面発光型半導体レーザ装置および光伝送装置
【課題】小型で製造が容易な光変調器付き面発光型半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザ装置１０は、ＶＣＳＥＬ１０Ａと光変調器１０Ｂとを含む。ＶＣＳＥＬ１０Ａは、ＧａＡｓ基板１００と、基板上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、電流狭窄層１０８と、ｐ型の上部ＤＢＲ１０６と、環状のｐ側電極１１０とを有する。光変調器１０Ｂは、上部ＤＢＲ１０６上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明であるｐ型の第１の透明半導体膜１２０と、第１の透明半導体膜１２０上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明であるｎ型の第２の透明半導体膜１２２と、第２の透明半導体膜１２２に電気的に接続された変調電極１３０とを含む。ｐ型電極１１０は、第１の透明半導体膜１２０にも電気的に接続されている。
【解決手段】面発光型半導体レーザ装置１０は、ＶＣＳＥＬ１０Ａと光変調器１０Ｂとを含む。ＶＣＳＥＬ１０Ａは、ＧａＡｓ基板１００と、基板上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、電流狭窄層１０８と、ｐ型の上部ＤＢＲ１０６と、環状のｐ側電極１１０とを有する。光変調器１０Ｂは、上部ＤＢＲ１０６上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明であるｐ型の第１の透明半導体膜１２０と、第１の透明半導体膜１２０上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明であるｎ型の第２の透明半導体膜１２２と、第２の透明半導体膜１２２に電気的に接続された変調電極１３０とを含む。ｐ型電極１１０は、第１の透明半導体膜１２０にも電気的に接続されている。
【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装置および光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報端末や通信端末などの電子装置間におけるデータ伝送量の増加に伴い、より高速な通信システムが求められている。現在、１０Ｇｂｐｓ程度のデータ通信速度が実用段階に入っているが、将来的には、１００Ｇｂｐｓを超えるデータ通信速度が必要となる。半導体レーザ素子は、電気信号を光信号に変換する光通信用の光源として広く利用されている。半導体レーザ素子の変調方式には、入力された電気信号の変化をそのまま光信号の変化に変換する直接変調方式と、半導体レーザ素子から出力された光（連続光）に対し外部から信号変化を加える外部変調方式の２つの方式がある。直接変調方式は、構成が簡単で小型化が可能であるという長所を持つ反面、１０〜２０ＧＨｚが直接変調の限界である。これに対し、電気光学効果や非線形光学効果といった特殊な物性を示す材料を使用した外部変調では２０ＧＨｚを超える高速変調を単一素子で行うことが可能とされている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、裏面出射型の面発光型半導体レーザに関し、半導体基板と反対側のノンドープ分布反射ミラーの内部に、量子閉じ込めシュタルク効果により光吸収波長が変化する量子井戸構造を形成し、外部変調を行っている。また、特許文献２は、面発光型半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と、変調電極による電界によって屈折率変化が生じる電気光学効果をもつ媒体（有機結晶はＤＡＳＴ）と、媒体の屈折率変化を光強度に変換するための偏光板とを有する面型光変調器を備えた面発光スイッチを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２９１４０６号
【特許文献２】特開２００４−２８９１０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、小型で製造が容易な光変調器付き面発光型半導体レーザ装置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】
【０００６】
請求項１は、基板と、基板上に形成された第１導電型の第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、活性領域上に形成された第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された光変調器とを有し、前記光変調器は、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第２導電型の第１の透明半導体膜と、第１の透明半導体膜上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第１導電型の第２の透明半導体膜と、第１および第２の透明半導体膜に電気的に接続された第１および第２の電極とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
請求項２は、前記第１の電極は、前記第１の透明半導体膜と第２の半導体多層膜反射鏡に共通の電極であり、前記第２の電極は、前記第２の透明半導体膜上に形成され、前記光変調器は、前記第１および第２の電極に印加された変調信号に応答して第２の半導体多層膜反射鏡から出射されたレーザ光を変調する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
請求項３は、前記第１の電極には、出射開口部が存在し、当該出射開口部は、前記第１の透明半導体膜によって覆われる、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
請求項４は、面発光型半導体レーザ装置はさらに駆動手段を含み、当該駆動手段は、前記第１および第２の電極に変調信号を供給し、かつ第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続された第３の電極と前記第１の電極に直流駆動信号を供給する、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装置。
請求項５は、基板上には半導体層をエッチングした円筒構造が形成され、当該円筒構造内には選択酸化された領域を含む電流狭窄層が形成され、前記第１および第２の電極はそれぞれ環状であり、前記第１および第２の電極の内径は、前記電流狭窄層の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域の径よりも大きい、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装置。
請求項６は、前記第１の透明半導体膜は、ｐ型であり、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成され、前記第２の透明半導体膜は、ｎ型であり、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成される、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装置。
請求項７は、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装置と、
面発光型半導体レーザ装置から変調された光信号を伝送する伝送部材とを有する、光伝送装置。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１、４、６、７によれば、面発光型半導体レーザ装置に変調器を積層しない場合に比して、面発光型半導体レーザ装置の構造を単純化することができる。
請求項２によれば、第１の電極を共通の電極としない構成と比べ、面発光型半導体レーザ装置の構造を単純化することができる。
請求項３、５によれば、発振横モードを安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の動作原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の周波数応答特性の効果を説明するグラフである。
【図４】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置により変調したときの光出力の例を説明する図である。
【図５】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の他の効果を説明する図である。
【図６】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置を適用した光伝送装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。情報端末や通信端末などの電子装置間におけるデータ伝送量の増加に伴い、より高速な通信システムが求められている。現在、１０Ｇｂｐｓ程度のデータ通信速度が実用段階に入っているが、将来的には、１００Ｇｂｐｓを超えるデータ通信速度が必要となる。半導体レーザ素子は、電気信号を光信号に変換する光通信用の光源として広く利用されている。半導体レーザ素子の変調方式には、入力された電気信号の変化をそのまま光信号の変化に変換する直接変調方式と、半導体レーザ素子から出力された光（連続光）に対し外部から信号変化を加える外部変調方式の２つの方式がある。直接変調方式は、構成が簡単で小型化が可能であるという長所を持つ反面、１０〜２０ＧＨｚが直接変調の限界である。これに対し、電気光学効果や非線形光学効果といった特殊な物性を示す材料を使用した外部変調では２０ＧＨｚを超える高速変調を単一素子で行うことが可能とされている。小型、低コストの利点を有する面発光型半導体レーザ装置の直接変調を超えるとして、本実施例の形態では、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下、ＶＣＳＥＬという）の出射面から放出された光を外部変調する例を示す。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】
【００１０】
図１は、本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施例の面発光型半導体レーザ装置１０は、典型的な選択酸化型のＶＣＳＥＬ１０Ａと、ＶＣＳＥＬ１０Ａ上に形成された光変調器１０Ｂとを含んで構成される。
【００１１】
ＶＣＳＥＬ１０Ａ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Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６を各々積層している。下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との対を４０周期積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）、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に含まれる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ＧａＡｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層である。ｐ型の上部ＤＢＲ１０６は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との対を２４周期積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒ、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ＤＢＲ１０６の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１０８が形成される。
【００１２】
上部ＤＢＲ１０６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）が形成される。ＡｌＡｓ層１０８はメサの側面で露出され、当該側面から選択的に熱酸化された酸化領域１０８Ａと酸化領域１０８Ａによって囲まれた円形状の導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂとを有する。導電領域１０８Ｂの径は所望の特性に応じ適宜選択することができる。メサの最上層、すなわち上部ＤＢＲ１０６の出射面上には、環状のｐ側電極１１０が形成される。ｐ側電極１１０は、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、上部ＤＢＲ１０６のコンタクト層１０６Ａとの間でオーミック接触を有する。また、基板裏面には、下部ＤＢＲ１０２と電気的に接続されるｎ側電極１１２が形成される。ｎ側電極１１２、例えば、ＡｕまたはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、ＧａＡｓ基板１００との間でオーミック接触を有する。
【００１３】
光変調器１０Ｂは、上部ＤＢＲ１０６の出射面上に形成されたｐ型の第１の透明半導体膜１２０と、その上に積層されたｎ型の第２の透明半導体膜１２２とを含む。第１の透明半導体膜１２０は、ほぼ円形状を有し、ｐ側電極１１０の内周側の縁部が第１の透明半導体膜１２０の外周上を延在することで、ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０６および第１の透明半導体膜１２０の共通電極として機能する。また、第１の透明半導体膜１２０は、コンタクト層１０６Ａとオーミック接触しているｐ側電極１１０の外周部を除いて露出された上部ＤＢＲ１０６の表面を覆うことで、保護膜としても機能する。
【００１４】
第２の透明半導体膜１２２は、ｐ側電極１１０から離間するような円形状を有し、第１の透明半導体膜１２０との間でｐｎ接合を形成する。第２の透明半導体膜１２２上の外周の縁部には、環状の変調電極１３０が形成される。ｐ側電極１１０および変調電極１３０の内径は、好ましくは導電領域１０８Ｂの径よりも大きい。これにより、導電領域１０８Ｂの光軸上には、光学的に透明な一対の半導体膜１２０、１２２が形成され、上部ＤＢＲ１０６から出射されたレーザ光は、ｐ側電極１１０および変調電極１３０により遮断されることなく光変調器１０Ｂにより変調される。
【００１５】
第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２は、ＶＣＳＥＬ１０Ａから出射されるレーザ光（ここでは、発振波長が８５０ｎｍの赤外光）に対して透明であるような材料であって、公知の半導体プロセス（ＣＶＤ、反応性あるいはイオン性スパッタリング、ゾル−ゲル法、エピタキシャル成長など）を用いて比較的低温で不純物をドーピングできる材料が選択される。ｐ型の第１の透明半導体膜１２０として、例えば、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から選択することが可能である。また、ｎ型の第２の透明半導体膜１２２として、例えば、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から選択することが可能である。
【００１６】
好ましい例として、本実施例では、第１の透明半導体膜１２０にｐ型の銅アルミ酸化物（CuAlO2）を用い、第２の透明半導体膜１２２にｎ型の酸化亜鉛（ZnO）を用いる。これらの材料は、スパッタリング法、あるいはプラズマＣＶＤ法等により中低温（基板表面温度500℃以下）で積層され、ＶＣＳＥＬ１０Ａの素子の結晶構造を破壊することなく、安定的に形成される。また、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２は、光変調を行うに十分な膜厚、および後述の通り適正なキャリア濃度が得られるよう積層される。
【００１７】
好ましくは、銅アルミ酸化物（CuAlO2）の薄膜の形成には、デュアルカソード方式のマグネトロンスパッタリング装置が用いられる。一の電極にターゲットとして銅、他の電極にアルミニウムを配置し、アルゴン希釈された酸素が導入された反応室内で銅、アルミニウムを交互にスパッタリングすることで、酸素ガスと反応してアクセプタ不純物が不要なｐ型透明半導体（CuAlO2）を得ることができる。また、酸化亜鉛（ZnO）の薄膜の形成には、化学気相成長法（ＣＶＤ）が用いられる。原料のジエチル亜鉛、酸化剤の亜酸化窒素、ドーパントのトリエチルアルミニウムのそれぞれを、アルゴンをキャリアガスとして反応室内で混合し、基板温度４００℃にて堆積させることでｎ型透明半導体（ZnO）を得ることができる。
【００１８】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の動作原理を図２を参照して説明する。図２は、光変調器付き面発光型半導体レーザ装置１０の駆動例を示している。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ１０Ａのｐ側電極１１０とｎ側電極１１２間には直流駆動電圧が印加され、これによりＶＣＳＥＬ１０Ａは８５０ｎｍの赤外光を基板主面とほぼ垂直方向に出射する。一方、光変調器１０Ｂのｐ側電極１１０と変調電極１３０間には、所望の周波数、例えば２０ＧＨｚの変調信号が印加される。
【００１９】
光変調器１０Ｂに変調信号を印加すると、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２からなるｐｎ接合にプラズマ振動を生じ、レーザ光（発振波長８５０ｎｍの赤外光）に対する反射率が変化する。プラズマとは正、負に帯電した粒子が共存して全体的に電気的に中性になっている物質の状態を言う。金属や半導体内の自由電子と、金属イオンや正孔も一種のプラズマとみなすことができる。プラズマ振動とは半導体中のキャリアが光などの電磁波によって刺激され振動した際に生ずるキャリアの粗密振動で、外部から入射した電波や光を反射する性質があり、反射の程度は物質の電気特性により制御可能である。
【００２０】
第１の透明半導体膜１２０には、ｐ側電極１１０を介して直流駆動信号の正の電位Ｖｐが印加され、第２の透明半導体膜１２２には、変調電極１３０を介して可変する電位が印加される。図２（ｂ）は、変調電極１３０に印加される変調信号であり、高電位ＶＨと低電位ＶＬを有するパルス波形からなる。高電位ＶＨまたは低電位ＶＬを選択することにより、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２からなるｐｎ接合に順方向バイアスまたは逆方向バイアスを印加することができる。ｐｎ接合に順方向または逆方向バイアスを印加することで、空乏層の大きさを可変し、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２中のキャリア濃度を増加または減少させることで、赤外光反射の臨界波長をシフトさせることができる。
【００２１】
変調信号の高電位ＶＨがｐ側電極１１０に印加される駆動電圧Ｖｐよりも大きければ、ｐｎ接合に逆バイアスが印加され空乏層は大きくなり、半導体層中のキャリアが減少し、赤外反射の臨界波長が長波長側へシフトし、ＶＣＳＥＬ１０Ａで出射された赤外光を透過させることができる。一方、高電位ＶＨよりも小さい低電位ＶＬが印加されれば、ｐｎ接合の空乏層が小さくなった結果キャリアが増加し、臨界波長が短波長側へシフトして、ＶＣＳＥＬ１０Ａで出射された赤外光は反射または遮蔽される。このように、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２にドーピングする不純物濃度および変調信号のバイアス電圧を適宜選択することで、透明半導体膜１２０、１２２のキャリア濃度から赤外反射の臨界波長を制御することができ、さらに、キャリアが分布する層の厚さに基づき赤外反射の臨界波長を制御することが可能である。好ましくは、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２に印加されたバイアス電圧を変化させる（変調信号）ことで、ｐｎ接合に形成される空乏層の大きさを可変し、発振波長８５０ｎｍの赤外光の反射または透過を制御するシャッター効果を生ぜしめる。
【００２２】
図４（ａ）は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の光変調器によりプラズマ振動に基づく反射率変化を利用してスイッチング制御した際の光出力の例を表している。ＶＣＳＥＬ１０Ａの出射面からは連続的なレーザ光が出射され、これを論理「１」の信号で表している。光変調器１０Ｂには、所定の周波数の変調信号が印加され、レーザ光（赤外光）を透過する状態を論理「１」、反射または遮蔽する状態を論理「０」で表している。光出力は、面発光型半導体レーザ装置から出力される最終的な光信号であり、光変調器１０Ｂにより変調された光信号の出力が得られる。また、図４（ｂ）は、ＶＣＳＥＬ１０Ａも直接変調し、そのレーザ光をさらに光変調器１０Ｂでスイッチングする例を示している。光変調器１０Ｂには、レーザ光を透過することができる期間を示すパルス波形が印加され、そのパルス波形（論理１）の期間、ＶＣＳＥＬ１０Ａで変調されたレーザ光を光出力として得ることができる。
【００２３】
この他、キャリアプラズマ効果に基づく媒質の屈折率変化によっても外部変調は可能である。キャリアプラズマ効果は光学的に生成されたキャリアが媒質中の電子正孔対を増加させ、着目している時間領域内におけるプラズマの生成量が、再結合や拡散による損失量を上回ったときに媒質の屈折率を減少させる現象である。例えば、変調信号の高電位ＶＨを駆動電圧Ｖｐに等しくし、低電位ＶＬにより順方向バイアスが印加されてｐｎ接合障壁を越えるようにすることで、変調信号に同期して等価的に電子正孔対を増大、屈折率を変化させてＶＣＳＥＬ１０Ａからのレーザ光を変調することができる。
【００２４】
図３は、本実施例の光変調器を有する面発光型半導体レーザ装置の小信号変調特性の効果を説明するグラフである。光変調器を有していない従来型の面発光型半導体レーザ装置では、周波数応答特性として振幅が３ｄＢ低下の遮断周波数は、ｆ１である。これに対し、本実施例の面発光型半導体レーザ装置においてはプラズマキャリア効果に基づく屈折率変化を利用して高速変調させた結果、遮断周波数がｆ２（ｆ２＞ｆ１）に改善される。つまりｐｎ接合部への電流注入に伴うキャリアプラズマ効果により接合部の屈折率が変化し、ＶＣＳＥＬ１０Ａからの出射光が変調作用を受けたことになる。
【００２５】
このように、本実施例によれば、ＶＣＳＥＬ１０Ａの出射開口部に形成した透明半導体膜１２０、１２２からなる１組のｐｎ接合に生じるプラズマ振動あるいはキャリアプラズマ効果に基づき、赤外光に対する反射率、屈折率、あるいは位相を制御することにより、変調信号の周波数に同期させてレーザ光を高速変調したり、光スイッチとして機能させることができる。なお好ましくは、面発光型半導体レーザ装置１０は、直流駆動信号および変調信号を生成し、これらをＶＣＳＥＬ１０Ａおよび変調器１０Ｂに供給する駆動回路１０Ｃを含むことができる。
【００２６】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の他の効果を図５を参照して説明する。図５は説明を簡便にするため図１に示す本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置より、第２の透明半導体膜１２２、並びに変調電極１３０を取り除いた面発光型半導体レーザ装置である。メサ表面に形成されたｐ側電極１１０は、中央に出射開口部１１０Ａを有する環状電極である。このため、ｐ側電極１１０から注入されるキャリア（図中、Ｃ１の実線で示す）は、メサ周縁から注入される。注入されたキャリアは、拡散により横方向に進行し、電流狭窄層１０８の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域１０８Ｂにより光軸方向に収束された状態で活性領域１０４に注入されるが、低温時にはキャリアの拡散長が短くなるため十分に横方向に拡散せず、キャリア分布の局在化を生じやすくなる。キャリアが導電領域の周縁に偏ると、出射開口部直下の、とりわけ活性領域１０４の中心（光軸）付近へのキャリアの注入、つまりこの付近でのキャリア再結合が低下し、結果的にキャリアの不均一注入を生じて図５に示すような高次横モード発振のレーザ光Ｌ１を発生し易くなる。これに対し、本願実施例の面発光型半導体レーザ装置では、ｐ側電極１１０の出射開口部１１０Ａ内にはｐ側電極１１０に電気的に接続された第１の透明半導体膜１２０が存在するため、ｐ側電極１１０からの直接的なキャリアに加え、第１の透明半導体膜１２０を経由したキャリア（図中、Ｃ０の破線で示す）が注入され、活性領域に対し垂直方向に電流経路を形成することに寄与する。これによりキャリア注入の不均一問題が解消される。このため、キャリア分布の局在化を生じ易い極低温時においても、効率良く活性領域の中心部に電流注入が行われキャリアの局在化が抑制され、安定した横モード発振のレーザ光Ｌ０が得られ易くなる。
【００２７】
さらに、本実施例では、第１の透明半導体膜１２０は保護膜としても機能し、上部ＤＢＲ１０６の表面が大気中にむき出しになることによる酸化、あるいは変質を防ぐ。
【００２８】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を利用した光伝送装置について説明する。図６は、本実施例の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３００は、ステム３１０に固定された円筒状の筐体３２０、筐体３２０の端面に一体に形成されたスリーブ３３０、スリーブ３３０の開口３３２内に保持されるフェルール３４０、およびフェルール３４０によって保持される光ファイバ３５０を含んで構成される。ステム３１０の円周方向に形成されたフランジ３１２には、筐体３２０の端部が固定される。フェルール３４０は、スリーブ３３０の開口３３２に正確に位置決めされ、光ファイバ３５０の光軸がキャップ３６０に支持されたボールレンズ３７０の光軸に整合される。フェルール３４０の貫通孔３４２内に光ファイバ３５０の芯線が保持されている。ステム３１０上には面発光型半導体レーザ装置１０が位置決めされ、面発光型半導体レーザ装置１０には、複数のリード３８０を介して必要な電気信号が供給される。面発光型半導体レーザ装置１０から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３７０によって集光され、集光された光は、光ファイバ３５０の芯線に入射され、送信される。ここではボールレンズ３７０を用いているが、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３００は、光ファイバ３５０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。
【００２９】
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。
【００３０】
上記実施例では、ｎ側電極１１２を半導体基板１００の裏面に形成したが、ｎ側電極１１２は、基板の表面側に形成して下部ＤＢＲ１０２とのコンタクトを取るようにしてもよい。この場合、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることもできる。
【００３１】
上記実施例では、ＧａＡｓ量子井戸層を有する波長８５０ｎｍの赤外光を出射するＶＣＳＥＬについて述べたが、活性層の材料をアルミを含む材料とするか、あるいはインジウムを含む材料とすることで発振波長をより短波長、あるいは長波長化することができ、同様な効果を奏することが可能である。
【００３２】
さらに上記実施例では、選択酸化技術を用いて電流狭窄層（ＡｌＡｓ層）を形成したが、これ以外にもイオン注入、あるいは単純ポスト構造などにより電気狭窄層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体層を用いたＶＣＳＥＬを例示したが、これに限定されることなくＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等を用いた、基板主面の法線方向に光が放出されるレーザ素子であってもよい。さらに上記実施例では、電流狭窄層としてＡｌＡｓを用い酸化領域１０８Ａを形成するのにＡｌＡｓ層１０８を選択的に熱酸化するとしたが、被酸化層（電流狭窄層）の材料はこれに限定されることなく、微量のＧａを含むＡｌＧａＡｓ層、例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層としてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０：光変調器付き面発光型半導体レーザ装置
１０Ａ:ＶＣＳＥＬ
１０Ｂ：光変調器
１０Ｃ：駆動回路
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ
１０８：ＡｌＡｓ層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：導電領域
１１０：ｐ側電極
１１０Ａ：出射開口部
１１２：ｎ側電極
１２０：第１の透明半導体膜
１２２：第２の透明半導体膜
１３０：変調電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ装置および光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報端末や通信端末などの電子装置間におけるデータ伝送量の増加に伴い、より高速な通信システムが求められている。現在、１０Ｇｂｐｓ程度のデータ通信速度が実用段階に入っているが、将来的には、１００Ｇｂｐｓを超えるデータ通信速度が必要となる。半導体レーザ素子は、電気信号を光信号に変換する光通信用の光源として広く利用されている。半導体レーザ素子の変調方式には、入力された電気信号の変化をそのまま光信号の変化に変換する直接変調方式と、半導体レーザ素子から出力された光（連続光）に対し外部から信号変化を加える外部変調方式の２つの方式がある。直接変調方式は、構成が簡単で小型化が可能であるという長所を持つ反面、１０〜２０ＧＨｚが直接変調の限界である。これに対し、電気光学効果や非線形光学効果といった特殊な物性を示す材料を使用した外部変調では２０ＧＨｚを超える高速変調を単一素子で行うことが可能とされている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、裏面出射型の面発光型半導体レーザに関し、半導体基板と反対側のノンドープ分布反射ミラーの内部に、量子閉じ込めシュタルク効果により光吸収波長が変化する量子井戸構造を形成し、外部変調を行っている。また、特許文献２は、面発光型半導体レーザから出射される光を変調するための電圧を印加する変調電極と、変調電極による電界によって屈折率変化が生じる電気光学効果をもつ媒体（有機結晶はＤＡＳＴ）と、媒体の屈折率変化を光強度に変換するための偏光板とを有する面型光変調器を備えた面発光スイッチを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２９１４０６号
【特許文献２】特開２００４−２８９１０１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、小型で製造が容易な光変調器付き面発光型半導体レーザ装置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】
【０００６】
請求項１は、基板と、基板上に形成された第１導電型の第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、活性領域上に形成された第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された光変調器とを有し、前記光変調器は、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第２導電型の第１の透明半導体膜と、第１の透明半導体膜上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第１導電型の第２の透明半導体膜と、第１および第２の透明半導体膜に電気的に接続された第１および第２の電極とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
請求項２は、前記第１の電極は、前記第１の透明半導体膜と第２の半導体多層膜反射鏡に共通の電極であり、前記第２の電極は、前記第２の透明半導体膜上に形成され、前記光変調器は、前記第１および第２の電極に印加された変調信号に応答して第２の半導体多層膜反射鏡から出射されたレーザ光を変調する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
請求項３は、前記第１の電極には、出射開口部が存在し、当該出射開口部は、前記第１の透明半導体膜によって覆われる、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
請求項４は、面発光型半導体レーザ装置はさらに駆動手段を含み、当該駆動手段は、前記第１および第２の電極に変調信号を供給し、かつ第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続された第３の電極と前記第１の電極に直流駆動信号を供給する、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装置。
請求項５は、基板上には半導体層をエッチングした円筒構造が形成され、当該円筒構造内には選択酸化された領域を含む電流狭窄層が形成され、前記第１および第２の電極はそれぞれ環状であり、前記第１および第２の電極の内径は、前記電流狭窄層の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域の径よりも大きい、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装置。
請求項６は、前記第１の透明半導体膜は、ｐ型であり、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成され、前記第２の透明半導体膜は、ｎ型であり、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成される、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装置。
請求項７は、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装置と、
面発光型半導体レーザ装置から変調された光信号を伝送する伝送部材とを有する、光伝送装置。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１、４、６、７によれば、面発光型半導体レーザ装置に変調器を積層しない場合に比して、面発光型半導体レーザ装置の構造を単純化することができる。
請求項２によれば、第１の電極を共通の電極としない構成と比べ、面発光型半導体レーザ装置の構造を単純化することができる。
請求項３、５によれば、発振横モードを安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の動作原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の周波数応答特性の効果を説明するグラフである。
【図４】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置により変調したときの光出力の例を説明する図である。
【図５】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の他の効果を説明する図である。
【図６】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置を適用した光伝送装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。情報端末や通信端末などの電子装置間におけるデータ伝送量の増加に伴い、より高速な通信システムが求められている。現在、１０Ｇｂｐｓ程度のデータ通信速度が実用段階に入っているが、将来的には、１００Ｇｂｐｓを超えるデータ通信速度が必要となる。半導体レーザ素子は、電気信号を光信号に変換する光通信用の光源として広く利用されている。半導体レーザ素子の変調方式には、入力された電気信号の変化をそのまま光信号の変化に変換する直接変調方式と、半導体レーザ素子から出力された光（連続光）に対し外部から信号変化を加える外部変調方式の２つの方式がある。直接変調方式は、構成が簡単で小型化が可能であるという長所を持つ反面、１０〜２０ＧＨｚが直接変調の限界である。これに対し、電気光学効果や非線形光学効果といった特殊な物性を示す材料を使用した外部変調では２０ＧＨｚを超える高速変調を単一素子で行うことが可能とされている。小型、低コストの利点を有する面発光型半導体レーザ装置の直接変調を超えるとして、本実施例の形態では、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下、ＶＣＳＥＬという）の出射面から放出された光を外部変調する例を示す。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】
【００１０】
図１は、本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施例の面発光型半導体レーザ装置１０は、典型的な選択酸化型のＶＣＳＥＬ１０Ａと、ＶＣＳＥＬ１０Ａ上に形成された光変調器１０Ｂとを含んで構成される。
【００１１】
ＶＣＳＥＬ１０Ａ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Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６を各々積層している。下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との対を４０周期積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）、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に含まれる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ＧａＡｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層である。ｐ型の上部ＤＢＲ１０６は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との対を２４周期積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒ、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ＤＢＲ１０６の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１０８が形成される。
【００１２】
上部ＤＢＲ１０６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）が形成される。ＡｌＡｓ層１０８はメサの側面で露出され、当該側面から選択的に熱酸化された酸化領域１０８Ａと酸化領域１０８Ａによって囲まれた円形状の導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂとを有する。導電領域１０８Ｂの径は所望の特性に応じ適宜選択することができる。メサの最上層、すなわち上部ＤＢＲ１０６の出射面上には、環状のｐ側電極１１０が形成される。ｐ側電極１１０は、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、上部ＤＢＲ１０６のコンタクト層１０６Ａとの間でオーミック接触を有する。また、基板裏面には、下部ＤＢＲ１０２と電気的に接続されるｎ側電極１１２が形成される。ｎ側電極１１２、例えば、ＡｕまたはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、ＧａＡｓ基板１００との間でオーミック接触を有する。
【００１３】
光変調器１０Ｂは、上部ＤＢＲ１０６の出射面上に形成されたｐ型の第１の透明半導体膜１２０と、その上に積層されたｎ型の第２の透明半導体膜１２２とを含む。第１の透明半導体膜１２０は、ほぼ円形状を有し、ｐ側電極１１０の内周側の縁部が第１の透明半導体膜１２０の外周上を延在することで、ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０６および第１の透明半導体膜１２０の共通電極として機能する。また、第１の透明半導体膜１２０は、コンタクト層１０６Ａとオーミック接触しているｐ側電極１１０の外周部を除いて露出された上部ＤＢＲ１０６の表面を覆うことで、保護膜としても機能する。
【００１４】
第２の透明半導体膜１２２は、ｐ側電極１１０から離間するような円形状を有し、第１の透明半導体膜１２０との間でｐｎ接合を形成する。第２の透明半導体膜１２２上の外周の縁部には、環状の変調電極１３０が形成される。ｐ側電極１１０および変調電極１３０の内径は、好ましくは導電領域１０８Ｂの径よりも大きい。これにより、導電領域１０８Ｂの光軸上には、光学的に透明な一対の半導体膜１２０、１２２が形成され、上部ＤＢＲ１０６から出射されたレーザ光は、ｐ側電極１１０および変調電極１３０により遮断されることなく光変調器１０Ｂにより変調される。
【００１５】
第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２は、ＶＣＳＥＬ１０Ａから出射されるレーザ光（ここでは、発振波長が８５０ｎｍの赤外光）に対して透明であるような材料であって、公知の半導体プロセス（ＣＶＤ、反応性あるいはイオン性スパッタリング、ゾル−ゲル法、エピタキシャル成長など）を用いて比較的低温で不純物をドーピングできる材料が選択される。ｐ型の第１の透明半導体膜１２０として、例えば、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から選択することが可能である。また、ｎ型の第２の透明半導体膜１２２として、例えば、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から選択することが可能である。
【００１６】
好ましい例として、本実施例では、第１の透明半導体膜１２０にｐ型の銅アルミ酸化物（CuAlO2）を用い、第２の透明半導体膜１２２にｎ型の酸化亜鉛（ZnO）を用いる。これらの材料は、スパッタリング法、あるいはプラズマＣＶＤ法等により中低温（基板表面温度500℃以下）で積層され、ＶＣＳＥＬ１０Ａの素子の結晶構造を破壊することなく、安定的に形成される。また、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２は、光変調を行うに十分な膜厚、および後述の通り適正なキャリア濃度が得られるよう積層される。
【００１７】
好ましくは、銅アルミ酸化物（CuAlO2）の薄膜の形成には、デュアルカソード方式のマグネトロンスパッタリング装置が用いられる。一の電極にターゲットとして銅、他の電極にアルミニウムを配置し、アルゴン希釈された酸素が導入された反応室内で銅、アルミニウムを交互にスパッタリングすることで、酸素ガスと反応してアクセプタ不純物が不要なｐ型透明半導体（CuAlO2）を得ることができる。また、酸化亜鉛（ZnO）の薄膜の形成には、化学気相成長法（ＣＶＤ）が用いられる。原料のジエチル亜鉛、酸化剤の亜酸化窒素、ドーパントのトリエチルアルミニウムのそれぞれを、アルゴンをキャリアガスとして反応室内で混合し、基板温度４００℃にて堆積させることでｎ型透明半導体（ZnO）を得ることができる。
【００１８】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の動作原理を図２を参照して説明する。図２は、光変調器付き面発光型半導体レーザ装置１０の駆動例を示している。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ１０Ａのｐ側電極１１０とｎ側電極１１２間には直流駆動電圧が印加され、これによりＶＣＳＥＬ１０Ａは８５０ｎｍの赤外光を基板主面とほぼ垂直方向に出射する。一方、光変調器１０Ｂのｐ側電極１１０と変調電極１３０間には、所望の周波数、例えば２０ＧＨｚの変調信号が印加される。
【００１９】
光変調器１０Ｂに変調信号を印加すると、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２からなるｐｎ接合にプラズマ振動を生じ、レーザ光（発振波長８５０ｎｍの赤外光）に対する反射率が変化する。プラズマとは正、負に帯電した粒子が共存して全体的に電気的に中性になっている物質の状態を言う。金属や半導体内の自由電子と、金属イオンや正孔も一種のプラズマとみなすことができる。プラズマ振動とは半導体中のキャリアが光などの電磁波によって刺激され振動した際に生ずるキャリアの粗密振動で、外部から入射した電波や光を反射する性質があり、反射の程度は物質の電気特性により制御可能である。
【００２０】
第１の透明半導体膜１２０には、ｐ側電極１１０を介して直流駆動信号の正の電位Ｖｐが印加され、第２の透明半導体膜１２２には、変調電極１３０を介して可変する電位が印加される。図２（ｂ）は、変調電極１３０に印加される変調信号であり、高電位ＶＨと低電位ＶＬを有するパルス波形からなる。高電位ＶＨまたは低電位ＶＬを選択することにより、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２からなるｐｎ接合に順方向バイアスまたは逆方向バイアスを印加することができる。ｐｎ接合に順方向または逆方向バイアスを印加することで、空乏層の大きさを可変し、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２中のキャリア濃度を増加または減少させることで、赤外光反射の臨界波長をシフトさせることができる。
【００２１】
変調信号の高電位ＶＨがｐ側電極１１０に印加される駆動電圧Ｖｐよりも大きければ、ｐｎ接合に逆バイアスが印加され空乏層は大きくなり、半導体層中のキャリアが減少し、赤外反射の臨界波長が長波長側へシフトし、ＶＣＳＥＬ１０Ａで出射された赤外光を透過させることができる。一方、高電位ＶＨよりも小さい低電位ＶＬが印加されれば、ｐｎ接合の空乏層が小さくなった結果キャリアが増加し、臨界波長が短波長側へシフトして、ＶＣＳＥＬ１０Ａで出射された赤外光は反射または遮蔽される。このように、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２にドーピングする不純物濃度および変調信号のバイアス電圧を適宜選択することで、透明半導体膜１２０、１２２のキャリア濃度から赤外反射の臨界波長を制御することができ、さらに、キャリアが分布する層の厚さに基づき赤外反射の臨界波長を制御することが可能である。好ましくは、第１および第２の透明半導体膜１２０、１２２に印加されたバイアス電圧を変化させる（変調信号）ことで、ｐｎ接合に形成される空乏層の大きさを可変し、発振波長８５０ｎｍの赤外光の反射または透過を制御するシャッター効果を生ぜしめる。
【００２２】
図４（ａ）は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の光変調器によりプラズマ振動に基づく反射率変化を利用してスイッチング制御した際の光出力の例を表している。ＶＣＳＥＬ１０Ａの出射面からは連続的なレーザ光が出射され、これを論理「１」の信号で表している。光変調器１０Ｂには、所定の周波数の変調信号が印加され、レーザ光（赤外光）を透過する状態を論理「１」、反射または遮蔽する状態を論理「０」で表している。光出力は、面発光型半導体レーザ装置から出力される最終的な光信号であり、光変調器１０Ｂにより変調された光信号の出力が得られる。また、図４（ｂ）は、ＶＣＳＥＬ１０Ａも直接変調し、そのレーザ光をさらに光変調器１０Ｂでスイッチングする例を示している。光変調器１０Ｂには、レーザ光を透過することができる期間を示すパルス波形が印加され、そのパルス波形（論理１）の期間、ＶＣＳＥＬ１０Ａで変調されたレーザ光を光出力として得ることができる。
【００２３】
この他、キャリアプラズマ効果に基づく媒質の屈折率変化によっても外部変調は可能である。キャリアプラズマ効果は光学的に生成されたキャリアが媒質中の電子正孔対を増加させ、着目している時間領域内におけるプラズマの生成量が、再結合や拡散による損失量を上回ったときに媒質の屈折率を減少させる現象である。例えば、変調信号の高電位ＶＨを駆動電圧Ｖｐに等しくし、低電位ＶＬにより順方向バイアスが印加されてｐｎ接合障壁を越えるようにすることで、変調信号に同期して等価的に電子正孔対を増大、屈折率を変化させてＶＣＳＥＬ１０Ａからのレーザ光を変調することができる。
【００２４】
図３は、本実施例の光変調器を有する面発光型半導体レーザ装置の小信号変調特性の効果を説明するグラフである。光変調器を有していない従来型の面発光型半導体レーザ装置では、周波数応答特性として振幅が３ｄＢ低下の遮断周波数は、ｆ１である。これに対し、本実施例の面発光型半導体レーザ装置においてはプラズマキャリア効果に基づく屈折率変化を利用して高速変調させた結果、遮断周波数がｆ２（ｆ２＞ｆ１）に改善される。つまりｐｎ接合部への電流注入に伴うキャリアプラズマ効果により接合部の屈折率が変化し、ＶＣＳＥＬ１０Ａからの出射光が変調作用を受けたことになる。
【００２５】
このように、本実施例によれば、ＶＣＳＥＬ１０Ａの出射開口部に形成した透明半導体膜１２０、１２２からなる１組のｐｎ接合に生じるプラズマ振動あるいはキャリアプラズマ効果に基づき、赤外光に対する反射率、屈折率、あるいは位相を制御することにより、変調信号の周波数に同期させてレーザ光を高速変調したり、光スイッチとして機能させることができる。なお好ましくは、面発光型半導体レーザ装置１０は、直流駆動信号および変調信号を生成し、これらをＶＣＳＥＬ１０Ａおよび変調器１０Ｂに供給する駆動回路１０Ｃを含むことができる。
【００２６】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置の他の効果を図５を参照して説明する。図５は説明を簡便にするため図１に示す本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置より、第２の透明半導体膜１２２、並びに変調電極１３０を取り除いた面発光型半導体レーザ装置である。メサ表面に形成されたｐ側電極１１０は、中央に出射開口部１１０Ａを有する環状電極である。このため、ｐ側電極１１０から注入されるキャリア（図中、Ｃ１の実線で示す）は、メサ周縁から注入される。注入されたキャリアは、拡散により横方向に進行し、電流狭窄層１０８の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域１０８Ｂにより光軸方向に収束された状態で活性領域１０４に注入されるが、低温時にはキャリアの拡散長が短くなるため十分に横方向に拡散せず、キャリア分布の局在化を生じやすくなる。キャリアが導電領域の周縁に偏ると、出射開口部直下の、とりわけ活性領域１０４の中心（光軸）付近へのキャリアの注入、つまりこの付近でのキャリア再結合が低下し、結果的にキャリアの不均一注入を生じて図５に示すような高次横モード発振のレーザ光Ｌ１を発生し易くなる。これに対し、本願実施例の面発光型半導体レーザ装置では、ｐ側電極１１０の出射開口部１１０Ａ内にはｐ側電極１１０に電気的に接続された第１の透明半導体膜１２０が存在するため、ｐ側電極１１０からの直接的なキャリアに加え、第１の透明半導体膜１２０を経由したキャリア（図中、Ｃ０の破線で示す）が注入され、活性領域に対し垂直方向に電流経路を形成することに寄与する。これによりキャリア注入の不均一問題が解消される。このため、キャリア分布の局在化を生じ易い極低温時においても、効率良く活性領域の中心部に電流注入が行われキャリアの局在化が抑制され、安定した横モード発振のレーザ光Ｌ０が得られ易くなる。
【００２７】
さらに、本実施例では、第１の透明半導体膜１２０は保護膜としても機能し、上部ＤＢＲ１０６の表面が大気中にむき出しになることによる酸化、あるいは変質を防ぐ。
【００２８】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を利用した光伝送装置について説明する。図６は、本実施例の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３００は、ステム３１０に固定された円筒状の筐体３２０、筐体３２０の端面に一体に形成されたスリーブ３３０、スリーブ３３０の開口３３２内に保持されるフェルール３４０、およびフェルール３４０によって保持される光ファイバ３５０を含んで構成される。ステム３１０の円周方向に形成されたフランジ３１２には、筐体３２０の端部が固定される。フェルール３４０は、スリーブ３３０の開口３３２に正確に位置決めされ、光ファイバ３５０の光軸がキャップ３６０に支持されたボールレンズ３７０の光軸に整合される。フェルール３４０の貫通孔３４２内に光ファイバ３５０の芯線が保持されている。ステム３１０上には面発光型半導体レーザ装置１０が位置決めされ、面発光型半導体レーザ装置１０には、複数のリード３８０を介して必要な電気信号が供給される。面発光型半導体レーザ装置１０から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３７０によって集光され、集光された光は、光ファイバ３５０の芯線に入射され、送信される。ここではボールレンズ３７０を用いているが、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３００は、光ファイバ３５０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。
【００２９】
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。
【００３０】
上記実施例では、ｎ側電極１１２を半導体基板１００の裏面に形成したが、ｎ側電極１１２は、基板の表面側に形成して下部ＤＢＲ１０２とのコンタクトを取るようにしてもよい。この場合、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることもできる。
【００３１】
上記実施例では、ＧａＡｓ量子井戸層を有する波長８５０ｎｍの赤外光を出射するＶＣＳＥＬについて述べたが、活性層の材料をアルミを含む材料とするか、あるいはインジウムを含む材料とすることで発振波長をより短波長、あるいは長波長化することができ、同様な効果を奏することが可能である。
【００３２】
さらに上記実施例では、選択酸化技術を用いて電流狭窄層（ＡｌＡｓ層）を形成したが、これ以外にもイオン注入、あるいは単純ポスト構造などにより電気狭窄層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体層を用いたＶＣＳＥＬを例示したが、これに限定されることなくＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体等を用いた、基板主面の法線方向に光が放出されるレーザ素子であってもよい。さらに上記実施例では、電流狭窄層としてＡｌＡｓを用い酸化領域１０８Ａを形成するのにＡｌＡｓ層１０８を選択的に熱酸化するとしたが、被酸化層（電流狭窄層）の材料はこれに限定されることなく、微量のＧａを含むＡｌＧａＡｓ層、例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層としてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０：光変調器付き面発光型半導体レーザ装置
１０Ａ:ＶＣＳＥＬ
１０Ｂ：光変調器
１０Ｃ：駆動回路
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ
１０８：ＡｌＡｓ層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：導電領域
１１０：ｐ側電極
１１０Ａ：出射開口部
１１２：ｎ側電極
１２０：第１の透明半導体膜
１２２：第２の透明半導体膜
１３０：変調電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に形成された第１導電型の第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、
活性領域上に形成された第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された光変調器とを有し、
前記光変調器は、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第２導電型の第１の透明半導体膜と、第１の透明半導体膜上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第１導電型の第２の透明半導体膜と、第１および第２の透明半導体膜に電気的に接続された第１および第２の電極とを含む、
面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１の電極は、前記第１の透明半導体膜と第２の半導体多層膜反射鏡に共通の電極であり、前記第２の電極は、前記第２の透明半導体膜上に形成され、前記光変調器は、前記第１および第２の電極に印加された変調信号に応答して第２の半導体多層膜反射鏡から出射されたレーザ光を変調する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の電極には、出射開口部が存在し、当該出射開口部は、前記第１の透明半導体膜によって覆われる、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
面発光型半導体レーザ装置はさらに駆動手段を含み、当該駆動手段は、前記第１および第２の電極に変調信号を供給し、かつ第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続された第３の電極と前記第１の電極に直流駆動信号を供給する、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装置。
【請求項５】
基板上には半導体層をエッチングした円筒構造が形成され、当該円筒構造内には選択酸化された領域を含む電流狭窄層が形成され、前記第１および第２の電極はそれぞれ環状であり、前記第１および第２の電極の内径は、前記電流狭窄層の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域の径よりも大きい、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装置。
【請求項６】
前記第１の透明半導体膜は、ｐ型であり、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成され、前記第２の透明半導体膜は、ｎ型であり、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成される、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装置。
【請求項７】
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装置と、
面発光型半導体レーザ装置から変調された光信号を伝送する伝送部材とを有する、光伝送装置。
【請求項１】
基板と、
基板上に形成された第１導電型の第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、
活性領域上に形成された第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された光変調器とを有し、
前記光変調器は、第２の半導体多層膜反射鏡上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第２導電型の第１の透明半導体膜と、第１の透明半導体膜上に形成されかつ発振波長に対して光学的に透明である第１導電型の第２の透明半導体膜と、第１および第２の透明半導体膜に電気的に接続された第１および第２の電極とを含む、
面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１の電極は、前記第１の透明半導体膜と第２の半導体多層膜反射鏡に共通の電極であり、前記第２の電極は、前記第２の透明半導体膜上に形成され、前記光変調器は、前記第１および第２の電極に印加された変調信号に応答して第２の半導体多層膜反射鏡から出射されたレーザ光を変調する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の電極には、出射開口部が存在し、当該出射開口部は、前記第１の透明半導体膜によって覆われる、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
面発光型半導体レーザ装置はさらに駆動手段を含み、当該駆動手段は、前記第１および第２の電極に変調信号を供給し、かつ第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続された第３の電極と前記第１の電極に直流駆動信号を供給する、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装置。
【請求項５】
基板上には半導体層をエッチングした円筒構造が形成され、当該円筒構造内には選択酸化された領域を含む電流狭窄層が形成され、前記第１および第２の電極はそれぞれ環状であり、前記第１および第２の電極の内径は、前記電流狭窄層の選択酸化された領域によって囲まれた導電領域の径よりも大きい、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装置。
【請求項６】
前記第１の透明半導体膜は、ｐ型であり、酸化銅（Cu2O）、銅アルミ酸化物（CuAlO2）、銅ガリウム酸化物（CuGaO2）、銅インジウム酸化物（CuInO2）、銅クロム酸化物（CuCrO2）、銅スカンジウム酸化物（CuScO2）、銅イットリウム酸化物（CuYO2）、銀インジウム酸化物（AgInO2）、ストロンチウム銅酸化物（SrCu2O2）、酸化亜鉛（ZnO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成され、前記第２の透明半導体膜は、ｎ型であり、酸化スズ（SnO2）、酸化インジウム（In2O3）、酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）、銅インジウム酸化物(CuInO2)、インジウムスズ酸化物（ITO）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）、または硫化亜鉛（ZnS）から構成される、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装置。
【請求項７】
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装置と、
面発光型半導体レーザ装置から変調された光信号を伝送する伝送部材とを有する、光伝送装置。
【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２０１２−１１３１３４（Ｐ２０１２−１１３１３４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６２１９４（Ｐ２０１０−２６２１９４）
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【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２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【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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