(57)【要約】【課題】低発振しきい値、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】長波長帯発振を実現するＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系、ＧａＡｓＳｂ系または（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットの活性層を有し、その活性層を構成する障壁層を引っ張り歪で形成する。また、その場合の井戸数の最適値として４〜６を選定する。さらに、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
2004207380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の導電型の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１２００ｎｍ以上を発振波長とする活性層と、第２の導電型の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、
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸層を４〜６層含むとともに、障壁層を引っ張り歪で形成した多重量子井戸構造であることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記基板はＧａＡｓを含んで形成され、
前記第１の導電型および第２の導電型の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に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層は、前記ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸層に換えて、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１または２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
請求項１〜３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５】
請求項１〜３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６】
請求項１〜３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１２００ｎｍ帯以上の長波長帯を発振波長とした構造において、低発振しきい値、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（例えば、特許文献１参照）。
【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しきい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６は、従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図７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７において、図６と共通する部分には同一の符号を付している。図６に示すように、面発光レーザ素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１１上に順に、下部半導体多層膜反射鏡１１２（下部ＤＢＲミラー）、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、ｐ型低屈折率層１１５、上部半導体多層膜反射鏡１１６（上部ＤＢＲミラー）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１７が形成された積層構造を有している。
【０００５】
ここで、下部半導体多層膜反射鏡１１２は、図７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、ｎ型高屈折率層１４１としては、ｎ型ＧａＡｓ等が用いられ、ｎ型低屈折率層１４２としては、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ等が用いられる。
【０００６】
また、ｐ型低屈折率層１１５は、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を含んだ層である。また、上部半導体多層膜反射鏡１１６は、図７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２２ペア分積層した層である。なお、ｐ型高屈折率層１４５としては、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ等が用いられ、ｐ型低屈折率層１４６としては、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓが用いられる。
【０００７】
また、図６に示す面発光レーザ素子１００では、上記した積層構造に対し、フォトリソグラフィ処理およびエッチング処理（ドライエッチングまたはウェットエッチング）が施されることによって、上部半導体多層膜反射鏡１１６から下部クラッド層１３１の一部に至る部分の外縁部が除去されており、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ている。
【０００８】
さらに、ｐ型低屈折率層１１５については、それに含まれるｐ−ＡｌＡｓが上記メサポストの側壁から選択的に酸化されることで、Ａｌ酸化層１１４が形成されている。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。
【０００９】
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の上面には、保護層として機能するシリコン窒化膜１１９が形成されており、さらに、ポリイミド１２２によって、メサポストの周囲が埋め込まれている。ここで、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１１９は、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が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１１の裏面には、ｎ型電極１２１が形成されている。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ている。
【００１０】
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、レーザ発振しきい値などのレーザ特性を大幅に向上させている。
【００１１】
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。
【００１２】
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８００ｎｍ〜１６５０ｎｍ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１２００〜１５００ｎｍ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）。
【００１３】
【特許文献１】
特開２０００−０６８６０４号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状の１２００ｎｍ帯以上の長波長帯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、低発振しきい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、１２００〜１３００ｎｍのような８５０〜９８０ｎｍ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。
【００１５】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、１２００ｎｍ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、低発振しきい値、高スロープ効率、高温度特性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。
【００１６】
【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、第１の導電型の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１２００ｎｍ以上を発振波長とする活性層と、第２の導電型の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、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸層を４〜６層含むとともに、障壁層を引っ張り歪で形成した多重量子井戸構造であることを特徴としている。
【００１７】
この発明によれば、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系の活性層を有した面発光レーザ素子について、井戸数４〜６での低発振しきい値、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可能にした安定した長波長発振を実現する。
【００１８】
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、前記基板はＧａＡｓを含んで形成され、前記第１の導電型および第２の導電型の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。
【００１９】
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、前記活性層は、前記ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸層に換えて、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。
【００２０】
また、請求項４にかかるトランシーバは、請求項１〜３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。
【００２１】
また、請求項５にかかる光送受信器は、請求項１〜３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。
【００２２】
また、請求項６にかかる光通信システムは、請求項１〜３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。
【００２３】
【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。
【００２４】
（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、１２００ｎｍ帯以上の長波長帯で発振するとともに、活性層の井戸数を、従来の長波長帯の面発光レーザ素子では困難であった４〜６で実現したことを特徴としている。
【００２５】
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、活性層３０の多重度（井戸数）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。
【００２６】
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３５．５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。
【００２７】
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。ここで、ＧａＡｓクラッド層３１，３２は、例えば２７０ｎｍ厚であり、多重量子井戸活性層３０は、７．３ｎｍ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５重量子井戸層である。また、特に、この井戸数５による安定な発振を実現するために、多重量子井戸活性層３０は、そのＧａＮＡｓ障壁層を所定の引っ張り歪で形成しており、これにより歪補償が実現されている。
【００２８】
そして、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２２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、８０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓと３０ｎｍ厚のｐ型ＡｌＡｓ層５０によって形成される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
以下に、本発明の特徴点、すなわち活性層の井戸数を５にしたことによる効果と、その井戸数の選定について説明する。まず、発振しきい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、活性層の構造が重要である。安定した高周波での直接変調動作を実現するためには、特に、活性層の構造に基づく電流しきい値を下げるのが好適であり、それを実現するために多重量子井戸活性層３０の井戸数を大きくするのが望ましい。ところが、長波長帯発振を実現するＧａＩｎＮＡｓ系の活性層は、ＧａＡｓ基板に対して格子定数の違いから、良好な結晶を得ることが困難であり、そのため、安定な発振を実現するには、井戸数を３以下にせざるを得なかった。
【００３３】
そこで、本願発明者らは、障壁層を引っ張り歪で形成することで、井戸数を４以上で設計した場合にも安定したレーザ発振が可能であることを見出し、さらに、レーザ発振に必要なしきい値電流密度Ｊthの試算によって、その場合の最適な井戸数を見出した。ここで、その試算結果を示す。なお、試算のために試作した面発光レーザ素子は、１３００ｎｍ帯を発振波長とする図１に示した構造を有する。
【００３４】
図３は、しきい値電流密度Ｊthとスロープ効率Ｓfのそれぞれの井戸数依存性を示すグラフである。この図３に示すグラフは、以下の式（１）〜（６）と以下の表１に示すレーザパラメータを用いて得られた概算結果である。
【００３５】
【数１】
2004207380.tif 000003
ここで、αmはミラー損失、Ｎwは井戸数、ξwは一井戸あたりの光閉じ込め係数、αiは吸収損失、Ｊtrは透明化電流密度、ηはしきい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、ξwは、ピリオディックゲイン（ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｇａｉｎ）を考慮して、０．６７％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。ここでは、電流アパーチャサイズ３０μｍ2くらいのＶＣＳＥＬを仮定して、ｍ＝２で計算した。また、αiは以下の式で表わされる。
【００３６】
【数２】
2004207380.tif 000004
ここで、αaは量子井戸の吸収損失、αcはそれ以外での平均吸収損失を表わしている。なお、発明者等はαa＝１２０ｃｍ-1、αc＝２８ｃｍ-1という実験結果を得ている。
【００３７】
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。
【００３８】
【数３】
2004207380.tif 000005
【００３９】
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。
【００４０】
【数４】
2004207380.tif 000006
ここで、ηiとは内部効率を示す。
【００４１】
【数５】
2004207380.tif 000007
【００４２】
【数６】
2004207380.tif 000008
【００４３】
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）。
【００４４】
【表１】
2004207380.tif 000009
【００４５】
図３をみてわかるように、井戸数を４〜６で設計することによって、発振しきい値電流を十分に低くでき、さらには０．３Ｗ／Ａ以上のスロープ効率を有する面発光レーザ素子を得ることができる。上記レーザパラメータに従った本発明者らによる実際の試作品においても、井戸数４で、発振しきい値電流０．５ｍＡ、スロープ効率０．３Ｗ／Ａ、１００℃以上でのＣＷ発振が実現できた。
【００４６】
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、１３００ｎｍ帯等の長波長帯発振を実現する面発光レーザ素子について、活性層を構成する障壁層を引っ張り歪で形成することで、井戸数４以上であっても安定な発振を実現し、さらにその場合の井戸数の最適値として４〜６を選定することで、低発振しきい値、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することができる。
【００４７】
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。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。
【００４８】
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１２００ｎｍ以上の長波長帯のＧａＡｓ系面発光レーザ素子に適用することができる。
【００４９】
（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４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４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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、しきい値電流が低く、高い信頼性を有しかつ単一横モード発振が可能である。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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の低発振しきい値、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。
【００５９】
（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５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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、低発振しきい値、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。
【００６４】
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１２００ｎｍ以上で任意に設計す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、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。
【００６５】
【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、長波長帯発振を実現するＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系、ＧａＡｓＳｂ系または（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットの活性層を有し、その活性層を構成する障壁層を引っ張り歪で形成することで、井戸数４以上であっても安定な発振を実現し、さらにその場合の井戸数の最適値として４〜６を選定することで、低発振しきい値、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での発振を可能にするという効果を奏する。
【００６６】
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】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、しきい値電流密度Ｊthとスロープ効率Ｓfのそれぞれの井戸数依存性を示すグラフである。
【図４】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５】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６】従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図７】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
１８，１１８  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
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】
2004207380.tif 000010
【図２】
2004207380.tif 000011
【図３】
2004207380.tif 000012
【図４】
2004207380.tif 000013
【図５】
2004207380.tif 000014
【図６】
2004207380.tif 000015
【図７】
2004207380.tif 000016