施形態３に係る面発光レーザを断面図と平面図を模式的に示す図である。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る面発光レーザの平面図である。
【図１７】図１７（ａ）は、実施例３の変調帯域幅の測定結果を示す図であり、図１７（ｂ）は、実施例３の発振スペクトルの測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を好適な実施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、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施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。
【００２６】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る面発光レーザ１Ａを模式的に示す図である。面発光レーザ１Ａは、メイン共振器１０と、複数の外部共振器３０と、を備える。図１には、外部共振器３０が２個の場合が例示的に示されており、それぞれを３０＿１，３０＿２と表記する。
【００２７】
メイン共振器１０は、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造１２を有し、また変調用電極（不図示）およびレーザビームＬＢを外部に取り出すための出射窓２０を有する。ＶＣＳＥＬ構造１２は、活性層１４、下部ＤＢＲ層１６、上部ＤＢＲ層１８を備える。
【００２８】
外部共振器３０＿１，３０＿２はそれぞれ、ＶＣＳＥＬ構造３２を有する。ＶＣＳＥＬ構造３２は、活性層３４、下部ＤＢＲ層３６、上部ＤＢＲ層３８を含む。ＶＣＳＥＬ構造３２の活性層３４は、ＶＣＳＥＬ構造１２の活性層１４と連続して形成されており、外部共振器３０＿１，３０＿２はそれぞれ、メイン共振器１０に対して横方向に結合されている。
【００２９】
メイン共振器１０と外部共振器３０＿１の結合係数をη１、メイン共振器１０と外部共振器３０＿２の結合係数をη２と表記する。またメイン共振器１０の共振波長をλ１、外部共振器３０＿１，３０＿２それぞれの共振波長をλ２＿１、λ２＿２と表記する。またメイン共振器１０のサイズをＷ、外部共振器３０＿１，３０＿２それぞれのサイズをＬｃ１，Ｌｃ２と表記する。
【００３０】
一実施例において、少なくともひとつの外部共振器３０＿１，３０＿２の共振波長λ２＿１、λ２＿２は、メイン共振器１０の共振波長λ１と異なっており、好ましくはλ２＿１、λ２＿２＞λ１の関係が成り立つ。より好ましくは、λ２＿１とλ１の差分Δλ１およびλ２＿２とλ１の差分Δλ２は、３ｎｍより大きく、５ｎｍ程度、もしくはそれより大きくてもよい。図１に示すように、２個、あるいはそれより多い外部共振器３０を設ける場合、λ２＿１≠λ２＿１≠λ１としてもよい。
【００３１】
一実施例において、少なくともひとつの外部共振器３０＿１，３０＿２のサイズＬｃ１，Ｌｃ２は、メイン共振器１０のサイズＷと異なっている（Ｌｃ１≠Ｗ，Ｌｃ２≠Ｗ）。また２個の（あるいはそれより多い）外部共振器３０＿１，３０＿２を設ける場合、Ｌｃ１≠Ｌｃ２としてもよい。
【００３２】
また２個、あるいはそれより多い外部共振器３０を設ける場合、外部共振器３０ごとに、メイン共振器１０との結合係数を個別に最適化するとよく、η１≠η２としてもよい。
【００３３】
以上が面発光レーザ１Ａの基本構成である。続いてその動作を説明する。はじめに、外部共振器による変調帯域の拡張の原理を説明する。
【００３４】
図２は、面発光レーザ１Ａの動作を説明する図である。ここでは説明の簡潔化のために、１個の外部共振器３０のみに着目する。
【００３５】
メイン共振器１０の変調用電極には、変調信号が印加される。また外部共振器３０の制御電極には、駆動信号を印加してもよい。
【００３６】
メイン共振器１０は、通常のＶＣＳＥＬとして動作し、レーザ光は、下部ＤＢＲ層１６と上部ＤＢＲ層１８の間を往復する間に、活性層３４において増幅され、出射窓２０から外部に取り出される。
【００３７】
メイン共振器１０と外部共振器３０は結合しているため、メイン共振器１０において生成されるレーザ光の一部は、外部共振器３０に染み出す。外部共振器３０の内部では、メイン共振器１０から注入された光が、下部ＤＢＲ層３６と上部ＤＢＲ層３８の間を一点鎖線（i）で示すように多重反射しながら、実線（ii）で示す方向にゆっくりと伝搬し（スローライト伝搬という）、外部共振器３０の端部において反射し（iii）、メイン共振器１０に戻ってくる（iv）。そして戻ってきたスローライト光の一部は、メイン共振器１０にフィードバックされる。
【００３８】
メイン共振器１０から外部共振器３０に注入される電界をＥ（ｔ）とするとき、外部共振器３０からメイン共振器１０に再注入される電界は、Ｅ（ｔ−τ）と表記できる。τは、外部共振器３０に注入された光が、スローライト伝搬して戻ってくる遅延時間であり、
τ＝２・Ｌｃ（ｎｇ／ｃ）
で表される。ｎｇは、真空中の光速ｃに対する、媒体中のスローライト光の群屈折率であり、典型的にはｎｇ＞３０である。
【００３９】
スローライトのフィードバック光Ｅ（ｔ−τ）を、メイン共振器１０の内部の電界Ｅ（ｔ）と逆相としてメイン共振器１０にフィードバックすることにより、面発光レーザ１Ａ全体の実効的な微分利得が増大するため、その緩和振動周波数が増大し、帯域を広げることが可能となる。ここで、上述の結合係数ηおよび共振器のサイズＬｃは、フィードバック量およびフィードバックの位相の設計パラメータとなる。したがって、複数の外部共振器３０について、結合係数ηおよび／またはサイズＬｃを個別に最適化することにより、面発光レーザ１Ａ全体としての変調帯域幅を拡大することができる。また、外部共振器３０での横方向の共振にともなう光子共鳴（Photon-Photon resonance）効果に起因するピークが発生するため、高周波数領域の変調感度が増大し、緩和振動周波数の増大とともに、変調帯域を拡大できる。
【００４０】
図３は、面発光レーザ１Ａの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。横軸は変調用電極に与える変調信号の周波数（変調周波数）であり、縦軸は応答ゲインを示し、外部共振器３０の個数Ｎを、０個、１個、２個と変化させたときの変調帯域が示される。Ｎ＝１の面発光レーザをＳＴＣＣ（Single Transverse Coupled Cavity）、Ｎ＝２の面発光レーザをＤＴＣＣ（Double Transverse Coupled Cavity）とも称する。
【００４１】
Ｎ＝１のＳＴＣＣのパラメータは、λ１＝〜８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝１０μｍ、η１＝０．９６である。Ｎ＝２のＤＴＣＣのパラメータは、λ１＝〜８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝７μｍ、η１＝０．９、Ｌｃ２＝８μｍ、η２＝０．７である。
【００４２】
Ｎ＝１の場合、３ｄＢ帯域は４０ＧＨｚ程度であるのに対して、Ｎ＝２とすることで、３ｄＢ帯域をさらに９０ＧＨｚまで拡張することができる。なお外部共振器３０の数を増やすことで、周波数帯域が改善されることは、当業者にとって自明ではなく、本発明者が独自に見いだしたものであることに留意されたい。
【００４３】
図４は、面発光レーザ１Ａの相対強度雑音（シミュレーション結果）を示す図である。横軸はバイアス電流Ｉｂを示す。Ｎ＝１のＳＴＣＣのパラメータは、λ１＝８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝１５μｍ、η１＝０．６である。Ｎ＝２のＤＴＣＣのパラメータは、λ１＝８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝１５μｍ、η１＝０．６、Ｌｃ２＝２５μｍ、η２＝０．９である。Ｎ＝０の従来の面発光レーザの雑音特性が最も優れており、Ｎ＝１のＳＴＣＣでは、それに比べて雑音特性が大きく劣化する。Ｎ＝２のＤＴＣＣでは、従来の面発光レーザと遜色がない雑音特性を実現できる。
【００４４】
図５（ａ）、（ｂ）は、ＤＴＣＣの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。図５（ａ）は、外部共振器３０＿１とメイン共振器１０との結合係数η１の依存性を、図５（ｂ）は、外部共振器３０＿２とメイン共振器１０との結合係数η２の依存性を示す。パラメータは、λ１＝８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝７μｍ、Ｌｃ２＝８μｍである。
【００４５】
図５（ａ）、（ｂ）から分かるように、複数の外部共振器３０の結合係数η１、η２を個別に最適化することにより、変調帯域幅を拡張することができる。
【００４６】
図６は、ＳＴＣＣの変調帯域幅（シミュレーション結果）を示す図である。図６には、外部共振器３０とメイン共振器１０の結合係数ηの依存性が示される。パラメータは、λ１＝８５０ｎｍ、Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ＝１０μｍとしている。ＳＴＣＣでは、結合係数ηを変化させると、ある特定の周波数に、光子共鳴（Photon-Photon resonance）効果に起因するピークが発生するが、このピークは３ｄＢ帯域の改善にはそれほど寄与していない。このシミュレーション結果は、変調帯域幅の改善に関して、ＳＴＣＣには限界があり、ＤＴＣＣが有利であることを裏付ける。
【００４７】
図７（ａ）、（ｂ）は、ＤＴＣＣおよびＳＴＣＣのサンプルの変調帯域幅の測定結果を示す図である。ＤＴＣＣおよびＳＴＣＣの設計パラメータは以下の通りである。
・ＤＴＣＣ
λ１＝８５０ｎｍ
Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝１０μｍ、Ｌｃ２＝９μｍ、
η１＝０．２５、η２＝０．２５
【００４８】
・ＳＴＣＣ
λ１＝８５０ｎｍ
Ｗ＝４μｍ、Ｌｃ１＝４μｍ、
η１＝０．２５
【００４９】
この測定結果は、シミュレーション結果と同様の傾向を示しており、複数の外部共振器３０を接続することで、変調帯域幅を拡大できることが確認できる。
【００５０】
続いて面発光レーザ１Ａの断面形状について説明する。図８（ａ）、（ｂ）は、一実施例に係る面発光レーザ１Ａの斜視図および平面図である。
【００５１】
この実施例において、メイン共振器１０および外部共振器３０＿１，３０＿２は、矩形であり、それらは一辺において結合されている。上述の結合係数η１，η２は、結合部分４０における活性層の形状、幅、長さ、等価屈折率などをパラメータとして調整することができる。等価屈折率は、不純物のドープ量や材料によって制御してもよい。またフィードバック光の位相τは、外部共振器３０＿１，３０＿２それぞれの長さＬｃ１，Ｌｃ２にもとづいて設計することができる。
【００５２】
図８（ａ）に示すように、メイン共振器１０、外部共振器３０＿１，３０＿２はそれぞれ、活性層が連続するＶＣＳＥＬ構造１２，３２＿１，３２＿２を備える。ＶＣＳＥＬ構造および材料は公知技術を用いればよく、特に限定されないが、一例を説明する。たとえば半導体基板５０は、III-V族半導体でありＧａＡｓ基板であってもよい。半導体基板５０の裏面には電極（不図示）が形成されてもよい。下部ＤＢＲ層１６（３６）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おり、１００％近い反射率を有する。
【００５３】
活性層１４（３４）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を有する。たとえば活性層１４（３４）は、３層量子井戸構造を有してもよい。多重量子井戸構造の両側には、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および上部スペーサ層が形成される。
【００５４】
上部ＤＢＲ層１８（３８）は、半導体層、誘電体多層膜あるいはそれらの組み合わせで形成することができる。たとえば上部ＤＢＲ層１８（３８）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）の積層構造であってもよい。メイン共振器１０の上部ＤＢＲ層１８は、外部にレーザビームを取り出す必要があることから、反射率が１００％未満となるように層数が定められる。一方、外部共振器３０＿１，３０＿２においては、外部にレーザビームが漏れないように、上部ＤＢＲ層３８の反射率は実質的に１００％となるように設計される。なお、外部共振器３０＿１，３０＿２の上面を、金属の配線層で覆ってもよい。
【００５５】
メイン共振器１０の上面には変調用電極４２が形成され、外部共振器３０＿１，３０＿２の上面には制御電極４４，４６が形成される。メイン共振器１０、外部共振器３０＿１，３０＿２には、電流狭窄層（酸化層）４８が設けられる。電流狭窄層４８は、選択的な酸化によって形成することができ、外周に沿った酸化領域４８ｂと、酸化領域４８ｂに囲まれる非酸化領域４８ａを含む。電流狭窄層４８の形状によっても、メイン共振器１０および外部共振器３０＿１，３０＿２の実効的なサイズを制御することができ、また結合効率η１，η２を制御できる。
【００５６】
図９（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る面発光レーザ１Ａの平面図である。図９（ａ）に示すように、メイン共振器１０および外部共振器３０は矩形（四角形）であり、それらは、対角線がスローライト光の伝搬方向となるように配置され、頂点において結合されている。図９（ｂ）では、図９（ａ）と同様に、矩形あるいは菱形のメイン共振器１０および外部共振器３０を、頂点で結合したものであるが、メイン共振器１０と外部共振器３０の間には、接続部５２が設けられている。接続部５２も、メイン共振器１０や外部共振器３０と同様にＶＣＳＥＬ構造を有する。
【００５７】
図９（ｃ）では、メイン共振器１０および外部共振器３０は円形あるいは楕円形であり、一部において結合される。
【００５８】
外部共振器３０の個数Ｎは２に限定されず、３あるいは４、あるいはそれ以上とすることができる。図１０（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る面発光レーザ１Ａの平面図である。図１０（ａ）では、メイン共振器１０の３辺に、３個の外部共振器３０＿１，３０＿２，３０＿３が接続される。図１０（ｂ）では、メイン共振器１０の４辺に、４個の外部共振器３０＿１〜３０＿４が接続される。図１０（ａ）、（ｂ）の外部共振器３０は矩形であり、スローライト光の伝搬方向およびそれと垂直方向に辺を有する。図１０（ｃ）では、メイン共振器１０の４つの頂点に、４個の外部共振器３０＿１〜３０＿４が接続される。外部共振器３０は、スローライト光の伝搬方向が対角線となる四角形である。図１０（ｄ）では、円形のメイン共振器１０に、３個の円形の外部共振器３０＿１〜３０＿３が接続される。
【００５９】
（実施形態２）
図１１は、実施形態２に係る面発光レーザ１Ｂの断面図である。面発光レーザ１Ｂは、メイン共振器１０と、ひとつ、または複数の外部共振器３０を備える。図１１では、Ｎ＝１の場合が示される。
【００６０】
メイン共振器１０は、活性層１４、下部ＤＢＲ層１６、上部ＤＢＲ層１８を含むＶＣＳＥＬ構造１２を有する。メイン共振器１０の上部には、上部ＤＢＲ層１８の反射率を１００％未満とすることにより、レーザビームを取り出すための出射窓２０が設けられる。また出射窓２０の周囲には、変調用電極２２が形成される。
【００６１】
外部共振器３０は、メイン共振器１０と同様にＶＣＳＥＬ構造３２を有しており、ＶＣＳＥＬ構造３２は、活性層３４、下部ＤＢＲ層３６、上部ＤＢＲ層３８を含む。ＶＣＳＥＬ構造３２の活性層３４は、メイン共振器１０のＶＣＳＥＬ構造１２の活性層１４と連続である。
【００６２】
外部共振器３０からはレーザビームを取り出す必要がないため、出射窓は設けられず、上部ＤＢＲ層３８の反射率は１００％としてもよい。上部ＤＢＲ層３８の上面には金属膜などの遮蔽部を形成してもよい。
【００６３】
メイン共振器１０と外部共振器３０は、共通の活性層を介して横方向に光学的に結合されている。
【００６４】
実施形態２においては、メイン共振器１０と外部共振器３０は、共振波長が異なるように構成される。具体的には、メイン共振器１０と外部共振器３０は、縦方向（深さ方向）の実効的な光路長（共振器長）が異なっている。実効的な光路長は、物理的な深さ（長さ）と、屈折率によって制御することができる。
【００６５】
図１１においてはλ１＜λ２であり、外部共振器３０の共振器長は、メイン共振器１０の共振器長よりも長く設計される。そのために外部共振器３０には、位相調整層３９が設けられる。位相調整層３９は、半導体層であってもよいし、誘電体層であってもよい。
【００６６】
位相調整層３９の形成方法の一例を説明する。ＶＣＳＥＬ構造１２（３２）は、half-VCSEL構造であり、の上部ＤＢＲ層１８（３８）は、半導体層１８ａ（３８ａ）と、誘電体多層膜層１８ｂ（３８ｂ）を含む。一実施例において、半導体層１８ａ（３８ａ）の上面全体に、位相調整層３９を形成する。続くウェットエッチ工程において、位相調整層３９の半導体層１８ａとオーバーラップする部分が除去される。続いて、誘電体多層膜層１８ｂおよび３８ｂが形成される。
【００６７】
位相調整層３９を半導体材料で形成する場合、ＧａＡｓ、ＳｉやＧａＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｌＩｎＰ，ＧａＮ，ＧａＡｌＮなどを用いることができる。
【００６８】
位相調整層３９を誘電体材料で形成する場合、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５などを用いることができる。
【００６９】
また、位相調整層３９を、異なる半導体材料の積層構造としてもよいし、異なる誘電体材料の積層構造としてもよい。あるいは半導体と誘電体の積層構造としてもよい。
【００７０】
続いて面発光レーザ１Ｂの利点を説明する。図１２は、図１１の面発光レーザ１Ｂの、メイン共振器１０および外部共振器３０それぞれの発振スペクトル（測定結果）を示す図である。位相調整層３９を追加したことにより、λ１とλ２を大きく分離することができ、この例ではΔλ＝λ２−λ１＝５ｎｍもの波長差が得られている。
【００７１】
図１３は、面発光レーザ１Ｂの出力ビームのスペクトルを示す図である。特許文献１に開示されるような、共振波長が近接したメイン共振器と単一の外部共振器の結合では、バイアス電流を増加させると、単一モード発振が不安定となり、複数の波長で発振する。これに対して、図１１の面発光レーザ１Ｂでは、バイアス電流Ｉｂを増やしてもマルチモード発振を抑制でき、単一モード発振を維持できる。
【００７２】
図１４は、メイン共振器と２つの外部共振器を備える面発光レーザ１Ｂの出力の遠視野像と近視野像の測定結果を示す図である。ビームプロファイルは、バイアス電流Ｉｂ＝６．５ｍＡ，１０ｍＡ，１２．５ｍＡについて測定したものである。酸化開口径は７μｍ×８μｍである。通常の酸化狭窄構造では、酸化開口径３μｍ以下でないと、単峰性の近視野像を得ることは難しいが、実施形態２に係る面発光レーザ１Ｂによれば、７μｍ×８μｍの大きな酸化開口径でも、単一モード動作を実現できる。
【００７３】
実施形態２の技術は、実施形態１の技術と組み合わせてもよい。たとえば図８の面発光レーザ１Ａにおいて、外部共振器３０＿１，３０＿２の少なくとも一方の共振波長を、メイン共振器１０の共振波長より長く、あるいは短くしてもよい。具体的には、外部共振器３０＿１，３０＿２のＶＣＳＥＬ構造３２＿１，３２＿２の少なくとも一方に、位相調整層３９を挿入してもよい。
【００７４】
（実施形態３）
図１５（ａ）、（ｂ）は、実施形態３に係る面発光レーザ１Ｃの断面図および平面図である。面発光レーザ１Ｃは、メイン共振器１０と、ひとつ、または複数の外部共振器３０を備える。図１５（ａ）、（ｂ）には、Ｎ＝２の場合が示される。
【００７５】
メイン共振器１０および外部共振器３０は、ＶＣＳＥＬ構造６０を有し、対応する層同士が連続して形成される。ＶＣＳＥＬ構造６０は、下部ＤＢＲ層６６、活性層６４、酸化層（電流狭窄層）６５、上部ＤＢＲ層６８を備える。上部ＤＢＲ層６８は、半導体ＤＢＲ層６８ａと、誘電体ＤＢＲ層６８ｂを含む。
【００７６】
図１５（ｂ）に示すように、酸化層６５は、外側の酸化領域６５ｂと、酸化領域６５ｂに囲まれる非酸化領域６５ａを含む。非酸化領域６５ａが、メイン共振器１０に対応する。
【００７７】
また、面発光レーザ１Ｃのメイン共振器１０と紙面横方向に隣接する領域において、半導体ＤＢＲ層６８ａと誘電体ＤＢＲ層６８ｂの間には、電極７０＿１，７０＿２が形成されている。紙面横方向に伝播するスローライト光は、２つの電極７０＿１，７０＿２の辺（電極境界）Ｅ１，Ｅ２において反射される。この電極境界における反射を利用して、外部共振器３０は構成されている。
【００７８】
この構成では、非酸化領域６５ａの酸化境界Ｆ１，Ｆ２に挟まれる領域がメイン共振器１０であり、非酸化領域６５ａの酸化境界Ｆ１と電極７０＿１の辺Ｅ１に挟まれる領域が外部共振器３０＿１であり、非酸化領域６５ａの酸化境界Ｆ２と電極７０＿２の辺Ｅ２に挟まれる領域が外部共振器３０＿２となる。
【００７９】
実施形態３においては、メイン共振器１０と外部共振器３０は、共振波長が同一になるように構成してもよい。具体的には、メイン共振器１０と外部共振器３０は、縦方向（深さ方向）の層構造は、電極、酸化層を除いて同じでもよい。
【００８０】
なお、メイン共振器１０から横方向に伝搬する光が反射するように、電極７０＿１（７０＿２）の境界Ｅ１（Ｅ２）とメイン共振器１０の酸化境界Ｆ１（Ｆ２）の距離Ｌｃ１（Ｌｃ２）は、３μｍ程度、またはそれより小さく設計するとよい。
【００８１】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、変形例に係る面発光レーザ１Ｃの平面図である。図１６（ａ）では、非酸化領域６５ａを取り囲むように、電極７０が形成される。酸化境界Ｆ１〜Ｆ４に囲まれる領域が、メイン共振器１０として機能する。また、酸化境界Ｆ１と電極境界Ｅ１の間の領域、酸化境界Ｆ２と電極境界Ｅ２の間の領域、酸化境界Ｆ３と電極境界Ｅ３の間の領域、酸化境界Ｆ４と電極境界Ｅ４の間の領域が、４個の外部共振器３０として機能する。
【００８２】
図１６（ｂ）の面発光レーザ１Ｃは、実施形態３と実施形態２との組み合わせである。上下方向に関しては、実施形態３で説明したように、メイン共振器１０の上下に隣接する箇所に電極７０＿１，７０＿２が形成され、電極７０＿１，７０＿２の境界からの反射を利用した２個の外部共振器３０＿１〜３０＿２が設けられる。また横方向に関して、実施形態２の様態を用いて、縦方向の共振波長の異なる外部共振器３０＿３が接続される（λ１≠λ２）。
【００８３】
図１６（ｃ）の面発光レーザ１Ｃも、実施形態３と実施形態２の組み合わせであり、メイン共振器１０の上下に隣接する箇所に電極７０＿１，７０＿２が形成され、電極７０＿１，７０＿２の境界からの反射を利用した２個の外部共振器３０＿１〜３０＿２が設けられる。また横方向に関して、実施形態２の様態を用いて、メイン共振器１０の右側に隣接する領域に、縦方向の共振波長の異なる外部共振器３０＿３が接続される（λ１≠λ２）。またメイン共振器１０の左側に隣接する領域に、縦方向の共振波長の異なる外部共振器３０＿４が接続される（λ１≠λ３）。
【００８４】
図１７（ａ）は、図１６（ａ）の構造を有するデバイスの変調帯域幅の測定結果を示す図である。作製したデバイスの酸化開口（非酸化領域）の大きさは、８μｍ×８μｍであり、その外周に開口１２μｍ×１２μｍの電極が形成されている。電極開口が大きい通常の面発光レーザと比べて、変調帯域幅が約2倍の２０ＧＨｚが得られている。
【００８５】
図１７（ｂ）は、図１６（ａ）の構造を有するデバイスの発振スペクトルの測定結果を示す図である。電極開口が大きい通常の面発光レーザでは多モード発振が観測されるのに対して、全電流範囲で単一モード動作が得られている。
【００８６】
実施形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施形態には、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。
【符号の説明】
【００８７】
１  面発光レーザ
１０  メイン共振器
１２  ＶＣＳＥＬ構造
１４  活性層
１６  下部ＤＢＲ層
１８  上部ＤＢＲ層
２０  出射窓
２２  変調用電極
３０  外部共振器
３２  ＶＣＳＥＬ構造
３４  活性層
３６  下部ＤＢＲ層
３８  上部ＤＢＲ層
３９  位相調整層
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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