面発光素子
【課題】 光閉じ込め係数を大きくして効率的にモード利得を増大させる。
【解決手段】 光共振器３の厚さ方向の両端側には下部反射層４および上部反射層５をそれぞれ設けると共に、光共振器３の厚さ方向の中央部には主活性層６を設ける。また、光共振器３には、下部反射層４の近傍に第１の副活性層７を設けると共に、上部反射層５の近傍に第２の副活性層８を設ける。これにより、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを延長することなく、第１の副活性層７および第２の副活性層８を光の振幅が大きい定在波の腹の位置に配置することができる。
【解決手段】 光共振器３の厚さ方向の両端側には下部反射層４および上部反射層５をそれぞれ設けると共に、光共振器３の厚さ方向の中央部には主活性層６を設ける。また、光共振器３には、下部反射層４の近傍に第１の副活性層７を設けると共に、上部反射層５の近傍に第２の副活性層８を設ける。これにより、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを延長することなく、第１の副活性層７および第２の副活性層８を光の振幅が大きい定在波の腹の位置に配置することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の面発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、面発光素子は、第１導電型の基板の上面に、第１導電型の下部反射層と、複数の障壁層と、障壁層の間に形成された単一量子井戸あるいは多重量子井戸構造を用いた複数の活性層と、第２導電型の上部反射層とを順次積層した積層構造を備えている。なお、下部反射層あるいは上部反射層のいずれかには、活性層に電流を効率よく注入するための電流狭窄層が設けられる。このような構造を形成することで、下部反射層と、複数の障壁層と、活性層と、上部反射層とによって光共振器が形成される。なお、光共振器を構成する一対の下部反射層と上部反射層とは、その間の光学長が「光の半波長（λ／２）×（１＋ｎ）（ｎは自然数）」程度となるように配置される。
【０００３】
また、基板の下面には第１の電極が形成されると共に、上部反射層の上面には第２の電極が形成され、第１の電極および第２の電極を介して電圧が印加される。電圧が印加されると活性層に電流が注入され、活性層から光が誘導放出される。発生した光は、下部反射層および上部反射層との間で反射を繰り返し、光の定在波（光定在波）が形成される。なお、活性層は、光共振器の中央寄りで定在波における振幅が最も大きい腹に対応する位置にそれぞれ配置される。この結果、活性層の中を伝搬する定在波の電界が高められて各活性層からの光出力が強まり、その総和である全体としての光出力が向上する。さらに光出力を向上させる場合には、共振器長を延長して定在波の腹の数を増やし、増やした定在波の腹に対応する位置に活性層がさらに設けられる（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２７９４５号公報
【特許文献２】特開２００７−８７９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、共振器長を延長して、新たに形成された定在波の腹に対応する位置に活性層をさらに設けると、光共振器の光学長が長くなるために光閉じ込めが弱くなり、十分なモード利得が得られないという問題があった。
【０００６】
この問題点について詳しく説明すると、まず光共振器における光閉じ込めの強弱は、光閉じ込め係数によって示される。光閉じ込め係数は、活性層に光が閉じ込められる割合であり、各活性層のトータル物理（実効）長ｄと光共振器における一対の反射層間の物理（実効）長Ｌとの比（ｄ／Ｌ）が指標となる。一方、モード利得は、活性層で得られる利得係数と光閉じ込め係数とを掛け合わせた値として表され、光共振器の実効的な光利得を示す。このため、光閉じ込めが弱いほど、即ち、光閉じ込め係数が小さいほど、面発光素子におけるモード利得が小さくなる。
【０００７】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、光閉じ込め係数を大きくして効率的にモード利得の増大が実現できる面発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設け、前記一対の反射層の間にクラッド層を設け、前記第２の活性層を設けたことによる前記一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺するために、該クラッド層の物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を該クラッド層に施したことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明では、前記短縮手段は、前記クラッド層の物理長を薄く形成することにある。
【００１０】
請求項３の発明では、前記短縮手段は、前記クラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成して光学長を短くすることにある。
【００１１】
請求項４の発明では、前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成し、室温から低温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完する構成としている。
【００１２】
請求項５の発明では、前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成し、室温から高温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完する構成としている。
【００１３】
また、請求項６の発明は、第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設ける構成とした。このとき、一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成されるから、第２の活性層の位置でも光の振幅が大きくなり、第２の活性層によって光出力を向上することができる。
【００１５】
また、請求項１の発明によれば、光共振器には、一対の反射層の間の光学長を延長することなく第２の活性層を設けることができる。このため、一対の反射層の間の光学長を延長して定在波の腹の数を増加し、増加した腹の位置に新たな活性層を設けた場合に比べて、一対の反射層の間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができる。この結果、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００１６】
さらに、一対の反射層の間に設けたクラッド層には、その物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を施したから、短縮手段によって第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができる。これにより、光共振器を構成する一対の反射層の間の物理長の増加を抑制しつつ光学長を一定に保つことができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を大きくして効率的にモード利得の増大させることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、短縮手段はクラッド層の物理長を薄く形成する構成としたから、第２の活性層に応じてクラッド層の物理長を薄く形成することによって、第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができる。これにより、光共振器を構成する一対の反射層の間の光学長を一定に保つことができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、短縮手段はクラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成する構成としたから、第２の活性層に応じてクラッド層の光学長を短くすることができる。これにより、第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができ、光共振器を構成する一対の反射層の間の光学長を一定に保つことができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成したから、室温から低温へ変化したときの第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせることができ、低温側への温度変化による第１の活性層の利得係数の減少を補完することができる。これにより、室温から低温側に温度変化が生じても素子の動作特性が安定する。
【００２０】
請求項５の発明によれば、第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成したから、室温から高温へ変化したときの第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせることができ、高温側への温度変化による第１の活性層の利得係数の減少を補完することができる。これにより、室温から高温側に温度変化が生じても素子の動作特性が安定する。
【００２１】
また、請求項６の発明でも、請求項１の発明と同様に、第２の活性層の位置で光の振幅が大きくして、第２の活性層によって光出力を向上することができる。また、一対の反射層の間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図２】第１の比較例としての垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図３】第２の比較例としての垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図５】室温時、低温時および高温時のそれぞれの場合において、一般的な垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルを示す特性線図である。
【図６】室温時において、図４中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図７】低温時において、図４中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図８】第３の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図９】室温時において、図８中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図１０】高温時において、図８中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態として、垂直キャビティ面発光レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬという）を例に挙げて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１を用いて第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１は、基板２の上面に、下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７（第２の活性層）と、第１のクラッド層１１と、主活性層６（第１の活性層）と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８（第２の活性層）と、第２の障壁層１０と、上部反射層５とを順次積層した積層構造を備える。下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７と、第１のクラッド層１１と、主活性層６と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８と、第２の障壁層１０と、上部反射層５とにより、光共振器３が形成される。なお、上部反射層５には、電流狭窄層（図示せず）が設けられる。また、上部反射層５の最上部には、後述のｐ型電極１４とのオーミックコンタクトをとるためのコンタクト層（図示せず）が設けられる。
【００２５】
また、基板２の下面にはｎ型電極１３が形成され、上部反射層５の上面にはｐ型電極１４が形成される。下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７と、第１のクラッド層１１と、主活性層６と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８と、第２の障壁層１０と、上部反射層５は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法等のエピタキシャル成長技術を用いて成膜形成される。また、ｎ型電極１３およびｐ型電極１４は、導電性の金属薄膜であり、蒸着、スパッタ等によって形成される。なお、ｐ型電極１４の中央部には、光を放出するための開口１４Ａが形成される。
【００２６】
基板２は、例えば数百μｍ程度の厚さ寸法のｎ型化合物半導体であるガリウム砒素（n-GaAs）単結晶を用いて形成される。
【００２７】
下部反射層４は、例えばアルミニウム組成が１２％のｎ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（n-Al0.12Ga0.88As）単結晶の薄膜層と、例えばアルミニウム組成が９０％のｎ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（n-Al0.9Ga0.1As）単結晶の薄膜層とを交互に多数組（例えば３０組）積層してなるｎ型分布型ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）によって構成される。n-Al0.12Ga0.88As単結晶の薄膜層およびn-Al0.9Ga0.1As単結晶の薄膜層は、いずれもその光学長が光共振器３で発生する光の波長λ（例えばλ＝８５０ｎｍ）に対してλ／４程度の値に設定される。なお、光学長は、膜厚の物理（実効）長に、膜（媒質）の屈折率を掛けて計算される。
【００２８】
上部反射層５は、下部反射層４と同様に、例えばアルミニウム組成が１２％のｐ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（p-Al0.12Ga0.88As）単結晶の薄膜層と、例えばアルミニウム組成が９０％のｐ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（p-Al0.9Ga0.1As）単結晶の薄膜層とを交互に多数組（例えば１０組）積層してなるｐ型分布型ブラッグ反射器によって構成される。p-Al0.12Ga0.88As単結晶の薄膜層およびp-Al0.9Ga0.1As単結晶の薄膜層は、いずれもその光学長が光共振器３で発生する光の波長λ（例えばλ＝８５０ｎｍ）に対してλ／４程度の値に設定される。
【００２９】
光共振器３を構成する下部反射層４および上部反射層５は、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoが、例えば、光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度となるように離して配置される。
【００３０】
主活性層６は、光共振器３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層６は、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃを備える。これらの井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。また、井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれの間には、障壁層６Ｄ，６Ｅが形成される。障壁層６Ｄ，６Ｅは、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。
【００３１】
第１の副活性層７は、下部反射層４の近傍に、第１の障壁層９を介して配置される。第１の副活性層７は、単一量子井戸によって構成される。第１の副活性層７は、例えば主活性層６の井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃと同様に、ガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。一方、第１の障壁層９は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００３２】
第２の副活性層８は、上部反射層５の近傍に、第２の障壁層１０を介して配置される。第２の副活性層８は、単一量子井戸によって構成される。第２の副活性層８も、第１の副活性層７と同様に、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。また、第２の障壁層１０は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。そして、第１の副活性層７および第２の副活性層８は、その利得スペクトルのピーク波長が主活性層６の利得スペクトルのピーク波長とほぼ同じ値に設定されている。
【００３３】
後述するように、定在波Ｓにおける光の振幅が最も大きい腹は、第１の副活性層７と、主活性層６と、第２の副活性層８の位置に形成される。なお、光の振幅が最も大きい腹の位置が、光の最も強いところとなる。従って、第１の副活性層７をできるだけ下部反射層４に近い位置に配置することにより、第１の副活性層７による光出力をより向上させることができる。同様に、第２の副活性層８をできるだけ上部反射層５に近い位置に配置することにより、第２の副活性層８による光出力をより向上させることができる。
【００３４】
但し、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を薄くし過ぎると、第１の副活性層７が下部反射層４に近付き過ぎると共に、第２の副活性層８が上部反射層５に近付き過ぎて、第１の副活性層７および第２の副活性層８の膜質が劣化する可能性がある。このため、第１の障壁層９の膜厚は、第１の副活性層７と下部反射層４との間に十分なギャップが形成できる範囲で、できるだけ小さい値に設定することが好ましい。なお、通常、第１の障壁層９の膜厚は、５ｎｍ程度のできるだけ小さい値に設定される。
【００３５】
また、第２の障壁層１０の膜厚も第１の障壁層９と同様に、第２の副活性層８と上部反射層５との間に十分なギャップが形成できる範囲で、できるだけ小さい値に設定することが好ましい。なお、通常、第２の障壁層１０の膜厚は、５ｎｍ程度のできるだけ小さい値に設定される。
【００３６】
第１のクラッド層１１は第１の副活性層７と主活性層６との間に配置され、第２のクラッド層１２は主活性層６と第２の副活性層８との間に配置される。第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、いずれも例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００３７】
なお、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のトータルの光学長は、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoから、主活性層６、第１の副活性層７、第２の副活性層８、第１の障壁層９、第２の障壁層１０のそれぞれの光学長を差し引いた長さに設定される。
【００３８】
具体的には、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを、例えば光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度に設定すると共に、主活性層６の光学長を１６０ｎｍ、第１の副活性層７および第２の副活性層８の光学長をそれぞれ３０．８ｎｍ、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の光学長をそれぞれ３３．８ｎｍに設定したときには、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のトータルの光学長は５６０．４ｎｍとなる。
【００３９】
第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の光学長は通常等しく形成されるので、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の光学長は、それぞれ２８０．４ｎｍとなる。このため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の厚さ方向に対する物理（実効）長も、第１の副活性層７および第２の副活性層８等に応じた値だけ短縮されている。このように、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２に短縮手段を施して、これらの光学長を調整することにより、新たに形成した第１の副活性層７および第２の副活性層８のそれぞれの光学長を相殺し、光共振器３を構成する下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００４０】
また、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８の電子密度およびホール密度を高めると共に、第１の障壁層９および第２の障壁層１０と同様に、光を主活性層６、第１の副活性層７、第２の副活性層８に閉じ込める機能も有する。
【００４１】
本実施の形態によるＶＣＳＥＬ１は上述の如き構成を有するもので、次にその動作について説明する。
【００４２】
ｎ型電極１３とｐ型電極１４との間に電圧を印加すると、第１の副活性層７、主活性層６および第２の副活性層８に電流が注入され、それぞれを構成する井戸層６Ａ〜６Ｃ等が励起されて、光が誘導放出される。発生した光は、下部反射層４と上部反射層５との間で反射を繰り返す。この結果、下部反射層４と上部反射層５との間で定在波Ｓが形成され、開口１４Ａを介して波長λの光が出射される。なお、光共振器３には、光の波長λの１波長に相当する長さの定在波Ｓが形成され、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８のそれぞれの位置には定在波Ｓの振幅が最も大きい腹が形成される。
【００４３】
定在波Ｓにおいて、光の振幅が最も大きい腹の位置が、光の最も強いところとなる。このため、定在波Ｓの強度は、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８のそれぞれの位置で強くなり、第１の副活性層７および第２の副活性層８によって光出力を向上させることができる。
【００４４】
次に、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の光閉じ込め係数と、第１，第２の副活性層７，８を省いてなる第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１の光閉じ込め係数とを比較説明する。なお、ＶＣＳＥＬ１およびＶＣＳＥＬ１０１における光共振器の光学長は、同じに形成する。
【００４５】
第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１を図２に示す。このＶＣＳＥＬ１０１は、基板１０２の上面に、光共振器１０３が設けられる共に、この光共振器１０３は、下部反射層１０４と、第１のクラッド層１０７と、活性層１０６と、第２のクラッド層１０８と、上部反射層１０５とを順次積層することによって形成されている。また、基板１０２の下面にはｎ型電極１０９が形成され、上部反射層１０５の上面には開口１１０Ａを有するｐ型電極１１０が形成されている。
【００４６】
ここで、第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１でも、第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１と同様に、光共振器１０３の光学長Ｌoを光の波長λと同程度に形成する。そして、第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１では、定在波Ｓの腹の部分に、例えば３個の井戸層１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃを備える活性層１０６が形成される。なお、井戸層１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃの間には、障壁層１０６Ｄ，１０６Ｅがそれぞれ形成される。
【００４７】
しかしながら、第１の比較例では、第１の実施の形態に比べて、第１，第２の副活性層７，８を省いた分だけ活性層１０６のトータル物理長ｄが短くなる。このため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）は、第１の実施の形態に比べて小さくなる。具体的には、ＶＣＳＥＬ１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０５９程度の値に対し、ＶＣＳＥＬ１０１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０３４程度の値である。
【００４８】
次に、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の光閉じ込め係数と、光共振器の光学長を延長して定在波の腹の数を増やし、増加した定在波の腹の位置に活性層をさらに設けた第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１の光閉じ込め係数とを比較説明する。
【００４９】
第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１を図３に示す。このＶＣＳＥＬ１２１は、基板１２２の上面に、光共振器１２３が設けられる共に、この光共振器１２３は、下部反射層１２４と、第１のクラッド層１２８と、活性層１２６と、第２のクラッド層１２９と、活性層１２７と、第３のクラッド層１３０と、上部反射層１２５とを順次積層することによって形成されている。また、基板１２２の下面にはｎ型電極１３１が形成され、上部反射層１２５の上面には開口１３２Ａを有するｐ型電極１３２が形成されている。
【００５０】
ここで、第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１では、光共振器３の光学長を光の波長λに形成したのに対し、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１では、光共振器１２３の光学長Ｌcを例えば光の波長λの１．５倍に形成する。このとき、ＶＣＳＥＬ１２１の光共振器１２３には、光の波長λの１．５倍の長さの定在波Ｓが形成され、定在波Ｓの中央付近には振幅が最も大きい新たな腹が形成される。
【００５１】
このため、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１では、定在波Ｓの中央付近に位置する２つの腹のうち下部反射層１２４に近い部分には、例えば３個の井戸層１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃを備える活性層１２６が形成される。なお、井戸層１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃの間には、障壁層１２６Ｄ，１２６Ｅがそれぞれ形成される。
【００５２】
一方、新たな腹に対応する位置、即ち、定在波Ｓの中央付近に位置する２つの腹のうち上部反射層１２５に近い部分には、２個の井戸層１２７Ａ，１２７Ｂを備える活性層１２７がさらに形成される。なお、井戸層１２７Ａ，１２７Ｂの間には、障壁層１２７Ｃが形成される。また、活性層１２６，１２７の間には、クラッド層１２９が形成される。このため、活性層１２６のみを設けたときと比べて、光共振器１２３を構成する下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の各活性層のトータル物理（実効）長は、井戸層１２７Ａ，１２７Ｂの膜厚だけ長くなる。
【００５３】
しかしながら、第２の比較例による光共振器１２３の下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の物理（実効）長Ｌ′は、第１の実施の形態による光共振器３の下部反射層４と上部反射層５との間の物理（実効）長Ｌの１．５倍程度と長いため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ′）は大きくならず、活性層１２７をさらに設けた効果がなくなってしまう。具体的には、ＶＣＳＥＬ１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０５９程度の値に対し、ＶＣＳＥＬ１２１における比（ｄ／Ｌ′）は、０．０５４程度の値である。
【００５４】
従って、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の方が、第１，第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１，１２１と比べて、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００５５】
かくして、第１の実施の形態によれば、定在波Ｓの腹の位置となる下部反射層４および上部反射層５のそれぞれの近傍に副活性層７，８を設けたから、副活性層７，８の位置でも光の振幅が大きくなり、副活性層７，８によって光出力を向上させることができる。
【００５６】
また、光共振器３には、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを延長することなく副活性層７，８を設けることができる。このため、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１のように、下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の光学長Ｌcを延長して定在波Ｓの腹の数を増加し、増加した腹の位置に新たな活性層１２７を設けた場合に比べて、下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができる。このため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００５７】
また、下部反射層４と上部反射層５との間に設けたクラッド層１１，１２には、その物理長を短くするための短縮手段を施した。このため、短縮手段によって副活性層７，８を設けたことによる下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌあるいは光学長Ｌoの増加を相殺することができる。これにより、光共振器３を構成する下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌの増加を抑制しつつ光学長Ｌoを一定に保つことができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を大きくして効率的にモード利得の増大させることができる。
【００５８】
なお、第１の実施の形態では、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２に対する短縮手段として、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を薄く形成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、他の短縮手段として、例えば第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、その物理（実効）長を変えずに、第１の副活性層７および第２の副活性層８を設けない場合のクラッド層に比べて、低屈折率の材料で形成してもよい。この場合、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のそれぞれの光学長は、その膜厚の物理（実効）長と膜（媒質）の屈折率の積で表されるため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のそれぞれの光学長が薄くなり、物理（実効）長を変えた場合と同様の効果が得られる。
【００５９】
また、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を変える代わりに、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を変えてもよい。但し、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を薄くし過ぎると、第１の副活性層７および第２の副活性層８の膜質が劣化する可能性があるため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を変えることが望ましい。
【００６０】
また、前記第１の実施の形態では、主活性層６の上下２か所に第１の副活性層７および第２の副活性層８を設けたが、いずれか一方だけを設ける構成としてもよい。
【００６１】
また、前記第１の実施の形態では、第１の副活性層７および第２の副活性層８は、単一量子井戸によって形成したが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【００６２】
次に、図４を用いて第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の第１の特徴は、ＶＣＳＥＬの光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層を設けたことにある。また、第２の特徴は、副活性層の利得スペクトルのピーク波長を、低温動作を改善するために、主活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成したことにある。なお、図４に示す第２の実施の形態では、下部反射層に近接させて副活性層を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００６３】
第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１は、基板４２の上面に、光共振器４３が設けられる共に、この光共振器４３は、下部反射層４４と、障壁層４８と、副活性層４７（第２の活性層）と、第１のクラッド層４９と、主活性層４６（第１の活性層）と、第２のクラッド層５０と、上部反射層４５とを順次積層することによって形成されている。また、基板４２の下面にはｎ型電極５１が形成され、上部反射層４５の上面には開口５２Ａを有するｐ型電極５２が形成されている。
【００６４】
第２の実施の形態による基板４２、下部反射層４４、上部反射層４５は、第１の実施の形態による基板２、下部反射層４、上部反射層５とほぼ同様に形成されている。
【００６５】
そして、光共振器４３を構成する下部反射層４４および上部反射層４５は、下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoが、例えば、光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度となるように離して配置される。
【００６６】
主活性層４６は、光共振器４３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層４６は、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃを備える。これらの井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃは、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。また、井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃのそれぞれの間には、障壁層４６Ｄ，４６Ｅが形成される。障壁層４６Ｄ，４６Ｅは、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。そして、主活性層４６は、その利得スペクトルのピーク波長が例えば８３５ｎｍ程度に設定されている。
【００６７】
副活性層４７は、下部反射層４４の近傍に、障壁層４８を介して配置される。この副活性層４７は、単一量子井戸によって構成される。この副活性層４７は、例えば主活性層４６の井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃと同様に、ガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。一方、障壁層４８は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。そして、副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側となるように、例えば８４８ｎｍ程度に設定されている。
【００６８】
また、光共振器３には、光の波長λの１波長の長さの定在波Ｓが形成される。このとき、主活性層４６および副活性層４７は、定在波Ｓにおける光の振幅が最も大きい腹の位置にそれぞれ配置される。
【００６９】
第１のクラッド層４９は副活性層４７と主活性層４６との間に配置され、第２のクラッド層５０は主活性層４６と上部反射層４５との間に配置される。第１のクラッド層４９および第２のクラッド層５０は、いずれも例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００７０】
ここで、第１のクラッド層４９および第２のクラッド層５０のトータルの光学長は、下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoから、主活性層４６、副活性層４７、障壁層４８のそれぞれの光学長を差し引いた長さに設定される。また、光共振器４３のうち厚さ方向の中央部に主活性層４６が配置されるから、例えば第１のクラッド層４９、副活性層４７および障壁層４８のトータルの光学長は、第２のクラッド層５０の光学長とほぼ同じ値に設定される。
【００７１】
このため、第１のクラッド層４９の厚さ方向に対する物理（実効）長は、副活性層４７等に応じた値だけ第２のクラッド層５０の物理（実効）長よりも短縮されている。このように、第１のクラッド層４９に短縮手段を施して、その光学長を調整することにより、新たに形成した副活性層４７の光学長を相殺し、光共振器４３を構成する下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００７２】
第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１は上述の如き構成を有するもので、その発光動作は、第１の実施の形態のＶＣＳＥＬ１と同様であり、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第２の実施の形態では、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側にピーク波長が形成される利得スペクトルを有する副活性層４７を設けたために、室温から低温に温度変化が生じても動作特性が安定する。次に、この効果について具体的に説明する。
【００７３】
図５に、量子井戸構造を用いた活性層から光が誘導放出される場合に、この誘導放出される光の一般的な利得スペクトルを示す。利得スペクトルの横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は利得係数（ｃｍ−１）である。なお、活性層が多重量子井戸構造を用いて構成される場合の利得スペクトルは、活性層を構成するそれぞれの量子井戸のもつ利得スペクトルを合わせたものとなる。利得スペクトルの利得係数は、波長がピーク波長から短波長側に変化すると減衰し、ある波長以下ではその波長の光を吸収して損失に変えてしまうためにプラスからマイナスに転ずる。また、波長がピーク波長から長波長側に変化すると利得係数は減衰するものの、光の吸収損失が生じないためにマイナスとはならず、横軸（ゼロ値）に漸近する。
【００７４】
ＶＣＳＥＬの動作温度が室温から低温に変化すると、活性層の利得スペクトルは、全体的に短波長側にシフトすると共に、最大利得係数が大きくなるように相似的に変化する。
【００７５】
一方、ＶＣＳＥＬ４１から出射される光の共振波長λ0は、ＶＣＳＥＬ４１の光共振器４３を構成する上部反射層４５と下部反射層４４との間の光学長Ｌoによって決まる。光共振器４３を構成する媒質の線膨張率や屈折率は、温度が変動しても大きく変化しないため、光の共振波長λ0は動作温度が変化しても殆ど変化しない。このため、ＶＣＳＥＬ４１における温度特性の要因は、主活性層４６および副活性層４７を構成する量子井戸の温度依存性が支配的となる。
【００７６】
図６に、主活性層４６および副活性層４７を有するＶＣＳＥＬ４１について、室温における利得スペクトルＧ1Rのシミュレーション結果を示す。利得スペクトルＧ1Rは、主活性層４６の利得スペクトルと副活性層４７の利得スペクトル（図示せず）を合わせたプロファイルである。なお、ＶＣＳＥＬ４１に設けた副活性層４７の効果を示すため、副活性層４７を設けずに主活性層４６のみを設けたＶＣＳＥＬの利得スペクトルＧ2Rのシミュレーション結果を合わせて示す。シミュレーションは、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長は８３５ｎｍ、副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は８４８ｎｍとし、主活性層４６および副活性層４７に注入されるキャリア数は同じとし、例えば２．０×１０１８個／ｃｍ３の条件で行った。また、ＶＣＳＥＬ４１の共振波長λ0は、利得スペクトルＧ1Rの利得係数がプラスの周波数帯域に設定される。
【００７７】
副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は、副活性層４７の利得スペクトルと主活性層４６の利得スペクトルＧ2Rとを合わせたときに、利得スペクトルＧ2Rのピーク波長よりも長波長側の周波数帯域において、利得スペクトルＧ1Rの利得係数が利得スペクトルＧ2Rの利得係数よりも大きくなるように選択される。この結果、利得スペクトルＧ1RおよびＧ2Rにおける利得係数がいずれも例えばｇ（ｇ＞０）となる長波長側の波長（周波数）をそれぞれλ1R，λ2Rとし、共振波長λ0と波長λ1Rとの間の周波数帯域幅Ｗ1Rとし、共振波長λ0と波長λ2Rとの間の周波数帯域幅Ｗ2Rとしたときに、周波数帯域幅Ｗ1Rは、周波数帯域幅Ｗ2Rよりも広く形成される。
【００７８】
次に、ＶＣＳＥＬ４１の動作温度が室温（例えば２５℃）から低温（例えば０℃）に変化した場合について、図７を用いて説明する。
【００７９】
動作温度が室温から低温に変化すると、利得スペクトルＧ1Rは短波長側にシフトして利得スペクトルＧ1Lに変化する。また、利得スペクトルＧ2Rも短波長側にシフトして利得スペクトルＧ2Lに変化する。
【００８０】
利得スペクトルＧ1L，Ｇ2Lにおける利得係数がいずれも例えばｇとなる長波長側の波長（周波数）をそれぞれλ1L，λ2Lとし、共振波長λ0と波長λ1Lとの間の周波数帯域幅Ｗ1Lとし、共振波長λ0と波長λ2Lとの間の周波数帯域幅Ｗ2Lとする。
【００８１】
このとき、利得スペクトルＧ2Rが短波長側へシフトするため、周波数帯域幅Ｗ2Lは周波数帯域幅Ｗ2Rと比べて狭くなる。一方、周波数帯域幅Ｗ1Rは、周波数帯域幅Ｗ2Rよりも予め広く形成される。このため、利得スペクトルＧ1Rが短波長側へシフトした場合でも、周波数帯域幅Ｗ1Lは、周波数帯域幅Ｗ2Lの如く著しく狭くはならず、周波数帯域幅Ｗ2Rと同程度となる。この結果、ＶＣＳＥＬ４１の動作温度が室温から低温に変化しても、利得スペクトルＧ1Lにおけるピーク波長よりも長波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ2Rに近い利得係数のプロファイルを確保することができる。
【００８２】
また、利得スペクトルＧ1Lにおけるピーク波長よりも短波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ1Lの利得係数は、利得スペクトルＧ1Rの利得係数よりも大きな値となる。従って、副活性層４７を設けずに主活性層４６のみを設けた場合に比べて、共振波長λ0の両端側における利得係数がプラス領域の周波数帯域を広く確保することができ、室温から低温に変化してもＶＣＳＥＬ４１は安定に動作する。即ち、副活性層４７を設けたことにより、ピーク波長よりも長波長側の周波数帯域における利得係数の減少が補完されると共に、ピーク波長よりも短波長側の周波数帯域における利得係数の増大で、動作温度が室温から低温側に変化した場合でもＶＣＳＥＬ４１を安定に動作させることができる。
【００８３】
なお、前記第２の実施の形態では、主活性層４６の下側１か所に副活性層４７を設けたが、第１の実施の形態と同様に、主活性層の上下１か所に副活性層を設ける構成としてもよく、主活性層の上側１か所に副活性層を設ける構成としてもよい。
【００８４】
また、前記第２の実施の形態では、副活性層４７は、単一量子井戸によって形成したが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【００８５】
次に、図８を用いて第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態の第１の特徴は、ＶＣＳＥＬの光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層を設けたことにある。また、第２の特徴は、副活性層の利得スペクトルのピーク波長を、高温動作を改善するために、主活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成したことにある。なお、図８に示す第３の実施の形態では、下部反射層に近接させて副活性層を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００８６】
第３の実施の形態によるＶＣＳＥＬ６１は、第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１とほぼ同様に構成されている。このため、ＶＣＳＥＬ６１は、基板６２の上面に、光共振器６３が設けられる共に、この光共振器６３は、下部反射層６４と、障壁層６８と、副活性層６７（第２の活性層）と、第１のクラッド層６９と、主活性層６６（第１の活性層）と、第２のクラッド層７０と、上部反射層６５とを順次積層することによって形成されている。また、基板６２の下面にはｎ型電極７１が形成され、上部反射層６５の上面には開口７２Ａを有するｐ型電極７２が形成されている。
【００８７】
また、主活性層６６は、光共振器６３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層６６は、第２の実施の形態による主活性層４６と同様に、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃを備える。井戸層６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃのそれぞれの間には、障壁層６６Ｄ，６６Ｅが形成される。
【００８８】
さらに、副活性層６７は、下部反射層４４の近傍に、障壁層４８を介して配置される。この副活性層６７は、第２の実施の形態による副活性層４７と同様に、単一量子井戸によって構成される。
【００８９】
但し、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長が主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側になる点で、第２の実施の形態による主活性層４６および副活性層４７とは異なる。具体的には、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長は例えば８４８ｎｍ程度に設定され、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は例えば８３５ｎｍ程度に設定されている。
【００９０】
なお、第１のクラッド層６９の厚さ方向に対する物理（実効）長は、第２の実施の形態による第１のクラッド層４９と同様に、副活性層６７等に応じた値だけ第２のクラッド層７０の物理（実効）長よりも短縮されている。このように、第１のクラッド層６９に短縮手段を施して、その光学長を調整することにより、新たに形成した副活性層６７の光学長を相殺し、光共振器６３を構成する下部反射層６４と上部反射層６５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００９１】
第３の実施の形態によるＶＣＳＥＬ６１は上述の如き構成を有するもので、その発光動作は、第１の実施の形態のＶＣＳＥＬ１と同様であり、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第３の実施の形態では、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側にピーク波長が形成される利得スペクトルを有する副活性層６７を設けたために、室温から高温側に温度変化が生じても動作特性が安定する。次に、この効果について具体的に説明する。
【００９２】
図５に示すように、ＶＣＳＥＬの動作温度が室温から高温に変化すると、活性層の利得スペクトルは、全体的に長波長側にシフトすると共に、最大利得係数が小さくなるように相似的に変化する。
【００９３】
一方、ＶＣＳＥＬ６１から出射される光の共振波長λ0は、ＶＣＳＥＬ６１の光共振器６３を構成する上部反射層６５と下部反射層６４との間の光学長Ｌoによって決まる。光共振器６３を構成する媒質の線膨張率や屈折率は、温度が変動しても大きく変化しないため、光の共振波長λ0は動作温度が変化しても殆ど変化しない。このため、ＶＣＳＥＬ６１における温度特性の要因は、主活性層６６および副活性層６７を構成する量子井戸の温度依存性が支配的となる。
【００９４】
図９に、主活性層６６および副活性層６７を有するＶＣＳＥＬ６１について、室温における利得スペクトルＧ3Rのシミュレーション結果を示す。利得スペクトルＧ3Rは、主活性層６６の利得スペクトルと副活性層６７の利得スペクトル（図示せず）を合わせたプロファイルである。なお、ＶＣＳＥＬ６１に設けた副活性層６７の効果を示すため、副活性層６７を設けずに主活性層６６のみを設けたＶＣＳＥＬの利得スペクトルＧ4Rのシミュレーション結果を合わせて示す。シミュレーションは、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長は８４８ｎｍ、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は８３５ｎｍとし、主活性層６６および副活性層６７に注入されるキャリア数は同じとし、例えば２．０×１０１８個／ｃｍ３の条件で行った。また、ＶＣＳＥＬ６１の共振波長λ0は、利得スペクトルＧ3Rの利得係数がプラスの周波数帯域に設定される。
【００９５】
副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は、副活性層６７の利得スペクトルと主活性層６６の利得スペクトルＧ4Rとを合わせたときに、利得スペクトルＧ4Rのピーク波長よりも短波長側の周波数帯域において、利得スペクトルＧ3Rの利得係数が利得スペクトルＧ4Rの利得係数よりも大きくなるように選択される。この結果、利得スペクトルＧ3RおよびＧ4Rにおける利得係数がいずれもゼロ値となる短波長側の波長（周波数）をそれぞれλ3R，λ4Rとし、共振波長λ0と波長λ3Rとの間の周波数帯域幅Ｗ3Rとし、共振波長λ0と波長λ4Rとの間の周波数帯域幅Ｗ4Rとしたときに、周波数帯域幅Ｗ3Rは、周波数帯域幅Ｗ4Rよりも広く形成される。
【００９６】
次に、ＶＣＳＥＬ６１の動作温度が室温（例えば２５℃）から高温（例えば５０℃）に変化した場合について、図１０を用いて説明する。
【００９７】
動作温度が室温から高温に変化すると、利得スペクトルＧ3Rは長波長側にシフトして利得スペクトルＧ3Hに変化する。また、利得スペクトルＧ4Rも短波長側にシフトして利得スペクトルＧ4Hに変化する。
【００９８】
利得スペクトルＧ3HおよびＧ4Hにおける利得係数がいずれもゼロ値となる短波長側の波長（周波数）をそれぞれλ3H，λ4Hとし、共振波長λ0と波長λ3Hとの間の周波数帯域幅Ｗ3Hとし、共振波長λ0と波長λ4Hとの間の周波数帯域幅Ｗ4Hとする。
【００９９】
このとき、利得スペクトルＧ4Rが長波長側へシフトするため、周波数帯域幅Ｗ4Hは周波数帯域幅Ｗ4Rと比べて狭くなり、非常に狭帯域になる。一方、周波数帯域幅Ｗ3Rは、周波数帯域幅Ｗ4Rよりも予め広く形成される。このため、利得スペクトルＧ3Rが長波長側へシフトした場合でも、周波数帯域幅Ｗ3Hは、周波数帯域幅Ｗ4Hの如く著しく狭くはならず、ある程度の帯域幅が確保される。この結果、ＶＣＳＥＬ６１の動作温度が室温から高温に変化しても、共振波長λ0の周囲の帯域である程度の利得係数を確保することができる。
【０１００】
また、利得スペクトルＧ3Hにおけるピーク波長よりも長波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ3Hの利得係数は、利得スペクトルＧ3Rよりは低下するものの、利得スペクトルＧ4Rの利得係数に近い値となる。従って、副活性層６７を設けずに主活性層６６のみを設けた場合に比べて、共振波長λ0の両端側における利得係数がプラス領域の周波数帯域を広く確保することができ、室温から高温に変化してもＶＣＳＥＬ６１は安定に動作する。即ち、副活性層６７を設けたことにより、ピーク波長よりも短波長側の周波数帯域における利得係数の減少が補完されると共に、ピーク波長よりも長波長側の周波数帯域における利得係数の減少を抑制し、動作温度が室温から高温に変化した場合でもＶＣＳＥＬ６１を安定に動作させることができる。
【０１０１】
なお、前記第３の実施の形態では、主活性層６６の下側１か所に副活性層６７を設けたが、第１の実施の形態と同様に、主活性層の上下１か所に副活性層を設ける構成としてもよく、主活性層の上側１か所に副活性層を設ける構成としてもよい。
【０１０２】
また、前記第３の実施の形態では、副活性層６７は、単一量子井戸によって形成されたが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【０１０３】
また、前記第２，第３の実施の形態では、第１のクラッド層４９，６９に対する短縮手段として、第１のクラッド層４９，６９の物理（実効）長を薄く形成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、他の短縮手段として、例えば第１のクラッド層４９，６９は、その物理（実効）長を変えずに、副活性層４７，６７を設けない場合のクラッド層に比べて、低屈折率の材料で形成してもよい。
【０１０４】
また、前記各実施の形態では、０．８μｍ帯のＶＣＳＥＬ１，４１，６１に適用した場合を例に挙げて説明したが、これよりも長波長側の光を発光する面発光素子に適用してもよく、短波長側の光を発光する面発光素子に適用してもよい。
【０１０５】
また、前記各実施の形態では、主活性層６，４６，６６は３個の井戸層６Ａ〜６Ｃ，４６Ａ〜４６Ｃ，６６Ａ〜６６Ｃを備えた多重量子井戸によって構成したが、２個や４個以上の井戸層を備えた多重量子井戸によって構成してもよく、単一量子井戸によって構成してもよい。
【０１０６】
また、前記各実施の形態では、光共振器３，４３，６３の下部反射層４，４４，６４と上部反射層５，４５，６５との間の光学長Ｌoを発光する光の波長λと同じ値、即ち１波長分とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば特許文献２と同様に、下部反射層と上部反射層との間の光学長を光の波長λの１．５倍（１．５λ）またはそれ以上の値（例えば２λ、２．５λ等）の値に設定してもよい。この場合、定在波の複数の腹の位置に主活性層（第１の活性層）を設けるのに加え、光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層（第２の活性層）を設けるものである。
【０１０７】
さらに、前記各実施の形態では、面発光素子としてＶＣＳＥＬ１，４１，６１を例に挙げて説明したが、面発光素子として面発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用する構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１，４１，６１ 垂直キャビティ面発光レーザ素子（面発光素子）
３，４３，６３ 光共振器
４，４４，６４ 下部反射層（反射層）
５，４５，６５ 上部反射層（反射層）
６，４６，６６ 主活性層（第１の活性層）
７，８，４７，６７ 副活性層（第２の活性層）
１１，１２，４９，５０，６９，７０ クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の面発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、面発光素子は、第１導電型の基板の上面に、第１導電型の下部反射層と、複数の障壁層と、障壁層の間に形成された単一量子井戸あるいは多重量子井戸構造を用いた複数の活性層と、第２導電型の上部反射層とを順次積層した積層構造を備えている。なお、下部反射層あるいは上部反射層のいずれかには、活性層に電流を効率よく注入するための電流狭窄層が設けられる。このような構造を形成することで、下部反射層と、複数の障壁層と、活性層と、上部反射層とによって光共振器が形成される。なお、光共振器を構成する一対の下部反射層と上部反射層とは、その間の光学長が「光の半波長（λ／２）×（１＋ｎ）（ｎは自然数）」程度となるように配置される。
【０００３】
また、基板の下面には第１の電極が形成されると共に、上部反射層の上面には第２の電極が形成され、第１の電極および第２の電極を介して電圧が印加される。電圧が印加されると活性層に電流が注入され、活性層から光が誘導放出される。発生した光は、下部反射層および上部反射層との間で反射を繰り返し、光の定在波（光定在波）が形成される。なお、活性層は、光共振器の中央寄りで定在波における振幅が最も大きい腹に対応する位置にそれぞれ配置される。この結果、活性層の中を伝搬する定在波の電界が高められて各活性層からの光出力が強まり、その総和である全体としての光出力が向上する。さらに光出力を向上させる場合には、共振器長を延長して定在波の腹の数を増やし、増やした定在波の腹に対応する位置に活性層がさらに設けられる（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２７９４５号公報
【特許文献２】特開２００７−８７９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、共振器長を延長して、新たに形成された定在波の腹に対応する位置に活性層をさらに設けると、光共振器の光学長が長くなるために光閉じ込めが弱くなり、十分なモード利得が得られないという問題があった。
【０００６】
この問題点について詳しく説明すると、まず光共振器における光閉じ込めの強弱は、光閉じ込め係数によって示される。光閉じ込め係数は、活性層に光が閉じ込められる割合であり、各活性層のトータル物理（実効）長ｄと光共振器における一対の反射層間の物理（実効）長Ｌとの比（ｄ／Ｌ）が指標となる。一方、モード利得は、活性層で得られる利得係数と光閉じ込め係数とを掛け合わせた値として表され、光共振器の実効的な光利得を示す。このため、光閉じ込めが弱いほど、即ち、光閉じ込め係数が小さいほど、面発光素子におけるモード利得が小さくなる。
【０００７】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、光閉じ込め係数を大きくして効率的にモード利得の増大が実現できる面発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設け、前記一対の反射層の間にクラッド層を設け、前記第２の活性層を設けたことによる前記一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺するために、該クラッド層の物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を該クラッド層に施したことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明では、前記短縮手段は、前記クラッド層の物理長を薄く形成することにある。
【００１０】
請求項３の発明では、前記短縮手段は、前記クラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成して光学長を短くすることにある。
【００１１】
請求項４の発明では、前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成し、室温から低温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完する構成としている。
【００１２】
請求項５の発明では、前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成し、室温から高温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完する構成としている。
【００１３】
また、請求項６の発明は、第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設ける構成とした。このとき、一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成されるから、第２の活性層の位置でも光の振幅が大きくなり、第２の活性層によって光出力を向上することができる。
【００１５】
また、請求項１の発明によれば、光共振器には、一対の反射層の間の光学長を延長することなく第２の活性層を設けることができる。このため、一対の反射層の間の光学長を延長して定在波の腹の数を増加し、増加した腹の位置に新たな活性層を設けた場合に比べて、一対の反射層の間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができる。この結果、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００１６】
さらに、一対の反射層の間に設けたクラッド層には、その物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を施したから、短縮手段によって第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができる。これにより、光共振器を構成する一対の反射層の間の物理長の増加を抑制しつつ光学長を一定に保つことができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を大きくして効率的にモード利得の増大させることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、短縮手段はクラッド層の物理長を薄く形成する構成としたから、第２の活性層に応じてクラッド層の物理長を薄く形成することによって、第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができる。これにより、光共振器を構成する一対の反射層の間の光学長を一定に保つことができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、短縮手段はクラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成する構成としたから、第２の活性層に応じてクラッド層の光学長を短くすることができる。これにより、第２の活性層を設けたことによる一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺することができ、光共振器を構成する一対の反射層の間の光学長を一定に保つことができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成したから、室温から低温へ変化したときの第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせることができ、低温側への温度変化による第１の活性層の利得係数の減少を補完することができる。これにより、室温から低温側に温度変化が生じても素子の動作特性が安定する。
【００２０】
請求項５の発明によれば、第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成したから、室温から高温へ変化したときの第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせることができ、高温側への温度変化による第１の活性層の利得係数の減少を補完することができる。これにより、室温から高温側に温度変化が生じても素子の動作特性が安定する。
【００２１】
また、請求項６の発明でも、請求項１の発明と同様に、第２の活性層の位置で光の振幅が大きくして、第２の活性層によって光出力を向上することができる。また、一対の反射層の間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図２】第１の比較例としての垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図３】第２の比較例としての垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図５】室温時、低温時および高温時のそれぞれの場合において、一般的な垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルを示す特性線図である。
【図６】室温時において、図４中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図７】低温時において、図４中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図８】第３の実施の形態による垂直キャビティ面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図９】室温時において、図８中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【図１０】高温時において、図８中の垂直キャビティ面発光レーザ素子の利得スペクトルおよび主活性層だけの利得スペクトルを示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態として、垂直キャビティ面発光レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬという）を例に挙げて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１を用いて第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１は、基板２の上面に、下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７（第２の活性層）と、第１のクラッド層１１と、主活性層６（第１の活性層）と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８（第２の活性層）と、第２の障壁層１０と、上部反射層５とを順次積層した積層構造を備える。下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７と、第１のクラッド層１１と、主活性層６と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８と、第２の障壁層１０と、上部反射層５とにより、光共振器３が形成される。なお、上部反射層５には、電流狭窄層（図示せず）が設けられる。また、上部反射層５の最上部には、後述のｐ型電極１４とのオーミックコンタクトをとるためのコンタクト層（図示せず）が設けられる。
【００２５】
また、基板２の下面にはｎ型電極１３が形成され、上部反射層５の上面にはｐ型電極１４が形成される。下部反射層４と、第１の障壁層９と、第１の副活性層７と、第１のクラッド層１１と、主活性層６と、第２のクラッド層１２と、第２の副活性層８と、第２の障壁層１０と、上部反射層５は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法等のエピタキシャル成長技術を用いて成膜形成される。また、ｎ型電極１３およびｐ型電極１４は、導電性の金属薄膜であり、蒸着、スパッタ等によって形成される。なお、ｐ型電極１４の中央部には、光を放出するための開口１４Ａが形成される。
【００２６】
基板２は、例えば数百μｍ程度の厚さ寸法のｎ型化合物半導体であるガリウム砒素（n-GaAs）単結晶を用いて形成される。
【００２７】
下部反射層４は、例えばアルミニウム組成が１２％のｎ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（n-Al0.12Ga0.88As）単結晶の薄膜層と、例えばアルミニウム組成が９０％のｎ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（n-Al0.9Ga0.1As）単結晶の薄膜層とを交互に多数組（例えば３０組）積層してなるｎ型分布型ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）によって構成される。n-Al0.12Ga0.88As単結晶の薄膜層およびn-Al0.9Ga0.1As単結晶の薄膜層は、いずれもその光学長が光共振器３で発生する光の波長λ（例えばλ＝８５０ｎｍ）に対してλ／４程度の値に設定される。なお、光学長は、膜厚の物理（実効）長に、膜（媒質）の屈折率を掛けて計算される。
【００２８】
上部反射層５は、下部反射層４と同様に、例えばアルミニウム組成が１２％のｐ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（p-Al0.12Ga0.88As）単結晶の薄膜層と、例えばアルミニウム組成が９０％のｐ型化合物半導体であるアルミニウムガリウム砒素（p-Al0.9Ga0.1As）単結晶の薄膜層とを交互に多数組（例えば１０組）積層してなるｐ型分布型ブラッグ反射器によって構成される。p-Al0.12Ga0.88As単結晶の薄膜層およびp-Al0.9Ga0.1As単結晶の薄膜層は、いずれもその光学長が光共振器３で発生する光の波長λ（例えばλ＝８５０ｎｍ）に対してλ／４程度の値に設定される。
【００２９】
光共振器３を構成する下部反射層４および上部反射層５は、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoが、例えば、光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度となるように離して配置される。
【００３０】
主活性層６は、光共振器３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層６は、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃを備える。これらの井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。また、井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃのそれぞれの間には、障壁層６Ｄ，６Ｅが形成される。障壁層６Ｄ，６Ｅは、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。
【００３１】
第１の副活性層７は、下部反射層４の近傍に、第１の障壁層９を介して配置される。第１の副活性層７は、単一量子井戸によって構成される。第１の副活性層７は、例えば主活性層６の井戸層６Ａ，６Ｂ，６Ｃと同様に、ガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。一方、第１の障壁層９は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００３２】
第２の副活性層８は、上部反射層５の近傍に、第２の障壁層１０を介して配置される。第２の副活性層８は、単一量子井戸によって構成される。第２の副活性層８も、第１の副活性層７と同様に、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。また、第２の障壁層１０は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。そして、第１の副活性層７および第２の副活性層８は、その利得スペクトルのピーク波長が主活性層６の利得スペクトルのピーク波長とほぼ同じ値に設定されている。
【００３３】
後述するように、定在波Ｓにおける光の振幅が最も大きい腹は、第１の副活性層７と、主活性層６と、第２の副活性層８の位置に形成される。なお、光の振幅が最も大きい腹の位置が、光の最も強いところとなる。従って、第１の副活性層７をできるだけ下部反射層４に近い位置に配置することにより、第１の副活性層７による光出力をより向上させることができる。同様に、第２の副活性層８をできるだけ上部反射層５に近い位置に配置することにより、第２の副活性層８による光出力をより向上させることができる。
【００３４】
但し、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を薄くし過ぎると、第１の副活性層７が下部反射層４に近付き過ぎると共に、第２の副活性層８が上部反射層５に近付き過ぎて、第１の副活性層７および第２の副活性層８の膜質が劣化する可能性がある。このため、第１の障壁層９の膜厚は、第１の副活性層７と下部反射層４との間に十分なギャップが形成できる範囲で、できるだけ小さい値に設定することが好ましい。なお、通常、第１の障壁層９の膜厚は、５ｎｍ程度のできるだけ小さい値に設定される。
【００３５】
また、第２の障壁層１０の膜厚も第１の障壁層９と同様に、第２の副活性層８と上部反射層５との間に十分なギャップが形成できる範囲で、できるだけ小さい値に設定することが好ましい。なお、通常、第２の障壁層１０の膜厚は、５ｎｍ程度のできるだけ小さい値に設定される。
【００３６】
第１のクラッド層１１は第１の副活性層７と主活性層６との間に配置され、第２のクラッド層１２は主活性層６と第２の副活性層８との間に配置される。第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、いずれも例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００３７】
なお、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のトータルの光学長は、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoから、主活性層６、第１の副活性層７、第２の副活性層８、第１の障壁層９、第２の障壁層１０のそれぞれの光学長を差し引いた長さに設定される。
【００３８】
具体的には、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを、例えば光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度に設定すると共に、主活性層６の光学長を１６０ｎｍ、第１の副活性層７および第２の副活性層８の光学長をそれぞれ３０．８ｎｍ、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の光学長をそれぞれ３３．８ｎｍに設定したときには、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のトータルの光学長は５６０．４ｎｍとなる。
【００３９】
第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の光学長は通常等しく形成されるので、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の光学長は、それぞれ２８０．４ｎｍとなる。このため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の厚さ方向に対する物理（実効）長も、第１の副活性層７および第２の副活性層８等に応じた値だけ短縮されている。このように、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２に短縮手段を施して、これらの光学長を調整することにより、新たに形成した第１の副活性層７および第２の副活性層８のそれぞれの光学長を相殺し、光共振器３を構成する下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００４０】
また、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８の電子密度およびホール密度を高めると共に、第１の障壁層９および第２の障壁層１０と同様に、光を主活性層６、第１の副活性層７、第２の副活性層８に閉じ込める機能も有する。
【００４１】
本実施の形態によるＶＣＳＥＬ１は上述の如き構成を有するもので、次にその動作について説明する。
【００４２】
ｎ型電極１３とｐ型電極１４との間に電圧を印加すると、第１の副活性層７、主活性層６および第２の副活性層８に電流が注入され、それぞれを構成する井戸層６Ａ〜６Ｃ等が励起されて、光が誘導放出される。発生した光は、下部反射層４と上部反射層５との間で反射を繰り返す。この結果、下部反射層４と上部反射層５との間で定在波Ｓが形成され、開口１４Ａを介して波長λの光が出射される。なお、光共振器３には、光の波長λの１波長に相当する長さの定在波Ｓが形成され、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８のそれぞれの位置には定在波Ｓの振幅が最も大きい腹が形成される。
【００４３】
定在波Ｓにおいて、光の振幅が最も大きい腹の位置が、光の最も強いところとなる。このため、定在波Ｓの強度は、主活性層６と、第１の副活性層７と、第２の副活性層８のそれぞれの位置で強くなり、第１の副活性層７および第２の副活性層８によって光出力を向上させることができる。
【００４４】
次に、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の光閉じ込め係数と、第１，第２の副活性層７，８を省いてなる第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１の光閉じ込め係数とを比較説明する。なお、ＶＣＳＥＬ１およびＶＣＳＥＬ１０１における光共振器の光学長は、同じに形成する。
【００４５】
第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１を図２に示す。このＶＣＳＥＬ１０１は、基板１０２の上面に、光共振器１０３が設けられる共に、この光共振器１０３は、下部反射層１０４と、第１のクラッド層１０７と、活性層１０６と、第２のクラッド層１０８と、上部反射層１０５とを順次積層することによって形成されている。また、基板１０２の下面にはｎ型電極１０９が形成され、上部反射層１０５の上面には開口１１０Ａを有するｐ型電極１１０が形成されている。
【００４６】
ここで、第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１でも、第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１と同様に、光共振器１０３の光学長Ｌoを光の波長λと同程度に形成する。そして、第１の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１では、定在波Ｓの腹の部分に、例えば３個の井戸層１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃを備える活性層１０６が形成される。なお、井戸層１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃの間には、障壁層１０６Ｄ，１０６Ｅがそれぞれ形成される。
【００４７】
しかしながら、第１の比較例では、第１の実施の形態に比べて、第１，第２の副活性層７，８を省いた分だけ活性層１０６のトータル物理長ｄが短くなる。このため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）は、第１の実施の形態に比べて小さくなる。具体的には、ＶＣＳＥＬ１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０５９程度の値に対し、ＶＣＳＥＬ１０１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０３４程度の値である。
【００４８】
次に、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の光閉じ込め係数と、光共振器の光学長を延長して定在波の腹の数を増やし、増加した定在波の腹の位置に活性層をさらに設けた第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１の光閉じ込め係数とを比較説明する。
【００４９】
第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１を図３に示す。このＶＣＳＥＬ１２１は、基板１２２の上面に、光共振器１２３が設けられる共に、この光共振器１２３は、下部反射層１２４と、第１のクラッド層１２８と、活性層１２６と、第２のクラッド層１２９と、活性層１２７と、第３のクラッド層１３０と、上部反射層１２５とを順次積層することによって形成されている。また、基板１２２の下面にはｎ型電極１３１が形成され、上部反射層１２５の上面には開口１３２Ａを有するｐ型電極１３２が形成されている。
【００５０】
ここで、第１の実施の形態によるＶＣＳＥＬ１では、光共振器３の光学長を光の波長λに形成したのに対し、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１では、光共振器１２３の光学長Ｌcを例えば光の波長λの１．５倍に形成する。このとき、ＶＣＳＥＬ１２１の光共振器１２３には、光の波長λの１．５倍の長さの定在波Ｓが形成され、定在波Ｓの中央付近には振幅が最も大きい新たな腹が形成される。
【００５１】
このため、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１では、定在波Ｓの中央付近に位置する２つの腹のうち下部反射層１２４に近い部分には、例えば３個の井戸層１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃを備える活性層１２６が形成される。なお、井戸層１２６Ａ，１２６Ｂ，１２６Ｃの間には、障壁層１２６Ｄ，１２６Ｅがそれぞれ形成される。
【００５２】
一方、新たな腹に対応する位置、即ち、定在波Ｓの中央付近に位置する２つの腹のうち上部反射層１２５に近い部分には、２個の井戸層１２７Ａ，１２７Ｂを備える活性層１２７がさらに形成される。なお、井戸層１２７Ａ，１２７Ｂの間には、障壁層１２７Ｃが形成される。また、活性層１２６，１２７の間には、クラッド層１２９が形成される。このため、活性層１２６のみを設けたときと比べて、光共振器１２３を構成する下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の各活性層のトータル物理（実効）長は、井戸層１２７Ａ，１２７Ｂの膜厚だけ長くなる。
【００５３】
しかしながら、第２の比較例による光共振器１２３の下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の物理（実効）長Ｌ′は、第１の実施の形態による光共振器３の下部反射層４と上部反射層５との間の物理（実効）長Ｌの１．５倍程度と長いため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ′）は大きくならず、活性層１２７をさらに設けた効果がなくなってしまう。具体的には、ＶＣＳＥＬ１における比（ｄ／Ｌ）は、０．０５９程度の値に対し、ＶＣＳＥＬ１２１における比（ｄ／Ｌ′）は、０．０５４程度の値である。
【００５４】
従って、第１の実施の形態におけるＶＣＳＥＬ１の方が、第１，第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１０１，１２１と比べて、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００５５】
かくして、第１の実施の形態によれば、定在波Ｓの腹の位置となる下部反射層４および上部反射層５のそれぞれの近傍に副活性層７，８を設けたから、副活性層７，８の位置でも光の振幅が大きくなり、副活性層７，８によって光出力を向上させることができる。
【００５６】
また、光共振器３には、下部反射層４と上部反射層５との間の光学長Ｌoを延長することなく副活性層７，８を設けることができる。このため、第２の比較例によるＶＣＳＥＬ１２１のように、下部反射層１２４と上部反射層１２５との間の光学長Ｌcを延長して定在波Ｓの腹の数を増加し、増加した腹の位置に新たな活性層１２７を設けた場合に比べて、下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌが増加するのを抑制することができる。このため、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を効率的に増加させることができ、モード利得を効率的に増大させることができる。
【００５７】
また、下部反射層４と上部反射層５との間に設けたクラッド層１１，１２には、その物理長を短くするための短縮手段を施した。このため、短縮手段によって副活性層７，８を設けたことによる下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌあるいは光学長Ｌoの増加を相殺することができる。これにより、光共振器３を構成する下部反射層４と上部反射層５との間の物理長Ｌの増加を抑制しつつ光学長Ｌoを一定に保つことができるから、光閉じ込め係数の指標である比（ｄ／Ｌ）を大きくして効率的にモード利得の増大させることができる。
【００５８】
なお、第１の実施の形態では、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２に対する短縮手段として、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を薄く形成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、他の短縮手段として、例えば第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２は、その物理（実効）長を変えずに、第１の副活性層７および第２の副活性層８を設けない場合のクラッド層に比べて、低屈折率の材料で形成してもよい。この場合、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のそれぞれの光学長は、その膜厚の物理（実効）長と膜（媒質）の屈折率の積で表されるため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２のそれぞれの光学長が薄くなり、物理（実効）長を変えた場合と同様の効果が得られる。
【００５９】
また、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を変える代わりに、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を変えてもよい。但し、第１の障壁層９および第２の障壁層１０の物理（実効）長を薄くし過ぎると、第１の副活性層７および第２の副活性層８の膜質が劣化する可能性があるため、第１のクラッド層１１および第２のクラッド層１２の物理（実効）長を変えることが望ましい。
【００６０】
また、前記第１の実施の形態では、主活性層６の上下２か所に第１の副活性層７および第２の副活性層８を設けたが、いずれか一方だけを設ける構成としてもよい。
【００６１】
また、前記第１の実施の形態では、第１の副活性層７および第２の副活性層８は、単一量子井戸によって形成したが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【００６２】
次に、図４を用いて第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態の第１の特徴は、ＶＣＳＥＬの光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層を設けたことにある。また、第２の特徴は、副活性層の利得スペクトルのピーク波長を、低温動作を改善するために、主活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成したことにある。なお、図４に示す第２の実施の形態では、下部反射層に近接させて副活性層を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００６３】
第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１は、基板４２の上面に、光共振器４３が設けられる共に、この光共振器４３は、下部反射層４４と、障壁層４８と、副活性層４７（第２の活性層）と、第１のクラッド層４９と、主活性層４６（第１の活性層）と、第２のクラッド層５０と、上部反射層４５とを順次積層することによって形成されている。また、基板４２の下面にはｎ型電極５１が形成され、上部反射層４５の上面には開口５２Ａを有するｐ型電極５２が形成されている。
【００６４】
第２の実施の形態による基板４２、下部反射層４４、上部反射層４５は、第１の実施の形態による基板２、下部反射層４、上部反射層５とほぼ同様に形成されている。
【００６５】
そして、光共振器４３を構成する下部反射層４４および上部反射層４５は、下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoが、例えば、光の波長λ（８５０ｎｍ）と同程度となるように離して配置される。
【００６６】
主活性層４６は、光共振器４３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層４６は、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃを備える。これらの井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃは、例えばガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。また、井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃのそれぞれの間には、障壁層４６Ｄ，４６Ｅが形成される。障壁層４６Ｄ，４６Ｅは、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成され、それぞれ数ｎｍ程度の厚さを有する。そして、主活性層４６は、その利得スペクトルのピーク波長が例えば８３５ｎｍ程度に設定されている。
【００６７】
副活性層４７は、下部反射層４４の近傍に、障壁層４８を介して配置される。この副活性層４７は、単一量子井戸によって構成される。この副活性層４７は、例えば主活性層４６の井戸層４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃと同様に、ガリウム砒素（GaAs）単結晶によって形成され、数ｎｍ程度の厚さを有する。一方、障壁層４８は、例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。そして、副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側となるように、例えば８４８ｎｍ程度に設定されている。
【００６８】
また、光共振器３には、光の波長λの１波長の長さの定在波Ｓが形成される。このとき、主活性層４６および副活性層４７は、定在波Ｓにおける光の振幅が最も大きい腹の位置にそれぞれ配置される。
【００６９】
第１のクラッド層４９は副活性層４７と主活性層４６との間に配置され、第２のクラッド層５０は主活性層４６と上部反射層４５との間に配置される。第１のクラッド層４９および第２のクラッド層５０は、いずれも例えばアルミニウム組成が３０％のアルミニウムガリウム砒素（Al0.3Ga0.7As）単結晶によって形成される。
【００７０】
ここで、第１のクラッド層４９および第２のクラッド層５０のトータルの光学長は、下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoから、主活性層４６、副活性層４７、障壁層４８のそれぞれの光学長を差し引いた長さに設定される。また、光共振器４３のうち厚さ方向の中央部に主活性層４６が配置されるから、例えば第１のクラッド層４９、副活性層４７および障壁層４８のトータルの光学長は、第２のクラッド層５０の光学長とほぼ同じ値に設定される。
【００７１】
このため、第１のクラッド層４９の厚さ方向に対する物理（実効）長は、副活性層４７等に応じた値だけ第２のクラッド層５０の物理（実効）長よりも短縮されている。このように、第１のクラッド層４９に短縮手段を施して、その光学長を調整することにより、新たに形成した副活性層４７の光学長を相殺し、光共振器４３を構成する下部反射層４４と上部反射層４５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００７２】
第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１は上述の如き構成を有するもので、その発光動作は、第１の実施の形態のＶＣＳＥＬ１と同様であり、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第２の実施の形態では、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側にピーク波長が形成される利得スペクトルを有する副活性層４７を設けたために、室温から低温に温度変化が生じても動作特性が安定する。次に、この効果について具体的に説明する。
【００７３】
図５に、量子井戸構造を用いた活性層から光が誘導放出される場合に、この誘導放出される光の一般的な利得スペクトルを示す。利得スペクトルの横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は利得係数（ｃｍ−１）である。なお、活性層が多重量子井戸構造を用いて構成される場合の利得スペクトルは、活性層を構成するそれぞれの量子井戸のもつ利得スペクトルを合わせたものとなる。利得スペクトルの利得係数は、波長がピーク波長から短波長側に変化すると減衰し、ある波長以下ではその波長の光を吸収して損失に変えてしまうためにプラスからマイナスに転ずる。また、波長がピーク波長から長波長側に変化すると利得係数は減衰するものの、光の吸収損失が生じないためにマイナスとはならず、横軸（ゼロ値）に漸近する。
【００７４】
ＶＣＳＥＬの動作温度が室温から低温に変化すると、活性層の利得スペクトルは、全体的に短波長側にシフトすると共に、最大利得係数が大きくなるように相似的に変化する。
【００７５】
一方、ＶＣＳＥＬ４１から出射される光の共振波長λ0は、ＶＣＳＥＬ４１の光共振器４３を構成する上部反射層４５と下部反射層４４との間の光学長Ｌoによって決まる。光共振器４３を構成する媒質の線膨張率や屈折率は、温度が変動しても大きく変化しないため、光の共振波長λ0は動作温度が変化しても殆ど変化しない。このため、ＶＣＳＥＬ４１における温度特性の要因は、主活性層４６および副活性層４７を構成する量子井戸の温度依存性が支配的となる。
【００７６】
図６に、主活性層４６および副活性層４７を有するＶＣＳＥＬ４１について、室温における利得スペクトルＧ1Rのシミュレーション結果を示す。利得スペクトルＧ1Rは、主活性層４６の利得スペクトルと副活性層４７の利得スペクトル（図示せず）を合わせたプロファイルである。なお、ＶＣＳＥＬ４１に設けた副活性層４７の効果を示すため、副活性層４７を設けずに主活性層４６のみを設けたＶＣＳＥＬの利得スペクトルＧ2Rのシミュレーション結果を合わせて示す。シミュレーションは、主活性層４６の利得スペクトルのピーク波長は８３５ｎｍ、副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は８４８ｎｍとし、主活性層４６および副活性層４７に注入されるキャリア数は同じとし、例えば２．０×１０１８個／ｃｍ３の条件で行った。また、ＶＣＳＥＬ４１の共振波長λ0は、利得スペクトルＧ1Rの利得係数がプラスの周波数帯域に設定される。
【００７７】
副活性層４７の利得スペクトルのピーク波長は、副活性層４７の利得スペクトルと主活性層４６の利得スペクトルＧ2Rとを合わせたときに、利得スペクトルＧ2Rのピーク波長よりも長波長側の周波数帯域において、利得スペクトルＧ1Rの利得係数が利得スペクトルＧ2Rの利得係数よりも大きくなるように選択される。この結果、利得スペクトルＧ1RおよびＧ2Rにおける利得係数がいずれも例えばｇ（ｇ＞０）となる長波長側の波長（周波数）をそれぞれλ1R，λ2Rとし、共振波長λ0と波長λ1Rとの間の周波数帯域幅Ｗ1Rとし、共振波長λ0と波長λ2Rとの間の周波数帯域幅Ｗ2Rとしたときに、周波数帯域幅Ｗ1Rは、周波数帯域幅Ｗ2Rよりも広く形成される。
【００７８】
次に、ＶＣＳＥＬ４１の動作温度が室温（例えば２５℃）から低温（例えば０℃）に変化した場合について、図７を用いて説明する。
【００７９】
動作温度が室温から低温に変化すると、利得スペクトルＧ1Rは短波長側にシフトして利得スペクトルＧ1Lに変化する。また、利得スペクトルＧ2Rも短波長側にシフトして利得スペクトルＧ2Lに変化する。
【００８０】
利得スペクトルＧ1L，Ｇ2Lにおける利得係数がいずれも例えばｇとなる長波長側の波長（周波数）をそれぞれλ1L，λ2Lとし、共振波長λ0と波長λ1Lとの間の周波数帯域幅Ｗ1Lとし、共振波長λ0と波長λ2Lとの間の周波数帯域幅Ｗ2Lとする。
【００８１】
このとき、利得スペクトルＧ2Rが短波長側へシフトするため、周波数帯域幅Ｗ2Lは周波数帯域幅Ｗ2Rと比べて狭くなる。一方、周波数帯域幅Ｗ1Rは、周波数帯域幅Ｗ2Rよりも予め広く形成される。このため、利得スペクトルＧ1Rが短波長側へシフトした場合でも、周波数帯域幅Ｗ1Lは、周波数帯域幅Ｗ2Lの如く著しく狭くはならず、周波数帯域幅Ｗ2Rと同程度となる。この結果、ＶＣＳＥＬ４１の動作温度が室温から低温に変化しても、利得スペクトルＧ1Lにおけるピーク波長よりも長波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ2Rに近い利得係数のプロファイルを確保することができる。
【００８２】
また、利得スペクトルＧ1Lにおけるピーク波長よりも短波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ1Lの利得係数は、利得スペクトルＧ1Rの利得係数よりも大きな値となる。従って、副活性層４７を設けずに主活性層４６のみを設けた場合に比べて、共振波長λ0の両端側における利得係数がプラス領域の周波数帯域を広く確保することができ、室温から低温に変化してもＶＣＳＥＬ４１は安定に動作する。即ち、副活性層４７を設けたことにより、ピーク波長よりも長波長側の周波数帯域における利得係数の減少が補完されると共に、ピーク波長よりも短波長側の周波数帯域における利得係数の増大で、動作温度が室温から低温側に変化した場合でもＶＣＳＥＬ４１を安定に動作させることができる。
【００８３】
なお、前記第２の実施の形態では、主活性層４６の下側１か所に副活性層４７を設けたが、第１の実施の形態と同様に、主活性層の上下１か所に副活性層を設ける構成としてもよく、主活性層の上側１か所に副活性層を設ける構成としてもよい。
【００８４】
また、前記第２の実施の形態では、副活性層４７は、単一量子井戸によって形成したが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【００８５】
次に、図８を用いて第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態の第１の特徴は、ＶＣＳＥＬの光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層を設けたことにある。また、第２の特徴は、副活性層の利得スペクトルのピーク波長を、高温動作を改善するために、主活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成したことにある。なお、図８に示す第３の実施の形態では、下部反射層に近接させて副活性層を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００８６】
第３の実施の形態によるＶＣＳＥＬ６１は、第２の実施の形態によるＶＣＳＥＬ４１とほぼ同様に構成されている。このため、ＶＣＳＥＬ６１は、基板６２の上面に、光共振器６３が設けられる共に、この光共振器６３は、下部反射層６４と、障壁層６８と、副活性層６７（第２の活性層）と、第１のクラッド層６９と、主活性層６６（第１の活性層）と、第２のクラッド層７０と、上部反射層６５とを順次積層することによって形成されている。また、基板６２の下面にはｎ型電極７１が形成され、上部反射層６５の上面には開口７２Ａを有するｐ型電極７２が形成されている。
【００８７】
また、主活性層６６は、光共振器６３のうち厚さ方向の中央部に配置される。この主活性層６６は、第２の実施の形態による主活性層４６と同様に、多重量子井戸によって構成され、例えば量子井戸となる３個の井戸層６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃを備える。井戸層６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃのそれぞれの間には、障壁層６６Ｄ，６６Ｅが形成される。
【００８８】
さらに、副活性層６７は、下部反射層４４の近傍に、障壁層４８を介して配置される。この副活性層６７は、第２の実施の形態による副活性層４７と同様に、単一量子井戸によって構成される。
【００８９】
但し、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長が主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側になる点で、第２の実施の形態による主活性層４６および副活性層４７とは異なる。具体的には、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長は例えば８４８ｎｍ程度に設定され、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は例えば８３５ｎｍ程度に設定されている。
【００９０】
なお、第１のクラッド層６９の厚さ方向に対する物理（実効）長は、第２の実施の形態による第１のクラッド層４９と同様に、副活性層６７等に応じた値だけ第２のクラッド層７０の物理（実効）長よりも短縮されている。このように、第１のクラッド層６９に短縮手段を施して、その光学長を調整することにより、新たに形成した副活性層６７の光学長を相殺し、光共振器６３を構成する下部反射層６４と上部反射層６５との間の光学長Ｌoが一定に保たれる。
【００９１】
第３の実施の形態によるＶＣＳＥＬ６１は上述の如き構成を有するもので、その発光動作は、第１の実施の形態のＶＣＳＥＬ１と同様であり、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、第３の実施の形態では、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側にピーク波長が形成される利得スペクトルを有する副活性層６７を設けたために、室温から高温側に温度変化が生じても動作特性が安定する。次に、この効果について具体的に説明する。
【００９２】
図５に示すように、ＶＣＳＥＬの動作温度が室温から高温に変化すると、活性層の利得スペクトルは、全体的に長波長側にシフトすると共に、最大利得係数が小さくなるように相似的に変化する。
【００９３】
一方、ＶＣＳＥＬ６１から出射される光の共振波長λ0は、ＶＣＳＥＬ６１の光共振器６３を構成する上部反射層６５と下部反射層６４との間の光学長Ｌoによって決まる。光共振器６３を構成する媒質の線膨張率や屈折率は、温度が変動しても大きく変化しないため、光の共振波長λ0は動作温度が変化しても殆ど変化しない。このため、ＶＣＳＥＬ６１における温度特性の要因は、主活性層６６および副活性層６７を構成する量子井戸の温度依存性が支配的となる。
【００９４】
図９に、主活性層６６および副活性層６７を有するＶＣＳＥＬ６１について、室温における利得スペクトルＧ3Rのシミュレーション結果を示す。利得スペクトルＧ3Rは、主活性層６６の利得スペクトルと副活性層６７の利得スペクトル（図示せず）を合わせたプロファイルである。なお、ＶＣＳＥＬ６１に設けた副活性層６７の効果を示すため、副活性層６７を設けずに主活性層６６のみを設けたＶＣＳＥＬの利得スペクトルＧ4Rのシミュレーション結果を合わせて示す。シミュレーションは、主活性層６６の利得スペクトルのピーク波長は８４８ｎｍ、副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は８３５ｎｍとし、主活性層６６および副活性層６７に注入されるキャリア数は同じとし、例えば２．０×１０１８個／ｃｍ３の条件で行った。また、ＶＣＳＥＬ６１の共振波長λ0は、利得スペクトルＧ3Rの利得係数がプラスの周波数帯域に設定される。
【００９５】
副活性層６７の利得スペクトルのピーク波長は、副活性層６７の利得スペクトルと主活性層６６の利得スペクトルＧ4Rとを合わせたときに、利得スペクトルＧ4Rのピーク波長よりも短波長側の周波数帯域において、利得スペクトルＧ3Rの利得係数が利得スペクトルＧ4Rの利得係数よりも大きくなるように選択される。この結果、利得スペクトルＧ3RおよびＧ4Rにおける利得係数がいずれもゼロ値となる短波長側の波長（周波数）をそれぞれλ3R，λ4Rとし、共振波長λ0と波長λ3Rとの間の周波数帯域幅Ｗ3Rとし、共振波長λ0と波長λ4Rとの間の周波数帯域幅Ｗ4Rとしたときに、周波数帯域幅Ｗ3Rは、周波数帯域幅Ｗ4Rよりも広く形成される。
【００９６】
次に、ＶＣＳＥＬ６１の動作温度が室温（例えば２５℃）から高温（例えば５０℃）に変化した場合について、図１０を用いて説明する。
【００９７】
動作温度が室温から高温に変化すると、利得スペクトルＧ3Rは長波長側にシフトして利得スペクトルＧ3Hに変化する。また、利得スペクトルＧ4Rも短波長側にシフトして利得スペクトルＧ4Hに変化する。
【００９８】
利得スペクトルＧ3HおよびＧ4Hにおける利得係数がいずれもゼロ値となる短波長側の波長（周波数）をそれぞれλ3H，λ4Hとし、共振波長λ0と波長λ3Hとの間の周波数帯域幅Ｗ3Hとし、共振波長λ0と波長λ4Hとの間の周波数帯域幅Ｗ4Hとする。
【００９９】
このとき、利得スペクトルＧ4Rが長波長側へシフトするため、周波数帯域幅Ｗ4Hは周波数帯域幅Ｗ4Rと比べて狭くなり、非常に狭帯域になる。一方、周波数帯域幅Ｗ3Rは、周波数帯域幅Ｗ4Rよりも予め広く形成される。このため、利得スペクトルＧ3Rが長波長側へシフトした場合でも、周波数帯域幅Ｗ3Hは、周波数帯域幅Ｗ4Hの如く著しく狭くはならず、ある程度の帯域幅が確保される。この結果、ＶＣＳＥＬ６１の動作温度が室温から高温に変化しても、共振波長λ0の周囲の帯域である程度の利得係数を確保することができる。
【０１００】
また、利得スペクトルＧ3Hにおけるピーク波長よりも長波長側の周波数帯域では、利得スペクトルＧ3Hの利得係数は、利得スペクトルＧ3Rよりは低下するものの、利得スペクトルＧ4Rの利得係数に近い値となる。従って、副活性層６７を設けずに主活性層６６のみを設けた場合に比べて、共振波長λ0の両端側における利得係数がプラス領域の周波数帯域を広く確保することができ、室温から高温に変化してもＶＣＳＥＬ６１は安定に動作する。即ち、副活性層６７を設けたことにより、ピーク波長よりも短波長側の周波数帯域における利得係数の減少が補完されると共に、ピーク波長よりも長波長側の周波数帯域における利得係数の減少を抑制し、動作温度が室温から高温に変化した場合でもＶＣＳＥＬ６１を安定に動作させることができる。
【０１０１】
なお、前記第３の実施の形態では、主活性層６６の下側１か所に副活性層６７を設けたが、第１の実施の形態と同様に、主活性層の上下１か所に副活性層を設ける構成としてもよく、主活性層の上側１か所に副活性層を設ける構成としてもよい。
【０１０２】
また、前記第３の実施の形態では、副活性層６７は、単一量子井戸によって形成されたが、多重量子井戸によって形成してもよい。
【０１０３】
また、前記第２，第３の実施の形態では、第１のクラッド層４９，６９に対する短縮手段として、第１のクラッド層４９，６９の物理（実効）長を薄く形成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、他の短縮手段として、例えば第１のクラッド層４９，６９は、その物理（実効）長を変えずに、副活性層４７，６７を設けない場合のクラッド層に比べて、低屈折率の材料で形成してもよい。
【０１０４】
また、前記各実施の形態では、０．８μｍ帯のＶＣＳＥＬ１，４１，６１に適用した場合を例に挙げて説明したが、これよりも長波長側の光を発光する面発光素子に適用してもよく、短波長側の光を発光する面発光素子に適用してもよい。
【０１０５】
また、前記各実施の形態では、主活性層６，４６，６６は３個の井戸層６Ａ〜６Ｃ，４６Ａ〜４６Ｃ，６６Ａ〜６６Ｃを備えた多重量子井戸によって構成したが、２個や４個以上の井戸層を備えた多重量子井戸によって構成してもよく、単一量子井戸によって構成してもよい。
【０１０６】
また、前記各実施の形態では、光共振器３，４３，６３の下部反射層４，４４，６４と上部反射層５，４５，６５との間の光学長Ｌoを発光する光の波長λと同じ値、即ち１波長分とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば特許文献２と同様に、下部反射層と上部反射層との間の光学長を光の波長λの１．５倍（１．５λ）またはそれ以上の値（例えば２λ、２．５λ等）の値に設定してもよい。この場合、定在波の複数の腹の位置に主活性層（第１の活性層）を設けるのに加え、光共振器を構成する上部反射層あるいは下部反射層の一方に近接させて、または、上部反射層および下部反射層の両方に近接させて副活性層（第２の活性層）を設けるものである。
【０１０７】
さらに、前記各実施の形態では、面発光素子としてＶＣＳＥＬ１，４１，６１を例に挙げて説明したが、面発光素子として面発光ダイオード（ＬＥＤ）に適用する構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１，４１，６１ 垂直キャビティ面発光レーザ素子（面発光素子）
３，４３，６３ 光共振器
４，４４，６４ 下部反射層（反射層）
５，４５，６５ 上部反射層（反射層）
６，４６，６６ 主活性層（第１の活性層）
７，８，４７，６７ 副活性層（第２の活性層）
１１，１２，４９，５０，６９，７０ クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、
前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設け、
前記一対の反射層の間にクラッド層を設け、前記第２の活性層を設けたことによる前記一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺するために、該クラッド層の物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を該クラッド層に施したことを特徴とする面発光素子。
【請求項２】
前記短縮手段は、前記クラッド層の物理長を薄く形成することである請求項１に記載の面発光素子。
【請求項３】
前記短縮手段は、前記クラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成して光学長を短くすることである請求項１に記載の面発光素子。
【請求項４】
前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成し、
室温から低温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項５】
前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成し、
室温から高温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項６】
第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設けたことを特徴とする面発光素子。
【請求項１】
第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、
前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設け、
前記一対の反射層の間にクラッド層を設け、前記第２の活性層を設けたことによる前記一対の反射層の間の物理長あるいは光学長の増加を相殺するために、該クラッド層の物理長あるいは光学長を短くするための短縮手段を該クラッド層に施したことを特徴とする面発光素子。
【請求項２】
前記短縮手段は、前記クラッド層の物理長を薄く形成することである請求項１に記載の面発光素子。
【請求項３】
前記短縮手段は、前記クラッド層を形成する膜を低屈折率の材料で形成して光学長を短くすることである請求項１に記載の面発光素子。
【請求項４】
前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも長波長側に形成し、
室温から低温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から低温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの短波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項５】
前記第２の活性層の利得スペクトルのピーク波長を、前記第１の活性層の利得スペクトルのピーク波長よりも短波長側に形成し、
室温から高温へ変化したときの前記第１の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによって利得係数が減少する周波数帯域に、室温から高温へ変化したときの第２の活性層の利得スペクトルの長波長側へのシフトによる利得係数を重ね合わせて前記第１の活性層の利得係数の減少を補完したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の面発光素子。
【請求項６】
第１の活性層と、該第１の活性層を挟んで対向して設けた一対の反射層とを有し、前記一対の反射層のそれぞれの近傍に光の振幅が最も大きい腹を少なくとも有してなる定在波が形成される光共振器を備えた面発光素子において、前記一対の反射層のそれぞれの近傍のうちの少なくとも一方に第２の活性層を設けたことを特徴とする面発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１３５０３９（Ｐ２０１１−１３５０３９Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２００９３９（Ｐ２０１０−２００９３９）
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月８日（２０１０．９．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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