(57)【要約】【課題】高変調速度で駆動でき、有効寄生キャパシタンスが小さく、特に簡単且つ低コストで製造できるレーザ発振装置を提供する。【解決手段】本発明は、光相互接続に使用されるレーザ発振装置を提供する。レーザ発振装置は、第１及び第２の反射器と、電流閉じ込め開口内に電流を閉じ込めるよう構成された閉じ込め層と、第１及び第２の反射器間の活性層とを具備する。活性層は、電流閉じ込め開口に整列した主活性領域と、主活性領域を取り囲む補助活性領域とを具備する。第２反射器は、電流閉じ込め開口に配置された第１反射領域と、第１反射領域を取り囲む第２反射領域とを具備する。第２反射領域及び第１反射器は、補助活性領域で誘導再結合を誘導するよう構成される。【選択図】図１
2012253351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反射器（１３００，２３００，３３００）と、
第２反射器（１１００，２１００，３１００）と、
電流閉じ込め開口（１０２１，２０２１，３０２１）内に電流を閉じ込めるよう構成された閉じ込め層（１０２０，２０２０，３０２０）と、
前記第１反射器及び前記第２反射器間の活性層（１２２０，２２２０，３２２０）と
を具備する、光相互接続で使用するためのレーザ発振装置（１０００，２０００，３０００）であって、
前記活性層は、前記電流閉じ込め開口に整列した主活性領域（３２２１）と、該主活性領域を取り囲む補助活性領域（３２２２）とを具備し、
前記第２反射器は、前記電流閉じ込め開口上に配置された第１反射領域（１１４０，２１４０，３１４０）と、前記第１反射領域を取り囲む第２反射領域（１１３０，２１３０，３１３０）とを具備し、
前記第２反射領域及び前記第１反射器は、前記補助活性領域で誘導再結合を誘導するよう構成されることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記第２反射領域の反射率は、前記第１反射領域の反射率より高いことを特徴とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記第１反射領域は前記電流閉じ込め開口と整列し、
前記第１反射領域の面積は前記電流閉じ込め開口の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記第１反射領域の面積と前記電流閉じ込め開口の面積との比Ｓ1／Ｓ0は、1.0〜3.3の範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
前記第１反射器及び前記第２反射器は、高屈折率を有する少なくとも１層と、低屈折率を有する１層とをそれぞれ具備することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項６】
前記第２反射器の１層は、前記第２反射領域においてより厚いことを特徴とする請求項４記載のレーザ発振装置。
【請求項７】
前記第２反射器の最上反射層の厚さは、前記第２反射領域では１／４波長の奇数倍であり、前記第１反射領域ではゼロ又は１／４波長の偶数倍であることを特徴とする請求項４又は５記載のレーザ発振装置。
【請求項８】
前記第２反射器は、前記第２反射領域に配置された反射器要素（１１１０，２１１０）を有し、
前記反射器要素は、前記第２反射領域の反射率を増大するよう構成されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項９】
前記第１反射領域、前記主活性領域及び前記第１反射器は主レーザ(１４００，２４００，３４００)を画定し、
前記第２反射領域、前記補助活性領域及び前記第１反射器は補助レーザ(１５００，２５００，３５００)を画定することを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項１０】
前記レーザ発振装置は、第１クラッド層(１２３０，２２３０，３２３０)及び第２クラッド層（１２１０，２２１０，３２１０）をさらに具備し、
前記活性層は、キャビティスペーサ（１２００，２２００，３２００）を形成するよう前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の間に挟まれ、
前記キャビティスペーサの長さは、発光波長で半波長の整数倍に対応するように選択されることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項１１】
前記活性層は、該活性層のいずれかの側面に、複数の量子井戸（２２１）及び障壁（２２２）の交互の積層と、閉じ込め層（２２３）とを有することを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項１２】
前記閉じ込め層は、前記第１反射器及び前記第２反射器の間に配置されており、前記電流閉じ込め開口を取り囲む半導体酸化層又はイオン注入領域を有することを特徴とする請求項１ないし１０のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項１３】
前記第１反射領域は円盤状であり、
前記第２反射領域はリング状であることを特徴とする請求項１ないし１１のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１２のうちいずれか１項記載のレーザ発振装置を有する光モジュール。
【請求項１５】
半導体基板(１０３０，２０３０，３０３０)の上に第１反射器を形成する工程と、
電流閉じ込め開口内で電流を閉じ込めるよう構成される閉じ込め層を形成する工程と、
前記電流閉じ込め開口に整列する主活性領域と、該主活性領域を取り囲む補助活性領域とを具備する活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第２反射器を形成する工程と
を具備し、
前記第２反射器は、前記電流閉じ込め開口上に配置された第１反射領域と、前記第１反射領域を取り囲む第２反射領域とを具備し、
前記第２反射領域及び前記第１反射器は、前記補助活性領域で誘導再結合を誘導するよう構成されることを特徴とする、光相互接続で使用するためのレーザ発振装置を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速光ファイバ通信システムで使用するためのレーザ発振装置に関し、より具体的には高変調バンド幅を有する面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に関する。さらに、本発明は、高変調バンド幅を有するレーザ発振装置を有する光相互接続に関する。最後に、本発明は、高速レーザ発振装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振装置、特に高速通信システムで広く使用される面発光レーザは、共振回路を形成するように２枚の高反射鏡すなわち高反射器の間に挟まれたキャビティを有する。鏡は、交互に配置された高屈折率及び低屈折率の半導体層を有し、ｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合をそれぞれ形成するようにｐ型及びｎ型のドーパントすなわち不純物でドープされる。半導体レーザにおいて、レーザ発振を発生するゲイン機構は、正孔及び電子の再結合からの光発生によって与えられる。正孔及び電子の再結合は、ダイオード接合のｐ側及びｎ側からそれぞれ注入される。電気通信の用途において、キャリアの再結合は、電気的ポンピングにより、すなわち、ダイオード接合を順方向にバイアスすることにより生ずる。一般的には、レーザ発振装置の電流は、開口の周りの材料の電気抵抗が増大するように、レーザ発振装置の開口以外の場所でレーザ発振装置構造にイオンを注入することにより、レーザの開口に限定される。或いは、レーザ発振装置の開口の周りの電流は、レーザ発振装置の開口の周りの材料を酸化することにより抑制される。
【０００３】
半導体レーザは、電子デバイスで使用される光相互接続を構築するために電気通信用途で使用される。このような光相互接続は、従来のケーブル相互接続よりかなり高いハンド幅を支持する能力があるため、近年、電子デバイスで広く使用されるようになった。これに関連して、光信号を電気信号に変換するため及びその逆のための光モジュールの開発は、光相互接続を使用する中間基板用途等の幅広い用途で重要な役割を果たす。
【０００４】
面発光レーザ等の半導体レーザは、２つのスキームに従って情報を伝達するのが代表的である。第１のスキームでは、レーザは一定の発光状態で維持され、出力強度は、外部から印加した電圧で駆動された外部変調器により変調される。この第１のスキームは高コストの外部装置を要し、面発光レーザを含む光相互接続はほぼ直接的に変調される。直接変調はレーザの入力電流の変化を伴い、換言すると、光強度における時間依存の出力を生成するように、バイアス電流の周りの電流の変調を伴う。通常、電流は、２値の間で切り換えられ、両値ともデバイスの閾値電流より大きい。
【０００５】
図７は、従来技術のレーザ発振装置４０００を示す。レーザ発振装置は、半導体材料製の基板４０３０、第１鏡４３００及び第２鏡４１００を有する。第１及び第２の鏡４３００，４１００はそれぞれ、交互に積層された半導体鏡層４３１０，４３２０を有する。層４３１０は高屈折率を有するのに対し、層４３２０は低屈折率を有する。第１鏡４３００はｎ型ドーパントでドープされるのに対し、第２鏡４１００はｐ型ドーパントでドープされる。レーザ発振装置４０００は、第１及び第２の鏡４３００，４１００の間にキャビティスペーサ４２００をさらに有する。キャビティスペーサ４２００は、第１クラッド層４２３０、第２クラッド層４２１０及び活性層４２２０を有する。最後に、レーザ発振装置４０００は、電流閉じ込め開口４０２１を区画する電流閉じ込め領域４０２０を有する。電流閉じ込め領域は、第２鏡４１００の直ぐ下の第２クラッド層４２１０に形成される。
【０００６】
図８は、図７のレーザ発振装置４０００の作動原理を示す概略図である。特に、図８は、レーザ発振装置４０００の活性層におけるキャリア密度の直接変調の効果を示す。電流は、２値の間で切り換えられ、両値ともデバイスの閾値電流より大きい。レーザ発振装置４０００において、キャリア密度は完全にクランプされてはいないが、光場の強度を有するゲイン飽和による注入電流、及び内部加熱によるゲイン減少と共に揺れる。
【０００７】
図８は、活性層４２２０に沿った光場の強度の分布を示す。一点鎖線のグラフから分かるように、光場の強度は、電流閉じ込め開口４０２１に対応する活性層の領域で最大である。光場強度は、一般的に周辺で低く、活性領域の中心で高い。さらに、光損失も、活性層の中心よりも活性層の周辺領域で高い。これは、活性層の周辺での誘導再結合率を低くする。大電流レベルから小電流レベルに切り換える際に、活性層４２２０でのキャリア密度も高レベルから低レベルに切り換わる。図８から分かるように、閾値を超える高い特定のバイアス電流で、活性層４２２０におけるキャリア密度分布は、破線曲線（３）で示される。活性層４２２０の領域Ａは、光ゲインが閾値に達する領域を示す。領域Ａの外側で、キャリア密度は、生成されたゲインが閾値に達するには十分ではない。さらに、領域Ａの内側で、キャリア密度は一定ではないが、局在温度や局在光子密度が高い場所では大きい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８は、開口の中心に向かってキャリア密度が増加する特定の場合を示す。
【０００９】
大バイアス電流では、活性層４２２０の温度及び光密度の双方が増加する。この結果、領域Ａにおけるキャリア密度もまた、閾値でのゲインを維持するために増加する。大バイアス電流では、領域Ａを取り囲む領域のキャリア密度もまた増加し、領域Ａを取り囲む領域Ｂの閾値に到達するゲインを生成するほど高くなる。この振舞いは、破線曲線（１）で示される。この結果、キャリア及び光子が誘導再結合によって強く結合するレーザの活性領域は、小バイアス電流での領域Ａから大バイアス電流での領域Ａ及び領域Ｂに拡大する。
【００１０】
大バイアス電流から小バイアス電流に切り換わる際に、活性層の領域Ａのキャリア密度は、領域内で高い光場強度でより強く誘導再結合することにより、活性層４２２０の領域Ｂにおける密度よりかなりの高速で減少する。このため、キャリア密度は、実線曲線（２）で示されるように活性層４２２０の周辺で２個のピークを有する。活性層４２２０の領域Ｂにおけるこれらの過剰キャリアは、貯留部として作用する。この貯留部からは、活性層４２２０の中心に向かって周辺からキャリアが流れる。これにより、レーザの活性層と平行に連結されたキャパシタンスとして作用する。これは、レーザ発振装置４００の下降時間を延長し、変調信号への応答に悪影響を与える。この結果、共通のレーザ発振装置の設計は、レーザ発振装置を使用する光相互接続の変調バンド幅及び高速性能を制限してしまう。
【００１１】
より正確には、高レベルから低レベルに変化するので、レーザ４０００は低キャリア密度及び小さな誘導再結合率に向かって発展し、レーザ４００は新たな小電流レベルに適応する際に減速する。これにより、下降時間が延長する際の活性層周辺での過剰キャリア密度の効果が強くなる。電流波形が印加された後、光場強度がその公称値に戻る場合であっても、キャリア密度は戻らない。これにより、過去から将来に生ずる動的結合、例えば、シンボル間の干渉となる。
【００１２】
さらに、絶縁酸化物層４０２０を使用することにより電流閉じ込めが得られるデバイスにおいて、電流閉じ込め開口を区画する絶縁酸化物に関連した有効寄生キャパシタンスは、酸化層の下のダイオード接合のキャパシタンスに直列の酸化層４０２０にわたるキャパシタンスにより決定される。ダイオードがバイアスされない場合、有効キャパシタンスは、ダイオードの空乏キャパシタンスと直列の酸化層キャパシタンスにより与えられ、最新のものはこの２個のうちの低い方である。順方向バイアス下では、ダイオードのキャパシタンスが増加するのに対し、その直列抵抗は減少し、構造物の有効キャパシタンスを全体として増加することになる。最大キャパシタンスは、比較的大きな酸化キャパシタンスのみで制限される。
【００１３】
酸化層４０２０に形成された開口から広がる横キャリアは重要になり得るので、定常状態では、漏れ電流を生じさせる。広がる横キャリアはまた、絶縁酸化物４０２０下のダイオード構造の外側領域に対してある程度の順方向バイアスを与える。これにより、バイアスでデバイスの有効寄生キャパシタンスが増加する。
【００１４】
上述の効果は、レーザ発振装置の変調速度、延いては変調バンド幅をさらに制限する。
【００１５】
共通のレーザ発振装置の直接変調に関連する問題を克服するために、活性層の周辺に向かって広がるキャリアの効果を減少させる多くの解決策が提案されてきた。特に、活性領域内部でキャリア密度をクランプすることは、少ないゲイン飽和及び内部加熱により改善されるかもしれない。或いは、活性層の周辺のキャリア密度を減少させるようキャリアを追加で閉じ込めるために、光子注入法又はパターン化トンネル接合法が使用できる。
【００１６】
しかし、公知の技法は、キャリア閉じ込め構造の横形状が光場の横分布と合致した場合にのみ追加の閉じ込めが有効であるという不利がある。上述の設計を有するデバイスを開発することは、大規模の設計を要し、実現化が非常に複雑で高コストである。
【００１７】
従って、本発明が対処する課題は、直接変調型高速光ファイバ通信システムで使用されるレーザ発振装置を提供することである。このレーザ発振装置は、高変調速度で駆動でき、有効寄生キャパシタンスが小さく、特に簡単且つ低コストで製造できると同時に、より高速でより高信頼性の光ファイバ通信システムを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題は、主レーザの活性層の周辺に、防護レーザの機能を有する補助レーザを有するレーザ構造を提供することにより解決する。防護レーザは、主レーザの活性領域の周辺に重なる活性領域内のキャリア密度をクランプし、主レーザの活性領域の周辺での追加の誘導再結合をさらに減少させる。
【００１９】
追加の誘導再結合は、入力電流が切り換わる際に、活性領域の周辺の過剰キャリア密度が減少する割合で増加する。さらに、防護レーザは、ダイオード構造の外側領域でキャリア注入の減少を生じさせ、これにより酸化物層に関連する有効寄生キャパシタンスの増加を制限する。最後に、本発明で提案された解決策は、イオン注入又はパターン化トンネル接合等の精巧且つコスト高の技法を使用する必要がない。
【００２０】
好適な一実施形態によれば、本発明は、光相互接続に使用されるレーザ発振装置を提供する。レーザ発振装置は、第１及び第２の反射器と、電流閉じ込め開口内に電流を閉じ込めるよう構成された閉じ込め層と、第１及び第２の反射器間の活性層とを具備する。活性層は、電流閉じ込め開口に整列した主活性領域と、主活性領域を取り囲む補助活性領域とを具備する。第２反射器は、電流閉じ込め開口に配置された第１反射領域と、第１反射領域を取り囲む第２反射領域とを具備する。第２反射領域及び第１反射器は、補助活性領域で誘導再結合を誘導するよう構成される。
【００２１】
このようにして、活性層の周辺が閉じ込め層を介して電気的に絶縁され、且つキャリア密度は活性層にわたってクランプされていないが、主活性領域の周辺に蓄積された過剰キャリアは、第２反射領域により誘導された誘導再結合によって消費することができる。主活性領域の周辺の過剰キャリアが追加の誘導再結合により消費されるので、主活性領域の周辺から中心にキャリアが流れることによる容量性効果は抑制される。
【００２２】
さらに有利な発展形によれば、第２反射領域の反射率は、第１反射領域の反射率より高い。第２反射領域の高い反射率により、主活性領域の周辺での光場の強度が増大し、この結果、キャリアの再結合率が増大する。さらに、第２反射領域の高い反射率により、補助活性領域のレーザ発振閾値が減少する。高い再結合率が過剰キャリアを消費することにより、主活性領域の周辺でのキャリアの貯留部の形成を防止する。
【００２３】
別の発展形によれば、第１反射領域は電流閉じ込め開口と整列し、第１反射領域の面積は電流閉じ込め開口の面積よりも大きい。特に、電流閉じ込め開口が円形を有する場合、第１反射領域も円形となるよう選択され、第１反射領域の直径Ｄ1は電流閉じ込め開口の直径Ｄ0より大きい。この場合、第２反射領域は、第１反射領域の直径Ｄ1と等しいか大きい内径Ｄ2を有するリング状となるよう選択される。
【００２４】
さらに別の発展形において、第１反射領域の面積と電流閉じ込め開口の面積との比Ｓ1／Ｓ0は、1.0〜3.3の範囲内にある。電流閉じ込め開口及び第１反射領域の寸法間の関係により、主レーザ及び防護レーザ間の結合を制御することができ、この結果、主レーザの周辺での過剰キャリアの容量性効果の低減に対する防護レーザの有効性を制御できる。
【００２５】
本発明の利点のある実施形態に従ったレーザ発振装置において、第１反射器及び第２反射器は、高屈折率を有する少なくとも１層と、低屈折率を有する１層とをそれぞれ具備する。これらの層は標準的技法で容易に成長でき、このように得られた反射器は99.5％を超える最適反射率を有する。
【００２６】
第２反射器の１層は、第１鏡領域でよりも第２反射領域において厚くなるよう製造される。第２反射器の最上反射層の厚さは、第２反射領域では１／４波長の奇数倍となり、第１反射領域ではゼロ又は１／４波長の偶数倍となるよう選択される。このようにして、第１反射領域及び第２反射領域は、従来技術のレーザ発振装置の製造方法において単に追加の一工程を実行することにより容易に画定できる。
【００２７】
本発明の別の有利な実施形態において、第２反射器は、第２反射領域に配置されると共に第２反射領域の反射率を増大するよう構成された反射器要素を有する。従って、第２反射器の反射率は、いかなるエッチング及びマスキング工程を含むことなく、第２反射器の上面に追加層を成長又は実装することによって第１及び第２の反射領域を形成するように、選択的に調節することができる。
【００２８】
本発明の一実施形態において、第１反射領域、主活性領域及び第１反射器は主レーザを画定し、第２反射領域、補助活性領域及び第１反射器は補助レーザを画定する。
【００２９】
本発明に係るレーザ発振装置は、第１クラッド層及び第２クラッド層をさらに具備してもよい。第１及び第２のクラッド層は、それらの間に活性層を挟んでキャビティスペーサを形成する。キャビティスペーサの長さは、発光波長で半波長の整数倍に対応するように選択される。キャビティスペーサの厚さは、共振及び発光波長を画定する。
【００３０】
本発明のさらなる発展形によれば、活性層は、そのいずれかの側面に、複数の量子井戸及び障壁の交互の積層と、垂直閉じ込め層とを有する。
【００３１】
横閉じ込め層は、第１反射器及び第２反射器の間に配置されており、電流閉じ込め開口を取り囲む半導体酸化層又はイオン注入領域を有する。
【００３２】
本発明のさらなる有利な発展形によれば、第１反射領域は円盤状であり、第２反射領域はリング状である。
【００３３】
本発明の一実施形態は、上述したレーザ発振装置を有する光モジュールに関する。上述したレーザ発振装置は、活性層の周辺でキャリア密度が減少し、高から低に駆動電流が切り換わる際に、主活性領域の中心に向かって周辺からキャリアが流れ込むことがない。この結果、光モジュールは、速い変調速度で駆動することができる。従って、上記レーザ発振装置を実装する光相互接続は、変調バンド幅が大きい高速光ファイバ通信システムで使用することができる。
【００３４】
本発明の別の一実施形態は、光相互接続で使用するためのレーザ発振装置を形成する方法を提供する。この方法は、半導体基板及び閉じ込め層の上に第１反射器積層を形成する工程を具備する。閉じ込め層は、電流閉じ込め開口内で電流を閉じ込めるよう構成される。活性層は、第１反射器積層上に形成され、電流閉じ込め開口に整列する主活性領域と、主活性領域を取り囲む補助活性領域とを具備する。第２反射器積層は活性層上に形成され、第２反射器積層において、第１反射領域は電流閉じ込め開口上に配置される。第１反射領域を取り囲む第２反射領域がさらに形成され、第２反射領域及び第１反射器は、補助活性領域で誘導再結合を誘導するよう構成される。
【００３５】
添付図面は、本発明のいくつかの実施形態を説明するために本明細書に組み込まれると共に本明細書の一部を形成する。詳細な説明と共にこれらの図面は、本発明の原理を説明するよう作用する。これらの図面は、本発明がどのように形成され使用されるかについて好適な例を説明する目的のためのみであり、図示して説明された実施形態に本発明を限定するものと解釈してはならない。さらに、特徴及び利点は、添付図面で説明された本発明の様々な実施形態の以下のより特定した説明から明白であろう。同様の部材には同様の参照符号が付される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ発振装置の断面図である。
【図２】本発明の別の一実施形態に係るレーザ発振装置の断面図である。
【図３】本発明の別の一実施形態に係るレーザ発振装置の断面図である。
【図４】本発明の好適な一実施形態に係る図１ないし図３のレーザ発振装置に使用される特定のレーザキャビティを示す図である。
【図５】本発明の好適な一実施形態に係るレーザ発振装置の作動原理を概略的に示す図である。
【図６】本発明に係るレーザ発振装置を実装する光相互接続を示す断面図である。
【図７】従来技術のレーザ発振装置の断面図である。
【図８】従来技術の一般的なレーザ発振装置の作動原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の説明において、説明目的のため、完全に理解するために具体的な詳細が述べられる。しかし、本発明は、これらの具体的な詳細を伴うことなく、実施することができることは明らかである。さらに、周知の構造及びデバイスは、説明を容易にするために、より一般的な形態で説明されるだけである。
【００３８】
以下の説明において、「鏡」及び「反射器」の語句は、半導体の積層又はレーザの共振キャビティを区画する誘電体層を示すために使用される。同様に、「第１鏡領域」及び「第１反射領域」の語句は、以下では同じ意味で使用される。「第２鏡領域」及び「第２反射領域」の語句は、以下では同じ意味で使用される。「ゲイン領域」及び「キャビティスペーサ」の語句は、レーザ発振装置の反射器の間に挟まれた半導体層を指す。
【００３９】
本発明が対処する課題は、直接変調型レーザ発振装置における駆動電流を切る際に、活性層の周辺よりも中心でキャリア密度がより高速で減少するという観測に基づく。これは、大きな光場強度を有する領域、すなわち活性層の中心では、誘導再結合がより強いという結果により。従って、過剰キャリアは、キャリア貯留部として作用する活性層の周辺に蓄積し、活性層の周辺から中心に向かうキャリアの横際分布が生ずる。高から低への変化の間、レーザは、低光子密度及び小さな誘導再結合率に向かって発展する。これは、活性層の周辺における過剰キャリア密度の効果を強化する。これにより、レーザ発振装置の下降時間が延びる。さらに、レーザ発振装置内に電流を閉じ込めるための酸化半導体層を用いるレーザ発振装置は、キャリアの横広がりが生じ、電流漏れや、バイアスによってレーザ発振装置の有効寄生キャパシタンスが増大する結果となる。
【００４０】
本発明によれば、活性層の周辺でのキャリア分布の変調は、主レーザの周辺で補助レーザ又は防護レーザを実行することにより減少する。防護レーザは、その活性層内でキャリア密度をクランプし、誘導再結合を通じて主レーザの活性層の周辺で、過剰キャリアを消費する。さらに、防護レーザは、レーザ発振装置を形成するダイオード構造の外側領域でキャリア注入を減少させる。これにより、酸化層に関連する有効寄生キャパシタンスの増大が制限される。
【００４１】
図１は、本発明の原理に従って設計されたレーザ発振装置の断面図である。レーザ発振装置１０００は、頂上に第１反射器すなわち第１鏡１３００が形成された、半導体材料製の基板１０３０を具備する。第１反射器１３００は、高反射率を有する任意の半導体材料であってもよい。キャビティスペーサ１２００は、第１鏡１３００の上にさらに設けられる。キャビティスペーサ１２００は、互いに逆の型の導電性でドープされた第１クラッド層１２３０及び第２クラッド層１２１０を具備する。活性層１２２０は、第１クラッド層１２３０及び第２クラッド層１２１０の間に挟まれる。活性層１２２０は真性半導体で形成されており、電気ポンピング又は光ポンピングによりレーザが駆動される際にキャリアの再結合が生ずる層である。ゲイン領域のより詳細な説明については、図４を参照して与えられる。
【００４２】
レーザ発振装置１０００は、電流閉じ込め開口１０２１を区画する閉じ込め層１０２０をさらに具備する。閉じ込め層１０２０は、１層の酸化半導体材料すなわち酸化層である。酸化層１０２０は、レーザ発振装置１０００内でアルミニウム高含量半導体層を成長させ、さらにその層を酸化させることにより一般的に得られる。酸化した部分は、非導電性及び低屈折率を有し、活性層１２２０に生じた光場をある程度閉じ込める。電流閉じ込め開口１０２１は、酸化層１０２０のうちの非酸化部である。レーザ発振装置１０００を順方向にバイアスすることにより発生する電流場及び光場は、電流閉じ込め開口１０２１内に殆ど閉じ込められる。
【００４３】
第２反射器１１００は、電流閉じ込め層１０２０の上に形成される。第１及び第２の鏡すなわち反射器１３００，１１００は、互いに逆の型の導電性を有してダイオード接合を形成するように、不純物でドープされる。第２鏡１１００及び第２クラッド層１２１０はｐ型であるのに対し、第１鏡１３００及び第１クラッド層１２３０はｎ型である。活性層１２２０は、１層以上の真性半導体を有する。
【００４４】
図１の構造によれば、レーザ発振装置１０００はｐ−ｉ−ｎダイオード接合である。しかし、上述した構成とは異なる他の構成も、レーザ発振装置１０００の特定用途に従って使用可能である。さらに、別の一実施形態において、第１及び第２の鏡１３００，１１００は真性半導体又は誘電体であってもよく、ｐ型及びｎ型半導体層は、活性層１２２０への電気接続部を提供するために第１及び第２の鏡１３００，１１００の間に埋設されてもよい。
【００４５】
第２鏡１１００は、第１鏡領域１１４０と、第１鏡領域１１４０を取り囲む第２鏡領域１１３０とを具備する。第２鏡領域１１３０の反射率Ｒ2は、第１鏡領域１１４０の反射率Ｒ1より大きくなるよう選択される。第１鏡領域１１４０は、電流閉じ込め開口１０２１の上の第２反射器１１００内に形成される。第１鏡領域１１４０の面積は、電流閉じ込め開口１０２１の面積よりも大きく、また、電流閉じ込め開口１０２１を直に取り囲む酸化層１０２０の一部と部分的に重なる。しかし、本発明の好適な別の実施形態において、第１鏡領域１１４０は、電流閉じ込め開口１０２１と同寸法か、又は小さい寸法を有するように選択されてもよい。
【００４６】
第１及び第２の反射領域１１４０，１１３０は、第２鏡１１００の上面に上反射器１１１０を追加することにより得られる。上反射器１１１０は、高低の屈折率を交互に有する誘電体層で形成された分布ブラッグ反射器、金属反射器、又はそれらの組み合わせであってもよい。
【００４７】
レーザ発振装置１０００を順方向にバイアスすると、正孔及び電子は、ｐドープ層１２１０及びｎドープ層１２３０から活性層１２２０にそれぞれ移動する。ｐ−ｉ−ｎ接合のｐ側及びｎ側から活性層１２００に注入された正孔及び電子の再結合により、発光する。活性層１２２０が挟まれた第１及び第２の鏡１３００，１１００は、キャビティスペーサ１２００と共に共振キャビティを形成する。光は、レーザ発振装置１０００から発射する前に共振キャビティ内で反射される。
【００４８】
第１鏡領域１１４０、第１鏡領域１１４０の面積に対応すると共にその下に配置されたキャビティスペーサ１２００の部分、及び第１誘電体鏡１３００は、レーザ発振装置１０００の製造に使用される半導体材料のエネルギーギャップに依存すると共にキャビティスペーサの厚さに依存する波長で発光する主レーザ１４００を画定する。同様に、第１鏡領域１１４０を取り囲む第２鏡領域１１３０、その下のキャビティスペーサ１２００の部分、及び第１誘電体鏡１３００は、補助レーザすなわち防護レーザ１５００を画定する。防護レーザ１５００は、主レーザ１４００を画定するレーザ発振装置１０００の部分を取り囲む。電流閉じ込め開口１０２１を取り囲むと共に第２鏡領域１１３０の下に配置された活性層１２２０の部分は、酸化層１０２０により隔離されている。従って、正孔は、ｐ型鏡から活性層の前記部分に直接注入することができない。その代わり、補助レーザ１５００の活性領域に対応する活性領域１２２０の周辺に主レーザ１４００の活性領域に対応する活性領域１２２０の中心から、キャリアが漏れる。換言すると、補助レーザ１５００の再結合キャリアは、活性層１２２０の中心から注入される。活性層の詳細及び活性層の異なる領域については、図５を参照して与えられる。
【００４９】
第１鏡領域１１４０に対応する活性層１２２０の中心における、閾値での及び閾値を超えるキャリア密度は、活性層における閾値ゲインに一般的に依存するので、誘電体鏡１１００，１３００の反射率に依存する。一般的に、閾値でのキャリア密度は、レーザ発振装置の誘電体鏡１１００，１３００の反射率に逆比例する。本発明に係るレーザ発振装置において、第２鏡領域１１３０の反射率Ｒ2は、第１領域１１４０の反射率Ｒ1より大きい。この構成により、補助レーザ１５００のより低い閾値キャリア密度が与えられる。主レーザ１４００及び補助レーザ１５００及び対応する活性層の設計のより詳細な説明については、図５を参照して与えられる。
【００５０】
レーザを発射する垂直キャビティ面において、第１鏡１３００の反射率は、約99.5〜99.9％の範囲内である。この値は、エッジ発射レーザの場合では低くなり得る。
【００５１】
レーザ発振装置１０００の作動原理についての詳細は、図２ないし図５で説明される本発明の別の実施形態に適用される。
【００５２】
図１のレーザ発振装置１０００は、第１鏡１１００の上面に配置された第１端子コンタクト１０１０と、基板の下面に配置された第２端子コンタクト（図示せず）とをさらに具備する。
【００５３】
図２は、本発明に係る別の実施形態のレーザ発振装置２０００を示す。レーザ発振装置２０００は、基板２０３０、第１鏡２３００、互いに逆のタイプの導電性を有する第１クラッド層２２３０及び第２クラッド層２２１０を有するキャビティスペーサ２２００、第２鏡２１００、並びに第２クラッド層２２１０及び第２鏡２１００の間に挟まれた電流閉じ込め層２０２０を具備する。第１鏡２３００及び第２鏡２１００は、互いに逆のタイプの導電性を達成するようドープされる。特に、第１反射器２３００及び第１クラッド層２２３０はｎ型ドーパントでドープされるのに対し、第２反射器２１００及び第２クラッド層２２１０はｐ型ドーパントでドープされる。電流閉じ込め層２０２０は電流閉じ込め開口２０２１を有する。
【００５４】
第２鏡２１００は、電流閉じ込め開口２０２１に対応する第１鏡領域２１４０を有する。第１鏡領域２１４０の面積は、電流閉じ込め開口２０２１の面積よりも大きく、電流閉じ込め開口２０２１を直に取り囲む電流閉じ込め領域２０２０の一部上に部分的に延びていてもよい。
【００５５】
有利な一例において、第１鏡領域２１４０の面積Ｓ1及び電流閉じ込め開口２０２１の面積Ｓ0の比は約1.4である。この値は普遍的ではなく、レーザ発振装置の特定設計によっては変更してもよい。より正確には、最適比Ｓ1／Ｓ0は、特定実施形態の詳細、例えば量子井戸の数、量子井戸及びバリア層の合成、並びに第１及び第２の反射器の実際の反射率に基いて、選択されてもよい。最適比は実験により見つけてもよい。一例として、面積Ｓ1が異なる第１鏡領域を有するいくつかのデバイスは、半導体ウエハ等の一基板上に処理されてもよい。最適設計は、電流閾値、微分効率、変調バンド幅や、変調後の電流がデバイスに印加される際に発生する光信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間等のパラメータの直接計測で見つけてもよい。電気通信用途で広く使用される多くの実践的構成では、比Ｓ1／Ｓ0は、1.0〜3.3の範囲内で選択するのが有利である。
【００５６】
一特定構成において、電流閉じ込め開口２０２１及び第１鏡領域２１４０は、円形を有する。この場合、電流閉じ込め開口及び第１鏡領域の直径Ｄ0，Ｄ1は、パラメータとして使用してもよい。従って、第１鏡領域２１４０の直径Ｄ１及び電流閉じ込め開口２０２１の直径Ｄ0の比は、1.2である。また、この場合、最適比Ｄ1／Ｄ0は、特定実施形態の詳細、例えば量子井戸の数、量子井戸及びバリア層の合成、並びに第１及び第２の反射器の実際の反射率に依存する。最適比は実験により見つけてもよい。一例として、いくつかの異なるＤ1値を有するデバイスが、一基板上に処理されてもよい。最適設計は、電流閾値、微分効率、変調バンド幅や、変調後の電流がデバイスに印加される際に発生する光信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間等のパラメータの直接計測で見つけてもよい。多くの実践的構成では、比Ｄ1／Ｄ0は、1.0〜1.8の範囲内で探るのが有利である。
【００５７】
電流閉じ込め領域２０２０は、図１を参照して説明したものでは酸化層であるか、又はクラッド層２２１０に陽子等のイオン注入により得られてもよい。一例として、電流閉じ込め領域が注入で得られる場合、水素イオン等のイオンは、例えばクラッド層２２１０等のレーザ発振装置の構造物内の、電流閉じ込め開口２０２１を除くどこにでも注入される。イオン注入が開口の周囲の格子構造を破壊することにより、この領域を電流が通ることを抑制する。
【００５８】
別の実施形態において、電流閉じ込めは、パターン化されたトンネル接合により得られる。最後に、第１端子コンタクト２０１０が鏡２１００の上面に配置され、第２端子コンタクト（図示せず）が基板２０３０の下面に配置される。
【００５９】
レーザ発振装置２０００の作動原理は、レーザ発振装置１０００の作動原理と同じであるので、再度説明しない。
【００６０】
第１鏡２３００及び第２鏡２１００は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造である。第１鏡２３００は、高低の屈折率を交互に有する第１層２３２０及び第２層２３１０の積層を有する。第１層２３２０及び第２層２３１０の各々は、材料のレーザ波長の１／４の厚さを有する。上述の設計に従った第１鏡２３００の層の組成により、99〜99.9％の範囲の強度反射率が得られる。同様に、第２鏡２１００も、高低の屈折率を交互に有する第１層２３２０及び第２層２３１０の積層を有する。本発明の好適な実施形態において、第１鏡２３００及び第２鏡２１００は、それぞれ３０対及び２１対の層２３１０，２３２０を有する。しかし、子の構成に限定するものではなく、第１鏡２３００及び第２鏡２１００は、ＤＢＲ２１００については２２層でＤＢＲ２３００については３４層等の任意の数の層を有してもよい。
【００６１】
図２の特定実施形態においては、鏡は分布ブラッグ反射器製であるが、レーザ発振装置２０００の第１鏡及び第２鏡も、ドープされた半導体層に配置された金属薄膜等を使用する等の他の手段により得てもよい。
【００６２】
第２反射器２１００は、第１鏡領域２１４０及び第２鏡領域２１３０を有する。第２鏡領域２１３０は、第１鏡領域２１４０よりも高い反射率を有する。これは、第２鏡２１００の上面に上反射器２１１０を追加することにより得られる。反射器２１１０は、高低の屈折率を交互に有する半導体又は誘電体の層、金属反射器、又はこれらの組み合わせで形成された追加の分布ブラッグ反射器であってもよい。
【００６３】
或いは、第２鏡領域２１３０は、構造物の一部のみを成長させ、その構造物をパターンにし、より多くの層を成長させるか又は誘電体層を追加することにより、第２鏡２１００を形成する１以上の第２層２３１０を変更して得られる。
【００６４】
さらに、別の実施形態において、第２鏡領域２１３０は、酸化開口に対するやり方と同様に半導体層を変換することにより、第２鏡２１００を形成する１以上の第２層２３１０を変更して得られる。
【００６５】
追加の反射器２１１０の形状は、第１鏡領域２１４０の形状に依存すると共に、電流閉じ込め開口２０２１の設計形状に依存する。より正確には、追加の反射器２１１０は、第１鏡領域２１４０を取り囲むように設計される。図２の実施形態において、電流閉じ込め開口２０２１は円形であり、この場合、第２鏡２１３０及び追加の反射器２１１０はリング状部を有する。しかし、提案された解決策及びその説明は、任意の形状を有する電流閉じ込め開口、第１鏡領域及び第２鏡領域を有するデバイスに適用される。
【００６６】
第１鏡領域２１４０、ゲイン領域すなわち第１鏡領域２１４０の面積に対応すると共にその下に配置されたキャビティスペーサ２２００の一部、及び第１鏡２３００は、レーザ発振装置２０００を製造するために使用される半導体材料のエネルギーギャップに依存すると共にキャビティスペーサ２２００の厚さに依存する１以上の波長を有する光を発射する主レーザ２４００を画定する。同様に、第１鏡領域２１４０を取り囲む第２鏡領域２１３０、第２鏡領域２１３０の下のキャビティスペーサ２２００の一部、及び第１鏡２３００は、補助レーザすなわち防護レーザ２５００を画定する。防護レーザ２５００は、主レーザ２４００を画定するレーザ発振装置２０００の一部を取り囲む。
【００６７】
図２において、レーザ発振装置２０００における主レーザ及び補助レーザの配置は、縦の破線で示される。特に、２本の破線の間の領域は主レーザ２４００であるのに対し、レーザ発振装置の破線の外側の領域は補助レーザ２５００である。図１及び図３の実施形態においても同様である。
【００６８】
図３は、本発明の別の一実施形態に係るレーザ発振装置３０００の断面図である。図３のレーザ発振装置３０００は、図２を参照して既に説明した全ての部品を具備する。具体的には、レーザ発振装置は、第１鏡３３００、第２鏡３１００、第１クラッド層３２３０、第２クラッド層３２１０、電流閉じ込め層３０２０及び活性層３２２０を具備する。第１鏡領域３１４０、第１鏡領域３１４０の面積に対応すると共にその下に配置されたキャビティスペーサ３２００の部分、及び第１鏡３３００は、レーザ発振装置３０００を製造するために使用される半導体材料のエネルギーギャップに依存すると共にキャビティスペーサ３２００の厚さに依存する１以上の波長を有する光を発射する主レーザ３４００を画定する。同様に、第１鏡領域３１４０を取り囲む第２鏡領域３１３０、第２鏡領域３１３０の下のキャビティスペーサ３２００の一部、及び第１鏡３３００は、補助レーザすなわち防護レーザ３５００を画定する。防護レーザ３５００は、主レーザ３４００を画定するレーザ発振装置３０００の一部を取り囲む。
【００６９】
図２の実施形態の代替として、鏡３１００の上層３１１０は、第１鏡領域３１４０に対応する領域で変更された厚さを有する。より正確には、第２鏡３１００は、高屈折率３１１０及び低屈折率３１２０の交互の層の積層からなるＤＢＲ反射器である。これらの層の厚さは、ＤＢＲ積層には最高の反射率を与える、半導体材料の１／４レーザ波長の奇数倍である。ＤＢＲ３１００は、高屈折層３１１０で終端する。この最上誘電体層３１１０の厚さは、半導体材料の１／４レーザ波長の偶数倍となるように変更される。１／４波長の偶数倍がＤＢＲ反射器の反位相状態を生じさせることにより、積層の反射率を最小にする。従って、この実施形態において、第１鏡領域３１４０は、主レーザ３５００に対応する領域に沿って第２ＤＢＲ反射器の最上層３１１０の厚さを小さくすることにより、実現する。
【００７０】
本発明に係るレーザ発振装置１０００，２０００，３０００は、ガリウムアルミニウム砒素及びガリウム砒素（GaAlAs/GaAs）で形成された積層を基礎にして設計され、約650〜1300nmの範囲の波長の光を発射する。特に、本明細書に説明された実施形態は、約850nmの波長の光を発射する。しかし、これらのデバイスは、980nm又は1060nm等の他の波長の光を発射するよう設計されてもよい。
【００７１】
図２及び図３のレーザ発振装置は面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。これらの面発光レーザの設計は、Ga(1-x)AlxAs層で形成された積層を基礎にする。第１鏡２３００，３３００及び第２鏡２１００，３１００は、所望の反射率を提供する別の組成を有する層の対を使用する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。キャビティスペーサ２２００，３２００もまたGa(1-x)AlxAsである。なお、所望の電気搬送及び閉じ込め特性を得るために、ｘは変更されている。活性層２２２０，３２２０は、Ga(1-x)AlxAs障壁（図示せず）を有する多数のGaAs量子井戸（図示せず）を有する。キャビティスペーサ２２００，３２００のより詳細な説明は、図４を参照して行なわれる。別の一実施形態において、活性層２２２０，３２２０は、Ga(1-x)AlxAs障壁（図示せず）を有する歪みGa(1-x)InxAs量子井戸を有してもよい。この解決策は、Ga(1-x)InxAs半導体材料が良好な性能及び高い信頼性を保証するので、高性能面発光レーザに特に有利である。
【００７２】
具体的な一例として、第２ＤＢＲ２１００，３１００はｐドープされ、第１ＤＢＲ２３００，３３００はｎドープされる。基板２０３０，３０３０はｎドープされたGaAsである。キャビティスペーサ２２００，３２００は分離した閉じ込め構造として設計されており、段階的なｘを有するGa(1-x)AlxAs層であってもよい。一例として、ｘは0.3〜0.9の範囲内である。活性層２２２０，３２２０は、３個のGa(1-x)InxAs量子井戸からなる。ここで、ｘは5〜10％の範囲内であり、Ga(1-x)AlxAs障壁については、ｘは約30〜40％の範囲内である。第２ＤＢＲ鏡２１００，３１００及びキャビティスペーサ２２００，３２００間のレーザ発振装置２０００，３０００のｐ側には、酸化層２０２０，３０２０が設けられる。酸化層２０２０，３０２０は、0.96〜0.98の範囲内の高いｘを有する薄いGa(1-x)AlxAsであり、、電流閉じ込め開口２０２１，３０２１を形成するために、外周から内方へ部分的に酸化されている。酸化層２０２０，３０２０の酸化部は非導電性であり、光場をある程度閉じ込める低屈折率を有する。
【００７３】
別の一実施形態において、酸化層２０２０，３０２０は、第２ＤＢＲ反射器２１００，３１００内に、又は活性層２２２０，３２２０の上のキャビティスペーサ２２００，３２００内に配置されてもよい。さらに別の一実施形態において、酸化層２０２０，３０２０に加えて、第１ＤＢＲ鏡２３００，３３００及びキャビティスペーサ２２００，３２００の間に、又は第１ＤＢＲ鏡２３００，３３００内に、又は活性層２２２０，３２２０の下のキャビティスペーサ２２００，３２００内に、第２酸化層（図示せず）を設けてもよい。
【００７４】
一般的には、酸化層２０２０，３０２０及び結果的に生ずる電流閉じ込め開口２０２１，３０２１は、レーザ発振装置１０００，２０００，３０００のｐドープされた側に配置される。この構成は一般的に、ｎ側にちょうど１個の開口を配置することに比べて、よりよい電流閉じ込めを与える。特に、層は、ｐ−ＤＢＲ２１００，３１００及びキャビティスペーサ２２００，３２００の間、又はキャビティスペーサ２２００，３２００に最も近いｐ−ＤＢＲ２１００，３１００の第１対のうちの１個にある。しかし、ｐ側に、又はｐ側及びｎ側の双方に複数の開口を有する等の他の多くの構成も使用できる。様々な構成は、電流閉じ込めの改善、寄生キャパシタンスの減少、及び光場の横閉じ込めの最適化を目的とする。
【００７５】
図１ないし図３に示されたレーザ発振装置１０００，２０００，３０００において、電流閉じ込め開口１０２１，２０２１，３０２１の面積は、主レーザ１４００，２４００，３４００を画定する第１鏡領域１１４０，２１４０，３１４０の面積より小さいので、第２鏡領域１１３０，２１３０，３１３０を画定するリングの内径より小さい。電流閉じ込め開口１０２１，２０２１，３０２１の直径及び防護リング１１３０，２１３０，３１３０の内径の関係は、主レーザ１４００，２４００，３４００及び防護リングレーザすなわち補助レーザ１５００，２５００，３５００間の結合相互作用を示す。所望の効果を達成するために、主レーザ１４００，２４００，３４００及び補助レーザ１５００，２５００，３５００に対応する活性相互接続１２２０，２２２０，３２２０の部分と、主レーザ１４００，２４００，３４００及び補助レーザ１５００，２５００，３５００の光場は、ある程度重なる。
【００７６】
さらに、上述の構成において、防護リングレーザ１５００，２５００，３５００は、主レーザの活性領域から漏れるキャリアを活用するよう作動する。
【００７７】
防護リング１１３０，２１３０，３１３０の内径が大きく形成される場合、結合が減少すると共に、主レーザの周辺でのキャリア密度が印加変調でより大きく揺動するのに対し、防護レーザ１５００，２５００，３５００の活性領域内で相対的にクランプされたままである。この結果、防護は効果的でなくなる。また、リングの内径が大きく形成されると、防護レーザの活性相互接続１２２０，２２２０，３２２０の部分のキャリア密度は、効果的に低くなる。キャリア密度が閾値より小さい場合、防護レーザはレーザ発振せず、防護効果は失われる。
【００７８】
他方、内径が小さく形成される場合、防護リングは、デバイス内で注入されたキャリアのうちかなりの割合を消費する。これは、主レーザの効率を低下させる効果的な損失機構であり、一般には性能劣化となる。極端な場合、例えばデバイスに注入されたキャリアのかなりの割合を消費することにより、防護レーザが支配的になって主レーザを停止させる。第１反射領域の直径及び電流閉じ込め開口の直径の最適比は、本明細書で説明したように、本発明の特定実施形態に依存する。また、上述したように、この最適比は実験で見つけてもよい。第１鏡領域３１４０の外径Ｄ1及び電流閉じ込め開口３０２１の直径Ｄ0の最適比は、多くの実施形態では1.0〜1.8の範囲内である。
【００７９】
電流閉じ込め開口、第１反射領域及び第２反射領域の寸法の関係は、主レーザ及び防護レーザ間の結合を制御し、これにより、防護レーザの有効性が主レーザの周辺の過剰キャリアの容量効果を低減する。特に、円形の電流閉じ込め開口の場合、主レーザ及び防護レーザ間の結合は、径Ｄ0，Ｄ1，Ｄ2間の関係により制御される。好適な一構成において、第２反射領域の内径Ｄ2は、第１反射領域の径Ｄ1に等しい。この特定構成において、主レーザ及び防護レーザ間の結合は、Ｄ1及びＤ0の比によって制御される。
【００８０】
特定径Ｄ0を有する電流閉じ込め開口に関し、第１反射領域の径Ｄ1を小さくすることは、補助レーザ及び主レーザ間をより強く結合し、過剰キャリアの容量効果をより効果的に減少させる。同時に、Ｄ1を小さくすることは、デバイスに注入されたキャリアのかなりの割合が防護レーザによって消費されることになり、これにより、主レーザからのキャリア損失が増大し、主レーザの閾値電流を大きくすると共に効率を低下させる。一般的に理解されるように、防護レーザによる過剰キャリアの効果の低減と、主レーザからのキャリア損失とは二律背反である。第１反射領域及び電流閉じ込め開口の径の最適比は、特定の材料及びデバイスの全体設計に依存する。一般的な状況では、最適比Ｄ1／Ｄ0は1.0〜1.8の範囲内である。
【００８１】
しかし、本発明が広く多様な材料の組み合わせで且つ比較的広い範囲でカバーする他の具体的な設計パラメータで実現化されるデバイスに適用できるので、最適比は、特定実施形態ではこの範囲外になる可能性がある。例えば、電流閉じ込め開口及び第１鏡領域は、円形とは異なる形状を有してもよい。この場合、第１鏡領域３１４０の面積Ｓ1及び電流閉じ込め開口３０２１の面積Ｓ0は、パラメータとして選択される。比Ｓ1／Ｓ0の値は、図２を参照して既に説明したように、1.0〜3.3の範囲内で選択される。有利な比Ｓ1／Ｓ0の値は1.4である。
【００８２】
図４は、レーザ発振装置１０００，２０００，３０００に使用されるキャビティスペーサ２００の一部を概略的に示す。キャビティスペーサ２００は、第１クラッド層２３０及び第２クラッド層２１０を具備する。これらのクラッド層２３０，２１０は、半導体材料で形成されると共に、逆のタイプの導電性を達成するようにドープされる。図４の特定実施形態において、第１クラッド層２３０はドナー（ｎ型）でドープされるのに対し、第２クラッド層２１０はアクセプタ（ｐ型）でドープされる。キャビティスペーサ２００は、第１及び第２のクラッド層２３０，３１０間に挟まれた活性相互接続２２０をさらに具備する。
【００８３】
活性相互接続２２０は、複数の真性半導体材料層を具備する。より正確には、活性層２２０は、交互に配置された量子井戸２２１及び障壁２２２の積層を具備する。上述したように、量子井戸２２１はGa(1-x)InxAs層からなり、ｘは5〜10％の範囲内であるのに対し、障壁２２２はGa(1-x)AlxAs層を有し、ｘは約30〜40％の範囲内である。
【００８４】
図４は、３個の量子井戸２２１及び２個の量子井戸障壁２２２を有する活性層を示すが、この構成は限定するものと考えるべきではない。より正確には、活性層２００は、レーザ発振装置１０００，２０００，３０００の特定用途に依存して、任意の数の量子井戸２２１及び量子井戸障壁２２２を有してもよい。
【００８５】
活性層２００は、量子井戸２２１及び障壁２２２の積層を挟む２層の真性閉じ込め層２２３をさらに有する。これらの閉じ込め層２２３は、量子井戸２２１及びクラッド層２１０，２３０の間に配置されており、段階的であってもよい。
【００８６】
図５は、本発明に係るレーザ発振装置の作動原理を示す概略図である。図５を図３の実施形態を参照しているが、図５を参照して説明された原理は図１及び図２で説明した実施形態にも当てはまる。
【００８７】
図５は、レーザ発振装置３０００に印加された順方向バイアスに依存する活性層３２２０のキャリア密度を特に示す。曲線（１）は、レーザ発振装置３０００の高状態に対応する高電流レベルでのキャリア密度を示す。曲線（３）は低電流レベルでのキャリア密度を示すのに対し、曲線（２）は電流が高レベルから低レベルに切り換わった直後のキャリア密度を示す。
【００８８】
閾値を超えるバイアスでの理想的レーザにおいて、活性層のキャリア密度は、閾値キャリア密度でクランプされる。キャリア密度をクランプすることは、キャリアの誘導再結合及び光子の誘導放出による活性層における光場（光子密度）及びキャリア密度の結合の直接的効果である。キャリア密度は、共振回路の総光損失を補償するために光場を十分に増幅する。閾値を超えるキャリア密度の増加は、総損失を超えるゲインという結果となり、光子密度及び誘導再結合率の迅速な増加を招く。この方法は、過剰キャリアを消費することにより、閾値レベルを元の状態に戻す。
【００８９】
図５のレーザ発振装置３０００において、電流が閾値を超えて増加すると、活性層３２２０におけるキャリア密度は、完全にはクランプされないが、内部加熱のため温度が上昇するとゲイン減少を補償するために増加し続ける。キャリア密度の増加を招く別の要素は、光子密度、又はレーザ発振装置３０００で発生する光場の強度の増加である。光損失を超えるゲインという結果となる過剰キャリア密度は、主に誘導再結合により効果的に消費される。
【００９０】
図５は、活性層３２２０が有する異なる区域を示す。より正確には、レーザ発振装置３０００が順方向にバイアスされる際に、正孔は、ｐ型クラッド層３２１０から区域３２２１へ電流閉じ込め開口３０２１を通って注入される。区域３２２１は、主レーザ３４００の活性領域すなわち主活性領域である。光場強度は、区域３２２１の中心に最大値を有する。主活性領域３２２１におけるキャリア密度は、高い光場強度により生ずる強い誘導再結合のため、バイアス電流の変化により反応する。
【００９１】
区域３２２２は、区域３２２１を取り囲むと共に、電流閉じ込め層３０２０によりシールドされる。区域３２２２は補助活性領域である。層３０２０により、クラッド層３２１０から補助活性領域３２２２へのキャリアの直接的注入が抑制される。従って、補助活性領域３２２２は、主活性領域３２２１から漏れるキャリアを主に有する。第２鏡３１００の第２鏡領域３１３０が主レーザ３４００を区画する第１鏡領域３１４０より高い反射率を有するので、補助活性領域３２２２における誘導再結合率は、従来の設計のデバイスと比べて増大している。これは、補助活性領域におけるキャリア密度の増加を制限する効果を有し、補助レーザ３５００の活性領域に対応する。
【００９２】
このようにして、高電圧値から低電圧値に切り換わる際に、主レーザ３４００の活性領域の周辺に過剰キャリアがない。これにより、活性層３２２０の周辺から中心へのキャリアの横再分布を抑制し、レーザの容量効果を生じさせる。
【００９３】
防護レーザすなわち補助レーザ１５００，２５００，３５００の発射波長は、レーザ発振装置１０００，２０００，３０００の半導体材料、活性層１２２０，２２２０，３２２０における半導体のエネルギーギャップ、及びキャビティスペーサ１２００，２２００，３２００に依存する。防護レーザ１５００，２５００，３５００は、主レーザ１４００，２４００，３４００の波長に極めて近い波長で発光する。主レーザ及び補助レーザに同じ半導体材料が利用できるので、本解決策は実施が容易でより低コストである。しかし、防護レーザは主レーザと同じ波長で発光する必要はなく、本発明の原理及びアイデアは、防護レーザが主レーザとは異なる波長で発光するレーザ発振装置にも適用される。
【００９４】
さらに、主レーザ１４００，２４００，３４００及び防護レーザ１５００，２５００，３５００の双方は、いくつかの近接する波長を含むマルチモード発光を有してもよい。異なる共振回路形状及び２レーザのキャリア及び光子の密度分布は、異なるモード分布となるので、若干異なる発光波長の組となる。
【００９５】
図６は、本発明に係る光モジュール６０００の断面図である。光モジュール６０００は、光トランシーバであってもよいし、印刷回路基板（ＰＣＢ）、接続ソケット等の回路キャリアに接続され、次に中間基板用途用、内部基板又は基板間モジュール用の光ファイバ相互接続で使用されてもよい。光モジュール６０００は、１個以上の集積回路（図示せず）又は任意の種類の表面実装部品が固定された透光性キャリア６１００を具備する。透光性キャリア６１００は、１個以上のレーザ発振装置１０００，２０００，３０００をさらに具備してもよい。
【００９６】
透光性キャリア６１００は、定義された波長を透過するパイレックス（登録商標）ガラス製であり、中間基板用途で使用される標準通信波長は850nmである。しかし、透光性キャリアは、光モジュールの特定用途に従って他の波長を透過するように選択されてもよい。さらに、パイレックス（登録商標）ガラスの代替として、他の光特性を有する他のタイプの透光性材料を使用してもよい。
【００９７】
透光性キャリア６１００は、その第１面６１２０に金属配線及び第１電気接続パッド６０３０をさらに具備する。第１面６１２０は、以下では透光性キャリア６１００の上面である。レーザ発振装置１０００，２０００，３０００は、第１面６１２０上に実装され、透光性キャリア６１００に電気接続される。レーザ発振装置１０００，２０００，３０００は、任意の種類の公知の導電手段、例えば半田バンプ６０１０により、透光性キャリア６１００に取り付けられる。透光性キャリア６１００が有する金属トレースは、半田バンプを介してレーザ発振装置１０００，２０００，３０００を電気接続パッドすなわち電気接続端子６０３０に接続する。電気接続端子６０３０は、透光性キャリア６１００の周辺に配置される。透光性キャリア６１００は、キャリア基板６４００に機械的且つ電気的に接続される。
【００９８】
レーザ発振装置１０００，２０００，３０００は、上述の特定実施形態において透光性キャリア６１００の第１面６１２０上に実装されていたが、透光性キャリア６１００の別の面に実装されてもよい。
【００９９】
光モジュール６０００の作動の際、キャリア基板及び透光性キャリアを介して電気信号が送られるレーザ発振装置１０００，２０００，３０００は、透光性キャリア６１００を通ってキャリア基板６４００の下面の方へ発光する。次に、発射された光は、光結合部材（図示せず）に受信され、導波路等の導光部材に結合される。
【０１００】
キャリア基板６４００は、光モジュール６０００が高ビットレート光ファイバ用途に使用できるように、高周波信号伝送を取り扱うことができる。さらに、透光性キャリア６１００及びキャリア基板６４００は、フリップチップ設計に従って接続される。
【０１０１】
本発明の別の一実施形態は、光相互接続で使用するためのレーザ発振装置（１０００，２０００，３０００）を形成する方法を手供する。この方法は、図１ないし図３のレーザ発振装置を参照し、半導体基板上に第１反射積層（１３００，２３００，３３００）を形成する工程を具備する。続いて、第１反射積層（１３００，２３００，３３００）上にキャビティスペーサ（１２００，２２００，３２００）が形成される。キャビティスペーサは、第１及び第２のクラッド層と、それらの層の間に挟まれた活性層（１２２０，２２２０，３２２０）とを具備する。さらに、第２クラッド層上に、電流閉じ込め開口（１０２１，２０２１，３０２１）内に電流を閉じ込める閉じ込め層（１０２０，２０２０，３０２０）が形成される。活性層上には第２反射積層（１１００，２１００，３１００）が形成される。
【０１０２】
第２反射積層（１１００，２１００，３１００）は、電流閉じ込め開口上に配置された第１反射領域（１１４０，２１４０，３１４０）と、第１鏡領域（１１３０，２１３０，３１３０）を取り囲む第２鏡領域（１１３０，２１３０，３１３０）とを画定するために変更される。特に、第１及び第２の鏡領域は、第２反射器（１１００，２１００，３１００）の最上層をマスキングし、その後第２反射器（１１００，２１００，３１００）に浅い表面レリーフをエッチングすることにより、実現される。第１鏡領域(１１３０，２１３０，３１３０)は電流閉じ込め開口と同じ形状を有するが、その面積は、電流閉じ込め開口の面積よりも大きくなるよう選択される。
【０１０３】
活性層（１２２０，２２２０，３２２０）において、電流閉じ込め開口に整列する主活性領域（３２２１）、及び主活性領域を取り囲む補助活性領域（３２２２）が画定される。主活性領域は、電流閉じ込め開口よりも大きく、電流閉じ込め開口の下に活性層の区域を具備する。活性層の区域には、ｐドープされた側及びｎドープされた側からキャリアが直接注入される。活性層の領域は、この区域を直に取り囲む。
【０１０４】
本発明の特定一実施形態において、電流閉じ込め開口は、8μmの直径を有する。第１反射領域の直径は11μmである。別の実施形態において、電流閉じ込め開口の直径は10μmであり、第１反射領域の直径は13μmである。上述の構成は、特定例であって決して制限するものと考えるべきではない。実際に、電流閉じ込め開口及び第１反射領域の直径は、上述の値とは異なるよう選択されてもよい。電流閉じ込め開口及び第１反射領域の寸法及び形状は、レーザ発振装置の設計及び特定用途に依存する。より正確には、これらの値は、キャビティスペーサ、特にクラッド層に使用されるエピタキシャル材料の有効背景ドーピング等の、使用される材料の特性及び設計の他のパラメータに依存する。これらの特性は、特定設備及び異なる層を製造するのに使用される成長の秘訣に極めて特有である。従って、電流閉じ込め開口及び第１反射領域の寸法は、所与の値から外れてもよい。
【０１０５】
上述の方法は、第２反射器（１１００，２１００，３１００）を変更するためのエッチング技法を説明する。しかし、本発明の別の実施形態に従って、代替の方法を使用してもよい。より正確には、第２鏡領域（１１３０，２１３０，３１３０）は、所望形状のレリーフを画定するように第２反射器（１１００，２１００，３１００）の一部上に、第１反射領域に対応する別の反射器積層を成長させることにより形成されてもよい。或いは、第２反射器（１１００，２１００，３１００）上に金属層等の高反射材料層を実装してもよい。
【０１０６】
上述したように形成された第２反射領域及び第１反射器は、補助活性領域に誘導再結合を誘導する。
【０１０７】
本発明は、高ビットレート直接変調光相互接続に使用されるバイアス電圧の高低変化に対する反応が改善されたレーザ発振装置を提供する。
【０１０８】
本発明によれば、補助レーザすなわち防護レーザは、主レーザを取り囲み、主レーザの活性領域を取り囲む過剰キャリアをなくすので、主レーザの活性領域における過剰キャリアの容量効果を低減する。これは、主レーザの反射器より高い反射率を有する反射器を具備する主レーザを取り囲む共振キャビティを設けることにより得られる。このようにして、主レーザを取り囲む活性層の面積における光場の強度は、主レーザの周辺で誘導再結合率を増大させるので、過剰キャリアをなくす。図１ないし図６を参照して上述した解決策により、25Gbps以上のビットレートの用途で高変調バンド幅を支持できるレーザ発振装置及び光モジュールを低コストで且つ容易な設計で製造することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
２００    活性層
２２１    量子井戸
２２２    障壁
２２３    閉じ込め層
１０００  レーザ発振装置
１０２０  閉じ込め層
１０２１  電流閉じ込め開口
１０３０  半導体基板
１１００  第２反射器
１１１０  上反射器（反射器要素）
１１３０  第２反射領域
１１４０  第１反射領域
１２１０  第２クラッド層
１２２０  活性層
１２３０  第１クラッド層
１３００  第１反射器
１４００  主レーザ
１５００  補助レーザ
２０００  レーザ発振装置
２０２０  閉じ込め層
２０２１  電流閉じ込め開口
２０３０  半導体基板
２１００  第２反射器
２１１０  上反射器（反射器要素）
２１３０  第２反射領域
２１４０  第１反射領域
２２１０  第２クラッド層
２２２０  活性層
２２３０  第１クラッド層
２４００  主レーザ
２５００  補助レーザ
３０００  レーザ発振装置
３０２０  閉じ込め層
３０２１  電流閉じ込め開口
３０３０  半導体基板
３１００  第２反射器
３１１０  高反射率
３１２０  低反射率
３１３０  第２反射領域
３１４０  第１反射領域
３２１０  第２クラッド層
３２２０  活性層
３２３０  第１クラッド層
３２２１  主活性領域
３２２２  補助活性領域
３４００  主レーザ
３５００  補助レーザ
【図１】
2012253351.tif 000003
【図２】
2012253351.tif 000004
【図３】
2012253351.tif 000005
【図４】
2012253351.tif 000006
【図５】
2012253351.tif 000007
【図６】
2012253351.tif 000008
【図７】
2012253351.tif 000009
【図８】
2012253351.tif 000010