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
【課題】信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】長共振器の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００と、ｎ型のＡｌＧａＡｓから成る下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、ｐ型の共振器延長領域１０６と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部ＤＢＲ１０８と、ｐ側電極１１２と、ｎ側電極１１４と、共振器延長領域１０６内に形成された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれたｐ型の導電領域１１０Ｂとを有する電流狭窄層１１０とを有する。
【解決手段】長共振器の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００と、ｎ型のＡｌＧａＡｓから成る下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、ｐ型の共振器延長領域１０６と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部ＤＢＲ１０８と、ｐ側電極１１２と、ｎ側電極１１４と、共振器延長領域１０６内に形成された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれたｐ型の導電領域１１０Ｂとを有する電流狭窄層１１０とを有する。
【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】
非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献３は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Unold, el al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性の高い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、基板と、前記基板上に形成され、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ｎ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、前記共振器延長領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項２は、基板と、前記基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、前記共振器延長領域上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、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ｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記第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前記第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少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記酸化領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化される、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、ｎ型の半導体多層膜反射鏡が、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対を含んで構成されるとき、当該半導体多層膜反射鏡の低ＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が２０％以上であり、不純物ドーパントがＳｉである、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、請求項１ないし５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７は、請求項６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８は、請求項１ないし５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、２によれば、ｎ型の共振器延長領域をもつ面発光型半導体レーザと比べて、高い信頼性を維持することができる。
請求項３によれば、縦モードのスイッチングを抑制することができる。
請求項４によれば、共振器延長領域内に容易に電流狭窄構造を形成することができる。
請求項５によれば、ＡｌＧａＡｓおよびＳｉドーパントを用いたｎ型の半導体多層膜反射鏡を形成することができる。
請求項６ないし８によれば、信頼性の高い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】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図であり、図２（ｂ）はｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターを説明するためのエネルギーバンドを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図４】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５】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６】図４Ａ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（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００９】
選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に、共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。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１は、本発明の第１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１０４、活性領域１０４上に形成された共振器長を延長するｐ型の共振器延長領域１０６、共振器延長領域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を積層している。
【００１２】
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が形成される。メサＭは、少なくとも共振器延長領域１０６に含まれる電流狭窄層１１０に到達すれば良く、必ずしも下部ＤＢＲ１０２に到達することを要しない。
【００１３】
好ましい例では、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒ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。活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０６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１０６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。共振器延長領域１０６の膜厚は、３ないし４ミクロン程度であり、ここでは、発振波長をλとしたとき、光学的膜厚を１６λにしている。通常のＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０６を備えておらず、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成される。このような共振器延長領域１０６は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
好ましくは共振器延長領域１０６は、ｐ型のＡｌＧａＡｓから構成され、Ａｌ組成は、上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成の範囲０．４〜０．９内で選択される。言い換えれば、共振器延長領域１０６の屈折率は、上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成が低い高屈折率層とＡｌ組成が高い低屈折率の間にある。
【００１６】
さらに共振器延長領域１０６は、その最下層、あるいはその内部の活性領域１０４に近い位置に電流狭窄層１１０を含む。電流狭窄層１１０は、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が約９８％以上のＡｌＧａＡｓから構成される。共振器延長領域１０６の内部に電流狭窄層１１０が形成される場合には、電流狭窄層１１０は、比較的Ａｌ組成が低い低ＡｌＧａＡｓ層によって挟まれる。電流狭窄層１１０のＡｌ組成は、共振器延長領域１０６の他の部分や上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成よりも高く、その酸化速度が速くなる。このため、メサＭを酸化したとき、事実上、メサＭ内の電流狭窄層１１０が酸化されることになる。その結果、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。導電領域１１０Ｂの平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を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る。
【００１７】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.４Ｇａ0.６Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ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１０８Ａが形成される。
【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、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成され、光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１９】
通常のＶＣＳＥＬは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので、１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。一方、長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長を長くするため、複数の共振波長が発生し、発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。このため、長共振器のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長のスイッチング（縦モードのスイッチング）が生じ易く、ＩＬ特性にキンクを発生させることがある。このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に好ましくない。そこで、下部ＤＢＲ１０２を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差、あるいは上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差を小さくすることで、レーザ発振可能な反射率（例えば９９％以上）となる反射帯域を狭め、複数存在する共振波長の中から所望の共振波長を選択し、縦モードスイッチングを抑制することができる。
【００２０】
また、従来の長共振器のＶＣＳＥＬでは、ｎ型の共振器延長領域を形成している。例えば、ｎ型のＤＢＲと活性領域との間に、ｎ型の共振器延長領域を形成している。これは、ｎ型であれば、光の吸収が少なく、素子抵抗を小さくすることができるためである。しかし、共振器延長領域をＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）から構成し、ｎ型の不純物のドーパントにＳｉを用いると、いわゆるＤＸセンターが多数発生し、これに起因して活性層の劣化が急速に進んでしまうことが判明した。ＤＸセンターとは、伝導体側にできる深い準位のことであり、ドナーとなる不純物をＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓに注入したことによって発生するＡｓ欠陥と推測される。
【００２１】
図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型ＡｌＧａＡｓにＤＸセンターが生じたときのエネルギーバンドを示している。図２（ａ）に示すように、伝導体の電子は、価電子帯の正孔と結合することにより光（フォトン）を発生する。一方、Ａｌ組成が２０％以上のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のときよりもＤＸセンタの方がエネルギーが低くなり、そのため、ＤＸセンターに電子がトラップされる。その際、ＩＶ族ドナーは、ドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。また、電子は、ＤＸセンター内に蓄積され、光を吸収することでＤＸセンターから解放されて伝導体に戻るが、その際、ＩＶ族ドナーはドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。これにより、活性層の結晶構造が破壊され、著しく特性を劣化させる。これに対し、本実施例では、共振器延長領域１０６をｐ型に形成するため、ＤＸセンターが発生することがなく、それによる活性層の欠陥が引き起こされることがない。その結果、活性層の劣化による短寿命化を防止し、長共振器ＶＣＳＥＬの信頼性を維持することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対により構成したが、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、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から構成されればよく、例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。発振波長が長い場合には、ＤＢＲにＧａＡｓを用いることが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬを図３に示す。第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬ１０Ａは、ｐ型のＧａＡｓ基板１００を用いて構成される。ｐ型のＧａＡｓ基板上にｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成され、下部ＤＢＲ１０２上にｐ型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓを含む共振器延長領域１０６が形成され、共振器延長領域１０６上に活性領域１０４が形成され、活性領域１０４上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成され、上部ＤＢＲ１０８上にｎ側電極１１２が形成される。ｐ型の共振器延長領域１０６は、その一部にｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓから構成される電流狭窄層１１０を含む。このように、第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａは、第１の実施例のＶＣＳＥＬ１０のときと導電型を反転させた以外は、実質的に同様の構成である。第２の実施例においても、共振器延長領域１０６はｐ型に形成されるため、ＤＸセンターによる結晶欠陥の発生を防止することができる。
【００２４】
次に、第１の実施例で説明した長共振器のＶＣＳＥＬの製造工程について説明する。ＶＣＳＥＬの製造は、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて行われ、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４、ｐ型の共振器延長領域１０６、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８が順次積層される。下部ＤＢＲ１０２の各層の膜厚は、媒質内波長の１／４となるように形成され、共振器延長領域１０６の膜厚は、媒質内波長の１６λとなるように形成される。なお、共振器延長慮域１０６には、一定の膜厚のｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる電流狭窄層１１０が活性領域１０４の近傍に挿入される。また、上部ＤＢＲ１０８の最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層が形成される。
【００２５】
次に、基板上の半導体層は、公知のフォトリソ工程を用いてエッチングされ、基板上に円柱状のメサＭが形成される。メサＭは、少なくとも電流狭窄層１１０を露出させる深さを有する。次に、酸化処理を行い、電流狭窄層１１０内に酸化領域１１０Ａとこれによって囲まれた導電領域１１０Ｂが形成される。導電領域１１０Ｂの径は、通常のＶＣＳＥＬのものよりも大きく、例えば８ミクロンもしくはそれ以上にすることができる。
【００２６】
次に、リフトオフ工程により、上部ＤＢＲ１０８上に環状のｐ側電極１１２が形成される。但し、ｐ側電極１１２は、メサＭを形成する前に上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層上に形成しておいてもよい。次に、メサを含む基板全面にＳｉＯＮ膜がＣＶＤによって形成され、ＳｉＯＮ膜をエッチングして光出射口上に保護膜が形成される。そして、基板の裏面にｎ側電極１１４が形成される。
【００２７】
上記実施例では、共振器延長領域１０６の光学的膜厚を１６λとしたが、これは一例であって、好ましくは、１０λないし２０λの範囲内から選択される。但し、共振器長が大きくなれば、それに比例して共振波長の数が増加することに留意すべきである。また、下部ＤＢＲや上部ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差（本例では、Ａｌ組成の差）は、存在し得る共振波長との関係から適宜選択される。つまり、所望でない共振波長の反射率が低下するような反射帯域を得ることができるように屈折率差が選択される。本実施例では、共振器延長領域がｐ型に形成されるため、ＤＸセンターを考慮することなく、Ａｌ組成を選択することができる。
【００２８】
また、電流狭窄層１１０の導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。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。
【００２９】
次に、本実施例の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４（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。
【００３０】
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。
【００３１】
図４（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。
【００３２】
図５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４（ａ）または図４（ｂ）のように長共振器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。
【００３３】
図６は、図４（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
１０、１０Ａ：長共振器ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：共振器延長領域
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
【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】
非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献３は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Unold, el al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性の高い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、基板と、前記基板上に形成され、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ｎ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、前記共振器延長領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項２は、基板と、前記基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、前記共振器延長領域上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、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ｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記第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前記第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少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記酸化領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化される、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、ｎ型の半導体多層膜反射鏡が、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対を含んで構成されるとき、当該半導体多層膜反射鏡の低ＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が２０％以上であり、不純物ドーパントがＳｉである、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、請求項１ないし５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７は、請求項６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８は、請求項１ないし５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、２によれば、ｎ型の共振器延長領域をもつ面発光型半導体レーザと比べて、高い信頼性を維持することができる。
請求項３によれば、縦モードのスイッチングを抑制することができる。
請求項４によれば、共振器延長領域内に容易に電流狭窄構造を形成することができる。
請求項５によれば、ＡｌＧａＡｓおよびＳｉドーパントを用いたｎ型の半導体多層膜反射鏡を形成することができる。
請求項６ないし８によれば、信頼性の高い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】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図であり、図２（ｂ）はｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターを説明するためのエネルギーバンドを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図４】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５】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６】図４Ａ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（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００９】
選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に、共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。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１は、本発明の第１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１０４、活性領域１０４上に形成された共振器長を延長するｐ型の共振器延長領域１０６、共振器延長領域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を積層している。
【００１２】
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が形成される。メサＭは、少なくとも共振器延長領域１０６に含まれる電流狭窄層１１０に到達すれば良く、必ずしも下部ＤＢＲ１０２に到達することを要しない。
【００１３】
好ましい例では、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒ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。活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０６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１０６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。共振器延長領域１０６の膜厚は、３ないし４ミクロン程度であり、ここでは、発振波長をλとしたとき、光学的膜厚を１６λにしている。通常のＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０６を備えておらず、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成される。このような共振器延長領域１０６は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
好ましくは共振器延長領域１０６は、ｐ型のＡｌＧａＡｓから構成され、Ａｌ組成は、上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成の範囲０．４〜０．９内で選択される。言い換えれば、共振器延長領域１０６の屈折率は、上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成が低い高屈折率層とＡｌ組成が高い低屈折率の間にある。
【００１６】
さらに共振器延長領域１０６は、その最下層、あるいはその内部の活性領域１０４に近い位置に電流狭窄層１１０を含む。電流狭窄層１１０は、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が約９８％以上のＡｌＧａＡｓから構成される。共振器延長領域１０６の内部に電流狭窄層１１０が形成される場合には、電流狭窄層１１０は、比較的Ａｌ組成が低い低ＡｌＧａＡｓ層によって挟まれる。電流狭窄層１１０のＡｌ組成は、共振器延長領域１０６の他の部分や上部ＤＢＲ１０８のＡｌ組成よりも高く、その酸化速度が速くなる。このため、メサＭを酸化したとき、事実上、メサＭ内の電流狭窄層１１０が酸化されることになる。その結果、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。導電領域１１０Ｂの平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を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る。
【００１７】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.４Ｇａ0.６Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ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１０８Ａが形成される。
【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、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成され、光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１９】
通常のＶＣＳＥＬは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので、１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。一方、長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長を長くするため、複数の共振波長が発生し、発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。このため、長共振器のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長のスイッチング（縦モードのスイッチング）が生じ易く、ＩＬ特性にキンクを発生させることがある。このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に好ましくない。そこで、下部ＤＢＲ１０２を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差、あるいは上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差を小さくすることで、レーザ発振可能な反射率（例えば９９％以上）となる反射帯域を狭め、複数存在する共振波長の中から所望の共振波長を選択し、縦モードスイッチングを抑制することができる。
【００２０】
また、従来の長共振器のＶＣＳＥＬでは、ｎ型の共振器延長領域を形成している。例えば、ｎ型のＤＢＲと活性領域との間に、ｎ型の共振器延長領域を形成している。これは、ｎ型であれば、光の吸収が少なく、素子抵抗を小さくすることができるためである。しかし、共振器延長領域をＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）から構成し、ｎ型の不純物のドーパントにＳｉを用いると、いわゆるＤＸセンターが多数発生し、これに起因して活性層の劣化が急速に進んでしまうことが判明した。ＤＸセンターとは、伝導体側にできる深い準位のことであり、ドナーとなる不純物をＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓに注入したことによって発生するＡｓ欠陥と推測される。
【００２１】
図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型ＡｌＧａＡｓにＤＸセンターが生じたときのエネルギーバンドを示している。図２（ａ）に示すように、伝導体の電子は、価電子帯の正孔と結合することにより光（フォトン）を発生する。一方、Ａｌ組成が２０％以上のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のときよりもＤＸセンタの方がエネルギーが低くなり、そのため、ＤＸセンターに電子がトラップされる。その際、ＩＶ族ドナーは、ドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。また、電子は、ＤＸセンター内に蓄積され、光を吸収することでＤＸセンターから解放されて伝導体に戻るが、その際、ＩＶ族ドナーはドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。これにより、活性層の結晶構造が破壊され、著しく特性を劣化させる。これに対し、本実施例では、共振器延長領域１０６をｐ型に形成するため、ＤＸセンターが発生することがなく、それによる活性層の欠陥が引き起こされることがない。その結果、活性層の劣化による短寿命化を防止し、長共振器ＶＣＳＥＬの信頼性を維持することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対により構成したが、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、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から構成されればよく、例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。発振波長が長い場合には、ＤＢＲにＧａＡｓを用いることが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬを図３に示す。第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬ１０Ａは、ｐ型のＧａＡｓ基板１００を用いて構成される。ｐ型のＧａＡｓ基板上にｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成され、下部ＤＢＲ１０２上にｐ型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓを含む共振器延長領域１０６が形成され、共振器延長領域１０６上に活性領域１０４が形成され、活性領域１０４上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成され、上部ＤＢＲ１０８上にｎ側電極１１２が形成される。ｐ型の共振器延長領域１０６は、その一部にｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓから構成される電流狭窄層１１０を含む。このように、第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａは、第１の実施例のＶＣＳＥＬ１０のときと導電型を反転させた以外は、実質的に同様の構成である。第２の実施例においても、共振器延長領域１０６はｐ型に形成されるため、ＤＸセンターによる結晶欠陥の発生を防止することができる。
【００２４】
次に、第１の実施例で説明した長共振器のＶＣＳＥＬの製造工程について説明する。ＶＣＳＥＬの製造は、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて行われ、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４、ｐ型の共振器延長領域１０６、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８が順次積層される。下部ＤＢＲ１０２の各層の膜厚は、媒質内波長の１／４となるように形成され、共振器延長領域１０６の膜厚は、媒質内波長の１６λとなるように形成される。なお、共振器延長慮域１０６には、一定の膜厚のｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる電流狭窄層１１０が活性領域１０４の近傍に挿入される。また、上部ＤＢＲ１０８の最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層が形成される。
【００２５】
次に、基板上の半導体層は、公知のフォトリソ工程を用いてエッチングされ、基板上に円柱状のメサＭが形成される。メサＭは、少なくとも電流狭窄層１１０を露出させる深さを有する。次に、酸化処理を行い、電流狭窄層１１０内に酸化領域１１０Ａとこれによって囲まれた導電領域１１０Ｂが形成される。導電領域１１０Ｂの径は、通常のＶＣＳＥＬのものよりも大きく、例えば８ミクロンもしくはそれ以上にすることができる。
【００２６】
次に、リフトオフ工程により、上部ＤＢＲ１０８上に環状のｐ側電極１１２が形成される。但し、ｐ側電極１１２は、メサＭを形成する前に上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層上に形成しておいてもよい。次に、メサを含む基板全面にＳｉＯＮ膜がＣＶＤによって形成され、ＳｉＯＮ膜をエッチングして光出射口上に保護膜が形成される。そして、基板の裏面にｎ側電極１１４が形成される。
【００２７】
上記実施例では、共振器延長領域１０６の光学的膜厚を１６λとしたが、これは一例であって、好ましくは、１０λないし２０λの範囲内から選択される。但し、共振器長が大きくなれば、それに比例して共振波長の数が増加することに留意すべきである。また、下部ＤＢＲや上部ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差（本例では、Ａｌ組成の差）は、存在し得る共振波長との関係から適宜選択される。つまり、所望でない共振波長の反射率が低下するような反射帯域を得ることができるように屈折率差が選択される。本実施例では、共振器延長領域がｐ型に形成されるため、ＤＸセンターを考慮することなく、Ａｌ組成を選択することができる。
【００２８】
また、電流狭窄層１１０の導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。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。
【００２９】
次に、本実施例の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４（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。
【００３０】
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。
【００３１】
図４（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。
【００３２】
図５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４（ａ）または図４（ｂ）のように長共振器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。
【００３３】
図６は、図４（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
１０、１０Ａ：長共振器ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：共振器延長領域
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、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ｎ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、
前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、
前記共振器延長領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
を有する面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、
前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、
前記共振器延長領域上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、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ｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
を有する面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記第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前記第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少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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】
前記基板上には、柱状構造が形成され、前記酸化領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化される、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】
ｎ型の半導体多層膜反射鏡が、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対を含んで構成されるとき、当該半導体多層膜反射鏡の低ＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が２０％以上であり、不純物ドーパントがＳｉである、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】
請求項１ないし５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７】
請求項６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８】
請求項１ないし５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。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、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ｎ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、
前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、
前記共振器延長領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
を有する面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む共振器延長領域と、
前記共振器延長領域内に形成され、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ｐ型の非酸化領域とを含む電流狭窄層と、
前記共振器延長領域上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、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ｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
を有する面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記第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前記第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少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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】
前記基板上には、柱状構造が形成され、前記酸化領域は、前記柱状構造の側面から選択的に酸化される、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】
ｎ型の半導体多層膜反射鏡が、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対を含んで構成されるとき、当該半導体多層膜反射鏡の低ＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が２０％以上であり、不純物ドーパントがＳｉである、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】
請求項１ないし５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７】
請求項６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８】
請求項１ないし５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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４５８４５（Ｐ２０１３−４５８４５Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１７６２（Ｐ２０１１−１８１７６２）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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