JP2015115367A

JP2015115367A - 面発光レーザアレイ

Info

Publication number: JP2015115367A
Application number: JP2013254427A
Authority: JP
Inventors: 義孝大礒; Yoshitaka Ooiso
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-22

Abstract

【課題】同相の位相同期を有する高出力の面発光レーザアレイを提供すること。
【解決手段】周回レーザ３０は、複数の面発光レーザ１０と、面発光レーザ１０の各々と光学的に接続され、各面発光レーザ１０から出射される光信号を周回させるための光導波路２０とを含み、各面発光レーザ１０は、各面発光レーザ１０および光導波路２０からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板と垂直に光が出射する構造の面発光レーザアレイに関する。

垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、低消費電力および高速伝送などの点で優れた特性を有するデバイスである。このデバイスは、例えばパーソナルコンピュータ用のマウスや、イーサネット（登録商標）系の短距離通信用の光源などに適用されている。

また、ＶＣＳＥＬでは、レーザ共振器長が、従来の導波型のものに比べて２桁程度短くなるため、フォトンのライフタイムが短く、高速変調動作に有利である。しかし、ＶＣＳＥＬは、短共振器であるとともに、光利得長についても極端に短くなるため、レーザ発振のためには、出射面の反射率をきわめて高くする必要があり、結果として、高出力を得難いという問題がある。一般に、高出力を得るために、ＶＣＳＥＬの出射面積を大きくすることが多い。

一方、ＶＣＳＥＬを長距離光伝送用光源として用いる場合には、高出力を得ることに加え、さらに単一横モードとする必要がある。この場合、仮にＶＣＳＥＬの素子サイズを大きくしても、ＶＣＳＥＬの出射形状の近視野像がマルチモードになり、伝搬常数がそのモードに対応して変わることになる。そのため、縦モードがマルチモード化して、長距離高速光伝送が実現できない。そこで、単一横モードとするために、ＶＣＳＥＬの素子サイズを小さくすると、発光径が小さくなることにより光出力が低下し、結果的に、ＶＣＳＥＬが長距離光通信に適さないようになってしまう。

上記の観点から、従来、単一横モードを実現するためのＶＣＳＥＬ素子をアレイ化し、素子間同士の位相を同期するようにした位相同期レーザが知られている（非特許文献１）。このレーザでは、ＶＣＳＥＬ素子間に光結合を行うことにより、素子同士の位相をロック（phase-lock）させるようにしている。すべての素子間の位相が同相（in-phase）でロックすると、遠視野像の出射ビームが単峰性を有するようになり、光出力も素子数に応じて増加する。これにより、アレイ素子全体としてみると、１つの素子で単一モードのレーザ発振を実現しているようになり、コヒーレンス性を失わずに高出力を得ることができる。さらに、この場合の出射光は干渉光となるので、遠視野像が数度以下の半値全幅となり、ほぼ１００％の出射光が光ファイバに伝搬し得る。しかしながら、単にＶＣＳＥＬ素子間で光結合するようにしたとしても、隣接する素子同士が逆相(anti-phase)となることによりロックされ、高出力が得られるものの、出射ビームの形状は多峰性を有してしまい、光伝送に適さない。

また、同相（in-phase）の遠視野像を実現するため、従来のＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬでは、出射面の半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を１ペア取り除いたり、フォトニック結晶を用いたりするように構成されている（非特許文献２）。

D. Zhou and L. J. Mawst、 Semiconductor laser Conf. 2000年、 pp61-62 D.F. Siriani他、IEE Electronics lettersVo.46 No.10、 2010年 pp.712-714

しかしながら、従来のＶＣＳＥＬでは、ＤＢＲを取り除く分、高出力が得られず、また、精密な加工精度が要求されるフォトニック結晶の作製が容易ではないという問題があった。また、長距離伝送用のＶＣＳＥＬの場合、光ファイバの伝送損失が最小となるように、例えば１．３−１．５５μｍの長波長を有する発光材料であるＩｎＰ系材料が使用されることが多い。

本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、その目的は、同相の位相同期を有する高出力の面発光レーザアレイを提供することである。

上記の課題を解決するための本発明は、複数の面発光レーザと、前記複数の面発光レーザの各々と光学的に接続され、各面発光レーザから出射される光信号を周回させるための光導波路とを含み、前記各面発光レーザは、各面発光レーザおよび前記光導波路からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成される。

ここで、前記面発光レーザの各々は、前記光信号が周回するよう同心円上に配置するようにしてもよい。

本発明によれば、同相の位相同期を有する高出力の光を発振することができる。

第１実施形態における面発光レーザの断面構造の一例を示す図である。複数の面発光レーザを含む周回レーザの平面構成の一例を示す図である。周回レーザの電流と光出力との関係を示す図である。周回レーザの光出力の放射パターンである遠視野像の一例を示す図である。

以下、本発明の面発光レーザアレイ（周回レーザ）の構成について説明する。

［面発光レーザの構成］
先ず、本実施形態の周回レーザに含まれる面発光レーザ１０の構成について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態における面発光レーザ１０の断面構造の一例を示す図である。

この面発光レーザ１０は、活性層の側面から入射する励起光によって、例えば１.３μｍ帯の長波長レーザ光を実現するようになっている。図１に示すように、面発光レーザ１０は、ＩｎＰ基板１を備え、この基板１上に、第１の反射層２と、活性層３を含むスペーサ層４ａ，４ｂと、第２の反射層５とが順次積層される。この積層は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相法）により形成される。

図１において、ｐ型電極７は、第２の反射層５上に設けられる。また、ｎ型電極８は、基板１上に設けられ、この基板１上にはさらにＳｉＯ層９が形成される。

第１の反射層２は、λ＝１.３ μｍの発振波長に対してλ/４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるn型ＩｎＡｌＧａＡｓ (λg=１.２μm)とＩｎＰ層とをペアとする繰り返し多層層として成長したものである（例えば５６ペア成長）。

活性層３は、圧縮性歪を有するＩｎＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造を含む。

第１のスペーサ層４ａとしては、ｎ型ＩｎＰ層で構成される。第２のスペーサ層４ｂとしては、ｐ型ＩｎＰ層で構成される。本実施形態において、活性層３および各スペーサ層４ａ，４ｂで構成されるレーザキャビティ長は、３/（２λ）の厚さに設定する。

第２の反射層５は、トンネル接合上のｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層とｎ型ＩｎＧａＡｓ層とを備える。これらのｐ型およびｎ型の層は、高濃度にドープされて成長させる。

［周回レーザの構成］
次に、上述した面発光レーザ１０を複数備えて構成される円周レーザ３０の構成について図２を参照して説明する。

図２は、複数の面発光レーザ１０を含む周回レーザ３０の平面構成の一例を示す図である。

図２に示すように、周回レーザ３０は、１０個の面発光レーザ１０と、各面発光レーザ１０と光学的に接続される光導波路２０とを備える。

光導波路２０は、ドーナツ状（円状）の円周部を有する。光導波路２０は、上部クラッドとしての第１の反射層２と、コアとしての活性層３と、下部クラッドとしての第２の反射層５とを備える。なお、光導波路２０としては、スラブ構造およびリッジ構造などの構成を適用することができる。

面発光レーザ１０の各々は、光信号が周回するよう同心円上に配置される。本実施形態の各面発光レーザ１０は、周回レーザ３０（共振器）内で生じる光の定在波の腹の位置に対応する部分に配置される。これにより、周回レーザ３０では、信号光が共振器内を周回する。

次に、本実施形態の周回レーザ３０の作製方法について再度図１および図２を参照して説明する。

この周回レーザ３０では、面発光レーザ１０の第２の反射層５、すなわちトンネル接合は、フォトリソグラフィ技術でパターニングする。この場合、面発光レーザ１０の素子部分の直径は６μｍ、素子の中間光利得領域は１μｍの円形、隣接する面発光レーザ１０の素子間隔は６μｍ(面発光レーザ１０の各円形エッジ間の距離)とする。上記以外の部分は、エッチングで取り除き、同心円上に１０個の面発光レーザ１０を配置する。

次に、再度結晶成長を行い、ＩｎＰ層で素子全体を覆う。最後に、λ＝1.3μｍの光学波長に対して1/4λに相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるメタモルフィック（metamorphic）なＧａＡｓ/Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を順次、エピタキシャル成長させる。

デバイス形成工程では、基板１上面に絶縁膜で直径が100μｍの円形マスクを作製する。その後、ＳｉＣｌ₄ガスを用いて、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でメタモルフィックＤＢＲ層をエッチングする。そして、面発光レーザ１０自体の円形メサと、同心円上の光導波路２０とを形成する。

上下に発振ビームに当たらないように、素子上面にＡｕＧｅＮｉの電極８を蒸着し、素子下面は出射光を取り出すため、円形状に電極を取り除く。そして、レーザ発振した光が、活性層３に戻るのを防ぐために、反射防止膜としてＳｉＯ₂膜９を形成した。

本実施形態の周回レーザ３０においては、光導波路２０内に、面発光レーザ１０に注入された電流の一部または全部が注入される。また、光導波路２０内において、利得領域である活性層３を設ける。これにより、光導波路２０が利得導波型の円形導波路となり、周回レーザ３０の共振器内に生じる定在波の節および腹の位置が固定することになる。

次に、周回レーザ３０の光特性について図３を参照して説明する。図３は、電流と光出力との関係の一例を示す図である。

図３では、周回レーザ３０は熱伝導性の良いメタモルフィック層を下面にして基板１面から測定した。

例えば、２０℃の場合には、閾値は30mA、周回レーザ３０の素子全体の最大電流は１００ｍＡとなった。このとき、光出力は４０ｍＷとなった。レーザ発振は、図３に示すように、最高で６０℃まで確認できた。

ここで、図３の測定時において、周回レーザ１０の発振スペクトルを観察すると、位相がロックした場合の発振波長が統合したことが観測された。すなわち、各面発光レーザ１０の位相が同期していることが確認できた。

図４は、周回レーザ３０の光出射方向の遠視野像の一例を示す図である。なお、図４において、横軸は電流、縦軸は相対比を示す。

従来の場合、隣接する素子が逆相のときの遠視野像は、４つの多峰性が観測された（相対比＝１．０程度）が、本実施形態の場合は、単峰性を有している（相対比＝１３程度）。このことから、隣接する面発光レーザ１０の位相が逆相でロックされていることがわかる。すなわち、面発光レーザ１０間に設けられている光利得層の効果が確認できた。

以上説明したように、本実施形態の周回レーザ３０によると、各面発光レーザ１０は、各面発光レーザ１０および光導波路２０からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成される。これにより、同相の位相同期を有する高出力が実現できる。

以上、各実施形態について詳述してきたが、構成要素の材料などは変更するようにしてもよい。例えば構成要素の材料としてＡｌＧａＡｓなどを適用してもよい。

面発光レーザ１０の数は、共振器内に生じる定在波の腹の位置に面発光レーザ１０を形成するようにすれば、１０個以外の数に変更してもよい。また、面発光レーザ１０は、共振器内に生じる定在波の腹の近傍に設けるようにしてもよい。

面発光レーザ１０は、１.３μｍ帯以外の波長を発振することもできる。

1 ＩｎＰ基板
２第１の反射鏡
３活性層
４ａ第１のスペーサ層
４ｂ第２のスペーサ層
５第２の反射鏡
１０面発光レーザ
２０光導波路
３０周回レーザ

Claims

複数の面発光レーザと、
前記複数の面発光レーザの各々と光学的に接続され、各面発光レーザから出射される光信号を周回させるための光導波路と
を含み、
前記各面発光レーザは、各面発光レーザおよび前記光導波路からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成されることを特徴とする面発光レーザアレイ。
前記面発光レーザの各々は、前記光信号が周回するよう同心円上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。