JPWO2008078595A1 - Surface emitting laser - Google Patents
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Abstract
本発明の面発光レーザは、第1の層113および第1の層113よりも高屈折率の第1の高屈折率層を含む第1の多層膜ブラッグ反射鏡11と、第2の層131および第2の層131よりも高屈折率の第2の高屈折率層を含む第2の多層膜ブラッグ反射鏡13と、これらの多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、活性層部を含む光共振器部12とを有する。そして、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11について光共振器部12に接している層が第1の層113であり、第2の多層膜ブラッグ反射鏡13について光共振器部12に接している層が第2の層131である。共振器部12の実効的な屈折率neffが第1および第2の層113、131よりも大きく、かつ、光共振器部12の光路長neffLが面発光レーザの発振波長λと0.5λ<neffL≦0.7λの関係にある。さらに、光共振器部12と第1の多層膜ブラッグ反射鏡11または第2の多層膜ブラッグ反射鏡13との境界からΔL(=neffL−0.5λ)離れた位置に活性層部121が設けられている。The surface emitting laser according to the present invention includes a first multilayer Bragg reflector 11 including a first layer 113 and a first high refractive index layer having a higher refractive index than that of the first layer 113, and a second layer 131. And a second multilayer Bragg reflector 13 including a second high refractive index layer having a higher refractive index than that of the second layer 131, and an optical resonance including the active layer portion sandwiched between these multilayer Bragg reflectors And a vessel portion 12. The first multilayer 113 is in contact with the optical resonator unit 12 with respect to the first multilayer Bragg reflector 11 and the second multilayer Bragg reflector 13 is in contact with the optical resonator 12. The layer is the second layer 131. The effective refractive index neff of the resonator unit 12 is larger than that of the first and second layers 113 and 131, and the optical path length neffL of the optical resonator unit 12 is equal to the oscillation wavelength λ of the surface emitting laser and 0.5λ < neffL ≦ 0.7λ. Further, an active layer 121 is provided at a position that is ΔL (= neffL−0.5λ) away from the boundary between the optical resonator unit 12 and the first multilayer Bragg reflector 11 or the second multilayer Bragg reflector 13. It has been.
Description
本発明は、データ通信用の光源などに用いられる面発光レーザに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser used for a light source for data communication.
面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、その低コスト性、低消費電力性から広くイーサネット(登録商標)やファイバーチャネルといったデータ通信用の光源として用いられている。これらVCSELの変調速度は、近年のデータ通信容量の増大に従って、10Gbps(ギガビット毎秒)といった高速変調動作が要求されてきている。また、VCSELは、光インターコネクション用の光源としても期待されており、並列・超高速(20Gbps/チャンネル)といった素子が必要となってきている。 A surface emitting laser (VCSEL) is widely used as a light source for data communication such as Ethernet (registered trademark) and fiber channel because of its low cost and low power consumption. With respect to the modulation speed of these VCSELs, high-speed modulation operation such as 10 Gbps (gigabit per second) has been required in accordance with the recent increase in data communication capacity. VCSELs are also expected as a light source for optical interconnection, and elements such as parallel / ultra-high speed (20 Gbps / channel) are required.
VCSELを高速で変調するためには、緩和振動周波数(fr)を上げることと、CR時定数を小さくすることが必要となる。CR時定数は、VCSELの電気抵抗を下げ、イオン注入や絶縁体埋め込み等による発光部周辺の電気容量の低減技術等により20Gbpsを越えるものも作製可能となってきている。一方、frに関しては一般に、注入電流を大きくして光子密度を高くすることでfrを増加させることが可能である。しかしながら活性層への注入電流を大きくすると、VCSELの発光部周辺の温度は環境温度に比べて非常に高くなるため、これがVCSELのfrの上限を決めている大きな要因の一つとなっている。 In order to modulate the VCSEL at high speed, it is necessary to increase the relaxation oscillation frequency (fr) and reduce the CR time constant. A CR time constant exceeding 20 Gbps can be manufactured by lowering the electrical resistance of the VCSEL and reducing the electric capacity around the light emitting part by ion implantation or insulator embedding. On the other hand, with respect to fr, it is generally possible to increase fr by increasing the injection current to increase the photon density. However, if the current injected into the active layer is increased, the temperature around the light emitting portion of the VCSEL becomes very high compared to the environmental temperature, and this is one of the major factors determining the upper limit of the VCSEL fr.
VCSELではfrを上げるために光の存在する体積を小さくし、同じ電流でも大きな光子密度が得られるようにすることが行われている。その一つの方法として、大きな光閉じ込め効果を有する酸化電流狭窄構造による、酸化径の狭小化がある。この構造は、高いAl組成を有するAlGaAs層をメサ側面から水蒸気により酸化させてAlGaAs層の一部をAlOxの絶縁体に変化させるものである。 In VCSEL, in order to increase fr, the volume in which light exists is reduced so that a large photon density can be obtained even with the same current. As one of the methods, there is narrowing of the oxidation diameter by an oxidation current confinement structure having a large light confinement effect. In this structure, an AlGaAs layer having a high Al composition is oxidized from the side surface of the mesa by water vapor to change a part of the AlGaAs layer into an AlOx insulator.
この構造では、微細な電流の狭窄構造ができるだけでなく、半導体と絶縁体の屈折率差による強い光閉じ込め効果を有するので、酸化狭窄径を小さくするに従い、面内での光の存在する部分の面積、積層方向も考えれば光の存在する部分の体積も小さくなり、小さな電流で大きな光子密度が得られる。このため、VCSELのfrの電流変調効率は非常に高くなり、電流注入による発熱の影響が顕著になる前に、高いfrを得ることができる。 In this structure, not only a fine current confinement structure but also a strong light confinement effect due to the difference in refractive index between the semiconductor and the insulator can be obtained. Considering the area and stacking direction, the volume of the portion where the light exists is reduced, and a large photon density can be obtained with a small current. For this reason, the current modulation efficiency of the fr of the VCSEL becomes very high, and a high fr can be obtained before the influence of heat generation due to current injection becomes significant.
上記の技術は、VCSEL面内方向に光の存在する体積を小さくするものであるが、同様に積層方向にも光の存在する体積を小さくすることで、活性層のゲインが同じでも、frの電流変調効率を高めることができる。 The above technique is to reduce the volume of light in the VCSEL in-plane direction. Similarly, by reducing the volume of light in the stacking direction, even if the gain of the active layer is the same, fr The current modulation efficiency can be increased.
VCSELの積層方向の構造は、上下のDBR(Distributed Bragg Reflector)部とそれに挟まれた光共振器部とからなり、光強度は上下方向に定在波を形成している。光強度は活性層部でもっとも強くなるように設計すると低閾値、高効率なVCSEL特性が得られる。DBR部の光強度は光共振器部から離れるにしたがって弱くなり、定在波のうち光強度の強い部分である「腹」は指数関数的に減衰する。この減衰の仕方は、DBRを形成する多層膜の屈折率差に依存し、屈折率差が大きいほど減衰が早く、光の積層方向への閉じ込めが強い。また、光共振器部では、光強度はほとんど減衰のない一定の定在波分布をする。 The structure of the VCSEL in the stacking direction is composed of upper and lower DBR (Distributed Bragg Reflector) parts and optical resonator parts sandwiched between them, and the light intensity forms a standing wave in the vertical direction. If the light intensity is designed to be strongest in the active layer portion, a VCSEL characteristic with a low threshold and high efficiency can be obtained. The light intensity of the DBR portion becomes weaker as the distance from the optical resonator portion increases, and the “antinode”, which is the portion of the standing wave having a high light intensity, attenuates exponentially. The method of attenuation depends on the refractive index difference of the multilayer film forming the DBR. The larger the refractive index difference, the faster the attenuation and the stronger the confinement of light in the stacking direction. In the optical resonator section, the light intensity has a constant standing wave distribution with almost no attenuation.
このように、積層方向の光の分布は、DBR部での光の侵入長と光共振器部の層厚で決まる。frの電流変調効率を高めるためには、DBR部での光の侵入長と光共振器部の層厚をできるだけ小さくすることが有効である。 Thus, the light distribution in the stacking direction is determined by the light penetration length in the DBR portion and the layer thickness of the optical resonator portion. In order to increase the current modulation efficiency of fr, it is effective to reduce the light penetration length in the DBR portion and the layer thickness of the optical resonator portion as much as possible.
光共振器部の層厚は、上下DBR部と定在波を形成する必要があるため、任意の値とることはできない。一般に光共振器部の実効的な光路長は、VCSELの発振波長をλとすると、λ/2の整数倍となる。従って、光共振器部の層厚をもっとも小さくする構造は、光共振器部の実効的な光路長がλ/2となるときであり、このような小さな光共振器は微小共振器(マイクロキャビティ)構造として知られている。マイクロキャビティ構造では、発振波長以外の自然放出光の抑制効果があるため、発振閾値が低下し、同じ電流値におけるVCSELの熱発生をより小さくすることが可能である。 The layer thickness of the optical resonator portion cannot be an arbitrary value because it is necessary to form a standing wave with the upper and lower DBR portions. In general, the effective optical path length of the optical resonator is an integral multiple of λ / 2 where λ is the oscillation wavelength of the VCSEL. Therefore, the structure in which the layer thickness of the optical resonator portion is minimized is when the effective optical path length of the optical resonator portion is λ / 2. Such a small optical resonator is a microresonator (microcavity). ) Known as structure. Since the microcavity structure has an effect of suppressing spontaneous emission light other than the oscillation wavelength, the oscillation threshold is lowered, and the heat generation of the VCSEL at the same current value can be further reduced.
このλ/2共振器の構造に関する技術が、特開平05−211346号公報、特開平07−193325号公報および特開平10−256665号公報に開示されている。また、その技術が文献(D.G.Deppe等,Photonic Technology Letters,1995年,Vol.7,No.9,965−967頁)にも開示されている。 Techniques relating to the structure of this λ / 2 resonator are disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 05-212346, 07-193325, and 10-256665. The technique is also disclosed in literature (DG Deppe et al., Photonic Technology Letters, 1995, Vol. 7, No. 9, pages 965-967).
これらに開示された、いずれの構造においても、λ/2共振器の両側は、共振器部の実効的な屈折率よりも屈折率の高い層で挟まれた構造をしている。これにより、定在波の腹が共振器部のほぼ真中に立ち、ここに活性層を配置することにより、マイクロキャビティ構造を有する面発光レーザを形成できることが開示されている。以下では、この構造の面発光レーザを、λ/2微小共振器面発光レーザと称する。 In any of the structures disclosed in these documents, both sides of the λ / 2 resonator are sandwiched between layers having a higher refractive index than the effective refractive index of the resonator portion. Accordingly, it is disclosed that a surface emitting laser having a microcavity structure can be formed by placing an active layer on the antinode of the standing wave substantially in the middle of the resonator portion. Hereinafter, the surface emitting laser having this structure is referred to as a λ / 2 microcavity surface emitting laser.
ここで、微小共振器のうち半波長共振器の一例であるλ/2微小共振器面発光レーザについて簡単に説明する。 Here, a λ / 2 microresonator surface emitting laser, which is an example of a half-wavelength resonator among the microresonators, will be briefly described.
図1は、λ/2微小共振器面発光レーザの構造のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。図1は、横軸に積層方向(光軸方向)位置を示し、縦軸に各層のバンドギャップエネルギーを模式的に示している。なお、電界強度とは、電界ベクトルの絶対値の2乗を意味するものとする。 FIG. 1 is a diagram showing a band structure and an electric field strength curve of the structure of a λ / 2 microcavity surface emitting laser. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the position in the stacking direction (optical axis direction), and the vertical axis schematically indicates the band gap energy of each layer. The electric field strength means the square of the absolute value of the electric field vector.
そのため、電界強度曲線において、電界ベクトルを2乗する前の定在波の山と谷のピーク位置の「腹」が極大値になり、定在波の「節」が最小値になる。ここで言う極大値には最大値の場合を含む。以下では、電界強度曲線の極大値になる部位を「腹」と称し、最小値になる部位を「節」と称する。 Therefore, in the electric field intensity curve, the “node” of the peak position of the peak and valley of the standing wave before squaring the electric field vector has the maximum value, and the “node” of the standing wave has the minimum value. The maximum value mentioned here includes the maximum value. In the following, the region where the maximum value of the electric field intensity curve is called “antinode”, and the region where the minimum value is obtained is called “node”.
図1に示すように、第1の多層膜ブラッグ反射鏡211と第2の多層膜ブラッグ反射鏡213との間に光共振器部212が挟まれている。光共振器部212では、大きなバンドギャップを有する層(低屈折率層に相当)2123の間に活性層部2121が形成されている。第1の多層膜ブラッグ反射鏡211は、第1の低屈折率層2111および第1の高屈折率層2112のペアが複数積層されている。
As shown in FIG. 1, an
第2の多層膜ブラッグ反射鏡213は、第2の低屈折率層2132および第2の高屈折率層2131のペアが複数積層されている。第1の高屈折率層2112および第2の高屈折率層2131が光共振器部212に接している。光共振器部212の電界強度を示す電界強度曲線2122を見ると、活性層部2121に電界強度曲線2122の腹が位置している。
In the second multilayer Bragg
しかしながら、上記文献に記載されたλ/2微小共振器面発光レーザには電流注入の点で問題がある。図1に示したλ/2微小共振器面発光レーザでは、光共振器部212の実効的な屈折率は光共振器部212の両側層の第1の高屈折率層2112および第2の高屈折率層2131よりも低屈折率になっている。一般に屈折率と半導体のバンドギャップに相関があり、バンドギャップが大きいほど屈折率は小さくなる傾向にある。したがって、光共振器部を形成する半導体は、大きなバンドギャップを有する層(低屈折率層に相当)2123で構成される必要がある。
However, the λ / 2 microcavity surface emitting laser described in the above document has a problem in terms of current injection. In the λ / 2 microcavity surface emitting laser shown in FIG. 1, the effective refractive index of the
一方で、この光共振器部212は活性層部2121を内部に含んでいる必要がある。この活性層部2121のバンドギャップは、DBRを構成する材料のバンドギャップよりも小さいことが必要である。即ち、活性層部2121のバンドギャップは小さいが、この活性層部2121を包み込む光共振器部212の低屈折率層2123のバンドギャップは大きいということになる。
On the other hand, the
DBR部では電気抵抗低減のためのドーピングやグレーディット層をこのような大きなバンドギャップ差のあるところに適用することは可能であるが、光共振器部に適用すると、光吸収が大きくなったり、活性層部に大きな電界が印加されたりするためデバイス特性が低下する。このため、このバンドギャップの大きい層にはドーピングができない。したがって、このような構造に電流を注入しようとしても、バンドギャップの大きい層に相当する低屈折率層2123が電流ブロック層の役割をしてしまい、活性層部に電流を注入することが困難となる。
In the DBR part, it is possible to apply a doping or graded layer for reducing electric resistance to a place with such a large band gap difference, but when applied to an optical resonator part, light absorption increases, Device characteristics deteriorate because a large electric field is applied to the active layer portion. For this reason, this layer with a large band gap cannot be doped. Therefore, even if an attempt is made to inject current into such a structure, the low
本発明の目的は、光共振器部の光路長がλ/2に近い微小共振器構造において、低閾値、高効率、高速変調を可能にした面発光レーザを提供することである。 An object of the present invention is to provide a surface-emitting laser capable of low threshold, high efficiency, and high-speed modulation in a microcavity structure in which the optical path length of the optical resonator section is close to λ / 2.
本発明の面発光レーザは、第1の層および第1の層よりも屈折率の大きい第1の高屈折率層を含む第1の多層膜ブラッグ反射鏡と、第2の層および第2の層よりも屈折率の大きい第2の高屈折率層を含む第2の多層膜ブラッグ反射鏡と、第1および第2の多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、光学利得を発生する活性層部を含む光共振器部とを有する面発光レーザであって、第1の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第1の層であり、第2の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第2の層であり、共振器部の実効的な屈折率neffが第1および第2の層よりも大きく、かつ、光共振器部の光路長neffLが面発光レーザの発振波長λと0.5λ<neffL≦0.7λの関係にあり、光路長neffLから0.5λを引いた結果の値をΔLとすると、光共振器部と第1の多層膜ブラッグ反射鏡または第2の多層膜ブラッグ反射鏡との境界からΔL離れた位置に活性層が設けられた構成である。The surface-emitting laser of the present invention includes a first multilayer Bragg reflector including a first layer and a first high-refractive index layer having a higher refractive index than the first layer, a second layer, and a second layer. A second multilayer Bragg reflector including a second high-refractive index layer having a refractive index larger than that of the first layer, and an active layer portion that is sandwiched between the first and second multilayer Bragg reflectors and generates an optical gain. The first multilayer Bragg reflector is a first layer, and the second multilayer Bragg reflector is a surface emitting laser having an optical resonator portion. The layer in contact with the optical resonator section is the second layer, the effective refractive index n eff of the resonator section is larger than those of the first and second layers, and the optical path length n of the optical resonator section. eff L is in a relationship of 0.5λ <n eff L ≦ 0.7λ with the oscillation wavelength λ of the surface emitting laser, and the optical path length n eff L is 0. When the value obtained by subtracting 5λ is ΔL, an active layer is provided at a position apart by ΔL from the boundary between the optical resonator unit and the first multilayer Bragg reflector or the second multilayer Bragg reflector. It is.
本発明によれば、光共振器部の光路長がλ/2に近い微小共振器構造において、活性層部の光強度を大きくすることが可能となり、低閾値、高効率な素子特性が得られる。また、活性層への電流注入が容易になり、注入電流が大きくなり、緩和振動周波数が上がり、高速変調性が向上する。 According to the present invention, in the microresonator structure in which the optical path length of the optical resonator portion is close to λ / 2, it becomes possible to increase the light intensity of the active layer portion, and to obtain low threshold and high-efficiency element characteristics. . In addition, current injection into the active layer is facilitated, the injection current is increased, the relaxation oscillation frequency is increased, and high-speed modulation is improved.
11、211、221、31、41 第1の多層膜ブラック反射鏡
111、2112、311、411 第1の高屈折率層
112、113、2111、312、313、412、413 第1の低屈折率層
12、212、222、32、42 光共振器部
121、2121、321、421 活性層部
122、2122、2222、322、422 電界強度曲線
123、323、423 高屈折率層
13、213、33、43 第2の多層膜ブラック反射鏡
131、2132、331、431 第2の低屈折率層
132、2131、332、432 第2の高屈折率層
2123 大きなバンドギャップを有する層(低屈折率層)
50 n型GaAs基板
51、61、71、81、91 第1の多層膜ブラック反射鏡
511 SiドープGaAs層
512 SiドープAl0.9Ga0.1As層
513 n型Al0.9Ga0.1As層
514 SiドープAlGaAsグレーディット層
52、62、72、82、92 光共振器部
521、621、721、821、921 3重量子活性層
522 p型Al0.3Ga0.7As電子ブロック層
523、623、723 トンネル接合部
524 SiドープGaAs層
53、63、73、83、93 第2の多層膜ブラック反射鏡
531、631、731、831 SiO2層
532、632、732、832 アモルファスSi層
54、55 電極
611 n型GaAs層
612 n型AlGaAs層
613 n型AlGaAs層
614 SiドープAl0.98Ga0.02As層(電流狭窄層)
622 p型AlGaAs電子ブロック層
624、715、724、822 n型GaAsコンタクト層
711 GaAs層
712 AlOx酸化低屈折率層
713 n型Al0.9Ga0.1As層
714、913 n型AlGaAsグレーディット層
722 p型AlGaAs電子ブロック層
811 p型GaAs高屈折率層
812 p型AlGaAs低屈折率層
813 p型AlGaAs低屈折率層
814 CドープAl0.98Ga0.02As層(酸化狭窄層)
815 p型AlGaAsグレーディット層
911 n型GaAs高屈折率層
912 n型AlGaAs低屈折率層
931 p型AlGaAs低屈折率層
932 p型GaAs高屈折率層
933 p型AlGaAs酸化狭窄層(電流狭窄層)11, 211, 221, 31, 41 First multilayer
50 n-
622 p-type AlGaAs
815 p-type AlGaAs graded layer 911 n-type GaAs high refractive index layer 912 n-type AlGaAs low refractive index layer 931 p-type AlGaAs low refractive index layer 932 p-type GaAs high refractive index layer 933 p-type AlGaAs oxide constriction layer (current confinement layer) )
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態の面発光レーザの構成を説明する。図2は本実施形態の面発光レーザのバンド構造と電界強度曲線を示す図である。図2は、横軸に積層方向(光軸方向)の位置を示し、縦軸に各層のバンドギャップエネルギーを模式的に示したものである。 The configuration of the surface emitting laser according to this embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram showing a band structure and an electric field strength curve of the surface emitting laser according to the present embodiment. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the position in the stacking direction (optical axis direction), and the vertical axis schematically shows the band gap energy of each layer.
図に示す符号122の曲線はVCSEL中に形成される電界強度分布を示したものである。電界強度分布とは、定在波の電界ベクトルを2乗した値の分布のことである。本実施形態の面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11と、第2の多層膜ブラッグ反射鏡13と、これらの反射鏡に挟まれた光共振器部12とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡11および第2の多層膜ブラッグ反射鏡13はDBRの一種である。
The curve indicated by
λを面発光レーザの発振波長とすると、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11は、第1の低屈折率層112および第1の高屈折率層111のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。第2の多層膜ブラッグ反射鏡13は、第2の低屈折率層131および第2の高屈折率層132のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。光共振器部12は、光学利得を発生する活性層部121がその内部に含まれる構成である。
Assuming that λ is the oscillation wavelength of the surface emitting laser, the first
また、本実施形態の面発光レーザは、光共振器部12の両側が第1の低屈折率層113と第2の低屈折率層131で挟まれ、かつ、光共振器部12の実効的な屈折率neffが第1の低屈折率層113および第2の低屈折率層131よりも大きい構造である。さらに、光共振器の層厚をLとすると、光共振器部12の光路長neffLは、0.5λ<neffL≦0.7λになっている。光路長neffLが半波長よりもやや大きく、かつ、活性層部121が電界強度曲線122の腹の近傍に形成されている。In the surface emitting laser of this embodiment, both sides of the
光路長neffLから0.5λを引いた結果の値をΔLとすると、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11または第2の多層膜ブラッグ反射鏡13と光共振器部12との境界からΔL離れた位置に活性層121を設ければ、活性層121の位置が電界強度曲線122の腹の部位になる。図2では、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11の導電性がn型の場合として示しているので、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11に近い側に活性層121が設けられている。When the value obtained by subtracting 0.5λ from the optical path length n eff L is ΔL, ΔL from the boundary between the first
次に、上述の構成の面発光レーザの動作原理について説明する。 Next, the operation principle of the surface emitting laser having the above-described configuration will be described.
VCSELの緩和振動周波数を増大するための一つの手段として、光軸方向の光強度の広がりを小さくすることで実効的な光の体積を小さくし、光子密度を高める方法がある。光軸方向の光の広がりは、上下DBRへの光の侵入長と光共振器の光路長を足したもので測られる。 As one means for increasing the relaxation oscillation frequency of the VCSEL, there is a method of reducing the effective light volume by increasing the light intensity spread in the optical axis direction and increasing the photon density. The spread of light in the optical axis direction is measured by adding the penetration depth of light into the upper and lower DBRs and the optical path length of the optical resonator.
本実施形態では、光軸方向の光強度の広がりを小さくするために、光共振器の光路長を最小値である半波長キャビティ程度にしている。関連する半波長キャビティ(微小共振器)構造では、課題の欄で説明したように、電流注入が阻害されることに問題がある。この問題を解決するために、本実施形態の面発光レーザでは、光共振器部の実効的な屈折率を大きくし、光共振器部の両側を低屈折率層で挟んでいる。 In the present embodiment, in order to reduce the spread of the light intensity in the optical axis direction, the optical path length of the optical resonator is set to about the half-wave cavity that is the minimum value. The related half-wavelength cavity (microresonator) structure has a problem in that current injection is hindered as described in the problem section. In order to solve this problem, in the surface emitting laser of the present embodiment, the effective refractive index of the optical resonator unit is increased, and both sides of the optical resonator unit are sandwiched between low refractive index layers.
図3は本実施形態の面発光レーザの基本構造のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a band structure and an electric field strength curve of the basic structure of the surface emitting laser according to the present embodiment.
図3に示すように、本実施形態の基本構造となる面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡221と第2の多層膜ブラッグ反射鏡13との間に光共振器部222が挟まれた構成である。光共振器部222の活性層部2121は、活性層部2121と同程度のバンドギャップを有する層(高屈折率層に相当)123で挟まれている。
As shown in FIG. 3, in the surface emitting laser that is the basic structure of the present embodiment, the
このような構造では、比較的バンドギャップが小さく、活性層と同程度のバンドギャップを有する層123で活性層部2121の周りを構成することができるため、活性層部2121への電流注入が容易となる。
In such a structure, since the band gap is relatively small and the
しかし、図3に示した基本構造では、光共振器部222の中心付近は電界強度曲線2222の節にあたるため、ここに活性層部2121を配置しても活性層のゲインが共振器で有効に増幅しないため、良好なVCSEL特性は得られない。また、図3のようなVCSEL構造では、電界強度曲線2222の腹が光共振器部222とDBR221,13のそれぞれとの境界にあるため、活性層の位置が電界強度曲線2222の腹の位置から大きく離れてしまっている。
However, in the basic structure shown in FIG. 3, since the vicinity of the center of the
そこで、本実施形態では、図3に示す基本構造を発展させて図2に示したように、電界強度曲線122の腹の位置に活性層121を配置できるように、光共振器部12の光路長neffLを、0.5λ<neffL≦0.7λと半波長より少し長くしている。一方、光共振器部12の光路長を0.7λより長くしてしまうと、VCSELの共振ピーク波長が長波長化し、DBRの反射率が最大となる波長との差は大きくなるため、VCSELとしての特性が低下する。Therefore, in the present embodiment, the basic structure shown in FIG. 3 is developed, and the optical path of the
なお、光共振器部12の光路長をλ/2よりも少し長くしたことで、光共振器部12と接するDBR11側の第1の低屈折率層113の光路長は、光共振器部12の光路長が増加した分だけ小さくなり、λ/4よりも小さくなる。
The optical path length of the first low-
光路長neffLを長くした分のΔL(=neffL−0.5λ)だけ第1の多層膜ブラッグ反射鏡11の境界から内側に電界強度曲線122の腹が位置する。この位置に活性層121を配置している。図2では、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11の導電性をn型の場合を示している。そのため、第1の多層膜ブラッグ反射鏡11の境界からΔLの位置に活性層121を配置しているが、第2の多層膜ブラッグ反射鏡13の導電性がn型であれば、第2の多層膜ブラッグ反射鏡13の境界からΔLの位置に活性層121を配置する。n型のDBRに近い側に活性層を設けるのは、電子の方がホールに比べてポテンシャル障壁を越えやすく、電子の供給源に近い側に活性層を設けるためである。The antinode of the electric
このような構造にすることで、電流注入が容易な微小共振器構造を有する面発光レーザが実現される。 By adopting such a structure, a surface emitting laser having a microresonator structure in which current injection is easy can be realized.
本実施形態の面発光レーザにおいては、光共振器部は、これを挟む第1の層および第2の層の屈折率よりも実効的な屈折率neffが大きいので、バンドギャップが周囲よりも小さくなる。このような光共振器部の光路長を0.5λにすると、第1の層および第2の層のそれぞれと光共振器部との境界に電界強度の腹が位置する。本実施形態では、光共振器部の光路長neffLを0.5λよりもΔL(0<ΔL≦0.2λ)だけ長くすることで、電界強度の腹の位置を多層膜ブラッグ反射鏡との境界からΔLだけ離し、その位置に活性層部を配置している。そのため、活性層部のゲインが共振器で有効に増幅可能となり、低閾値、高効率な素子特性が得られる。また、活性層部がバンドギャップの小さい層で挟まれているため、微小共振器構造においても容易に電流注入ができるようになる。よって、緩和振動周波数が上がり、高速変調性が向上する。In the surface emitting laser according to the present embodiment, the optical resonator portion has an effective refractive index n eff larger than the refractive indexes of the first layer and the second layer sandwiching the optical resonator portion. Get smaller. When the optical path length of such an optical resonator unit is 0.5λ, an antinode of electric field strength is located at the boundary between each of the first layer and the second layer and the optical resonator unit. In the present embodiment, the optical path length n eff L of the optical resonator unit is made longer than 0.5λ by ΔL (0 <ΔL ≦ 0.2λ), so that the position of the antinode of the electric field strength is the same as that of the multilayer Bragg reflector. The active layer portion is disposed at a position away from the boundary by ΔL. As a result, the gain of the active layer can be effectively amplified by the resonator, and low threshold and high efficiency element characteristics can be obtained. In addition, since the active layer portion is sandwiched between layers having a small band gap, current can be easily injected even in a microresonator structure. Therefore, the relaxation oscillation frequency is increased and the high-speed modulation property is improved.
また、光共振器部12をバンドギャップの比較的小さな層で構成できるため、この光共振器部12のほぼ中央にある電界強度の節の部分に、低電圧で十分なトンネル電流を流すことのできる、良好なトンネル接合構造を導入することが可能となる。トンネル電流は、バンドギャップが小さいほど指数関数的に大きくなるという性質があるからである。トンネル接合により電流のキャリアを正孔から電子に転換することができ、電流注入のための電極は両方ともn型電極にすることが可能となる。これにより、DBR13が誘電体多層膜等の非導電性材料で形成されている場合でも、良好な電流−電圧特性を有するVCSELを実現することが可能となる。
In addition, since the
さらに、電流注入のための電極が両方とも低抵抗のn型電極にしたトンネル接合を活性層部の近くに配置することができるようになったため、素子の低抵抗化が実現され、微小共振器構造本来の特性である低閾値特性、高速変調特性等を引き出すことが可能となる。このため、本実施形態の面発光レーザを、特に、低消費電力性および高速変調特性等が必要とされる光インターコネクション用光源として用いることができる。
以下に、具体的なVCSEL構造について実施例を用いて説明する。各実施例において、Lを光共振器の層厚とし、λを面発光レーザの発振波長とする。Furthermore, since the tunnel junction in which both electrodes for current injection are low resistance n-type electrodes can be disposed near the active layer portion, the resistance of the element is reduced, and the microresonator is realized. It is possible to draw out the low threshold characteristics, high-speed modulation characteristics, and the like, which are characteristics inherent in the structure. For this reason, the surface emitting laser according to the present embodiment can be used as a light source for optical interconnection that particularly requires low power consumption and high-speed modulation characteristics.
Hereinafter, a specific VCSEL structure will be described using examples. In each embodiment, L is the layer thickness of the optical resonator, and λ is the oscillation wavelength of the surface emitting laser.
図4Aは本実施例の面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。図4Aを用いて本実施例の面発光レーザの構成を説明する。 FIG. 4A is a diagram showing a band structure and an electric field strength curve of the surface emitting laser according to this example. The configuration of the surface emitting laser according to this embodiment will be described with reference to FIG. 4A.
本実施例の面発光レーザは、半導体材料で構成された第1の多層膜ブラッグ反射鏡31と、誘電体材料で構成された第2の多層膜ブラッグ反射鏡33と、これらのDBRに挟まれた光共振器部32とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡31は、半導体DBRに相当する。第2の多層膜ブラッグ反射鏡33は、誘電体DBRに相当する。
The surface emitting laser of this example is sandwiched between a first
第1の多層膜ブラッグ反射鏡31は、第1の低屈折率層312および第1の高屈折率層311のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。第2の多層膜ブラッグ反射鏡33は、第2の低屈折率層331および第2の高屈折率層332のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。光共振器部32は、光学利得を発生する活性層部321がその内部に含まれる構成である。
The first
また、光共振器部32の両側が第1の低屈折率層313と第2の低屈折率層331で挟まれている。活性層部321は、活性層部321と同程度のバンドギャップを有する層(高屈折率層に相当)323で挟まれている。そのため、共振器部の実効的な屈折率neffが第1の低屈折率層313および第2の低屈折率層331よりも大きくなっている。Further, both sides of the
さらに、光共振器部32の光路長neffLは、0.5λ<neffL≦0.7λであり、半波長よりも大きくなっており、かつ、活性層部321が電界強度曲線322の腹に該当する位置に形成されている。Further, the optical path length n eff L of the
図4Bは図4Aに示したVCSELの電界強度の絶対値を計算した結果を示す。図4Bは、横軸は光軸方向位置を示し、縦軸は電界強度を示す。 FIG. 4B shows the result of calculating the absolute value of the electric field strength of the VCSEL shown in FIG. 4A. In FIG. 4B, the horizontal axis indicates the position in the optical axis direction, and the vertical axis indicates the electric field strength.
計算には、光共振器部32の光路長を0.6λとし、半導体DBR31の第1の低屈折率層312にAlAs層を用い、第1の高屈折率層311にGaAs層を用いた。また、誘電体DBR33の第2の低屈折率層331にSiO2層を用い、第2の高屈折率層332にアモルファスSi層を用いた。SiO2層/アモルファスSi層を1ペアとすると、誘電体DBR33のペア数を3ペアとし、半導体DBRのペア数を20ペアとし、DBRの設計波長を1070nmとした。In the calculation, the optical path length of the
このVCSEL構造の共振ピーク波長は1075nmと計算され、DBRの設計波長1070nmとは5nmしか変化しておらず、DBRからの反射率も十分に高い波長範囲にある。また、活性層部321は電界強度の腹の位置とほぼ一致しており、強度的にも十分な大きさになっている。このVCSELに励起光を光強度を変化させながら照射すると、低い励起光強度で良好なVCSEL発振が得られる。
The resonance peak wavelength of this VCSEL structure is calculated to be 1075 nm, the design wavelength of DBR 1070 nm is changed only by 5 nm, and the reflectance from DBR is in a sufficiently high wavelength range. Further, the
ここで、光共振器部の光路長を0.5λとし、光共振器部の上下のDBRの層厚を調整し、活性層を電界強度の腹の位置に合わせた場合について説明する。この場合の面発光レーザを、本実施形態の面発光レーザと比較するための比較例とする。 Here, a case will be described in which the optical path length of the optical resonator unit is 0.5λ, the layer thicknesses of the upper and lower DBRs of the optical resonator unit are adjusted, and the active layer is adjusted to the position of the antinode of the electric field strength. The surface emitting laser in this case is a comparative example for comparing with the surface emitting laser of the present embodiment.
図5Aは、比較例の面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。 FIG. 5A is a diagram showing a band structure and an electric field strength curve of a surface emitting laser according to a comparative example.
図5Aに示すように、比較例の面発光レーザは、半導体材料で構成された第1の多層膜ブラッグ反射鏡41と、誘電体材料で構成された第2の多層膜ブラッグ反射鏡43と、これらのDBRに挟まれた光共振器部42とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡41が半導体DBRに相当し、第2の多層膜ブラッグ反射鏡43が誘電体DBRに相当する。
As shown in FIG. 5A, the surface emitting laser of the comparative example includes a first
第1の多層膜ブラッグ反射鏡41は、第1の低屈折率層412および第1の高屈折率層411のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。第2の多層膜ブラッグ反射鏡43は、第2の低屈折率層431および第2の高屈折率層432のそれぞれのλ/4層厚の交互多層膜からなる。光共振器部42は、光学利得を発生する活性層部421がその内部に含まれる構成である。
The first
そして、図5Aに示す比較例では、光共振器の光路長を0.5λとしている。活性層部421は、活性層部421と同程度のバンドギャップを有する層(高屈折率層に相当)423で挟まれている。また、上下のDBRの光路長について、誘電体DBR43側の第2の低屈折率層431を本実施例よりも長くし、半導体DBR41側の第1の低屈折率層413を本実施例よりも短くして、電界強度曲線422に示すように、電界強度の腹および節の位置をシフトさせている。
In the comparative example shown in FIG. 5A, the optical path length of the optical resonator is 0.5λ. The
図5Bは図5Aの構造のVCSELでの電界強度の絶対値の計算結果を示す図である。この構造では、共振ピーク波長は1052nmと計算され、DBRの設計波長1070nmよりも18nmも短波長化しており、DBRからピーク反射率波長から大きく外れている。また、活性層部421は電界強度の腹の位置からずれており、強度的にも落ちていることがわかる。
FIG. 5B is a diagram showing the calculation result of the absolute value of the electric field strength in the VCSEL having the structure of FIG. 5A. In this structure, the resonance peak wavelength is calculated to be 1052 nm, which is 18 nm shorter than the DBR design wavelength of 1070 nm, which is greatly deviated from the peak reflectance wavelength of DBR. Further, it can be seen that the
比較例の結果を見てわかるように、活性層部を電界強度の腹の位置に合わせるために、ただ上下のDBRの層厚を調整して空間的にシフトさせるような構造では、DBRと光共振器部の間の定在波の立ち方に乱れが生じることが明らかとなった。このような現象は、特に、屈折率差の大きい誘電体/半導体界面がきちんと定在波の腹の位置にない場合に顕著となる。 As can be seen from the results of the comparative example, in the structure in which the active layer portion is spatially shifted by adjusting the layer thickness of the upper and lower DBRs in order to adjust the active layer portion to the position of the antinode of the electric field strength, It was clarified that the standing wave between the resonators was disturbed. Such a phenomenon becomes prominent particularly when the dielectric / semiconductor interface having a large refractive index difference is not properly positioned at the antinode of the standing wave.
本実施例のように、一方のDBRが誘電体で構成されているような場合は、光共振器の光路長を0.5λより長くとり、活性層を定在波の腹の位置に配置することが重要である。 When one DBR is made of a dielectric material as in this embodiment, the optical path length of the optical resonator is longer than 0.5λ, and the active layer is arranged at the antinode of the standing wave. This is very important.
本実施例では、電流注入型VCSEL構造の一構成例について説明する。図6Aは本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図であり、図6Bは素子構造の断面を示す模式図である。図6Aには縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図2と同様である。 In this embodiment, a configuration example of a current injection type VCSEL structure will be described. FIG. 6A is a schematic diagram showing a band structure of the surface emitting laser of this example, and FIG. 6B is a schematic diagram showing a cross section of the element structure. Although the vertical axis and the horizontal axis are not shown in FIG. 6A, the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG.
図6Aに示すように、本実施例の面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡51と、第2の多層膜ブラッグ反射鏡53と、これらのDBRに挟まれた光共振器部52とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡51はn型DBR層に相当し、第2の多層膜ブラッグ反射鏡53は誘電体DBRに相当する。
As shown in FIG. 6A, the surface emitting laser of the present embodiment includes a first
n型DBR層51は、高屈折率層のSiドープGaAs層511と低屈折率層のSiドープAl0.9Ga0.1As層512との一対(ペア)を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。これらの層はいずれもSiドープの濃度を2x1018cm−3とする。The n-
低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにSiドープAlGaAsグレーディット層514が設けられている。誘電体DBR53は、SiO2層531/アモルファスSi層532のペアを複数含んでいる。光共振器部52は、3重量子井戸活性層521と、炭素(C)ドープされたp型Al0.3Ga0.7As電子ブロック層522と、トンネル接合部523と、SiドープGaAs層524とが積層されている。3重量子井戸活性層を、以下では、単に活性層と称する。光共振器部52の光路長neffLと、活性層521の配置は実施例1と同様であるため、その詳細な説明を省略する。A Si-doped AlGaAs graded
次に、本実施例の面発光レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to the present embodiment will be described.
高屈折率層のSiドープGaAs層511と低屈折率層のSiドープAl0.9Ga0.1As層512とのペアを基本単位にして、35.5ペアを有するn型DBR層51をn型GaAs基板50上に有機金属気相成長(MOCVD)法にて形成する。n型GaAs基板50はSiドープの濃度が2x1018cm−3の基板とする。MOCVD法の代わりに、分子線エピタキシー成長(MBE)法を用いてもよい。An n-
低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにSiドープAlGaAsグレーディット層514を形成する。n型DBR層51を構成する各層の層厚がいわゆるλ/4の多層反射膜になるように、それぞれの層を形成している。n型DBR層51の最後の低屈折率層のn型Al0.9Ga0.1As層513の層厚を、光路長0.1λ分だけ薄くしている。A Si-doped AlGaAs graded
光共振器部52の製造工程では、n型DBR層51の上に5nm厚のアンドープIn0.3Ga0.7Asウエル層と10nm厚のアンドープGaAsバリア層からなる3重量子井戸活性層(以下では、活性層と称する)521を成長させる。続いて、電子ブロック層として30nm厚の炭素(C)ドープしたp型Al0.3Ga0.7As電子ブロック層522や高濃度CドープGaAsSbと高濃度SiドープInGaAsからなるトンネル接合層を積層する。In the manufacturing process of the
ここで、一旦成長ウエハを成長炉から取り出し、円形メサ型のマスクレジストをトンネル接合層の上に形成し、マスクレジストの上からエッチングを行ってトンネル接合部523をパターニングする。この工程により、素子通電時にはトンネル接合部523のない部分にはpn接合の逆バイアスがかかり電流がブロックされるので、最終的にトンネル接合部523の残った部分にだけ電流が流れ、電流狭窄構造が実現される。
Here, the growth wafer is once removed from the growth furnace, a circular mesa mask resist is formed on the tunnel junction layer, and etching is performed on the mask resist to pattern the
その後、活性層領域の一部を酸素イオン注入で高抵抗化し、マスクレジスト除去後、再度成長炉にウエハを入れて、SiドープGaAs層524を成長させて、光共振器部52が形成される。最後の30nm厚のSiドープGaAs層524はコンタクト層である。
Thereafter, the resistance of a part of the active layer region is increased by oxygen ion implantation, the mask resist is removed, the wafer is again placed in the growth furnace, and the Si-doped
ここで、トンネル接合部523の形成位置が光共振器部52の電界強度の節になるようにスペーサ層厚が設計されている。これにより、高濃度ドーピングによる光吸収を最小限に抑えることができる。また、活性層521の形成位置が電界強度の腹になるように設計されており、光共振器部52の光路長は本実施例の場合0.6λとした。
Here, the spacer layer thickness is designed so that the
その後、ウエハを成長炉から取り出し、SiO2層531/アモルファスSi層532のペアが3層積層された誘電体DBR53を形成する。Thereafter, the wafer is taken out of the growth furnace, and a
以上のようにして形成された積層構造を、デバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。まず、誘電体DBR53の一部をエッチングで除去し、SiドープGaAs層524を露出させる。そこに、電極として、AuGe合金によるn型の電極55を形成する。また、n型GaAs基板50の裏面にもAuGe合金によるn型の電極54を形成する。
The laminated structure formed as described above is processed into a surface emitting laser element in a device process step. First, a part of the
このVCSEL素子に、電圧を印加することで電流が流れ、電流値が閾値電流を越えたところでレーザ発振する。電圧を電極54と電極55との間に印加し、電極55の方が電極54よりも高電圧になるようにする。これにより、トンネル接合部523以外のところでは、pn逆バイアスがかかり空乏層が広がるため電流がブロックされる。トンネル接合523では、逆バイアス印加により電流が流れ、p型GaAsSb層またはp型AlGaAs層から活性層521に向けて正孔が注入される。
When a voltage is applied to the VCSEL element, a current flows, and laser oscillation occurs when the current value exceeds a threshold current. A voltage is applied between the
このVCSELの電流狭窄径5μmの素子では、発振閾値電流が0.5mA、微分抵抗が80Ωと、良好な静特性を有している。本実施例により、活性層部の周りにバンドギャップの小さい半導体層を配置できるようになったため、電流注入阻害の問題が解消する。また、トンネル接合も活性層部の近くに配置することができるようになったため、素子の低抵抗化を実現できた。 This VCSEL device with a current confinement diameter of 5 μm has good static characteristics with an oscillation threshold current of 0.5 mA and a differential resistance of 80Ω. According to this embodiment, since a semiconductor layer having a small band gap can be disposed around the active layer portion, the problem of current injection inhibition is solved. Further, since the tunnel junction can be disposed near the active layer portion, the resistance of the element can be reduced.
さらに、小信号変調実験から、この素子の緩和振動周波数frは、約26GHzであり、関連するλ共振器の酸化狭窄型VCSELの20GHzを大幅に上回った。 Furthermore, from small signal modulation experiments, the relaxation oscillation frequency fr of this element was about 26 GHz, significantly exceeding the 20 GHz of the related λ resonator oxidized constriction VCSEL.
この理由は次のように考えられる。λ共振器の酸化狭窄型VCSELの積層方向の有効共振器長が約1.24μmであるのに対して、本実施例の素子では関連するλ共振器に比べて0.705μmと小さくなっている。その結果、frの電流変調効率は関連するλ共振器よりも約1.33倍になり、緩和振動周波数frの上限が伸びたためと考えられる。 The reason is considered as follows. The effective resonator length in the stacking direction of the oxide confinement type VCSEL of the λ resonator is about 1.24 μm, whereas the element of this example is 0.705 μm smaller than the related λ resonator. . As a result, it is considered that the current modulation efficiency of fr is about 1.33 times that of the related λ resonator, and the upper limit of the relaxation oscillation frequency fr is extended.
特に、本VCSEL構造では、上側DBRに誘電体DBR53を用いているため、その部分の光の侵入長が0.054μmと小さくなっている。そのため、光共振器部の光路長を関連するλ共振器から半分程度にしたときの、全体の有効共振器長に対する影響が大きくなっている。
In particular, in this VCSEL structure, since the
なお、本実施例では基板裏面からn側電極を取ったが、表面の一部からn型DBR層51までエッチングを行い、基板の露出面からn側電極をとることも可能である。
In this embodiment, the n-side electrode is taken from the back surface of the substrate, but it is also possible to perform etching from a part of the surface to the n-
実施例2においては、電流狭窄をトンネル接合部523で行ったのに対して、本実施例では、n型半導体DBR部の一部に酸化電流狭窄構造を設けている。
In the second embodiment, current confinement is performed at the
図7は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図7には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図2と同様である。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the band structure of the surface emitting laser of this example. Although the vertical axis and the horizontal axis are not shown in FIG. 7, the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG.
図7に示すように、本実施例の面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡61と、第2の多層膜ブラッグ反射鏡63と、これらのDBRに挟まれた光共振器部62とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡61は下部n型DBR層に相当し、第2の多層膜ブラッグ反射鏡63は上部n型DBR層に相当する。
As shown in FIG. 7, the surface emitting laser according to the present embodiment includes a first
下部n型DBR層61は、高屈折率層のn型GaAs層611と低屈折率層のn型AlGaAs層612との一対(ペア)を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにSiドープAlGaAsグレーディット層615が設けられている。また、光共振器部62近くの低屈折率層となるn型AlGaAs層613の一部が、電流狭窄用の層であるSiドープAl0.98Ga0.02As層614になっている。The lower n-
上部n型DBR層63は、SiO2層631/アモルファスSi層632のペアを複数含んでいる。光共振器部62は、3重量子井戸活性層(以下では、単に活性層と称する)621と、p型AlGaAs電子ブロック層622と、トンネル接合部623と、n型GaAsコンタクト層624とが積層されている。The upper n-
なお、上部n型DBR層63および光共振器部62は、実施例2のそれぞれに対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
The upper n-
上述したように、本実施例では、下部n型DBR層61の一部に電流狭窄用の層であるSiドープAl0.98Ga0.02As層(以下では、単に電流狭窄層と称する)614が形成されている。また、この構造では、電子によるn型電流狭窄となるので、電流狭窄層614と活性層621との間には移動度の高いGaAs層はできるだけ積層しないようにしている。As described above, in this embodiment, a part of the lower n-
電子の移動度はAlGaAsのAl組成が0.35以上では正孔と同程度に小さいことが知られており、このような組成のAlGaAsを用いることで十分な電流狭窄効果が得られる。また、材料としてはAlGaAsだけではなく移動度の小さい材料ならよく、希薄N系半導体などでもよい。希薄N系半導体の例としては、GaAsN、InGaPN、AlGaAsNおよびGaAsPNがある。 It is known that the mobility of electrons is as small as that of holes when the Al composition of AlGaAs is 0.35 or more. By using AlGaAs having such a composition, a sufficient current confinement effect can be obtained. Further, the material is not limited to AlGaAs but may be a material with low mobility, and may be a diluted N-type semiconductor or the like. Examples of diluted N-based semiconductors include GaAsN, InGaPN, AlGaAsN, and GaAsPN.
また、電流狭窄はAlGaAsの酸化層部で行うため、トンネル接合部623はパターニングする必要はない。素子化のプロセス工程は関連する酸化狭窄型面発光レーザ素子と同様であるため、ここでは、詳細な説明を省略し、酸化狭窄構造の形成工程について簡単に説明する。
Further, since current confinement is performed in the AlGaAs oxide layer portion, the
酸化狭窄構造は、下部n型DBR層61の高屈折率層のうち最上層のn型GaAs層611が露出するまで選択的にエッチングを行うことで、直径約30μmの円柱状構造に形成される。この工程により、Al0.98Ga0.02Asの電流狭窄層の側面が露出する。そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400度で約10分間加熱を行う。電流狭窄層のAl組成は0.98と大きく、下部n型DBR層61の中の低屈折率AlGaAs層612のAl組成0.9と差があるため酸化速度が速く、電流狭窄層614で選択的に酸化が進む。これにより、ドーナッツ型の電流ブロック構造が形成され、中心部には直径が約6μmの電流通過層が形成される。The oxidized constriction structure is formed into a columnar structure having a diameter of about 30 μm by performing selective etching until the uppermost n-
本実施例では、面内の光閉じ込めが酸化層によって行われる点が実施例2とは異なるが、積層方向の有効共振器長は同じであり、このため高速変調特性は実施例2と同様である。 This embodiment is different from the second embodiment in that the in-plane light confinement is performed by the oxide layer, but the effective resonator length in the stacking direction is the same. Therefore, the high-speed modulation characteristic is the same as that of the second embodiment. is there.
本実施例では、実施例2の下部n型DBR層の一部を半導体/絶縁体の多層膜で構成されるDBRに置き換えている。 In this example, a part of the lower n-type DBR layer of Example 2 is replaced with a DBR composed of a semiconductor / insulator multilayer film.
図8は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図8には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図2と同様である。 FIG. 8 is a schematic diagram showing the band structure of the surface emitting laser of this example. Although the vertical axis and the horizontal axis are not shown in FIG. 8, the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG.
図8に示すように、本実施例の面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡71と、第2の多層膜ブラッグ反射鏡73と、これらのDBRに挟まれた光共振器部72とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡71は下部n型DBR層に相当し、第2の多層膜ブラッグ反射鏡73は上部n型DBR層に相当する。
As shown in FIG. 8, the surface emitting laser according to the present embodiment includes a first
下部n型DBR層71は、高屈折率層のGaAs層711とAlOx酸化低屈折率層712との一対(ペア)を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。AlOx酸化低屈折率層712は、本実施例では、Al0.98Ga0.02As層が酸化されたものである。また、上部n型DBR層71内の最上層のAlOx酸化低屈折率層712の光共振器部72側に、n型GaAsコンタクト層715、n型AlGaAsグレーディット層714および低屈折率層のn型Al0.9Ga0.1As層713が順に形成されている。The lower n-
上部n型DBR層73は、SiO2層731/アモルファスSi層732のペアを複数含んでいる。光共振器部72は、3重量子井戸活性層(以下では、単に活性層と称する)721と、p型AlGaAs電子ブロック層722と、トンネル接合部723と、n型GaAsコンタクト層724とが積層されている。The upper n-
なお、上部n型DBR層73および光共振器部72は、実施例2のそれぞれに対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、実施例2と同様に、n型GaAsコンタクト層724の一部に接続する電極が設けられている。
The upper n-
上述したように、本実施例では、下部n型DBR層71において、光共振器部72に最も近いn型Al0.9Ga0.1As層713以外の低屈折率層を酸化に容易なAl0.98Ga0.02As層で形成している。そして、この層を酸化したAlOx酸化低屈折率層712が設けられている。Al0.98Ga0.02As層の層厚は酸化後の光路長がλ/4になるように、この層を形成する。As described above, in this embodiment, in the lower n-
GaAs層711とAl0.98Ga0.02As層(AlOx酸化低屈折率層712に相当)のペア数は5ペアとした。また、この部分には電流が流れないので実施例2で設けられたSiドープAlGaAsグレーディット層514に対応する層は、n型Al0.9Ga0.1As層713の両側にだけに必要である。The number of pairs of the
Al0.98Ga0.02As層の酸化プロセスは、実施例3で説明したのと同様である。本実施例では、GaAs基板からは、電極がとれないので、光共振器部72に最も近い高屈折率層のGaAsコンタクト層715の一部から表面電極でとる。The oxidation process of the Al 0.98 Ga 0.02 As layer is the same as that described in the third embodiment. In this embodiment, since no electrode can be taken from the GaAs substrate, the surface electrode is taken from a part of the
このVCSELの電流狭窄径5μmの素子の緩和振動周波数frは、約30GHzであり、実施例2、3のVCSEL構造よりもさらに高い。これは、実施例2のVCSELの積層方向の有効共振器長が0.43μmと非常に小さくなっているため、frの電流変調効率は関連するλ共振器の酸化狭窄型VCSELの約1.7倍にまで増加しており、これにより緩和振動周波数frの上限が伸びたためと考えられる。 The relaxation oscillation frequency fr of this VCSEL device having a current confinement diameter of 5 μm is about 30 GHz, which is higher than the VCSEL structures of the second and third embodiments. This is because the effective resonator length in the stacking direction of the VCSEL of Example 2 is as very small as 0.43 μm, and the current modulation efficiency of fr is about 1.7 of that of the related λ resonator oxidized constriction type VCSEL. This is considered to be because the upper limit of the relaxation oscillation frequency fr has been increased.
ただし、計算上は、frは34GHz程度まで伸びるはずであるが、そこまで上限が伸びていない。これは、GaAs基板側に半導体を酸化させた絶縁体層のAlOx酸化低屈折率層712があり、この層の熱抵抗が高く、駆動電流を増やしていったときの活性層の温度上昇が早く、この分緩和振動周波数frの電流に対する伸びが早めに飽和したためと考えられる。
However, in calculation, fr should extend to about 34 GHz, but the upper limit does not extend to that extent. This is because there is an AlOx oxidation low
本実施例では、基板にp型GaAsを用い、下側のDBR層をp型ドープ層で構成している。 In this embodiment, p-type GaAs is used for the substrate, and the lower DBR layer is composed of a p-type doped layer.
図9は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図9には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図2と同様である。 FIG. 9 is a schematic diagram showing the band structure of the surface emitting laser of this example. Although the vertical axis and the horizontal axis are not shown in FIG. 9, the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG.
図9に示すように、本実施例の面発光レーザは、第1の多層膜ブラッグ反射鏡81と、第2の多層膜ブラッグ反射鏡83と、これらのDBRに挟まれた光共振器部82とを有する。第1の多層膜ブラッグ反射鏡81は下部DBR層に相当し、第2の多層膜ブラッグ反射鏡83は上部DBR層に相当する。
As shown in FIG. 9, the surface emitting laser according to the present embodiment includes a first
下部DBR層81は、p型GaAs高屈折率層811とp型AlGaAs低屈折率層812との一対(ペア)を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにp型AlGaAsグレーディット層815が設けられている。
The
光共振器部82近くのp型AlGaAs低屈折率層813の一部が、電流狭窄用の層であるCドープAl0.98Ga0.02As層(酸化狭窄層)814になっている。上部DBR層83は、SiO2層831/アモルファスSi層832のペアを複数含んでいる。光共振器部62は、3重量子井戸活性層821とn型GaAsコンタクト層822とが積層されている。A part of the p-type AlGaAs low
光共振器部62の光路長neffLと、3重量子井戸活性層821の配置は実施例1と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、実施例2と同様に、n型GaAsコンタクト層822の一部に接続する電極が設けられている。Since the optical path length n eff L of the
上述したように、本実施例では、光共振器部82に近いp型AlGaAs低屈折率層813の一部に酸化狭窄のためのCドープAl0.98Ga0.02As層814が設けられている。光共振器部82の一部には、SiドープGaAsのn型コンタクト層822が設けられている。上部DBR層83はSiO2層831/アモルファスSi層832の3ペアの誘電体DBRから構成されている。As described above, in this embodiment, the C-doped Al 0.98 Ga 0.02 As
なお、本実施例の場合は、2つのDBRの組み合わせがp型半導体層(下部DBR層81に相当)と誘電体層(上部DBR層83に相当)であり、半導体層がp型である点が上述の他の実施例と異なる。光共振器部82と上部DBR層83との屈折率差により、これらの境界に電界強度の腹が位置し、光共振器部82の光路長を実施例1のようにΔLだけ長くしても、これらの境界の腹の位置は変わらない。そのため、光路長をΔLだけ長くしたとき、下部DBR層81と光共振器部82との境界に近い方の腹に活性層821を配置している。
In this embodiment, the combination of the two DBRs is a p-type semiconductor layer (corresponding to the lower DBR layer 81) and a dielectric layer (corresponding to the upper DBR layer 83), and the semiconductor layer is p-type. Is different from the other embodiments described above. Due to the difference in refractive index between the
このVCSEL構造の素子化プロセスは、関連する酸化狭窄型VCSELのものと同様であるため、その詳細な説明を省略する。 Since this VCSEL structure element fabrication process is the same as that of the related oxide constriction type VCSEL, its detailed description is omitted.
本実施例では、面発光レーザを動作させる際に用いるp型電極を、基板裏面からチタン(Ti)/金(Au)のp型電極でとった。本実施例のVCSELの積層方向の有効共振器長は、実施例2、3と同等であり、緩和振動周波数frも26GHzと同等であった。 In this example, the p-type electrode used when operating the surface emitting laser was a titanium (Ti) / gold (Au) p-type electrode from the back side of the substrate. The effective resonator length in the stacking direction of the VCSEL of this example was the same as in Examples 2 and 3, and the relaxation oscillation frequency fr was also equivalent to 26 GHz.
なお、p型電極を第1の多層膜ブラッグ反射鏡81のp型半導体層の一部に設けてもよい。p型基板やp型半導体層は抵抗が高いため、活性層により近い側で電極をとって電圧をかけることで、ホールを活性層に注入しやすくなる。
A p-type electrode may be provided on a part of the p-type semiconductor layer of the first
本実施例では、実施例5で説明した第1の多層膜ブラッグ反射鏡および第2の多層膜ブラッグ反射鏡が共に半導体DBRで構成されている。 In the present embodiment, both the first multilayer Bragg reflector and the second multilayer Bragg reflector described in Embodiment 5 are made of semiconductor DBR.
図10は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図10には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図2と同様である。 FIG. 10 is a schematic diagram showing the band structure of the surface emitting laser of this example. Although the vertical axis and the horizontal axis are not shown in FIG. 10, the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG.
図10に示すように、本実施例の面発光レーザは、下部DBR層91と、上部DBR層93と、これらのDBRに挟まれた光共振器部92とを有する。下部DBR層91は第1の多層膜ブラッグ反射鏡に相当し、上部DBR層93は第2の多層膜ブラッグ反射鏡に相当する。下部DBR層91および上部DBR層93のそれぞれが半導体DBRで構成されている。
As shown in FIG. 10, the surface emitting laser according to the present embodiment includes a
下部DBR層91は、n型GaAs高屈折率層911とn型AlGaAs低屈折率層912との一対(ペア)を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにn型AlGaAsグレーディット層913が設けられている。光共振器部92は3重量子井戸活性層921を有する構成である。
The
上部DBR層93は、p型AlGaAs低屈折率層931とp型GaAs高屈折率層932とのペアを複数含んでいる。光共振器部92近くのp型AlGaAs低屈折率層933の一部が、電流狭窄用の層であるp型AlGaAs酸化狭窄層(電流狭窄層)933になっている。p型AlGaAs酸化狭窄層933は、例えば、CドープAl0.98Ga0.02As層である。The
上述したように、本実施例では、n型GaAs基板の上にn型半導体DBR部(下部DBR層91に相当)が形成され、その上に光共振器部92およびp型半導体DBR部(上部DBR層93に相当)が順次形成されている。電流狭窄層933はp型半導体DBR部の光共振器部92に最も近い低屈折率層のところに設けられている。n側の電極は、表面側からでも裏面側からでもとることが可能である。
As described above, in this embodiment, the n-type semiconductor DBR portion (corresponding to the lower DBR layer 91) is formed on the n-type GaAs substrate, and the
本実施例では、光共振器部92の上下に設けられた下部DBR層91および上部DBR層93に半導体DBRを用いている。そのため、この部分の光の侵入長が片側約0.47μmと大きく、光共振器部92の光路長を約半分にしても、全体の有効共振器長はそれほど小さくならない。
In this embodiment, semiconductor DBRs are used for the
本実施例では、有効共振器長は約1.15μmである。これは関連するλ共振器のVCSELの有効共振器長(約1.242μm)の0.93倍であり、frの電流変調効率は約1.04倍となり、緩和振動周波数frとして約21GHz程度が期待される。 In this embodiment, the effective resonator length is about 1.15 μm. This is 0.93 times the effective resonator length (about 1.242 μm) of the VCSEL of the related λ resonator, the current modulation efficiency of fr is about 1.04 times, and the relaxation oscillation frequency fr is about 21 GHz. Be expected.
上述した実施例1から実施例6のいずれにおいても、面発光レーザの発振波長として1070nmの例を挙げたが、他の材料系を用いた異なる波長帯においても同様の効果が期待される。 In any of the first to sixth embodiments described above, an example where the oscillation wavelength of the surface emitting laser is 1070 nm is given, but the same effect is expected in different wavelength bands using other material systems.
また、電流狭窄構造の一部にAlGaAsの選択酸化を用いたが、この代わりにプロトン等のイオン注入を行った電流狭窄構造であってもよい。また、量子井戸構造のウエル数を3としたが、発振に必要なゲインが得られるなら、これに限定されない。 In addition, although selective oxidation of AlGaAs is used for a part of the current confinement structure, a current confinement structure in which ions such as protons are implanted instead may be used. Further, although the number of wells in the quantum well structure is set to 3, the number of wells is not limited to this as long as a gain necessary for oscillation can be obtained.
また、光共振器の光路長neffLを0.6λとして説明したが、光路長neffLは0.5λ<neffL≦0.7λの範囲であればよい。また、n型GaAs基板上にVCSELを形成したが、p型基板を用いて積層順を反対にしてもよい。さらに、実施例6では、電流狭窄構造としてp型の酸化電流狭窄構造を示したが、実施例3で示したようなn型の酸化電流狭窄構造を用いてもよい。The optical path length n eff L of the optical resonator has been described as 0.6λ, but the optical path length n eff L may be in the range of 0.5λ <n eff L ≦ 0.7λ. Further, although the VCSEL is formed on the n-type GaAs substrate, the stacking order may be reversed using a p-type substrate. Further, although the p-type oxidation current confinement structure is shown as the current confinement structure in the sixth embodiment, an n-type oxidation current confinement structure as shown in the third embodiment may be used.
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments and examples, the present invention is not limited to the above exemplary embodiments and examples. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
この出願は、2006年12月27日に出願された日本出願の特願2006−352535の内容が全て取り込まれており、この日本出願を基礎として優先権を主張するものである。 This application incorporates all the contents of Japanese Patent Application No. 2006-352535 filed on Dec. 27, 2006, and claims priority based on this Japanese application.
Claims (7)
前記第1の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第1の層であり、前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第2の層であり、
前記共振器部の実効的な屈折率neffが前記第1および第2の層よりも大きく、かつ、前記光共振器部の光路長neffLが面発光レーザの発振波長λと0.5λ<neffL≦0.7λの関係にあり、
前記光路長neffLから0.5λを引いた結果の値をΔLとすると、前記光共振器部と前記第1の多層膜ブラッグ反射鏡または前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡との境界から前記ΔL離れた位置に前記活性層部が設けられた、面発光レーザ。A first multilayer Bragg reflector including a first layer and a first high refractive index layer having a higher refractive index than that of the first layer; and a second layer and a refractive index higher than that of the second layer. An optical resonator unit including a second multilayer Bragg reflector including a large second high-refractive index layer, and an active layer unit sandwiched between the first and second multilayer Bragg reflectors and generating an optical gain A surface emitting laser having:
The layer in contact with the optical resonator unit in the first multilayer Bragg reflector is the first layer, and the layer in contact with the optical resonator unit in the second multilayer Bragg reflector is The second layer;
The effective refractive index n eff of the resonator part is larger than that of the first and second layers, and the optical path length n eff L of the optical resonator part is determined by the oscillation wavelengths λ and 0.5λ of the surface emitting laser. <N eff L ≦ 0.7λ,
When the value obtained by subtracting 0.5λ from the optical path length n eff L is ΔL, from the boundary between the optical resonator section and the first multilayer Bragg reflector or the second multilayer Bragg reflector A surface emitting laser in which the active layer portion is provided at a position apart by ΔL.
前記第2の層および前記第2の高屈折率層が誘電体層であり、
前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡と前記光共振器部との境界が電界強度の腹の部位に位置し、
前記活性層部が前記第1の多層膜ブラッグ反射鏡の境界から前記ΔL離れた位置に設けられた請求の範囲1に記載の面発光レーザ。The first layer and the first high refractive index layer are semiconductor layers;
The second layer and the second high refractive index layer are dielectric layers;
The boundary between the second multilayer Bragg reflector and the optical resonator is located at the antinode portion of the electric field strength,
The surface emitting laser according to claim 1, wherein the active layer portion is provided at a position separated by ΔL from the boundary of the first multilayer Bragg reflector.
前記光共振器部に、電流狭窄効果を有するトンネル接合部が電界強度の節の部位に設けられ、前記トンネル接合部よりも前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にn型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
前記コンタクト層の一部に電極が設けられた請求の範囲2に記載の面発光レーザ。The first layer and the first high refractive index layer have n-type conductivity;
A tunnel junction having a current confinement effect is provided in the node portion of the electric field strength in the optical resonator, and the n-type conductivity is closer to the second multilayer Bragg reflector than the tunnel junction. A contact layer is formed,
The surface emitting laser according to claim 2, wherein an electrode is provided on a part of the contact layer.
前記第1の層の一部に電流狭窄構造が設けられ、
前記光共振器部に、トンネル接合部が電界強度の節の部位に設けられ、前記トンネル接合部よりも前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にn型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
前記コンタクト層の一部に電極が設けられた請求の範囲2に記載の面発光レーザ。The first layer and the first high refractive index layer have n-type conductivity;
A current confinement structure is provided in a portion of the first layer;
A tunnel junction is provided at the node portion of the electric field strength in the optical resonator, and a contact layer having n-type conductivity is provided closer to the second multilayer Bragg reflector than the tunnel junction. Formed,
The surface emitting laser according to claim 2, wherein an electrode is provided on a part of the contact layer.
前記第1の層の一部に電流狭窄構造が設けられ、
前記光共振器部に、前記活性層部よりも前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にn型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
前記第1の多層膜ブラッグ反射鏡の一部にp型の導電性を有する第1の電極が設けられ、
前記コンタクト層に第2の電極が設けられた、請求項2に記載の面発光レーザ。The first layer and the first high refractive index layer have p-type conductivity;
A current confinement structure is provided in a portion of the first layer;
In the optical resonator portion, a contact layer having n-type conductivity is formed closer to the second multilayer Bragg reflector than the active layer portion,
A first electrode having p-type conductivity is provided on a part of the first multilayer Bragg reflector;
The surface emitting laser according to claim 2, wherein a second electrode is provided on the contact layer.
前記第2の層および前記第2の高屈折率層が第2の導電型を有する半導体層であり、
前記第1の多層膜ブラッグ反射鏡または前記第2の多層膜ブラッグ反射鏡の少なくとも一方に電流狭窄構造を有する請求の範囲1に記載の面発光レーザ。The first layer and the first high refractive index layer are semiconductor layers having a first conductivity type;
The second layer and the second high refractive index layer are semiconductor layers having a second conductivity type;
The surface emitting laser according to claim 1, wherein at least one of the first multilayer Bragg reflector and the second multilayer Bragg reflector has a current confinement structure.
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