特許 5998701 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5998701

(24)【登録日】2016年9月9日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20160915BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/183

【請求項の数】11

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-162279(P2012-162279)

(22)【出願日】2012年7月23日

(65)【公開番号】特開2014-22672(P2014-22672A)

(43)【公開日】2014年2月3日

【審査請求日】2015年3月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005496

【氏名又は名称】富士ゼロックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】武田 一隆

(72)【発明者】

【氏名】近藤 崇

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１５２５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２１７４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４２２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１１２２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、
第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長する導電性の半導体材料を含む共振器延長領域を有し、
第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器延長領域、前記活性領域および第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に複数の共振波長を含み、
前記共振器延長領域は、前記複数の共振波長の中から１つの共振器長を縦モードとして選択するための光学的損失を与える層を含み、
前記光学的損失を与える層の膜厚は、発振波長をλ、光学的損失を与える層の屈折率をｎとしたき、λ／４ｎ以下であり、
前記光学的損失を与える層は、選択される縦モードの定在波の少なくとも１つの節の位置に形成され、かつ非選択とされる縦モードの定在波の腹の位置に形成される、面発光型半導体レーザ。

【請求項2】

前記光学的損失を与える層は、前記共振器延長領域において相対的に不純物濃度が高い半導体層である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項3】

面発光型半導体レーザはさらに、前記共振器延長領域と前記活性領域との間に、相対的にバンドギャップの大きいキャリアブロック層を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項4】

前記光学的損失を与える層は、前記共振器延長領域において一定間隔で複数形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項5】

前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造内には前記活性領域と近接して電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項6】

前記光学的損失を与える層の膜厚は、前記電流狭窄層の膜厚に等しい、請求項５に記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項7】

前記共振器延長領域を構成する半導体材料の組成は、前記光学的損失を与える層を構成する半導体材料の組成と前記光学的損失を与える層以外の層を構成する半導体材料の組成とが等しい、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項8】

前記共振器延長領域を構成する半導体材料の組成は、前記光学的損失を与える層を構成する半導体材料の組成と前記光学的損失を与える層以外の層を構成する半導体材料の組成とが異なり、前記光学的損失を与える層は、発振波長を吸収する半導体材料の組成である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項9】

請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。

【請求項10】

請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。

【請求項11】

請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

面発光型半導体レーザは、基板と垂直方向にレーザ光を出射する発光素子であることから２次元アレイ化が容易であり、プリンタ、画像形成装置、光通信などの光源への実用化が進んでいる。そして、面発光型半導体レーザを単一横モードおよび単一縦モードで安定的に動作させるため、基本横モードと高次横モード間に損失差を与える検討がなされている。その中で、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡間の共振器長を長くした、いわゆる長共振器構造の面発光型半導体レーザが開示されている（特許文献１、２）。長共振器構造の面発光型半導体レーザは、高次横モードに回折損を与えることで、基本横モードの高光出力化を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５−１２９９６０号公報

【特許文献2】特開２００９−１５２５５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、縦モード間のスイッチングを抑制した面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

請求項１は、基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長する導電性の半導体材料を含む共振器延長領域を有し、第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器延長領域、前記活性領域および第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に複数の共振波長を含み、前記共振器延長領域は、前記複数の共振波長の中から１つの共振器長を縦モードとして選択するための光学的損失を与える層を含み、前記光学的損失を与える層の膜厚は、発振波長をλ、光学的損失を与える層の屈折率をｎとしたき、λ／４ｎ以下であり、前記光学的損失を与える層は、選択される縦モードの定在波の少なくとも１つの節の位置に形成され、かつ非選択とされる縦モードの定在波の腹の位置に形成される、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記光学的損失を与える層は、前記共振器延長領域において相対的に不純物濃度が高い半導体層である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、面発光型半導体レーザはさらに、前記共振器延長領域と前記活性領域との間に、相対的にバンドギャップの大きいキャリアブロック層を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記光学的損失を与える層は、前記共振器延長領域において一定間隔で複数形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造内には前記活性領域と近接して電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記光学的損失を与える層の膜厚は、前記電流狭窄層の膜厚に等しい、請求項５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記共振器延長領域を構成する半導体材料の組成は、前記光学的損失を与える層を構成する半導体材料の組成と前記光学的損失を与える層以外の層を構成する半導体材料の組成とが等しい、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、前記共振器延長領域を構成する半導体材料の組成は、前記光学的損失を与える層を構成する半導体材料の組成と前記光学的損失を与える層以外の層を構成する半導体材料の組成とが異なり、前記光学的損失を与える層は、発振波長を吸収する半導体材料の組成である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項１０は、請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１１は、請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。

【発明の効果】

【0006】

請求項１によれば、縦モード間のスイッチングを抑制することができる。
請求項２、８によれば、非選択とされる縦モードの定在波に損失を与えることができる。
請求項１によれば、非選択とされる縦モードの定在波の強度がある部分に損失を与えることができる。
請求項３によれば、選択された縦モードの高出力化を図ることができる。
請求項４によれば、光学的損失を与える層が単一であるときよりも損失を大きくすることができる。
請求項１によれば、選択された縦モードの定在波において、光強度分布が半分以下の領域で損失を与えることができる。
請求項５、６によれば、縦モード間のスイッチングが抑制された高光出力の面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項７によれば、共振器延長領域の製造を容易に行うことができる。
請求項９ないし１１によれば、縦モード間のスイッチングが抑制された面発光型半導体レーザを利用した面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１（Ａ）は、λ共振器構造の面発光型半導体レーザの単一縦モードを説明するグラフ（縦軸は反射率、横軸と波長）であり、図１（Ｂ）は、長共振器構造の面発光型半導体レーザの複数の縦モードを説明するグラフである。

【図2】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。

【図3】長共振器構造の面発光型半導体レーザにおける縦モード間のスイッチングの抑制を説明するグラフである。

【図4】図２に示す面発光型半導体レーザの共振器延長領域の詳細を示す断面図である。

【図5】本発明の第２の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの共振器延長領域の詳細を示す断面図である。

【図6】本発明の第３の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。

【図7】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。

【図8】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。

【図9】図７（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：以下、ＶＣＳＥＬを称する）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。今後、プリンタ等のさらなる高速化に向けて、シングルモード高出力ＶＣＳＥＬが求められている。従来の酸化狭窄型構造でシングルモード（基本横モード）を得るためには、酸化アパーチャの径を２〜３μｍにする必要があるが、このサイズの酸化アパーチャ径では、３ｍＷ以上のシングルモード出力を安定に得ることが難しくなる。酸化アパーチャ径をさらに大きくすれば、高出力化が可能になるが、マルチモード（高次横モード）発振となってしまう。そこで、酸化アパーチャ径を広げてもシングルモードを維持しつつ高光出力化する技術として、長共振器構造のＶＣＳＥＬが有望である。

【0009】

長共振器構造のＶＣＳＥＬは、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬ内の発光領域と一方の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）との間に、数〜数十λ分のスペーサ層を導入して共振器長を長くすることで高次横モードの損失を増加させ、これにより、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬの酸化アパーチャ径よりも大きい酸化アパーチャ径でシングルモード発振を可能にする。典型的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬでは、縦モード間隔（フリースペクトルレンジ）が大きいため、図１（Ａ）に示すように単一縦モードでの安定的な動作を得ることができる。これに対し、長共振器構造のＶＣＳＥＬの場合には、共振器長が長くなることで縦モード間隔が狭くなり、図１（Ｂ）に示すように共振器内に複数の縦モード（定在波）が存在し、その結果、縦モード間のスイッチングが起こり易くなる。このため、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、縦モード間のスイッチングを抑制することが要求され、本発明は、そのような縦モード間のスイッチングを抑制する長共振器構造のＶＣＳＥＬに関する。

【0010】

以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造のＶＣＳＥＬを例示する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

【実施例】

【0011】

図２は、本発明の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域１０４、共振器延長領域１０４上に形成されたｎ型のキャリアブロック層１０５、キャリアブロック層１０５上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０６、活性領域１０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層して構成される。

【0012】

ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【0013】

共振器延長領域１０４は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層である。従って、共振器延長領域１０４は、ＧａＡｓ基板と格子定数が一致しまたは整合するような、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓまたはＡｌＡｓから構成される。ここでは、７８０ｎｍ帯のレーザ光を出射させるため、共振器延長領域１０４は、光吸収を生じさせないＡｌＧａＡｓから構成される。共振器延長領域１０４の膜厚は、発振波長λの数倍ないし数十倍であり、キャリアの移動距離が長くなる。このため、共振器延長領域１０４は、キャリアの移動度が速いｎ型であることが望ましく、それゆえｎ型の下部ＤＢＲ１０２と活性領域１０６との間に挿入される。例えば、共振器延長領域１０４の膜厚は、３ないし４ミクロン程度、または光学的膜厚は１６λ程度である。このような共振器延長領域１０４は、空洞延長領域またはキャビティスペースとしても参照され得る。

【0014】

好ましくは、共振器延長領域１０４と活性領域１０６との間に、例えばＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなるバンドギャップの大きいキャリアブロック層１０５が形成される。キャリアブロック層１０５の挿入により、活性領域１０６からのキャリアリークが防止され、発光効率が改善される。後述するように、共振器延長領域１０４には、レーザ光の発振強度を幾分減衰させるような光学的損失を与える層が挿入されるので、キャリアブロック層１０５は、こうした損失を補填する役割を担う。例えば、キャリアブロック１０５の膜厚は、λ／４ｍｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｍは整数、ｎ_ｒは媒質の屈折率）である。

【0015】

活性領域１０６の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ_0.１１Ｇａ_0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層である。

【0016】

ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.４Ｇａ_0.６Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。

【0017】

上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成され、電流狭窄層１１０は、メサＭによって露出される。電流狭窄層１１０には、メサＭの側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂが形成される。酸化工程において、ＡｌＡｓ層はＡｌＧａＡｓ層よりも酸化速度が速く、酸化領域１１０Ａは、メサＭの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化されるため、導電領域１１０Ｂの基板と平行な平面形状は、メサＭの外形を反映した形状、すなわち円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るための導電領域１１０Ｂの径を、通常のλ共振器構造のＶＣＳＥＬとよりも大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ないし８ミクロン程度まで大きくすることができ、高光出力化を図ることが可能になる。

【0018】

メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、メサＭの光軸と一致する中心の円形状の光出射窓１１２Ａが形成され、当該窓１１２Ａからレーザ光が外部へ出射される。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。

【0019】

上記したように、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、共振器長で規定される反射帯域内に複数の縦モードが存在するため、縦モード間のスイッチングまたはポッピングを抑制する必要がある。図３は、長共振器構造のＶＣＳＥＬにおいて発生する複数の縦モードの例を示している（縦軸は、反射率、横軸は波長である）。ここでは、必要な縦モードＴｍの発振波長帯を７８０ｎｍとし、それ以外の縦モードの発振波長帯７６５ｎｍおよび７９５ｎｍを不要な縦モードＴｘとする。従って、本実施例では、不要な縦モードＴｘへのスイッチングを抑制するべく、共振器延長領域１０４内に不要な縦モードＴｘの定在波に対して光学的損失を与える層が設けられる。

【0020】

図４は、本実施例のＶＣＳＥＬ１０の共振器延長領域１０４の詳細な構成を示す断面図である。同図に示すように、下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ組成が相対的に低い高屈折率層１０２ＡとＡｌ組成が相対的に高い低屈折率層１０２Ｂの対を積層して構成される。下部ＤＢＲ１０２上には、順に共振器延長領域１０４、キャリアブロック層１０５、活性領域１０６が形成される。活性領域１０６の下部スペーサ層１０６Ａは、キャリアブロック層１０５に隣接し、上部スペーサ層１０６Ｃとの間に多重量子井戸層１０６Ｂが形成される。活性領域１０６に隣接して電流狭窄層１１０が形成され、さらにＡｌ組成が相対的に低い高屈折率層１０８ＡとＡｌ組成が相対的に高い低屈折率層１０８Ｂの上部ＤＢＲ１０８が形成される。

【0021】

本実施例の共振器延長領域１０４には、不要な縦モードＴｘに対して光学的損失を与えるように、必要な縦モードＴｍの定在波の節の位置に層１２０が導入されている。光学的損失を与える層１２０は、共振器延長領域１０４を構成する半導体層と同じＡｌ組成の半導体材料から構成され、例えば、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.７Ａｓから構成される。光学的損失を与える層１２０は、好ましくは、共振器延長領域１０４を構成する半導体層よりも不純物のドーピング濃度が高く、例えば、共振器延長領域１０４を構成するＡｌＧａＡｓの不純物濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3であるとき、光学的損失を与える層１２０は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3の不純物濃度を有し、他の半導体層よりも１桁程度、不純物濃度が高くなるように構成される。不純物濃度が高くなると、キャリアによる光の吸収が大きくなり、損失が与えられる。光学的損失を与える層１２０の膜厚は、必要な縦モードＴｍへの損失が大きくならないように選択され、好ましくは、定在波の節に位置する電流狭窄層１１０と同程度の膜厚（１０〜３０ｎｍくらい）である。

【0022】

光学的損失を与える層１２０は、必要な縦モードＴｍの定在波に対しては節に位置するように挿入される。定在波の節は、強度が弱いので、光学的損失を与える層１２０が必要な縦モードＴｍに与える損失の影響は小さい。他方、不要な縦モードＴｘの定在波に対しては、光学的損失を与える層１２０は、節以外の腹に位置する。定在波の腹は、節よりも強度が大きくなるため、光学的損失を与える層１２０が不要な縦モードＴｘに与える損失は大きくなる。こうして、必要な縦モードＴｍへの損失を小さくしつつ、不要な縦モードＴｘへの損失を大きくすることで、選択的に不要な縦モードＴｘが共振されないようにし、縦モードホッピングの抑制が行われる。

【0023】

必要な縦モードＴｍの波長をλ１、屈折率をnとすると、λ１／（４・ｎ）が定在波の節の位置となる。例えば、λ１を７８０ｎｍ、屈折率を３．１とすると、約５６ｎｍ毎に定在波の節となる。光学的損失を与える層１２０の膜厚は、上記したように電流狭窄層１１０と同程度の膜厚である１０〜３０ｎｍくらいが望ましいが、その膜厚が大きくなりすぎると、必要な縦モードＴｍの節から外れた部分での損失が大きくなってしまう。従って、光学的損失を与える層１２０の膜厚の上限は、定在波の光強度分布の半分以下となるようなλ１／４ｎ以下であることが望ましい。

【0024】

また、図４に示す例では、共振器延長領域１０４の必要な縦モードＴｍの定在波の各節の位置に複数の光学的損失を与える層１２０を形成したが、光学的損失を与える層１２０は、必ずしも複数である必要はなく、単一の層であってもよい。この場合、定在波の強度は、活性領域１０６に近いほど大きくなるので、活性領域１０６から近い節の位置に光学的損失を与える層１２０を形成することができる。

【0025】

さらに光学的損失を与える層１２０は、上記したようにドーピングによる不純物濃度を高くする以外にも、例えば、発振波長λに対して光吸収をするような半導体材料から構成されるものであってもよい。例えば、発振波長λが７８０ｎｍ帯であれば、共振器延長領域１０４を構成する層のうち、光学的損失を与える層１２０は、発振波長λを吸収するＧａＡｓで構成し、光学的損失を与える層１２０以外の層はＡｌＧａＡｓを用いて構成してもよい。この場合にも、ＧａＡｓを挿入する位置およびその膜厚は、必要な縦モードＴｍへの損失を小さくし、不要な縦モードＴｘの損失を大きくするように選択される。

【0026】

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬの共振器延長領域の詳細を示す断面図である。第２の実施例では、光学的損失を与える層１２０は、不要な縦モードＴｘの定在波の腹の部分に挿入され、節の部分には挿入されないようにする。不要な縦モードＴｘの節の部分に、光学的損失を与える層１２０を挿入しても、その損失は小さいので、損失が大きくなる腹の部分にのみ挿入する。これにより、必要な縦モードＴｍの定在波への損失の影響も最小限にすることができる。図５に示す例は、図４に示す共振器延長領域１０４において、不要な縦モードＴｘの節ｎ１、ｎ２に位置する光学的損失を与える層を削除したものである。

【0027】

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６は、第３の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第３の実施例では、ｐ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成される。下部ＤＢＲ１０２のうちの活性領域１０６に隣接する低屈折率層またはその一部は、電流狭窄層１１０に置換される。活性領域１０６上に、ｎ型のキャリアブロック層１０５が形成され、キャリアブロック層１０５上にｎ型の共振器延長領域１０４が形成され、共振器延長領域１０４上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成される。基板１００の底部には、ｐ側電極１１２が形成され、上部ＤＢＲ１１４の頂部には、円形の出射窓１１４Ａを含むｎ側電極１１４が形成される。なお、第３の実施例においてメサＭを形成する場合は、エッチングは、下部ＤＢＲ１０２に到達し、電流狭窄層１１０が露出する深さまで行われる。

【0028】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0029】

上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、ＡｌＧａＡｓにより形成したが、ＡｌＧａＡｓ以外の半導体材料を用いて、高屈折率層と低屈折率層の対を形成することができる。例えば、発振波長が長い場合には、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓのように、ＧａＡｓを用いてＤＢＲを構成してもよい。

【0030】

上記実施例では、選択酸化型の長共振器構造のＶＣＳＥＬを例示したが、選択酸化型の代わりにプロトンイオン注入をすることで絶縁領域を形成するようにしてもよい。この場合、基板上にメサを形成する必要はない。

【0031】

上記実施例では、メサの頂部からレーザ光を出射させる例を示したが、メサを形成せず、基板の裏面からレーザ光を出射させるようにしてもよい。この場合、下部ＤＢＲ１０２の反射率を上部ＤＢＲ１０８の反射率よりも小さくし、ｎ側電極１１４に出射窓を形成する。

【0032】

上記実施例では、基板の裏面にｎ側電極１１４を形成する例を示したが、ｎ側電極１１４は、下部ＤＢＲ１０２に直接接続されるようにしてもよい。この場合には、基板１００は、半絶縁性とすることができる。

【0033】

さらに、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに、上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。

【0034】

次に、本実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図７（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、長共振器構造のＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。

【0035】

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。

【0036】

図７（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。

【0037】

図８は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図７（Ａ）または図７（Ｂ）のように長共振器構造のＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。

【0038】

図９は、図７（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

【0039】

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

【符号の説明】

【0040】

１０、１０Ａ：長共振器構造のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器延長領域
１０５：キャリアブロック層
１０６：活性領域
１０６Ａ：下部スペーサ層
１０６Ｂ：活性層
１０６Ｃ：上部スペーサ層
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口
１１４：ｎ側電極
１２０：光学的損失を与える層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】