(57)【要約】      （修正有）【課題】容量を低減しつつ熱衝撃に強い半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】レーザ光を出力するレーザ素子であって、基板２０と、基板２０の表面と垂直な方向に順次形成された下部反射層３０及び上部反射層９０と、下部反射層３０及び上部反射層９０の間に形成された活性層５０と、活性層５０に流れる電流を狭窄する電流狭窄層７０とを備え、電流狭窄層７０は、基板２０の表面と平行な平行面における電流狭窄層７０の端部から、平行面に沿って電流狭窄層の中心に向かう方向に延伸して形成され、中心側に設けられた先端部と端部との間に屈曲点が無いか、または、複数の屈曲点が形成された酸化層を有するレーザ素子が提供される。【選択図】図１
2012216664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ素子であって、
基板と、
前記基板の表面と垂直な方向に順次形成された下部反射層及び上部反射層と、
前記下部反射層及び前記上部反射層の間に形成された活性層と、
前記活性層に流れる電流を狭窄する電流狭窄層と
を備え、
前記電流狭窄層は、前記基板の表面と平行な平行面における前記電流狭窄層の端部から、前記平行面に沿って前記電流狭窄層の中心に向かう方向に延伸して形成され、前記中心側に設けられた先端部と前記端部との間に屈曲点が無いか、または、複数の前記屈曲点が形成された酸化層を有するレーザ素子。
【請求項２】
前記酸化層は、前記先端部から前記端部に向かって厚さが一定の割合で増加する請求項１に記載のレーザ素子。
【請求項３】
前記酸化層は、前記平行面に関して上下対称である請求項１または２に記載のレーザ素子。
【請求項４】
前記酸化層は、前記平行面に関して上下非対称である請求項１または２に記載のレーザ素子。
【請求項５】
前記酸化層は、前記平行面の上側が下側に比べて層の厚さが厚い請求項４に記載のレーザ素子。
【請求項６】
前記酸化層は、下面が前記平行面を含む請求項５に記載のレーザ素子。
【請求項７】
前記電流狭窄層は、
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含む第１の層と、
前記第１の層の上方に形成されたＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）を含む第２の層と
を有する請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ素子。
【請求項８】
前記第２の層の厚さは前記第１の層の厚さより厚い請求項７に記載のレーザ素子。
【請求項９】
前記第２の層は、デジタルアロイを含む請求項７または８に記載のレーザ素子。
【請求項１０】
基材と、
請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ素子が、前記基材に一次元または二次元のアレイ状に設けられたレーザ素子アレイ。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ素子と、
前記レーザ素子に印加する電圧を制御する制御回路と、
を備える光源。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ素子と、
前記レーザ光を伝搬する光導波路と、
前記レーザ素子及び前記光導波路を光学的に結合する光結合部と、
を備える光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ素子、レーザ素子アレイ、光源及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、面発光レーザ素子の活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄層として、Ａｌを含む半導体層を選択酸化した酸化層が用いられていた。面発光レーザ素子を高速動作させるためには、酸化層の容量値を低減する必要がある。酸化層の容量値は、酸化層の膜厚に反比例する。そこで、酸化層の外周部にイオン注入することにより絶縁層を厚膜化する方法や酸化層をテーパー形状にすることにより厚膜化する方法が提案された（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
特許文献１  米国特許公開ＵＳ２００９／０２６２７６５公報
非特許文献１  Journal of Selected Topics in Quantum Electronics vol.5, p553, 1993
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、イオン注入する方法は工程が複雑で製造歩留まりが悪い。また、テーパー形状の酸化層は、テーパー部と平坦部との境界に傾きが不連続的に変化する屈曲点が存在するため、熱応力が当該屈曲点に集中し酸化層が破壊されやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、レーザ光を出力するレーザ素子であって、基板と、基板の表面と垂直な方向に順次形成された下部反射層及び上部反射層と、下部反射層及び上部反射層の間に形成された活性層と、活性層に流れる電流を狭窄する電流狭窄層とを備え、電流狭窄層は、基板の表面と平行な平行面における電流狭窄層の端部から、平行面に沿って電流狭窄層の中心に向かう方向に延伸して形成され、中心側に設けられた先端部と端部との間に屈曲点が無いか、または、複数の屈曲点が形成された酸化層を有するレーザ素子が提供される。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の断面斜視図である。
【図２】図１に示す面発光レーザ素子の断面の詳細図である。
【図３】従来の酸化層の断面図である。
【図４】図１に示す面発光レーザ素子の酸化層のひとつの例の断面図である。
【図５】図１に示す面発光レーザ素子の酸化層の他の例の断面図である。
【図６】図１に示す面発光レーザ素子の酸化層の他の例の断面図である。
【図７】図１に示す面発光レーザ素子の酸化層の他の例の断面図である。
【図８】図４に示す酸化層を形成する工程を説明する断面図である。
【図９】図７に示す酸化層を形成する工程を説明する断面図である。
【図１０】図３に示す従来の酸化層と、図４に示す本願発明の酸化層について、複数のサンプルにおいて熱衝撃試験を行った結果を示す。
【図１１】第２の実施形態に係る面発光レーザアレイ装置を示す。
【図１２】第３実施形態に係る光モジュールを示す。
【図１３】光モジュールの他の例を示す。
【図１４】第４の実施形態に係る光通信システムを示す。
【図１５】第５の実施形態に係る光源を示す。
【図１６】第６の実施形態に係る波長多重伝送システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る面発光レーザ素子１００の断面斜視図である。面発光レーザ素子１００は、基板２０と、下部反射層３０と、ｎ型クラッド層４０と、活性層５０と、ｐ型クラッド層６０と、電流狭窄層７０と、ｐ型クラッド層８０と、上部反射層９０とを備える。基板２０は、その表面に順次積層されるエピタキシャル層を支持する。基板２０は、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板であってよい。
【０００９】
下部反射層３０は、上部反射層９０との間でレーザ光を共振させる。下部反射層３０は、ｎ型ＤＢＲミラーであってよい。ｎ型ＤＢＲミラーは、面発光レーザの発振波長をλ、材料の屈折率をｎとすると、層厚がそれぞれλ／４ｎのｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とのペアを３５．５ペア積層して形成された多層膜であってよい。ここでｎは、それぞれの層の屈折率である。上部反射層９０は、ｐ型ＤＢＲミラーであってよい。ｐ型ＤＢＲミラーは、層厚がそれぞれλ／４ｎのｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とのペアを２３ペア積層して形成された多層膜であってよい。
【００１０】
活性層５０は、下部反射層３０及び上部反射層９０の間に形成される。活性層５０は、ひとつまたは複数の量子井戸層を有してよい。量子井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓのいずれかであってよい。例えば、活性層５０は、ＧａＩｎ０．３７Ｎ０．０１Ａｓを含む３つの量子井戸層を有してよい。各量子井戸層の厚さは約７．３ｎｍであってよい。活性層５０は、光定在波の腹の位置に形成されるように、中央の量子井戸層が下部反射層３０の上面からλ／２Ｎだけ離れた位置に配置されてよい。ここで、Ｎは共振器の平均屈折率である。
【００１１】
ｎ型クラッド層４０は、活性層５０の下に形成される。ｐ型クラッド層６０は、活性層５０の上に形成される。ｎ型クラッド層４０およびｐ型クラッド層６０は、活性層５０よりバンドギャップが大きい。
【００１２】
ｐ型クラッド層８０は、電流狭窄層７０を介して、ｐ型クラッド層６０の上に形成される。ｐ型クラッド層８０は、電流狭窄層７０における電流狭窄部７４を介してｐ型クラッド層６０と連結される。ｐ型クラッド層８０は、ｐ型クラッド層６０と同一の材料で形成されてよい。
【００１３】
ｎ型クラッド層４０は、ｎ型ＧａＡｓクラッド層であってよい。ｐ型クラッド層６０及びｐ型クラッド層８０はｐ型ＧａＡｓクラッド層であってよい。ｎ型クラッド層４０からｐ型クラッド層８０は、平均の屈折率をＮとすると、トータルの厚さがλ／Ｎになるように積層される。この場合、ｎ型クラッド層４０、ｐ型クラッド層６０及びｐ型クラッド層８０が、下部反射層３０と上部反射層９０とに挟まれて共振器長がλ／Ｎの光共振器が形成される。
【００１４】
電流狭窄層７０は、活性層５０に流れる電流を狭窄する。電流狭窄層７０は、基板２０の表面と平行な面における略中央に位置する円板状の電流狭窄部７４と、電流狭窄部７４の外周側において選択酸化によって形成された円環形状の酸化層７２とを有する。電流狭窄部７４は、酸化層７２に形成された開口部分を指す。つまり、電流狭窄部７４は、ｐ型クラッド層６０およびｐ型クラッド層８０を連結する。電流狭窄部７４は、ｐ型のＡｌＧａＡｓであってよい。
【００１５】
ｎ型クラッド層４０から上部反射層９０まではメサポスト構造を有してよい。このメサポストは例えばポリイミド層３２に埋め込んで固定されてよい。上部反射層９０及びポリイミド層３２の上面にはｐ型電極３４が形成されている。ｐ型電極３４は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を有してよい。ｐ型電極３４はレーザ光が出射するアパーチャ９２を有する。基板２０の裏面にはｎ型電極１０が形成される。ｎ型電極１０は、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの積層構造を有してよい。
【００１６】
図２は、面発光レーザ素子１００の積層構造を詳細に示す断面図である。電流狭窄層７０は、基板２０の表面と平行な平行面８５における電流狭窄層７０の端部７３から、平行面８５に沿って電流狭窄層７０の中心に向かう方向に延伸して形成された酸化層７２を有する。ここで、平行面８５とは、基板２０の表面と平行でかつ電流狭窄層７０の中心を通る面を指す。また、電流狭窄層７０の端部７３とは、メサポストの側面と酸化層７２が接する部分を指す。
【００１７】
酸化層７２は、端部７３から先端部７１まで、ほぼ屈曲点が無い。ここで、屈曲点とは、先端部７１を除く酸化層７２の上面または下面において、面の傾斜が不連続に変化する点を指す。なお、当該屈曲点には、酸化層７２の上側の稜線と、下側の稜線とが交わる点を含めない。つまり、酸化層７２は、先端部分以外に屈曲点を有さない。酸化層７２をこのように構成することにより、酸化層７２を厚くしつつ、熱応力が特定の箇所に集中することを防ぐことができる。
【００１８】
図３は、従来のテーパー形状を有する酸化層１２の断面図を示す。酸化層１２は上面側にテーパー部１４と平坦部１６を有する。テーパー部１４および平坦部１６は、それぞれ異なる傾きを有するので、酸化層１２は、テーパー部１４と平坦部１６との境界に屈曲点１３を有する。
【００１９】
図３に示す酸化層１２は、厚さ１０ｎｍのＡｌＡｓ層及び厚さ１４０ｎｍのＡｌ０．８２ＧａＡｓ層を順に積層した積層体を酸化して形成されている。なお、Ａｌ０．８２ＧａＡｓ層に接して厚さ７０ｎｍのＧａＡｓ層が形成されている。メサポストの側面から水蒸気により酸化を行うと、メサポストの側面から中心方向に向かって酸化が進む。Ａｌ０．８２ＧａＡｓ層に比べＡｌＡｓ層の方がＡｌの組成比が大きいので酸化が速く進み、先端部１１が形成される。Ａｌ０．８２ＧａＡｓ層の酸化は、酸化されたＡｌＡｓ層の領域から順次進行するので、酸化層１２のテーパー部１４が形成される。なお、Ａｌ０．８２ＧａＡｓの基板と垂直方向の酸化はＧａＡｓ層があるため進行しない。
【００２０】
一例として、酸化層１２の端部１５から先端部１１までの長さは約１２μｍである。酸化層１２の端部１５での厚さは約１５０ｎｍである。酸化層１２のテーパー部１４の水平方向の長さは約４μｍである。テーパー部１４の傾斜角度θは２°〜１０°である。従来の酸化層１２は、屈曲点１３を上面側に一つだけ有している。したがって、熱応力が屈曲点１３に集中することとなり、熱衝撃により酸化層１２が破壊されやすい。
【００２１】
図４は、酸化層７２のひとつの例を示す断面図である。酸化層７２は、基板２０の表面と平行な断面における、酸化層７２の中心側に設けられた先端部７１と端部７３との間に屈曲点を有さ無い。また、本例の酸化層７２は、先端部７１から端部７３に向かって厚さが一定の割合で増加する。酸化層７２は、基板２０の表面と平行な平行面８５に対して第１の傾きを有する上面７５と、平行面８５に対して第２の傾きを有する下面７６を有する。本例において、第１の傾きと第２の傾きの絶対値は等しい。例えば、酸化層７２は、基板２０の表面と垂直な面で、且つ、酸化層７２の中心を通る面において、頂点が対向する２つの二等辺三角形に近い断面形状を有してよい。つまり、酸化層７２は、平行面８５に関して上下対称である。
【００２２】
第１の傾きを形成する角度θは、酸化層７２が有するべき容量、メサポストの直径及び電流狭窄部７４の開口の直径に応じて選択してよい。メサポストの直径および電流狭窄部７４の開口の直径により、酸化層７２の平行面８５における長さが定まる。また、酸化層７２が有するべき容量は、酸化層７２の厚さを長さ方向において積分した値に依存するので、酸化層７２が有するべき容量が定まれば、酸化層７２の角度θを決定できる。一例として、端部７３における酸化層７２の厚さが５０ｎｍから２００ｎｍであり、メサポストの直径が約３０μｍ、電流狭窄部７４の開口の直径が約６μｍの場合、角度θは０．１°から１°であってよい。
【００２３】
図５は、酸化層７２の他の例を示す断面図である。図５に示す酸化層７２は、図４に示した酸化層７２に対して、上面７５の角度および下面７６の傾きの絶対値が互いに異なる点で相違する。他の構造は、図４に示した酸化層７２と同一であってよい。つまり、本例では、酸化層７２は、平行面８５に関して上下非対称である。具体的には、本例の酸化層７２は、上面７５の傾きの絶対値は、下面７６の傾きの絶対値より大きい。つまり、本例の酸化層７２は、平行面８５の上側に形成された領域が、下側に形成された領域に比べて厚く形成される。
【００２４】
酸化層７２は以下で詳述するようにＡｌの組成比の異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を複数層堆積して構成される。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化すると、Ａｌ２Ｏ３になる。この際、熱膨張率の違いにより、Ａｌ２Ｏ３の体積が収縮し、酸化層７２は引っ張り歪みを有するようになる。この歪みに起因して活性層５０に転位が発生する。酸化層７２の下側を上側に比べ薄く形成することにより、活性層５０への歪みの影響を小さくすることができる。その結果、活性層５０において転位の発生を抑制することができる。酸化層７２をこのように構成しても、容量を低減しつつ熱衝撃に強い面発光レーザ素子１００を提供することができる。変形例において、酸化層７２は、平行面８５の下側が上側に比べて厚くてもよい。
【００２５】
図６は、酸化層７２の他の例を示す断面図である。図６に示す酸化層７２は、図４に示した酸化層７２に対して、下面７６の傾きが略ゼロである点で相違する。他の構造は、図４に示した酸化層７２と同一であってよい。下面７６は、平行面８５に含まれてよい。本例の酸化層７２は、平行面８５の上側のみが酸化されているので、活性層５０への歪みの影響をより低減できる。酸化層７２をこのように構成しても、容量を低減しつつ熱衝撃に強い面発光レーザ素子１００を提供することができる。
【００２６】
図７は、酸化層７２の他の例を示す断面図である。酸化層７２は、上面７５または下面７６の少なくとも一方において、先端部７１と端部７３との間に複数の屈曲点（本例では屈曲点８１、屈曲点８２）が形成されている。つまり、本例の酸化層７２は、先端部７１から端部７３に向かって厚さの増加の割合が一定ではない。本例の酸化層７２は、上面７５に２つの屈曲点（８１、８２）を有する。また、本例の酸化層７２は、下面７６に屈曲点を有しない。
【００２７】
具体的には、酸化層７２の上面７５は、平行面８５に対して第１の傾きαを有する面７７と、平行面８５に対して第２の傾きβを有する面７８と、平行面８５に対して第３の傾きγを有する面７９とを有する。それぞれの傾きの絶対値は、γ＜β＜αの関係を有する。なお屈曲点の数は２つに限定されない。
【００２８】
このように、酸化層７２の同一面において屈曲点を複数個形成することで、図３に示した酸化層１２の構造に比べ、応力の分散することができる。つまり、酸化層７２の各屈曲点に応力が分散するので、容量を低減しつつ熱衝撃に強い面発光レーザ素子１００を提供することができる。
【００２９】
次に、第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。最初に、図１に示した面発光レーザ素子１００の全体の製造工程を説明する。まず、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板２０を用意する。次に、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法等により、基板２０上に、下部反射層３０、ｎ型クラッド層４０、活性層５０、ｐ型クラッド層６０、電流狭窄層７０、ｐ型クラッド層８０、上部反射層９０を順次エピタキシャル成長させる。次に、プラズマＣＶＤ法により上部反射層９０の表面全体にシリコン窒化膜を成膜し、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、例えば、直径約３０μｍの円形マスクパターンを形成する。
【００３０】
次に、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法によって、下部反射層３０に達するまでエッチングし、メサポストを形成する。次に、水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、放置することによって、電流狭窄層７０を酸化して酸化層７２を形成する。次に、ＲＩＥ法によりシリコン窒化膜を完全に除去する。その後、メサポストの周囲にポリイミド層３２を埋め込む。次に、プラズマＣＶＤ法におり、シリコン窒化膜を表面全体に形成する。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングによりシリコン窒化膜を電極形状に除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなるｐ型電極３４を形成する。最後に、基板２０の裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ型電極１０を蒸着する。
【００３１】
図８は、電流狭窄層７０において酸化層７２を形成する工程を説明する断面図である。本例では図４に示した酸化層７２を形成する場合を説明する。電流狭窄層７０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含む第１の層７０５と、第１の層７０５の上に形成されたＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１、ｘ＞ｙ）を含む第２の層７０８と、第１の層７０５の下に形成されたＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１、ｘ＞ｚ）を含む第３の層７０４を有する。
【００３２】
第１の層７０５のＡｌの組成比は、第２の層７０８及び第３の層７０４のＡｌの組成比より大きい。第１の層７０５のＡｌの組成比は、電流狭窄層７０において最も大きくてよい。第１の層７０５のＡｌの組成比は０．９６〜０．９９５であってよい。また、第２の層７０８及び第３の層７０４のＡｌの組成比は、０．７〜０．８５であってよい。本例において第２の層７０８及び第３の層７０４のＡｌの組成比は同一である。
【００３３】
電流狭窄層７０は、第３の層７０４の下に第１の層７０５から離れるに従いＡｌの組成比が徐々に減少する複数の層を有してよい。第３の層７０４とｐ型クラッド層６０との間には、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層７０１、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層７０２、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層７０３が基板２０側から順次堆積されてよい。
【００３４】
また、電流狭窄層７０は、第２の層７０８の上に第１の層７０５から離れるに従いＡｌの組成比が徐々に減少する複数の層を有してよい。第２の層７０８と、ｐ型クラッド層８０との間には、例えば、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層７０９、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層７１０、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層７１１が第２の層７０８側から順次堆積されてよい。
【００３５】
第２の層７０８の厚さは第１の層７０５の厚さより厚い。また、第３の層７０４の厚さは第１の層７０５の厚さより厚い。第１の層７０５の厚さは、メサポストの直径を２０μｍから６０μｍとした場合、１５ｎｍから６０ｎｍであってよい。メサポストの直径が３０μｍの場合、第１の層７０５の厚さは２５ｎｍであってよい。また、第２の層７０８及び第３の層７０４の厚さは、３０ｎｍから１００ｎｍであってよい。本例では、第２の層７０８と第３の層７０４の層厚は等しい。尚、第２の層７０８及び第３の層７０４をＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイで構成してもよい。
【００３６】
上述した構造において、第１の層７０５の側面をメサポストの側面に露出させ、第１の層７０５の側面を介して電流狭窄層７０を酸化させる。これにより、第１の層７０５においては、メサポストの側面から中心方向に向かって酸化が進行する。また、他の各層については、酸化された第１の層７０５の領域から、垂直方向に向かって酸化が進行する。
【００３７】
第１の層７０５以外の層については、第１の層７０５が酸化されてから酸化が進行するので、酸化される期間が、メサポストの側面から離れるにしたがって短くなる。このため、各層における酸化層７２の厚さは、Ａｌ組成に応じた傾きで、メサポストの側面から離れるにしたがって薄くなる。同一の層においてはＡｌ組成が一定なので、酸化層７２の傾きもほぼ一定となる。従って、第２の層７０８及び第３の層７０４の厚さを十分大きくすることで、端部７３から中心に向かう方向に延伸し、中心側に設けられた先端部７１と端部７３との間に屈曲点がない酸化層７２が形成される。本例では、第２の層７０８及び第３の層７０４は、等しいＡｌ組成比及び十分大きい膜厚を有する。したがって、図４に示す上下対称な酸化層７２が形成される。
【００３８】
なお、酸化層７２の先端部７１とは、電流狭窄層７０においてＡｌ組成の最も高い第１の層７０５と、その上下の第２の層７０８および第３の層７０４との境界から、酸化層７２の先端までの領域を指す。つまり、酸化層７２において、第１の層７０５と他の層との境界から先端までの領域には、屈曲点が含まれてよい。
【００３９】
他の例において、第２の層７０８と第３の層７０４とは、Ａｌ組成比及び膜厚が異なってもよい。具体的には、第３の層７０４は、第２の層７０８に比べより小さいＡｌ組成比及びより薄い膜厚を有してよい。この場合、第３の層７０４の酸化速度ベクトルは第２の層７０８の酸化速度ベクトルより小さくなる。その結果、図５に示すような上下非対称な酸化層７２が形成される。
【００４０】
変形例において、第３の層７０４はＧａＡｓ層であってよい。この場合、第３の層７０４方向へは酸化が進行しない。その結果、図６に示すような下面７６が平行面８５を含む酸化層７２が形成される。
【００４１】
図９は、酸化層７２を形成する工程の他の例を説明する断面図である。本例では図７に示した酸化層７２を形成する場合を説明する。電流狭窄層７０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）を含む第１の層７０５と、第１の層７０５の上に形成されたＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１、ｙ＜ｘ）を含む第２の層７０８との間に、ＡｌａＧａ１−ａＡｓ（０＜ａ＜１、ｙ＜ａ＜ｘ）を含む第４の層７０６及びＡｌｂＧａ１−ｂＡｓ（０＜ｂ＜１、ｙ＜ｂ＜ａ）を含む第５の層７０７を有する点で、図８に示す例と異なる。第４の層７０６のＡｌ組成比は、第１の層７０５のＡｌ組成比より小さくかつ第２の層７０８のＡｌ組成比より大きい。
【００４２】
また、第５の層７０７のＡｌ組成比は、第４の層７０６のＡｌ組成比より小さくかつ第２の層７０８のＡｌ組成比より大きい。第４の層７０６及び第５の層７０７の膜厚は、第１の層７０５の膜厚以上であり、かつ、第２の層７０８の膜厚以下である。例えば、第４の層７０６の膜厚は第１の層７０５の膜厚より厚く、かつ、第５の層７０７の膜厚は第４の層７０６の膜厚より厚い。
【００４３】
各層の膜厚およびＡｌ組成比を調整することで、酸化層７２に複数の屈曲点を形成できる。例えば、第４の層７０６の膜厚を所定の厚さより薄くすることで、第４の層７０６および第５の層７０７の境界に屈曲点を形成できる。当該所定の厚さとは、第４の層７０６の酸化が開始されてから、酸化層７２の形成が終了するまでの時間で、酸化の進行が第５の層７０７にまで達する程度の厚さを指す。酸化の進行速度は、第４の層７０６のＡｌ組成比で定まるので、第４の層７０６のＡｌ組成比および膜厚を調整することで、先端部７１から端部７３までの間の所望の箇所に屈曲点を形成できる。
【００４４】
同様に、第５の層７０７のＡｌ組成比および膜厚を調整することで、第５の層７０７および第２の層７０８の境界に屈曲点を形成できる。また、第２の層７０８の膜厚を十分厚くすることで、第５の層７０７および第２の層７０８の境界から、端部７３までの間には屈曲点が形成されない。
【００４５】
このように、電流狭窄層７０における各層の厚みおよびＡｌ組成比を調整することで、多様な形状の酸化層７２を形成できる。このため、酸化層７２における応力を分散することができる。なお、屈曲点の個数は、２個に限定されない。また、酸化層７２の下側面に複数の屈曲点を形成してよく、酸化層７２の上下両面に複数の屈曲点を形成してもよい。
【００４６】
図１０は、図３に示す従来の酸化層１２と、図４に示す本願発明の酸化層７２について、複数のサンプルにおいて熱衝撃試験を行った結果を示す。従来の酸化層１２は、約２８０℃から壊れ始め、約３３０℃で半数が壊れ、約３５０℃で全部が壊れている。これは、ＡｌＧａＡｓとＡｌ２Ｏ３という熱膨張係数の異なる界面で温度が変化したときに、従来の酸化層１２は屈曲点がひとつしか存在しないため、熱応力が集中し、熱衝撃によって酸化層が壊れたためであると考えられる。これに対して、本願の酸化層７２では、従来の酸化層１２が全部壊れた３５０℃において全く壊れていない。温度が約４００℃でも半数が壊れずに残っており、約４２０℃でようやく全部が壊れている。これは、本願の酸化層７２は屈曲点を有しないため、ＡｌＧａＡｓとＡｌ２Ｏ３の界面において熱応力の集中が生じないためであると考えられる。
【００４７】
本願発明の酸化層７２によれば、容量を低減しつつ熱衝撃に強い面発光レーザ素子を提供できる。また、複雑な製造工程を必要としないため製造歩留まりを向上させることができる。結果として、２５〜４５Ｇｂｐｓの高速動作が可能な信頼性の高い面発光レーザ素子を提供できる。
【００４８】
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイ装置２００を示す。面発光レーザアレイ装置２００は、基材２１０と、面発光レーザアレイ２４０と、電極パッド２２０と、制御回路２３０とを備える。基材２１０は略中央部に面発光レーザアレイ２４０及び周囲に複数の電極パッド２２０を有し、ひとつのチップを構成する。面発光レーザアレイ２４０には、面発光レーザ素子１００が二次元アレイ状に設けられている。それぞれの電極パッド２２０は面発光レーザアレイ２４０のそれぞれの面発光レーザ素子１００と配線によって接続されている。
【００４９】
制御回路２３０は、基材２１０の外部に設けられる。制御回路２３０は、電極パッド２２０を通じて、面発光レーザアレイ２４０の各面発光レーザ素子１００の発光を制御する。つまり、制御回路２３０は、電極パッド２２０を介して、面発光レーザアレイ２４０の各面発光レーザ素子１００にバイアス電圧と変調電圧を印加する。面発光レーザ素子１００は、電圧の印加に応じてその上部から所定の波長のレーザ光を出射する。
【００５０】
図１２は、本発明の第３実施形態に係る光モジュール３００を示す。光モジュール３００は、面発光レーザ素子１００と、光結合部３１０と、レーザ光を伝搬する光ファイバ３３０と、検出部３４０と、制御回路２３０と、保持部３２０とを備える。面発光レーザ素子１００は、保持部３２０に固定される。光結合部３１０は、プリズム状の三角柱形状を有する透明な樹脂から形成される。光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００に対向する受光面と、光ファイバ３３０に対向する出射面と、受光面及び出射面と４５度の角度で交わる反射面を有する。
【００５１】
光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００が出射したレーザ光を受光面で受け取り、反射面で反射し出射面から出射して光ファイバ３３０に結合させる。つまり、光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００と光ファイバ３３０とを光学的に結合する。出射面から出射されたレーザ光は、光ファイバ３３０内を伝搬する。検出部３４０は、光結合部３１０の反射面を透過した光をモニターする。検出部３４０は光信号を電気信号に変換し制御回路２３０に送信する。制御回路２３０は、検出部３４０からの信号に基づいて面発光レーザ素子１００をフィードバック制御する。
【００５２】
光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００からのレーザ光を光ファイバ３３０の方向に反射させる、鏡面加工された反射膜であってもよい。また、光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００からのレーザ光を、光ファイバ３３０に集光させるレンズであっても。例えば面発光レーザ素子１００および光ファイバ３３０が対向して配置される場合、光結合部３１０は、面発光レーザ素子１００および光ファイバ３３０の間に配置される。
【００５３】
図１３は、光モジュール３００の他の例を示す。本例では、光ファイバ３３０の端面が光軸に対して略４５度傾斜するように加工され光結合部３１０を構成している。端面には反射膜が形成され鏡面加工されている。面発光レーザ素子１００は、保持部３２０によって光結合部３１０の下方に位置するように位置決めされている。制御回路２３０により電圧が印加されると、面発光レーザ素子１００は上方に向かってレーザ光を出射する。出射されたレーザ光は光結合部３１０で反射されて光ファイバ３３０に結合し、光ファイバ３３０内を伝搬する。
【００５４】
なお、光結合部３１０は、図１２および図１３に示した構成以外にも、多様な構成を採用できる。例えば光結合部３１０は、光ファイバ３３０の心線の一端を光ファイバ３３０の本体に対向させ、他端を面発光レーザ素子１００に対向して固定するハウジングを有してよい。
【００５５】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る光通信システム４００を示す。光通信システム４００は、２つの光送受信モジュール（４１０−１、４１０−２）を備える。２つの光送受信モジュール（４１０−１、４１０−２）は２本の光ファイバ３３０を介して接続される。光送受信モジュール４１０−１は、面発光レーザ素子１００を有する光モジュール３００−１と、受光素子４２０−１を有する。光モジュール３００−１は面発光レーザ素子１００が出射したレーザ光を、光ファイバ３３０を介して送信する。受光素子４２０−１は、光ファイバ３３０を介して送信された光信号を受信して、電気信号に変換する。光送受信モジュール４２０−２は、面発光レーザ素子１００を有する光モジュール３００−２と、受光素子４２０−２を有する。光送受信モジュール４２０−２は、光モジュール３００と受光素子４２０との位置関係が逆になっていることを除いて光送受信モジュール４２０−１と同様の構成を有する。
【００５６】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る光源５００を示す。ここで、光源５００として光ピックアップ用の光源を例に説明するが、これに限定されない。光源５００は、面発光レーザ素子１００と、基板５２０と、回折格子５３０と、ハーフミラー５４０と、レンズ５５０と、検出部５６０と、制御回路２３０とを備える。面発光レーザ素子１００は基板５２０上に実装されている。面発光レーザ素子１００の上方にはハーフミラー５４０が設けられている。ハーフミラー５４０と面発光レーザ素子１００との間には回折格子５３０が設けられている。レンズ５５０はハーフミラー５４０で反射したレーザ光を外部の光記憶媒体５１０に集光する。
【００５７】
検出部５６０はハーフミラー５４０を挟んでレンズ５５０と反対側に設けられている。制御回路２３０は面発光レーザ素子１００にバイアス電圧と変調電圧を印加する。面発光レーザ素子１００は、制御回路２３０からの電圧印加に応じて上部からレーザ光を出射する。ハーフミラー５４０は、回折格子５３０を通過したレーザ光をレンズ５５０の方向に反射する。レンズ５５０は、ハーフミラー５４０で反射したレーザ光を光記憶媒体５１０の所定の位置に集光させる。検出部５６０は、光記憶媒体５１０から反射した光を受光する。検出部５６０は受光した光信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は、外部のパーソナルコンピュータ等に送信され情報の読み出しが行われる。面発光レーザ素子１００は光ピックアップ以外に、測量機器、レーザーポインター、光学マウスなどの光学機器、あるいはプリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源として用いてもよい。
【００５８】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係る波長多重伝送システム６００を示す。波長多重伝送システム６００は、分波部６３０と、受信部６４０と、制御部６１０と、面発光レーザアレイ２４０と、合波部６２０とを備える。制御部６１０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、波長制御回路等を有する。面発光レーザアレイ２４０は発振波長が互いに異なる面発光レーザ素子１００を一次元または二次元のアレイ状に配列して構成される。制御部６１０は、面発光レーザアレイ２４０に駆動電力を与えるとともに、面発光レーザアレイ２４０を構成する各面発光レーザ素子１００に互いに異なる信号を与えて光信号を出力させる。合波部６２０は光ファイバにより伝送された各光信号を波長多重合波して一本の光ファイバに結合し、送信信号として通信対象に伝送する。分波部６３０は通信対象から光ファイバを介して伝送された波長多重合波された受信信号を波長ごとに分波し、各光信号を受信部６４０に伝送する。受信部６４０は複数の受光素子を有する。各受光素子は、各光信号を受光して電気信号に変換し、各電気信号を制御部６１０に伝送する。
【００５９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１０・・・ｎ型電極、１１・・・先端部、１２・・・酸化層、１３・・・屈曲点、１４・・・テーパー部、１５・・・端部、１６・・・平坦部、２０・・・基板、３０・・・下部反射層、３２・・・ポリイミド層、３４・・・ｐ型電極、４０・・・ｎ型クラッド層、５０・・・活性層、６０・・・ｐ型クラッド層、７０・・・電流狭窄層、７１・・・先端部、７２・・・酸化層、７３・・・端部、７４・・・電流狭窄部、７５・・・上面、７６・・・下面、７７、７８、７９・・・面、８０・・・ｐ型クラッド層、８１、８２・・・屈曲点、８５・・・平行面、９０・・・上部反射層、９２・・・アパーチャ、１００・・・面発光レーザ素子、２００・・・面発光レーザアレイ装置、２１０・・・基材、２２０・・・電極パッド、２３０・・・制御回路、２４０・・・面発光レーザアレイ、３００・・・光モジュール、３１０・・・光結合部、３２０・・・保持部、３３０・・・光ファイバ、３４０・・・検出部、４００・・・光通信システム、４１０−１、４１０−２・・・光送受信モジュール、４２０−１、４２０−２・・・受光素子、５００・・・光源、５１０・・・光記憶媒体、５２０・・・基板、５３０・・・回折格子、５４０・・・ハーフミラー、５５０・・・レンズ、５６０・・・検出部、６００・・・波長多重伝送システム、６１０・・・制御部、６２０・・・合波部、６３０・・・分波部、６４０・・・受信部、７０１、７０２、７０３、７０９、７１０、７１１・・・層、７０４・・・第３の層、７０５・・・第１の層、７０６・・・第４の層、７０７・・・第５の層、７０８・・・第２の層
【図１】
2012216664.tif 000003
【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】
2012216664.tif 000015
【図１４】
2012216664.tif 000016
【図１５】
2012216664.tif 000017
【図１６】
2012216664.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月12日(2012.4.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
従来、面発光レーザ素子の活性層に注入する電流を狭窄する電流狭窄層として、Ａｌを含む半導体層を選択酸化した酸化層が用いられていた。面発光レーザ素子を高速動作させるためには、酸化層の容量値を低減する必要がある。酸化層の容量値は、酸化層の膜厚に反比例する。そこで、酸化層の外周部にイオン注入することにより絶縁層を厚膜化する方法や酸化層をテーパー形状にすることにより厚膜化する方法が提案された（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
特許文献１  米国特許公開ＵＳ２００９／０２６２７６５公報
非特許文献１  Journal of Selected Topics in Quantum Electronics vol.5, p553, 1999