(57)【要約】  光出力を維持したままで、低消費電力化を図ることのできる面発光レーザを提供する。  活性層８を挟むように２つのブラッグ反射ミラー２、１１を積層してなるレーザ共振器内に、活性層８の層厚方向に発振する光を変調するための共鳴トンネル構造の光変調層（二重障壁構造４）を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を挟むように２つのブラッグ反射ミラーを積層してなるレーザ共振器内に、前記活性層の層厚方向に発振する光を変調するための共鳴トンネル構造の光変調層を有する面発光レーザ。
【請求項２】
前記活性層と前記光変調層が直流電気的に分離されている、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記光変調層は、同一導電型の２つのクラッド層で二重障壁層を挟んだ構造を有し、
前記２つのクラッド層のうちの前記活性層と接するクラッド層に、前記活性層にＤＣバイアス電圧を供給するためのグランド電極が形成されている、請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記活性層と前記光変調層との間に高抵抗層または絶縁層を有する、請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記共鳴トンネル構造におけるピーク電圧とバレイ電圧のそれぞれに対応する電流が、いずれも前記活性層の閾値電流よりも高い、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記共鳴トンネル構造におけるピーク電圧に対する電流が、前記活性層の飽和電流よりも低い、請求項５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、光通信の光源として用いられる面発光レーザおよびそれを用いた光送信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、面発光レーザ技術の進展により、面発光レーザが実用的となり、様々な光通信用途への適用が検討されている。面発光レーザは、端面発光型レーザに比べて、低消費電力、安価などのメリットがあることから、この面発光レーザを用いることにより、低消費電力で安価な光送信モジュールの実現が期待される。また、ボード間あるいはチップ間光通信である光インターコネクションにおいては、限られた領域に密に光送信モジュールを実装する必要があるため、このような用途には、小型で低消費電力の面発光レーザを用いた光送信モジュールが必須と考えられている。【０００３】
図１に、広く一般に使用されている従来の０．８５μｍ帯の面発光レーザの構造を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板８１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー８２、ｎ型クラッド層８３、活性層８４、ｐ型クラッド層８５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８６、ｐ型ブラッグ反射ミラー８７が順次形成されている。ｐ型ブラッグ反射ミラー８７に接してｐ電極９１が、ｎ型クラッド層８３に接してｎ電極９２がそれぞれ形成されている。ｐ電極９１にはレーザ光を取り出すための開口９０が形成されている。【０００４】
電流狭窄のために、ｐ型層領域には電流開口を持った絶縁層８８が形成されている。絶縁層８８の電流開口のサイズは、レーザ光の横モードを整形するためにも小さいことが望ましく、このサイズが小さいほど安定した基本横モード発振が得られる。また、寄生容量低減のために、ｐ型層、絶縁層、活性層の部分の外縁はポスト形状８９にエッチング加工されている。【０００５】
上記の面発光レーザでは、二つのブラッグ反射ミラー８２、８７によりレーザ共振器が形成されているが、これら反射ミラーの反射率を９９％程度の高反射率にすることで共振器のミラー損失を数ｃｍ-1と小さくし、さらに、絶縁層８８の電流開口を５〜１０μｍφとして電流を小さい領域に閉じ込めることで、低い発振閾値を得られる。このような構造の面発光レーザによれば、低発振閾値電流が１ｍＡ程度、光出力が数ｍＷ程度で、２ｍＷ程度の平均光出力で１０ＧＨｚ程度の変調帯域が得られる。【０００６】
図２に、図１に示した面発光レーザの駆動回路を示す。この駆動回路は、図１に示した面発光レーザよりなる面発光レーザチップ９４を駆動するレーザドライバＩＣ９５と、このレーザドライバＩＣ９５に電圧信号Ｖmを供給するデジタルＬＳＩ９６とからなる。デジタルＬＳＩ９６のＩ／ＯポートからレーザドライバＩＣ９５に電圧信号Ｖmが入力される。【０００７】
レーザドライバＩＣ９５は、アナログＩＣであって、デジタルＬＳＩ９６から入力された電圧信号Ｖmをレーザ変調電流Ｉmに変換する。レーザ変調電流Ｉmは、ｐ電極９１およびｎ電極９２を通じて面発光レーザチップ９４に供給される。また、レーザドライバＩＣ９５は、ＤＣバイアス電流ＩDCをレーザ変調電流Ｉmに重畳してダイオード９３に供給する機能を持つ。ダイオード９３は、面発光レーザチップ９４における活性層周辺のｐｎ接合領域に相当する。デジタルＬＳＩ９６とレーザドライバＩＣ９５は、入出力が５０Ωインピーダンスで設計されている。【０００８】
上記の駆動回路において、電圧信号Ｖmからの波形劣化の小さいレーザ変調電流Ｉmを面発光レーザに流すためには、面発光レーザのＤＣバイアス時のシリーズ抵抗は５０Ωに近いことが望ましい。また、レーザドライバＩＣ９５は、低消費電力のＳｉ−ＣＭＯＳ−ＩＣであることが望ましい。この場合、３．３Ｖ電源であれば、面発光レーザの動作電圧を２．３Ｖ以下にする必要がある。これは、Ｓｉ−ＣＭＯＳトランジスタ１段での電圧降下が１Ｖ程度必要とされるためである。【０００９】
以上のような面発光レーザが広く使われている。しかし、この面発光レーザは、直接電流変調によりレーザ光強度を変調する構造であるため、活性層電流が時間的に変化し、それによりレーザ波長が時間的に変化する。このため、長距離光通信に用いた場合は、波長変動により光ファイバを通った後の光波形が劣化することになり、光信号の伝送帯域が制限されることになる。そこで、波長変動を抑制して伝送帯域を増大することのできる、光変調器を集積した面発光レーザ（以下、光変調器集積型面発光レーザと呼ぶ）が提案されている。【００１０】
図３に、光変調器集積型面発光レーザの構造例を示す（特公平７−９３４７３号公報参照）。ｎ型基板１２１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー１２２、ｎ型クラッド層１２３、活性層１２４、ｐ型クラッド層１２５、ｐ型ブラッグ反射ミラー１２６、ｐ型コンタクト層１２７、高抵抗層１２８、ｎ型クラッド層１２９、多重量子井戸層１３０、ｐ型クラッド層１３１が順次積層されている。また、ｐ型コンタクト層１２７に接してｐ電極１３２が、ｎ型クラッド層１２９に接してｎ電極１３３が、ｐ型クラッド層１３１に接してｐ電極１３４が、ｎ型基板１２１に接してｎ電極１３５がそれぞれ形成されている。【００１１】
ｐ電極１３４には、レーザ光を取り出すために開口（不図示）が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー１２２、１２６によりレーザ共振器が形成されており、この共振器の外側に、吸収係数が電圧によって変化する多重量子井戸層１３０をｎ型クラッド層１２９とｐ型クラッド層１３１で挟んでなる光変調器が形成されている。【００１２】
上記の光変調器集積型面発光レーザでは、ｐ電極１３２とｎ電極１３５の間に順バイアス電圧ＶDCを印加することで活性層１２４を発光させる。このとき、ｐ電極１３４とｎ電極１３３の間に電圧が印加されていなければ、レーザ共振器からのレーザ光は多重量子井戸層１３０をそのまま透過し、順バイアス電圧ＶDCによる活性層電流が発振しきい値電流以上で面発光レーザが発振する。ｐ電極１３４とｎ電極１３３の間に逆バイアス電圧Ｖmを印加すると、多重量子井戸層１３０の光吸収係数が増大してレーザ出力が低下する。このように、順バイアス電圧ＶDCは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の逆バイアス電圧Ｖmを変化させることによって、レーザ光が変調される。【００１３】
上記の他、図４に示すような光変調器集積型面発光レーザも提案されている（特開平５−１５２６７４号公報参照）。高抵抗基板１４１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー１４２、ｎ型クラッド層１４３、活性層１４４、ｐ型クラッド層１４５、ｐ型ブラッグ反射ミラー１４６、ｐ型コンタクト層１４７、ｐ型クラッド層１４８、多重量子井戸層１４９、ｎ型クラッド層１５０、ｎ型ブラッグ反射ミラー１５１が順次形成されている。ｐ型コンタクト層１４７に接してｐ電極１５２、１５３が、ｎ型ブラッグ反射ミラー１５１に接してｎ電極１５４が、ｎ型クラッド層１４３に接してｎ電極１５５がそれぞれ形成されている。【００１４】
ｎ電極１５４には、レーザ光を取り出すために開口（不図示）が形成されている。２つのブラッグ反射ミラー１４２、１４６によりレーザ共振器が形成されており、この共振器の外側に、光吸収係数が電圧によって変化する多重量子井戸層１４９をｐ型クラッド層１４８とｎ型クラッド層１５０で挟んでなる光変調器が形成されている。この光変調器は、２つのブラッグ反射ミラー１４６、１５１よりなる、レーザ共振器とは別の共振器内部に配置されている。【００１５】
上記の光変調器集積型面発光レーザでは、ｐ電極１５２とｎ電極１５５の間に順バイアス電圧ＶDCを印加することで活性層１４４を発光させる。このとき、ｐ電極１５３とｎ電極１５４の間に電圧が印加されていなければ、レーザ共振器からのレーザ光は多重量子井戸層１４９をそのまま透過し、順バイアス電圧ＶDCによる活性層電流が発振しきい値電流以上で面発光レーザが発振する。ｐ電極１５３とｎ電極１５４の間に逆バイアス電圧Ｖmを印加すると、多重量子井戸層１４９の光吸収係数は増大してレーザ出力が低下する。このように、順バイアス電圧ＶDCは一定としてバイアス電流を与えておき、光変調器の逆バイアス電圧Ｖmを変化させることによって、レーザ光が変調される。なお、図４の例では、光変調器がレーザ共振器とは別の共振器内部に配置されているために、光変調器の実効的な光吸収変化は、そのような共振器がない場合と比べて大きくなる。
【発明の開示】
【００１６】
しかしながら、上述した従来の面発光レーザにはそれぞれ以下の問題点がある。
【００１７】
図１に示した面発光レーザにおいては、発振波長が時間的に変動する直接電流変調であるため、長距離光通信に用いた場合に、波長変動により光信号の伝送帯域が制限される、といった問題がある。加えて、以下のような面発光レーザ自体の問題点と図２に示した駆動回路を含む構成上の問題もある。
【００１８】
（１）面発光レーザ自体の問題点：
面発光レーザを電流変調するレーザドライバＩＣ９５は、その入出力の特性インピーダンスが５０Ωで整合するように設計されることが多い。この場合、面発光レーザを５０Ωインピーダンスに整合させるために、ＤＣバイアス時における面発光レーザのシリーズ抵抗を５０Ωにする必要があるが、これは必ずしも容易ではない。その理由は、面発光レーザはｐ型層において電流が流れる領域を小さく制限するように構成されているため、ｐ型層バルク抵抗や層界面抵抗、特に多層構造のp型ブラッグ反射ミラー８７での界面抵抗の影響を受けやすく、シリーズ抵抗が容易に５０Ωを超えてしまうからである。
【００１９】
シリーズ抵抗が増大すると、高周波反射増大によって高周波波形が劣化する、という問題が生じる。また、シリーズ抵抗が高いと、変調帯域を確保するために、寄生容量とシリーズ抵抗で決まるＣＲ帯域を確保することが必要となり、その結果、寄生容量低減の要求が厳しくなる、という問題も発生する。
【００２０】
なお、シリーズ抵抗の増大の問題は、ｐ型層の高濃度ドーピングにより緩和することができるが、ｐ型不純物拡散による活性層発光効率の低下などの問題があるため、ｐ濃度の増大には限界がある。特に、１．１μｍ以上の長波長面発光レーザでは、ｐ濃度の増大は価電子帯間吸収の増大を招き、その結果、発振閾値が上昇し、スロープ効率が低下することになる。このように、ｐ濃度の許容限界値が低いため、ｐ濃度の増大によって抵抗値を下げることは困難である。
【００２１】
シリーズ抵抗を下げるための効果的な手法としては、ｐ濃度の増大以外に、絶縁層８８の電流開口サイズを大きくすることが考えられる。しかし、この場合は、横モードでの発振に高次モードが混入し易くなる。
【００２２】
上述したシリーズ抵抗の増大の問題に加えて、素子歩留まりの観点からすれば、絶縁層８８の電流開口サイズのばらつきによって抵抗値がばらつき、例えば動作周波数が１０ＧＨｚの素子の歩留まりが悪化するという問題もある。
【００２３】
以上のことから、従来は、高帯域で、レーザドライバＩＣに整合したシリーズ抵抗を持ち、かつ横モードの安定した面発光レーザを高歩留まりで得ることは、非常に困難な状況であった。なお、ここでは、特性インピーダンスを５０Ωで設計した場合を例に説明したが、５０Ω以外の特性インピーダンスで設計した場合も同様な状況にあることはいうまでもない。
【００２４】
（２）駆動回路を含む構成上の問題：
面発光レーザ自身の消費電力は１０ｍＷ程度と小さいのに対して、レーザドライバＩＣ９５は、デジタルＬＳＩ９６からの低電圧デジタル信号を電流変調信号に変換するためのトランジスタを数段必要とするため、その消費電力は数百ｍＷと大きい。加えて、上述したように面発光レーザのシリーズ抵抗が高くなると、変調器の動作電圧が高くなるため、高い電源電圧が必要になる。このため、レーザドライバＩＣ９５の消費電力はさらに増大することになる。このようなことから、面発光レーザの低電力化を行うためには、レーザドライバＩＣの低電力化が必須であり、それは光送信モジュールの低電力化を行う上で重要な課題の１つになっている。特に、チップ間光インターコネクションの分野では、レーザドライバＩＣの低電力化の必要性が増大している。
【００２５】
また、レーザドライバＩＣの消費電力が大きいと、面発光レーザおよびデジタルＬＳＩ９６との熱干渉を回避する必要があるため、実装密度が制限される、という問題が生じる。この問題は、高密度の光配線を必要とするチップ間光インターコネクションにおいては特に重要な問題である。
【００２６】
以上のことから、レーザドライバＩＣの低電力化を可能とする面発光レーザ、さらにはレーザドライバＩＣなしでデジタルＬＳＩ９６により直接変調可能な面発光レーザの実現は、チップ間光インターコネクションにおける重要な課題とされている。
【００２７】
次に、図３および図４に示した光変調器集積型面発光レーザの問題点について説明する。
【００２８】
これらの光変調器集積型面発光レーザは、活性層にＤＣバイアス電流を流しておき、光変調器に変調電圧を印加してレーザ光を変調する構造であり、レーザドライバＩＣに光変調器への変調電圧の印加のみを行わせて、ＤＣバイアスを別の回路で供給することができる。この場合、変調電圧の印加を、５０Ωインピーダンスで、低振幅電圧で行うことができれば、変調波形を劣化させることなくレーザドライバＩＣの消費電力を低減することが可能である。しかしながら、光変調器集積型面発光レーザのいずれも、ｐ型とｎ型のブラッグ反射ミラーの間に、多重量子井戸を用いた量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）による吸収層を挿入した構造になっており、吸収層に電界をかけるために、必ずｐ層とｎ層で多重量子井戸構造を挟む必要がある。このような構造では、ｐ層における価電子帯吸収によって光出力が抑制される、という問題が生じる。この問題は、特に長波長帯ほど顕著なものとなる。
【００２９】
本発明の目的は、上述した問題点を解決し、光出力を維持したままで、低消費電力化を図ることのできる面発光レーザを提供することにある。
【００３０】
本発明のさらなる目的は、レーザドライバＩＣとのインピーダンス整合を確実に取ることができるとともに高い歩留まりで製造することができる、高帯域での動作が可能な、横モードの安定した面発光レーザを提供することにある。
【００３１】
上記目的を達成するため、本発明の面発光レーザは、活性層を挟むように２つのブラッグ反射ミラーを積層してなるレーザ共振器内に、前記活性層の層厚方向に発振する光を変調するための共鳴トンネル構造の光変調層を有することを特徴とする。
【００３２】
この構成によれば、光変調器を集積した構造が採用されているので、従来の光変調器集積型面発光レーザと同様、波長変動を抑制して伝送帯域を増大することが可能である。また、変調器のための余分なブラッグ反射ミラーを持たないため、複合共振器効果が生じることがなく、安定なレーザ発振が得られる。これら利点に加えて、以下の作用により光出力の改善および動作電圧の低減が可能となっている。
【００３３】
例えば、二重障壁構造をｎ型クラッド層で挟んでなる共鳴トンネル構造では、ｎ型クラッド層のフランツ-ケルディッシュ効果による吸収を利用する。このため、従来問題とされていた、p層における価電子帯吸収による光出力の低下は生じない。よって、安定した光出力を得られる。
【００３４】
また、共鳴トンネル構造においては、僅かな電圧の供給によって、ｎ型クラッド層のバンド端が曲がり、フランツーケルディッシュ効果による吸収が大きく発生する。よって、変調動作に必要な電圧は、従来のものに比べて大幅に低減される。
【００３５】
また、光変調層はレーザ共振器内に設けられているので、光変調を行うのに必要な光吸収係数変化は、レーザ共振器の外部に光変調層を設けた場合に比べて小さくて済む。さらに、レーザ光変調に必要な光吸収変調量もレーザ共振器のミラー損失（例えば、ブラッグ反射ミラーの反射率が９９％程度の場合は、数ｃｍ-1程度）と同程度で済む。光吸収係数変化および光吸収変調量が少ないほど、変調動作に必要な電圧は小さくなる。
【００３６】
上記の本発明の面発光レーザにおいて、前記活性層と前記光変調層が直流電気的に分離されていてもよい。この場合、前記光変調層は、同一導電型の２つのクラッド層で二重障壁層を挟んだ構造を有し、前記２つのクラッド層のうちの前記活性層と接するクラッド層に、前記活性層にＤＣバイアス電圧を供給するためのグランド電極が形成されていてもよい。また、前記活性層と前記光変調層との間に高抵抗層または絶縁層を有していてもよい。
【００３７】
上記の構成によれば、活性層へのＤＣバイアス電圧の供給と光変調層への変調電圧の供給をそれぞれ独立した回路で行うことが可能であり、ＤＣバイアスのためのシリーズ抵抗がどのような値であっても、変調回路のインピーダンス整合をとることが可能である。
【００３８】
また、変調回路における素子抵抗値は、面発光レーザ共振器外部に設けた終端抵抗体の値で決まるため、ＤＣバイアスのシリーズ抵抗とは独立に決めることができ、また終端抵抗の値も正確に決めることができる。したがって、発振閾値、スロープ効率、ビーム形状を適正化する方向でｐ型層のｐ濃度、電流狭窄開口サイズを最適化することができる。
【００３９】
さらに、電流狭窄の電流開口サイズの製造ばらつきによってＤＣバイアスのシリーズ抵抗がばらついても、変調回路のインピーダンス整合は変わらないので、従来のように製造歩留まりが悪化することはない。
【００４０】
なお、変調層とレーザ活性層が直流電気的に分離されていない場合でも、共鳴トンネルのピーク電圧とバレイ電圧に対する電流が、いずれも活性層の閾値電流よりも高くなるように設定することで、レーザ光を安定に変調可能である。また、共鳴トンネルのピーク電圧に対する電流を、活性層の飽和電流よりも低く設定することで十分な消光比を取ることが可能になる。
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、共鳴トンネル構造を用いたｎ型クラッド層のフランツ-ケルディッシュ効果による吸収を利用するので、ｐ層による光吸収が無く、光出力が改善される、という効果がある。
【００４２】
また、光変調層に共鳴トンネル構造を用いること、および、光変調層をレーザ共振器内に配置することによって、変調動作に必要な電圧が大幅に低減されるので、従来にない、低消費電力の面発光レーザを提供することができ、レーザドライバＩＣを低電力化することができる、という効果がある。
【００４３】
本発明のうち、光変調層と活性層が直流電気的に分離されたものにおいては、インピーダンス整合および終端抵抗の値を正確に設定することができるので、高速変調が可能な、横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることができる、という効果がある。
【００４４】
加えて、変調電圧の印加を、５０Ωインピーダンスで、しかも、低振幅電圧で行うことが可能であるので、変調波形を劣化させることなくレーザドライバＩＣの消費電力を低減することができる、という効果がある。
【００４５】
さらに、レーザドライバＩＣには、入力された変調電圧を変調電流に変換するトランジスタも不要であるため、レーザドライバＩＣの消費電力を大きく低減することができる、という効果がある。
【００４６】
さらに、レーザ光の消光比が低くても良いような用途で、例えば変調電圧を０．５Ｖ以下にした場合は、レーザドライバＩＣを無くしてデジタルＬＳＩのみにより直接面発光レーザを駆動することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の０．８５μｍ帯の面発光レーザの断面図である。
【図２】図１に示す面発光レーザの駆動回路図である。
【図３】従来の光変調器集積型面発光レーザの断面図である。
【図４】従来の別の光変調器集積型面発光レーザの断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である面発光レーザの断面図である。
【図６】図５に示す面発光レーザを駆動する場合の等価回路図である。
【図７】図５に示すレーザ共振器内の層厚方向における光強度分布と各層の配置との関係を示す模式図である。
【図８】共鳴トンネル構造を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施形態である面発光レーザの断面図である。
【図１０】図９に示す面発光レーザを駆動する場合の等価回路図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態である面発光レーザの断面図である。
【図１２】図１１に示す面発光レーザを駆動する場合の等価回路を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１、８１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２、８２、１２２、１４２、１５１    ｎ型ブラッグ反射ミラー
３、５、７、８３、１２３、１２９、１４３、１５０  ｎ型クラッド層
４  二重障壁構造
６  高抵抗層
８、８４、１２４、１４４  活性層
９、８５、１２５、１３１、１４５、１４８  ｐ型クラッド層 
１０、８６  ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１１、８７、１２６、１４６  ｐ型ブラッグ反射ミラー
１２  高抵抗層
１３、８９  ポスト形状
１４、９０  開口
１５、１７、９１、１３２、１３４、１５２、１５３  ｐ電極
１６、１８、９２、１３３、１３５、１５４、１５５  ｎ電極
１９  終端抵抗
２０、９４  面発光レーザチップ
２１、２２、９３  ダイオード
３０  グランド電極
８８  絶縁層
９５  レーザドライバＩＣ
９６  デジタルＬＳＩ
１２１  ｎ型基板
１２７、１４７  ｐ型コンタクト層
１３０、１４９  多重量子井戸層
１４１  高抵抗基板
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。【００５０】
（実施形態１）
図５は、本発明の第１の実施形態である面発光レーザの断面図である。この面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板（もしくは高抵抗基板）１上に、ｎ型ブラッグ反射ミラー２、ｎ型クラッド層３、二重障壁構造４、ｎ型クラッド層５、多重量子井戸よりなる活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラッグ反射ミラー１１を順次積層した構造を有する。ｐ型ブラッグ反射ミラー１１表面に接するようにｐ電極１５が、ｎ型クラッド層３に接するようにｎ電極１６がそれぞれ形成されている。【００５１】
ｐ電極１５には、レーザ光が放射されるリング状の開口１４が形成されている。寄生容量低減のために、活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０およびｐ型ブラッグ反射ミラー１１の部分は、エッチング加工によりポスト形状１３とされている。また、電流狭窄のために、ｐ型クラッド層９とｐ型ブラッグ反射ミラー１１の間の、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０の外側には、電流開口を持った高抵抗層１２が形成されている。電流開口のサイズは、レーザ光の横モードを整形するためにも小さいことが望ましく、このサイズが小さいほど安定した基本横モード発振が得られる。【００５２】
二重障壁層４は、例えばＡｌＡｓ障壁層による２つのポテンシャル障壁構造とそれに囲まれたＧａＡｓ量子井戸層からなる。ＡｌＡｓ障壁層の厚さは例えば２ｎｍで、ＧａＡｓ量子井戸層の厚さは例えば５ｎｍである。この他にも、種々の組み合せで二重障壁構造４を構成することができる。組み合せ例としては、障壁層にＡｌＡｓやＩｎＡｌＡｓを用い、量子井戸層にＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓを用いる組み合わせ、さらには、障壁層にＡｌＳｂ、量子井戸層にＩｎＡｓを用いる組み合わせなどがある。【００５３】
本実施形態の面発光レーザの特徴は、２つのブラッグ反射ミラー２、１１からなるレーザ共振器内に、二重障壁構造４をｎ型クラッド層３、５で挟んでなる共鳴トンネル構造の光変調層を有する点にある。この光変調層は、共鳴トンネル構造に電圧を印加する（Ｐ電極１５、ｎ電極１６の間に電圧をする）ことで光吸収係数が変化する。【００５４】
図６に、図５に示した面発光レーザを駆動する場合の等価回路を示す。ダイオード４０は、ｎ型ブラック反射ミラー２、ｎ型クラッド層３、二重障壁構造４、ｎ型クラッド層５、多重量子井戸活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラック反射ミラー１１を含む部分である。ｐ電極１５とｎ電極１６を通じてダイオード４０を順方向にバイアスにすると、多重量子井戸８が発光する。このとき、ｐ電極１５とｎ電極１６の間にはＤＣバイアス電圧ＶDCが印加されており、この状態で、共鳴トンネル構造（ｎ型クラッド層３、二重障壁構造４、ｎ型クラッド層６）に変調電圧Ｖmを印加することにより、光変調層の光吸収係数を変化させる。このようにして電圧による光吸収係数の変化を制御することで、光変調層では、多重量子井戸（活性層）８を層厚方向に発振するレーザ光が吸収または透過する。こうして光変調が行われる。【００５５】
上記の特徴的な構成によれば、光変調層は、共鳴トンネル構造を用いたｎ型クラッド層のフランツ−ケルディッシュ効果による光吸収を利用しており、従来の構造のような、ｐ型クラッド層の価電子帯吸収により光出力の低下は生じないため、光出力の改善を図ることができる。【００５６】
また、光変調層をレーザ共振器内に設けたことで、光変調層に要求される光吸収変化をより小さくすることが可能となっている。この点について、以下に具体的に説明する。【００５７】
レーザ共振器外に光変調層が配置される通常の面発光レーザでは、レーザ共振器からの発振光は変調層を一度しか通過しないが、本実施形態のように光変調層をレーザ共振器内に設けた場合は、発振光は、レーザ共振器内を往復する度に光変調層を通過することとなる。したがって、変調層の光吸収変化が小さくても、発振光がレーザ共振器内を何往復かしている間に変調がかかることとなる。【００５８】
また、レーザ共振器を構成する２つのブラッグ反射ミラー２、１１の反射率は９９％程度とされており、面発光レーザのミラー損失は数ｃｍ-1程度とされている。光変調層をレーザ共振器内部に設けた場合、光変調に必要な光吸収変調量はミラー損失と同程度の数ｃｍ-1程度とされる。【００５９】
さらに、光変調層は、光変調を効率的に行うことができるように、レーザ共振器内部の光強度の大きい場所に配置されている。図７に、レーザ共振器内の層厚方向における光強度分布と各層の配置との関係を模式的に示す。レーザ共振器内の光強度分布は、図７に示すようにサイン波になっており、多重量子井戸８および二重障壁構造４はサイン波の山の部分（光強度の高い部分）に位置するように配置される。この配置によれば、発振光を効率的に光変調することが可能である。【００６０】
以上の点から、小さい光吸収係数変化でレーザ光を変調することが可能となっており、結果的に、光変調層（変調器）の駆動電圧を低くすることができる。【００６１】
また、共鳴トンネル構造の光変調層では、低電圧でｎ型クラッド層のバンド端が曲がり、フランツーケルディッシュ効果による吸収が大きく発生するため、変調動作に必要な電圧を大きく低減することができる。【００６２】
図８は、共鳴トンネル構造を説明するための図であって、（ａ）は電流−電圧の関係を示す特性図、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）の電流−電圧特性のＡ点、Ｂ点、Ｃ点におけるそれぞれのバンド構造図である。これら（ａ）〜（ｄ）は、１つの図を構成するものである。【００６３】
図８の（ａ）には、ＧａＡｓとＡｌＡｓからなる共鳴トンネル構造における電流−電圧特性が示されている。この例の共鳴トンネル構造は、ＡｌＡｓ障壁層による２つのポテンシャル障壁構造とそれに囲まれたＧａＡｓ量子井戸層から二重障壁層を構成したものであって、それぞれの厚さは２ｎｍと５ｎｍである。この共鳴トンネル構造では、電子は、量子井戸内の量子レベルと一致したエネルギーを持つときにのみ、二重障壁層を透過することができる。このため、図８の（ａ）に示すように電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ）に特徴的な負性抵抗特性が生じる。この電流−電圧特性によれば、ピーク電流までは電流が流れるが、その後、一旦電流が流れなくなるバレイ電流になる。図８の（ｂ）〜（ｄ）は、この電流−電圧特性のＡ点（開始点）、Ｂ点（ピーク電流）、Ｃ点（バレイ電流）におけるそれぞれのバンド構造を示したものである。Ｂ点（ピーク電流）からＣ点（バレイ電流）になるとき、ＧａＡｓ層に空乏層(Depletion Layer)が広がってバンド端が大きく曲がり、バンドより短波の光の吸収が大きく発生する。ピーク電流からバレイ電流への遷移に必要な電圧は小さいことから、低電圧で大きな吸収を得られる。これにより、変調動作に必要な電圧を大きく低減することができる。【００６４】
また、本実施形態の面発光レーザは、変調器を構成するための余分なブラッグ反射ミラーを持たないため、複合共振器効果が生じることはなく、安定なレーザ発振が得られる。【００６５】
以上説明したように、本実施形態の面発光レーザは、安定した光出力を維持したまま消費電力を削減することが可能である。【００６６】
また、本実施形態の面発光レーザは、周知の半導体製造プロセスを適用することで容易に作製することができる。以下に、その製造手順を簡単に説明する。【００６７】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（または高抵抗基板）１上に有機金属気相成長法もしくは分子線エピタキシャル成長法でＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｎ型ブラック反射ミラー２、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層３、ＡｌＡｓ障壁層とＧａＡｓ量子井戸層からなる二重障壁構造４、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層、三層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層（多重量子井戸）８、ＧａＡｓよりなるｐ型クラッド層１０、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｐ型ブラック反射ミラー１１を順次形成する。その後、活性層（多重量子井戸）８からｐ型ブラック反射ミラー１１までの積層部分をドライエッチングにより直径２０μｍの円形ポスト状に加工し、水蒸気酸化によりｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０を直径５μｍの領域だけ残して酸化して電流狭窄構造を作製する。次いで、ｎ型クラッド層５および二重障壁構造４の一部をｎ型クラッド層３が露出するまでエッチングし、そこにｎ電極１６を形成する。最後に、ポスト形状１３の中央の光出射部分を除いて同心円状にｐ電極１５を形成する。こうして、図５に示した構造の面発光レーザを得る。【００６８】
（実施形態２）
上述した第１の実施形態の面発光レーザにおいて、光変調層とＤＣバイアス層である活性層（多重量子井戸）８は、ｐｎ接合による直流電気的な分離が可能であることから、光変調層と活性層８とをそれぞれ独立な回路で駆動するような構成とすることも可能である。ここでは、そのような構成を有する実施形態について説明する。【００６９】
図９は、本発明の第２の実施形態である面発光レーザの断面図である。この面発光レーザは、グランド電極３０をｎ型クラッド層５に接するように設けた以外は、図５に示した構造と同じものである。図９中、同じ部分には同じ符号を付してある。説明の重複を避けるために、ここでは、同じ部分に関する説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。【００７０】
本実施形態の面発光レーザでは、グランド電極３０を形成することで、光変調層と活性層８とをそれぞれ独立な回路で駆動することが可能となっている。図１０に、図９に示した面発光レーザを駆動する場合の等価回路を示す。【００７１】
面発光レーザチップ２０は、一端が共通にグランド（グランド電極３０）に接続された２つのダイオード２１ａ、２１ｂを含む。ダイオード２１ａは、ｎ型クラッド層５、活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０およびｐ型ブラック反射ミラー１１の部分に対応する。ｐ電極１５とｎ電極１６を通じてダイオード２１ａを順バイアスすることにより活性層８が発光する。このとき、ｐ電極１５とグランド電極３０には、ＤＣバイアス電圧ＶDCが印加され、レーザ共振器は、発振閾値電流以上で発振する。【００７２】
ダイオード２１ｂは、ｎ型ブラック反射ミラー２、ｎ型クラッド層３、二重障壁層４およびｎ型クラッド層５の部分に対応する。グランド電極３０とｎ電極１６を介してダイオード２１ｂに電圧を印加すると、ｎ型クラッド層５に空乏層「Depletion Layer」が発生してバンド端が曲がって光吸収係数が変化する。このとき、グランド電極３０とｎ電極１６には変調電圧Ｖmが印加される。この変調電圧Ｖmは５０ΩインピーダンスのレーザドライバＩＣにより印加されるため、５０Ωの終端抵抗１９がダイオード２１ｂに並列に挿入されている。これにより、インピーダンスマッチングを取っている。この終端抵抗１９は、面発光レーザチップ２０外部に実装されるチップ抵抗である。【００７３】
上記の構成によれば、上述した第１の実施形態の場合の特徴に加えて、以下のような利点を有する。【００７４】
第１の利点は、光変調層に変調電圧を加えた際の、活性層に流れるＤＣバイアス電流の変動を抑えることができることである。これにより、レーザ光平均出力の変動を抑えることができる。【００７５】
第２の利点は、ＤＣバイアスのためのシリーズ抵抗に関係なく、変調駆動するレーザドライバＩＣから見える素子抵抗は終端抵抗１９で決まるため、ＤＣバイアスのためのシリーズ抵抗がどのような値であっても、正確に変調回路のインピーダンス整合をとることができることである。例えば、終端抵抗の抵抗値を５０Ωとしておけば、面発光レーザの特性がばらついても、常に５０Ω終端とすることができる。したがって、発振閾値、スロープ効率、ビーム形状を適正化する方向で、ｐ型層のｐ濃度、電流狭窄開口サイズをそれぞれ最適化することができる。【００７６】
長波長面発光レーザにおいて、ｐ濃度を増大することによって低抵抗化を図ろうとするとレーザ特性を悪化させるという問題が生じることから、上記の第２の利点は特に顕著なメリットとなる。なお、電流狭窄の電流開口サイズの製造ばらつきによってＤＣバイアスのシリーズ抵抗がばらついても、変調回路のインピーダンス整合は変わらない。【００７７】
上記の第１および第２の利点は、面発光レーザチップ内部に抵抗体を集積する場合でも有効である。この場合は、単に抵抗体のサイズとキャリア濃度をコントロールするだけでよく、製造ばらつきを簡単に抑制することができる。【００７８】
以上説明したように、本実施形態の面発光レーザによれば、高帯域動作が可能で、かつ横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることができる。【００７９】
また、本実施形態の面発光レーザは、周知の半導体製造プロセスを適用することで容易に作製することができる。以下に、その製造手順を簡単に説明する。【００８０】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（または高抵抗基板）１上に有機金属気相成長法もしくは分子線エピタキシャル成長法でＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｎ型ブラック反射ミラー２、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層３、ＡｌＡｓ障壁層とＧａＡｓ量子井戸層からなる二重障壁構造４、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層、三層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層（多重量子井戸）８、ＧａＡｓよりなるｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｐ型ブラック反射ミラー１１を順次形成する。その後、活性層（多重量子井戸）８からｐ型ブラック反射ミラー１１までの積層部分をドライエッチングにより直径２０μｍの円形ポスト状に加工し、水蒸気酸化によりｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０を直径５μｍの領域だけ残して酸化して電流狭窄構造を作製する。次いで、ｎ型クラッド層５および二重障壁構造４の一部をｎ型クラッド層３が露出するまでエッチングし、そこにｎ電極１６を形成する。次いで、ポスト形状１３の中央の光出射部分を除いて同心円状にｐ電極１５を形成する。最後に、ｎ型クラッド層５に接するようにグランド電極３０形成する。こうして、図９に示した構造の面発光レーザを得る。【００８１】
（実施形態３）
上述した第２の実施形態では、ｐｎ接合により光変調層と活性層を直流電気的に分離した構造になっているが、高抵抗層（または絶縁層）を用いて光変調層と活性層を直流電気的に分離することで、ｐｎ接合容量による高周波結合の問題を解決することができる。ここでは、そのような構造を有する実施形態について説明する。【００８２】
図１１は、本発明の第３の実施形態である面発光レーザの断面図である。この面発光レーザは、図９に示した構造において、ｎ型クラッド層５と活性層８の間に、例えばＡｌＧａＡｓよりなる高抵抗層６およびｎ型クラッド層７を設け、さらにグランド電極３０に代えてｐ電極１７およびｎ電極１８を設けたものである。図１１中、同じ部分には同じ符号を付してある。説明の重複を避けるために、ここでは、同じ部分に関する説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。【００８３】
ｎ型クラッド層５上、高抵抗層６、ｎ型クラッド層７が順次積層されており、このｎ型クラッド層７上にポスト形状１３の積層構造（活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ｐ型ブラック反射ミラー１１）が形成されている。ｎ型クラッド層５に接するようにｐ電極１７が、ｎ型クラッド層７に接するようにｎ電極１８がそれぞれ設けられている。このような構成とすることで、光変調層と活性層８とをそれぞれ独立な回路で駆動することが可能となっている。図１２に、図１１に示した面発光レーザを駆動する場合の等価回路を示す。【００８４】
面発光レーザチップ２０は、高抵抗層により直流電気的に分離された２つのダイオード２２ａ、２２ｂを含む。ダイオード２２ａは、ｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０およびｐ型ブラック反射ミラー１１の部分に対応する。ｐ電極１５とｎ電極１８を通じてダイオード２２ａを順バイアスすることにより活性層８を発光させる。このとき、ｐ電極１５とｎ電極１８には、ＤＣバイアス電圧ＶDCが印加され、レーザ共振器は、発振閾値電流以上で発振する。【００８５】
ダイオード２２ｂは、ｎ型ブラック反射ミラー２、ｎ型クラッド層３、二重障壁層４およびｎ型クラッド層５の部分に対応する。ｐ電極１７とｎ電極１６を介してダイオード２２ａに電圧を印加すると、ｎ型クラッド層５に空乏層「Depletion Layer」が発生し、バンド端が曲がって光吸収係数が変化する。このとき、ｐ電極１７とｎ電極１６には変調電圧Ｖmが印加される。この変調電圧Ｖmは５０ΩインピーダンスのレーザドライバＩＣにより印加されるため、５０Ωの終端抵抗１９がダイオード２２に並列に挿入されている。これにより、インピーダンスマッチングを取っている。この終端抵抗１９は、面発光レーザチップ２０外部に実装されるチップ抵抗である。【００８６】
本実施形態の面発光レーザにおいても、ＤＣバイアスして面発光レーザを発振させる回路とレーザ光を変調する回路とが高抵抗層６により直流電気的に分離されているため、面発光レーザをＤＣバイアスする抵抗が高くても、変調駆動するレーザドライバＩＣから見える素子抵抗は終端抵抗１９で決まる。このため、終端抵抗の抵抗値を５０Ωとしておけば、面発光レーザの特性がばらついても、常に５０Ω終端とすることができる。したがって、面発光レーザの設計では、高周波回路の抵抗を考慮することなく、ｐ型層のｐ濃度、高抵抗層１２の電流開口サイズを決めることができ、発振閾値を低減し、スロープ効率を増大し、かつ良好なビーム形状が得られるように設計することができる。【００８７】
以上のことから、本実施形態においても、高帯域動作が可能で、かつ横モードの安定した面発光レーザを、高歩留まりで得ることができる。【００８８】
また、本実施形態の面発光レーザは、周知の半導体製造プロセスを適用することで容易に作製することができる。以下に、その製造手順を簡単に説明する。【００８９】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（または高抵抗基板）１上に有機金属気相成長法もしくは分子線エピタキシャル成長法でＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｎ型ブラック反射ミラー２、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層３、ＡｌＡｓ障壁層とＧａＡｓ量子井戸層からなる二重障壁構造４、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層５、ＡｌＧａＡｓよりなる高抵抗層６、ＧａＡｓよりなるｎ型クラッド層７、三層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層（多重量子井戸）８、ＧａＡｓよりなるｐ型クラッド層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるｐ型ブラック反射ミラー１１を順次形成する。その後、活性層（多重量子井戸）８からｐ型ブラック反射ミラー１１までの積層部分をドライエッチングにより直径２０μｍの円形ポスト状に加工し、水蒸気酸化によりｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０を直径５μｍの領域だけ残して酸化して電流狭窄構造を作製する。次いで、二重障壁構造４からｎ型クラッド層７までの積層部分の一部をｎ型クラッド層３が露出するまでエッチングし、そこにｎ電極１６を形成する。次いで、高抵抗層６およびｎ型クラッド層７の一部をｎ型クラッド層５が露出するまでエッチングし、そこにｐ電極１７を形成する。最後に、ポスト形状１３の中央の光出射部分を除いて同心円状にｐ電極１５を形成するとともに、ｎ型クラッド層７に接するようにｎ電極１８形成する。こうして、図１１に示した構造の面発光レーザを得る。【００９０】
以上説明した各実施形態の面発光レーザの特徴および利点は、面発光レーザの材料及び発振波長に制限されるものではない。【００９１】
また、図示した構成において、半導体基板として高抵抗もしくはｎ型ＧａＡｓ基板を用いているが、これをｐ型基板に置き換えることも可能である。この場合は、基板上の半導体層の導電型について適当な置換が必要になる。さらに、導電型基板を用いることも可能であり、設計に応じて電極を基板裏面に形成することもできる。【００９２】
また、第１の実施形態の場合のように、光変調層と活性層が直流電気的に分離されていないような構造であっても、共鳴トンネルのピーク電圧とバレイ電圧に対する電流が、いずれも活性層８の閾値電流よりも高くなるように設定することで、安定した光変調を得られる。さらに、共鳴トンネルのピーク電圧に対する電流が、活性層８の飽和電流よりも低くなるように設定することで、十分な消光比を得ることができる。【００９３】
また、各実施形態の面発光レーザを用いることで、低消費電力かつ低コストの光送信モジュールを得ることができる。
【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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【国際調査報告】
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