(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層の上下に反射鏡を有する垂直共振器を持つ面型半導体レーザにおいて、少なくとも一方の分布反射鏡を少なくともＭｎ，Ｃｄ，Ｃｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれかを構成元素として含む磁性半導体層で構成したことを特徴とする偏波制御面型半導体レーザ。
【請求項２】
上記活性層の近傍に、前記活性層の主面の平行な方向に磁場を印加する手段を、互いに直交するように２つ設けたことを特徴とする請求項１記載の偏波制御面型半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の偏波制御面型半導体レーザの駆動方法において、基板に平行な方向に磁場を印加することによって偏波モードを選択することを特徴とする偏波制御面型半導体レーザの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏波制御面型半導体レーザ及びその駆動方法に関するものであり、特に、光情報処理技術分野において光源として用いる面型半導体レーザから出射されるレーザ光の偏波モードを制御するための材料構成及び磁場印加方法に特徴のある偏波制御面型半導体レーザ及びその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光コンピューティングや光インターコネクション等の光情報処理技術分野への用途に期待される光源として面型半導体レーザが開発されているので、図４を参照してこの面型半導体レーザの一例を説明する。
【０００３】
図４参照
図４は、従来の面型半導体レーザの概略的斜視図であり、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ型ＡｌＡｓ層３２とｎ型ＧａＡｓ層３３をλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）相当の厚さで、例えば、２５ペア堆積させて下側分布反射鏡３４を構成する。
【０００４】
次いで、Ａｌ組成比が０．２のｉ型ＡｌＧａＡｓ層３５を介して４層のｉ型ＧａＡｓバリア層３６及びＩｎ組成比が０．２の３層のｉ型ＩｎＧａＡｓウエル層３７を交互に堆積させてＭＱＷ活性層を形成したのち、再び、Ａｌ組成比が０．２のｉ型ＡｌＧａＡｓ層３８を堆積させて共振器３９を構成する。
【０００５】
次いで、ｐ型ＡｌＡｓ層４０とｐ型ＧａＡｓ層４１をλ／４ｎ相当の厚さで、例えば、２３ペア堆積させて上側分布反射鏡４２を構成したのち、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（図示を省略）を堆積させ、次いで、例えば、直径が５〜１０μｍの円筒状になるようにエッチングするとともに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を円環状にエッチングし、最後に、ｎ型ＧａＡｓ基板３１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層に夫々オーミック電極（図示を省略）を形成することによって、円型半導体レーザの基本構造が完成する。
【０００６】
この様な面型半導体レーザは光の出射方向が基板に垂直方向であるために２次元アレイ化が可能であるという特徴があり、また、光ファイバとの結合効率が大きいとともに、共振器体積が小さいために消費電力が小さい等さまざまな特徴を有する光源である。
【０００７】
しかし、この面型半導体レーザでは、出射断面形状の対称性から、それぞれ直交した偏波ベクトルを持つ２つの偏波（ここではｐｏｌ1 、ｐｏｌ2 と呼ぶ）が等確率で発振する可能性がある。
【０００８】
しかし、現実問題としては、通常、面型半導体レーザを作製すると、作製プロセス時にかかる応力や微妙な形状の非対称性から、どちらか一方が優先的に発振することになるが、この場合の発振する偏波モードは最初から予期できるものではなく、また、注入電流を上げていくと発振モードが他の発振モードにスイッチしてしまう現象が起きるので、図５を参照して、この事情を説明する。
【０００９】
図５参照
図５は、従来の面型半導体レーザの光出力−電流特性図であり、発振直後はｐｏｌ1 のモードであったものが注入電流を上げていくと、ある電流値でｐｏｌ2 にスイッチしてしまう。
【００１０】
このスイッチングを起こす電流値もまた予期できないため、注入電流の変化とともに、突然、偏波モードが変化するという問題が発生するとともに、このスイッチングの起こるところでは多大な雑音を発生し、応用上問題となる。
【００１１】
そこで、この偏波モードを制御する手段として、面型半導体レーザの作製に使用する基板を通常の（００１）面と異なる面方位のものにする方法が提案された（必要ならば、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．３７，ｐｐ．Ｌ６４０−Ｌ６４２，１９９８参照）。
【００１２】
即ち、通常、化合物半導体光デバイスや電子デバイスは（００１）面を主面とする基板上に作製されているが、上記の提案においては（３１１）Ｂ面といういわゆる高指数面を持つ基板を用いており、このような高指数面基板を用いると、この基板上に作製された活性層は光学利得に異方性を持つようになり、一方の偏波モードが直交する偏波モードよりも大きな光学利得を得ることができ、発振する偏波モードを確定することができる。
【００１３】
また、他の手段として上側反射鏡上部に金属グレーティングを備える方法も提案されており（必要ならば、特開平８−５６０４９号公報参照）、この方法では、金属グレーティングに平行な偏波を持つ電界は大きな損失を受け、垂直な偏波のものはほとんど損失を受けないことを利用し、片方の偏波モードのみ発振させることを狙っている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の高指数面を持つ基板を用いる方法では、従来の基板面方位と異なるため、成長条件が従来のものよりも厳しくなってしまうという問題があり、また、特殊な基板のためコストも上昇することが避けられないという問題がある。
【００１５】
また、発振可能な偏波モードは一方に決定されるものの、自由に偏波モードを制御することはできないという問題もある。
【００１６】
また、上述の金属グレーティングを設ける方法の場合にも、偏波方向は予め決まってしまい、さらに、金属グレーティングの周期は発振させようとしている光の波長と同じオーダーにする必要があるため、作製が非常に困難になるという問題がある。
【００１７】
したがって、本発明は、面発光の光源としての特性を維持したまま所望の偏波モードで発振させることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）参照
上記目的を達成するため、本発明は、活性層６の上下に反射鏡４を有する垂直共振器を持つ偏波制御面型半導体レーザにおいて、少なくとも一方の分布反射鏡４を少なくともＭｎ，Ｃｄ，Ｃｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれかを構成元素として含む磁性半導体層２で構成したことを特徴とする。
【００１９】
この様に、少なくとも一方の分布反射鏡４を少なくともＭｎ，Ｃｄ，Ｃｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれかを構成元素として含む磁性半導体層２で構成することによって、磁場印加時に磁性半導体の磁気光学効果によって複屈折率性が現れ、印加磁場に沿った方向の偏波モードに対する屈折率と、それに垂直な方向の偏波モード屈折率が異なるため、偏波モードの選択性が得られる。
【００２１】
即ち、図１（ａ）に示すように、磁場Ｂが印加されない状態においては、二つの偏波モードｐｏｌ1 及びｐｏｌ2 に対する磁性半導体層２の屈折率ｎ1 ，ｎ2 は等しいものの、図１（ｂ）に示すように、磁場Ｂを印加した状態においては、磁場Ｂの方向に沿った偏波モードｐｏｌ2 に対する屈折率が変化してｎ1 ≠ｎ2 となる。
【００２２】
その結果、元々λ／４ｎの膜厚にあった磁性半導体層２は、この厚さからズレることになり、分布反射鏡４の反射スペクトルの中心波長が設計値と異なる波長になり、ｐｏｌ2 の損失が大きくなり屈折率が変化しないｐｏｌ1 の偏波モードが優勢となって発振を開始することになる。
実際、｜ｎ1 −ｎ2 ｜〜０．０１で偏波モード間の閾値利得差は５ｃｍ-1以上となり、単一偏波動作が可能となる。
【００２３】
しかも、分布反射鏡４を構成する通常の半導体層３と磁性半導体層２との２つの材料の膜厚のデューティ比も、磁性半導体層２の屈折率は変化することによって１：１からズレるために最大反射率が低下し、損失が大きくなるのでこの事情を図２を参照して説明する。
【００２４】
図２参照
図２は、磁場印加による反射スペクトルの変化を示す図であり、磁場の印加によって、磁場の印加方向に沿った偏波モードであるｐｏｌ2 に対する屈折率が変化して、ｐｏｌ2 に対する反射率がｐｏｌ1 に対する反射率より低下することになる。
【００２５】
また、本発明は、少なくとも一部が磁性半導体層２で構成される偏波制御面型半導体レーザの駆動方法において、基板１に平行な方向に磁場を印加することによって偏波モードを選択することを特徴とする。
【００２６】
この様に、磁場を印加する方向を制御することによって、所望する偏波モードでレーザ発振させることができ、注入電流を変化させても偏波モードが変化することがなく、したがって、途中で多大な雑音が発生することもない。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、図３を参照して、本発明の実施の形態の面型半導体レーザを説明するが、ここでは、０．９８μｍ帯で発振する面型半導体レーザとして説明する。
図３参照
図３は、本発明の実施の形態の面型半導体レーザの概略的斜視図であり、（００１）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて、（Ｉｎ0.47Ａｌ0.53）0.97Ｍｎ0.03Ｐ組成のｎ型ＩｎＡｌＭｎＰ層１２とｎ型ＧａＡｓ層１２をλ／４ｎ（λ＝０．９８μｍ、ｎは屈折率）相当の厚さで、例えば、２５ペア堆積させて下側分布反射鏡１４を構成する。
【００２８】
次いで、Ａｌ組成比が０．３で、厚さが、例えば、１１２．８ｎｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ層１５を介して厚さが、例えば、１０ｎｍの４層のｉ型ＧａＡｓバリア層１６及びＩｎ組成比が０．２で、厚さが、例えば、８ｎｍの３層のｉ型ＩｎＧａＡｓウエル層１７を交互に堆積させてＭＱＷ活性層を形成したのち、再び、Ａｌ組成比が０．３で、厚さが、例えば、１１２．８ｎｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ層１８を堆積させて共振器１９を構成する。
【００２９】
次いで、（Ｉｎ0.47Ａｌ0.53）0.97Ｍｎ0.03Ｐ組成のｐ型ＩｎＡｌＭｎＰ層２０とｐ型ＧａＡｓ層２１をλ／４ｎ相当の厚さで、下側分布反射鏡のペア数より少なく、例えば、２３ペア堆積させて上側分布反射鏡２２を構成する。
この様に、上下の分布反射鏡を非対称にし上側の反射率を低減することによって、上側から優先的にレーザ光を出力することができる。
【００３０】
次いで、厚さが、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２３を堆積させ、次いで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２３を円環状にエッチングするとともに、全体を直径が５〜１０μｍ、例えば、１０μｍの円筒状になるようにエッチングする。
【００３１】
最後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層２３に夫々オーミック性のｎ側電極２５及びｐ側電極２４を形成したのち、上側分布反射鏡２２の露出面に単層膜からなる反射防止膜（図示を省略）を設けることによって、円型半導体レーザの基本構造が完成する。
【００３２】
この様に作製した面型半導体レーザの活性層の主面と平行な方向に、上記の図１（ｂ）に示すように磁場Ｂを印加することによって、レーザ光の偏波モードを一方のモードに制御することができる。
【００３３】
この本発明の実施の形態においては、基板に特殊な面方位のものを使う必要がなく、且つ、構造も特殊では無いため、プロセスの難易度が従来を上回ることもなく、偏波モードを任意に制御することが可能になる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては磁性半導体の例としてＩｎＡｌＭｎＰをを挙げたが、これに限らずＧａＡｓ基板に格子整合する結晶構造であれば、任意の磁性半導体材料が可能であり、ＩｎＧａＭｎＰ、ＩｎＡｌＭｎＡｓ、ＩｎＧａＭｎＡｓ等の、ＩｎＡｌＭｎＰにおけるＭｎ以外のIII 族元素或いはＶ族元素を他のIII 族元素或いはＶ族元素に置き換えた磁性半導体を用いても良いものである。
【００３５】
また、上記の磁性半導体は閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体であるが、下記のカルコパイライト構造を有する磁性半導体を用いても良いものである。
例えば、
▲１▼（Ｔ0.5 IV0.5 ）x III1-xＶ型半導体
（Ｍｎ0.5 Ｓｉ0.5 ）x Ｉｎ1-x Ｐ；ｘ＝０．６８±０．１
（Ｍｎ0.5 Ｇｅ0.5 ）x Ｉｎ1-x Ｐ；ｘ＝０．８２±０．１
（Ｍｎ0.5 Ｓｎ0.5 ）x Ｇａ1-x Ｐ；ｘ＝０．５４±０．１
▲２▼Ｔ0.5 （IVx IV'1-x）0.5 Ｖ型半導体
Ｍｎ0.5 （Ｓｉx Ｓｎ1-x ）0.5 Ｐ；ｘ＝０．５９±０．１
Ｍｎ0.5 （Ｇｅx Ｓｎ1-x ）0.5 Ｐ；ｘ＝０．７６±０．１
▲３▼Ｔ0.5 IV0.5 Ｖx Ｖ'1-x型半導体
Ｍｎ0.5 Ｓｉ0.5 Ｐx Ａｓ1-x ；ｘ＝０．４１±０．１
Ｍｎ0.5 Ｓｉ0.5 Ｐx Ｓｂ1-x ；ｘ＝０．８２±０．１
Ｍｎ0.5 Ｇｅ0.5 Ｐx Ａｓ1-x ；ｘ＝０．７３±０．１
Ｍｎ0.5 Ｇｅ0.5 Ｐx Ｓｂ1-x ；ｘ＝０．９２±０．１
▲４▼（IIx Ｔ1-x ）0.5 IV0.5 Ｖ型半導体
（Ｚｎx Ｍｎ1-x ）0.5 Ｓｉ0.5 Ａｓ；ｘ＝０．６２±０．１
（Ｃｄx Ｍｎ1-x ）0.5 Ｇｅ0.5 Ｐ；ｘ＝０．６９±０．１
等の四元混晶、或いは、これらの四元混晶を基にした五元混晶を用いても良いものである。
なお、上記各混晶のおける組成比ｘについての各数値は、ＧａＡｓ基板と構成整合する組成比ｘの値である。
【００３６】
また、上述の磁性半導体としては、Ｍｎを必須の構成元素としているが、Ｍｎは必ずしも必須ではなく、Ｍｎを含まない場合には、Ｍｎの代わりに、Ｃｄ，Ｃｏ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆｅのいずれかを含んでいれば良い。
【００３７】
また、上記の実施の形態においては、磁性半導体を分布反射鏡の構成部材として用いているが、分布反射鏡に限られるものではなく、共振器内を伝搬する光電界の全体若しくは一部分との重なりを有する場所であれば良く、それによって、所定の効果が得られるものである。
【００３８】
また、上記の実施の形態においては、活性層を３層のウエル層からなるＭＱＷ活性層としているが、ウエル層は３層に限られるものではなく、バルク活性層を含めてどの様な構成でも良いが、所定の出力を得るためには３層以上が好適であり、また、ウエル層を光電界分布の腹の近傍に位置させるためには５層以下が好適である。
【００３９】
また、上記の実施の形態の形態においては、分布反射鏡を構成するＩｎＡｌＭｎＰや共振器を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌが酸化して円筒状共振器の周側面には電流が流れないようになっているが、酸素イオン等を注入して積極的に電流狭窄機構を設けても良いものである。
【００４０】
また、上記の実施の形態においては、発振波長λを０．９８μｍ帯としているが、１．５５μｍ帯等の他の発振波長の場合にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＩｎＰ基板を用いるとともに、活性層としてＩｎＧａＡｓＰ等を用いれば良く、分布反射鏡としてはＩｎＰ基板に格子整合する組成比の磁性半導体を用いれば良い。
【００４１】
また、上記の実施の形態においては、全体の形状を円筒状にしているが、円筒状である必要は必ずしもなく、例えば、四角柱状等の多角形柱状の形状を採用しても良いものである。
【００４２】
また、上記の実施の形態においては、単体の面型半導体レーザとして説明しているが、モノリシックにアレイ状に配置しても良いものである。
【００４３】
また、上記の実施の形態においては、磁場印加手段は一つであるが、２つの磁場印加手段を互いの磁場印加方向が直交するように配置し、磁場印加手段を選択することによって、偏波モードを選択するようにしても良いものである。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、面型半導体レーザにおいて、磁性半導体層を導入することにより、任意の方向に偏波を制御することが可能になり、これによって、偏波のスイッチングに伴う雑音のない安定した偏波を持つ面型半導体レーザを容易に作製することができ、ひいては、光情報処理技術分野の発展に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】磁場印加による反射スペクトル変化の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の面型半導体レーザの概略的斜視図である。
【図４】従来の面型半導体レーザの概略的斜視図である。
【図５】従来の面型半導体レーザの光出力−電流特性図である。
【符号の説明】
１  基板
２  磁性半導体層
３  半導体層
４  分布反射鏡
５  分布反射鏡
６  活性層
１１  ｎ型ＧａＡｓ基板
１２  ｎ型ＩｎＡｌＭｎＰ層
１３  ｎ型ＧａＡｓ層
１４  下側分布反射鏡
１５  ｉ型ＡｌＧａＡｓ層
１６  ｉ型ＧａＡｓバリア層
１７  ｉ型ＩｎＧａＡｓウエル層
１８  ｉ型ＡｌＧａＡｓ層
１９  共振器
２０  ｐ型ＩｎＡｌＭｎＰ層
２１  ｐ型ＧａＡｓ層
２２  上側分布反射鏡
２３  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２４  ｐ側電極
２５  ｎ側電極
３１  ｎ型ＧａＡｓ基板
３２  ｎ型ＡｌＡｓ層
３３  ｎ型ＧａＡｓ層
３４  下側分布反射鏡
３５  ｉ型ＡｌＧａＡｓ層
３６  ｉ型ＧａＡｓバリア層
３７  ｉ型ＩｎＧａＡｓウエル層
３８  ｉ型ＡｌＧａＡｓ層
３９  共振器
４０  ｐ型ＡｌＡｓ層
４１  ｐ型ＧａＡｓ層
４２  上側分布反射鏡
【図１】
0003911665.tif 000002
【図２】
0003911665.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003911665.tif 000005
【図５】
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