JP4784123B2 - マルチスポット型面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光インターコネクション、光メモリ、光交換、光情報処理、レーザビームプリンター、複写機等の光源などに用いられる面発光型半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser diode:以下適宜ＶＣＳＥＬと称する）は、半導体基板と垂直方向に共振器を構成し、光を基板と垂直方向に出射する光デバイスであり、２次元的に高密度な集積化をすることができる並列光源として注目されている。

ＶＣＳＥＬにおいて、効率よくレーザを発振させるために、垂直共振器間でキャリアと光の閉じこめが行われる。基板の水平方向の狭窄構造を作製する手段として、基板上に細いポストを作製し、ポスト自体を電流経路とするエアポスト型、ポスト構造を作製した後に、コントロール層と呼ぶＡｌＡｓ層の一部を酸化して電流経路を制限する選択酸化型、プロトンインプラにより絶縁領域を形成し電流経路を制限するプロトン照射型などがある。これらの中で、選択酸化型のＶＣＳＥＬが、しきい電流値も低く、電流−光特性も優れているという特性があり、実用化が進められている。

特許文献１は、半導体基板上に形成された第１光ガイド層、活性層、円形の回折格子を備えた第２光ガイド層が順次形成されるとともに、第２光ガイド層上に窓を有し、かつ活性層より発振されるレーザ光に対して透明な電流ブロック層が形成され、窓に第３光ガイド層が形成された面発光型半導体レーザを開示している。この構成により、第２光ガイド層に形成された円形の回折格子によりレーザ光は回折され、光が半導体基板に対して平行な方向に２次元的に閉じ込められ、さらに半導体基板表面に対して法線方向に非点収差の小さいレーザ光の出射を可能にしている。

また、特許文献２は、半導体レーザの出射光を光ファイバ等に容易に結合することを可能とする光通信システムを開示している。半導体レーザチップ上に２次元的に配列された各面発光半導体レーザによる光のスポットは、チップ配列を反映した形で光ファイバの端面に集光されるが、このスポット間隔を適切に設定することで、必ず一つ以上のスポットがコアに入射されるようにしている。例えば光ファイバのコア径をＤとしたとき、スポット間隔をＤ／√２以下にすれば、必ず１つ以上のスポットがコアに入射される。

特開平９−２４６６６０号 特開２００２−２５２４１６号

従来のＶＣＳＥＬには次のような課題がある。特に、空間伝送用の光源などにＶＣＳＥＬを用いる場合、大きな光出力が要求される。ＶＣＳＥＬの光出力を大きくするには、酸化アパーチャを大きくする必要があるが、酸化アパーチャ径を大きくすると、高次モードが支配的になるために、図２（ａ）に示すように、スポット径のビームプロファイルの中心部に、出力が大きく低下した領域が生じる。このようなビームプロファイルのＶＣＳＥＬを光源として用いた場合、受光装置側の受光素子によって検出される場所が、ビームプロファイルの周辺部の光出力を持つ領域であれば問題はないが、一般に、通信可能領域は光源の広がり角で規定することから、図２（ａ）のように光源の中心部に光出力が低下した部分があると、想定した通信可能領域内であっても、通信不可能な領域が生じてしまう不具合が発生する。

一方、特許文献１のように、高出力で単峰性の遠視野像を得るＶＣＳＥＬを得ることは可能であるが、回折格子などの特殊な構造を必要とし、製造コストが増加してしまう。一方、たとえ回折格子を含まないＶＣＳＥＬであっても、高出力で単峰性のビームプロファイルをもつレーザ素子を歩留まりよく製造することは困難である。

また、特許文献２のように、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを光源に用いることも可能であるが、構成が同じレーザ発光部から出射されるレーザ光のビームプロファイルは基本的に共通するので、上記した図２(ａ)に示すようなビームプロファイルの欠点を解決するには至らない。

本発明は、上記従来の課題を解決するために成されたもので、ビームプロファイルを単峰性に保ちながら高出力を得ることができるマルチスポット型の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明は、光通信に適したビームプロファイルを持つマルチスポット型の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、駆動回路と、複数の出射口を有し、前記駆動回路により同一信号で駆動されたレーザ光を前記各出射口からそれぞれ出射する面発光型半導体レーザとを有し、前記出射口から出射される複数のレーザ光のうち、少なくとも１つの出射口から出射されるレーザ光の遠視野におけるビームプロファイルが他の出射口から出射されるレーザ光の遠視野におけるビームプロファイルと異なるものである。

好ましくは前記複数のレーザ光は、マルチモードである。また、複数の出射口から出射された複数のレーザ光は合成され、１つ光信号として作用する。これにより、高出力でありながら所望のビームプロファイルのレーザ光を得ることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、駆動回路と、基板上に第１導電型の第１の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層上の電流狭窄層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、第２の半導体ミラー層の上方の複数の出射開口を含み、各出射開口から駆動回路により同一の駆動信号で駆動されたレーザ光を出射可能であり、電流狭窄層は、選択酸化された領域によって囲まれた少なくとも第１、第２の導電領域を含み、複数の出射開口は、第１、第２の導電領域に対応する位置に少なくとも第１、第２の出射開口を含み、第１、第２の導電領域の径はほぼ等しく、第２の出射開口の径は、第１の出射開口の径より小さく、かつ、第２の導電領域の径より小さいものである。これにより、第２の出射開口からは単峰性のビームプロファイルを得ることができ、仮に、第１の出射開口のレーザ光のビームプロファイルの中心部に出力が低下する部分があったとしても、第１、第２の出射開口からのレーザ光のビームプロファイルが合成されることで、中心部に窪みの低減されたビームプロファイルのレーザ光を得ることができる。

さらに本発明に係る面発光型半導体レーザ装置において、電流狭窄層は、選択酸化された領域によって囲まれた少なくとも第１、第２の導電領域を含み、複数の出射開口は、第１、第２の導電領域に対応する位置に少なくとも第１、第２の出射開口を含み、第１、第２の出射開口の径はほぼ等しく、第２の導電領域の径は、第１の導電領域の径より小さく、かつ、第２の出射開口より小さいものである。このような条件を満足させることで、第１、第２の出射開口からのレーザ光の合成ビームプロファイルは、中心部に出力の低下が抑制された窪みの少ないレーザ光となる。

さらに本発明に係る面発光型半導体レーザ装置において、電流狭窄層は、選択酸化された領域によって囲まれた複数の導電領域を含み、複数の導電領域は２つ以上の異なる径の導電領域を含み、複数の出射開口は、複数の導電領域に対応する位置に２つ以上の異なる径の出射開口を含むものである。これにより、全体として中心部に窪みの少ないビームプロファイルのマルチスポットのレーザ光を得ることができる。

好ましくは、第１、第２の導電領域、および第１、第２の出射開口は、基板上に形成された第１、第２のメサ内に形成されている。メサが円柱状であるとき、メサ側面からの酸化により第１、第２の導電領域は円形状（但し、一定の膜厚を有する）となる。このとき、第１、第２の導電領域の径は、円形状の直径である。メサが矩形状であるときは、第１、第２の導電領域は、その形状に応じた形状となるが、その場合の径は、例えば対角線上の長さとすることができる。第１、第２の出射開口は、第１、第２の導電領域の形状に対応することが望ましい。第１、第２の出射開口の径は、形状が円形であればその直径であり、矩形状であればその対角線上の長さである。また、径がほぼ等しいとは、作成誤差を勘案して±１μｍ程度を含むものである。

好ましくは、電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層を含み、第１および第２の半導体ミラー層は、ＡｌＧａＡｓ層を含む。ＡｌＡｓ層の一部が選択的に酸化されたとき、その酸化領域によって囲まれた領域が導電領域（酸化アパーチャ）となる。また、第１、第２の出射開口は、第２の半導体ミラー層上の電極層に形成することができる。例えば、第１、第２の導電領域の径は、約１２μｍであり、第１の出射開口は約１２μｍ、第２の出射開口は約１０μｍである。

本発明に係る、基板上に複数のメサを備えたマルチスポット型の面発光型半導体レーザの製造方法は、第１導電型の第１の半導体ミラー層、第２導電型の第２の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層と第２の半導体ミラー層に挟まれた電流狭窄層および活性層を含む複数の半導体層を基板上に積層し、複数の半導体層をエッチングし、基板上に複数のメサを形成し、メサ側面から電流狭窄層を選択的に酸化し、第２の半導体ミラー層上のメサ頂部に出射開口の径が異なる電極層を形成するステップを含むものである。

本発明に係るマルチスポット型の面発光型半導体レーザ装置によれば、導電領域の径と出射開口の径を適宜組み合わせることで、中心部の出力低下が抑制されたビームプロファイルを持つマルチスポットのレーザ光を得ることができ、これにより、通信精度の高い並列光源を提供することができる。

以下、本発明のマルチスポット型のＶＣＳＥＬについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、図１(ａ)は模式的な平面図、図１（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面矢視図である。なお本実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬは、基板上に並列光源として複数のメサ（レーザ出射部）を形成することができるが、ここでは、便宜上２つのメサを示している。メサの個数や配列は、光源の用途等に応じて適宜選択される。

本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、例えば図２(ａ)に示すように双峰性のビームプロファイルを持つレーザ光を出射するメサ２０（第１のメサ）と、図２(ｂ)に示すように比較的単峰性に近い、または中心部の出力が低下していないビームプロファイルを持つレーザ光を出射するメサ３０（第２のメサ）とを同一の基板上に形成している。このような２つのビームプロファイルを持つレーザ光を合成することで、図２（ｃ）に示すような中心部の出力低下が軽減された合成ビームプロファイルのレーザ光を得ることができる。

図１に示すように、ＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型のバッファ層１０２、ｎ型の下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector:分布ブラック型反射鏡)層１０３、アンドープの下部スペーサ層１０４とアンドープの量子井戸活性層１０５とアンドープの上部スペーサ層１０６とを含む活性領域１０７、ｐ型の上部ＤＢＲ層１０８、及びｐ型のコンタクト層１０９を順次積層している。基板上に積層された複数の半導体層を所定の深さまで異方性エッチングすることにより、基板上にメサ２０および３０が形成される。第１の実施例では、メサ２０および３０はそれぞれ円筒状を有し、その外形は同一サイズである。

メサ２０および３０のｐ型の上部ＤＢＲ層１０８の最下層には、ｐ型のＡｌＡｓ層１１０が形成されている。ＡｌＡｓ層１１０は、メサ２０および３０の側面から一部が酸化された酸化領域１１１と、酸化領域１１１によって囲まれた円形状の酸化アパーチャ（導電領域）１１２とを有する。ＡｌＡｓ層１１０は、酸化領域１１１によって囲まれた酸化アパーチャ１１２内に光およびキャリアを閉じ込める電流狭窄層として働く。メサ２０およびメサ３０に形成された両酸化アパーチャ１１２の径はほぼ等しく、それぞれ約１２μｍである。ここで、酸化アパーチャの径は、当該酸化アパーチャを基板と水平方向の面で測定したときの直径である。

メサ２０および３０の側壁および上面は、層間絶縁膜１１３によって覆われている。層間絶縁膜１１３には、メサの一部であるコンタクト層１０９を露出するためのコンタクトホール１１４が形成されている。メサ２０において、層間絶縁膜１１３上にｐ側電極層１１５ａが形成され、ｐ側電極層１１５ａはコンタクトホール１１４を介してコンタクト層１０９にオーミック接続される。ｐ側電極層１１５ａの中央には、酸化アパーチャ１１２と整合するように円形状の出射開口１１６ａが形成されている。出射開口１１６ａの径は、約１２μｍである。

一方、メサ３０において、層間絶縁膜１１３上にｐ側電極層１１５ｂが形成され、ｐ側電極層１１５ｂはコンタクトホール１１４を介してコンタクト層１０９にオーミック接続される。ｐ側電極層１１５ｂの中央には、酸化アパーチャ１１２と整合するように円形状の出射開口１１６ｂが形成されている。出射開口１１６ｂの径は、約１０μｍである。

ｐ側電極層１１５ｂは、メサ底部において金属層１１５ｃによってｐ側電極層１１５ａと接続され、金属層１１５ｃは、図示しない電極パッドに接続されている。また、基板１００の裏面には、メサ２０および３０に共通のｎ側電極１１７が形成されている。

ＶＣＳＥＬ１０を駆動するとき、ｐ側電極層１１５ａ、１１５ｂとｎ側電極１１７に順方向電圧が印加され、メサ２０およびメサ３０に電流が注入される。活性領域１０７の厚さに応じた波長のレーザ発振が生じ、メサ２０の出射開口１１６ａからは、図２(ａ)に示すように、中心部に出力低下の見られる双峰性のビームプロファイルのレーザ光が、基板と垂直方向に所定の放射角で出射される。一方、メサ３０の出射開口１１６ｂからは、図２(ｂ)に示すように、マルチモード発振でありながら、比較的単峰性に近い中心部に窪みのないビームプロファイルのレーザ光が、基板と垂直方向に所定の放射角で出射される。図２(ｂ)のようなビームプロファイルの形成は、出射開口１１６ｂの径を、酸化アパーチャ１１２の径よりも幾分小さくすることで、レーザ光の両側の裾部分がｐ側電極層１１５ｂによってカットされたためと考えられる。メサ２０およびメサ３０から出射されたレーザ光が合成されることで、図２（ｃ）に示すように、中心部の出力低下が抑制された比較的単峰性に近いビームプロファイルのレーザ光を得ることができる。

第１の実施例によれば、ＶＣＳＥＬ１０のメサ２０およびメサ３０の酸化アパーチャ１１２の径をそれぞれＤ１、Ｄ２、出射開口１１６ａ、１１６ｂの径をそれぞれＰ１、Ｐ２としたとき、Ｄ１＝Ｄ２、かつ、Ｐ２＜Ｐ１、かつ、Ｐ２＜Ｄ２の条件が満足されれば、中心部に出力低下の小さな合成ビームプロファイルのレーザ光を得ることができる。中心部の出力低下の許容範囲は、設計事項によるものであるが、好ましくは、光出力の最大値の１／２である。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例は、同一の酸化アパーチャ径（Ｄ１＝Ｄ２）に対して出射開口の径（Ｐ１、Ｐ２）を異ならせたものであるが、第２の実施例は、同一の出射開口の径（Ｐ１＝Ｐ２）に対して酸化アパーチャの径（Ｄ１、Ｄ２）を異ならせたものである。

図３は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図と断面図を示している。ＶＣＳＥＬ１２は、基板上に、サイズの異なる円筒状のメサ２２とメサ３２を有している。メサ３２の外径は、メサ２２の外径よりも小さく、メサ３２のＡｌＡｓ層１１０（電流狭窄層）に形成された酸化アパーチャ１１２ｂの径（Ｄ２）が、メサ２２の酸化アパーチャ１１２ａの径（Ｄ１）よりも小さくなっている。これは、メサ２２およびメサ３２のＡｌＡｓ層の酸化工程において、ＡｌＡｓ層１１０がメサ側面からそれぞれ等しい距離だけ内部に向けて酸化されることで酸化領域１１１ａ、１１１ｂが形成されるためである。従って、酸化アパーチャ１１２ａおよび１１２ｂの径の差（Ｄ１−Ｄ２）は、メサ２２および３２の外径の差となって表れる。メサ２２の酸化アパーチャ１１２ａの径（Ｄ１）を１４μｍ、出射開口１１６ａ（Ｐ１）の径を１４μｍとし、メサ３２の酸化アパーチャ１１２ｂの径（Ｄ２）を１０μｍ、出射開口１１６ｂ（Ｐ２）の径を１４μｍとしている。なお、径の値は適宜選択すれば足り、上記値に必ずしも限定されるものではない。

メサ２２およびメサ３２は、駆動時にそれぞれマルチモードでレーザ光を出射する。それらの合成されたビームプロファイルは、図２（ｄ）に示すように、中心部にピークを含む、３つのピークをもつビームプロファイルを得ることができる。これは、メサ３２の酸化アパーチャ１１２ｂの径（Ｄ２）を、メサ２２の酸化アパーチャ１１２ａの径（Ｄ１）より小さく、かつ出射開口１１６ｂの径（Ｐ２）より小さくしたため、メサ３２から出射されるレーザ光が中心部にピークが形成されたビームプロファイルを持つようになったためと考えられる。従って、第２の実施例によれば、Ｐ１＝Ｐ２、かつ、Ｄ２＜Ｄ１、かつ、Ｄ２＜Ｐ２の条件を満足するとき、図２（ｄ）に示すような合成ビームプロファイルを得ることができる。

次に本発明の第３の実施例について説明する。第３の実施例に係るマルチスポット型の面発光型半導体レーザは、複数のメサにおいて、出射開口（Ｐ１、Ｐ２）を異ならせ、さらに酸化アパーチャの径（Ｄ１、Ｄ２）を異ならせるものである。例えば、酸化アパーチャの径Ｄ１を１２μｍ、Ｄ２を１０μｍとし、出射開口の径Ｐ１を１２μｍ、Ｐ２を１４μｍとすることができる。

次に、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。図４(ａ)に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１００に、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚が０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２を積層する。その上に、各層の厚さがλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとを交互に４０．５周期積層した下部ｎ型ＤＢＲ層１０３を形成する。下部ｎ型ＤＢＲ層１０３は、キャリア濃度は、１×１０¹⁸cm^-3であり、総膜厚が約４μｍである。その上に、アンドープ下部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層１０４とアンドープ量子井戸活性層１０５（膜厚９０ｎｍのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層１０６とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層領域１０７が形成される。

活性領域１０７上に、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層された上部ＤＢＲ層１０８が形成される。キャリア濃度は、１×１０¹⁸cm^-3であり、総膜厚は約３μｍである。また上部ｐ型ＤＢＲ層１０８の最下層には、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層１１０が含まれている。さらに、上部ＤＢＲ層１０８上の最上部に、キャリア濃度が１×１０¹⁹cm^-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０９が積層される。なお、上部ＤＢＲ層１０８の電気的抵抗を下げるために、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.1Ａｓの界面にＡｌ組成を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が９ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。

本実施例では、原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用に四臭化炭素、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜を行った。

続いて図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上に、レジストマスクＲを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより下部ｎ型ＤＢＲ層１０３の途中までエッチングし、複数の径の円柱もしくは角柱のメサ２０および３０（またはポスト）を形成する。メサ２０および３０の径は、１０〜３０μｍ程度である。

次に、図４（ｃ）に示すように、基板をアニール炉内に挿入し、水蒸気を導入してメサ側面からＡｌＡｓ層１１０の選択酸化を行う。その時のアニール温度は、３００〜３５０℃程度である。また、水蒸気は、熱水タンク内の７０〜１００℃の熱水を窒素キャリアガスでバブリングして炉内に輸送する。水蒸気酸化を行うと、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓ層がアルミ酸化物(ＡｌｘＯｙ)に変化するが、ＡｌＡｓの方がＡｌＧａＡｓに比べて酸化速度が圧倒的に速いため、ＡｌＡｓのみが選択的にポスト側壁端部からポスト中心部へ向っての酸化が進行し、最終的にメサの外形を反映した酸化領域１１１ａ、１１１ｂが形成される。

酸化領域１１１ａ、１１１ｂによって囲まれた酸化アパーチャ（導電領域）１１２ａ、１１２ｂの径（Ｄ１、Ｄ２）は、それぞれほぼ等しい。酸化領域１１１ａ、１１１ｂは、導電性が低下し電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度（〜１．６）である関係から、光閉じ込め領域としても機能し、光およびキャリアが酸化アパーチャ(導電領域)１１２ａ、１１２ｂ内に閉じ込められる。なお、アニール時間を制御することで、ＡｌＡｓ層１１０の中央部に所望サイズの酸化アパーチャを残すことができる。

次に、レジストマスクＲを除去した後、図４（ｄ）に示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、層間絶縁膜としてＳｉＮを蒸着した後、通常のフォトリソ工程とバッファーフッ酸を用いたＳｉＮのエッチングによりメサ上部にコンタクトホール１１４が形成される。

その後、フォトリソ工程を用いてメサ頂部の中央にレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、ｐ側電極層に形成される出射開口のサイズを規定する。レジストパターンの上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＡｕを１００〜１０００ｎｍ、望ましくは６００ｎｍ蒸着する。次に、レジストパターンが剥離され、レジストパターン上のＡｕが取り除かれる。その後、アニール温度２５０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃で１０分間アニールを行う。これにより、図１に示すようにｐ側電極層１１５ａ、１１５ｂの中央に出射開口１１６ａ、１１６ｂが形成される。ここでは、詳しく述べないが、メサ上部に形成される出射開口を形成する電極のみを始めに形成し、最後にその電極をｐ側電極層で接続することに追ってｐ側電極を形成することも可能である。

尚、アニール時間は１０分に限定されるわけではなく、０〜３０分の間であればよい。また、蒸着方法としてＥＢ蒸着機に限定されるものではなく、抵抗加熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ法を用いてもよい。さらに、アニール方法として通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるものではなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可能である。

最後に、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕ／Ｇｅが蒸着され、ｎ側電極１１７が形成され、図１に示すようなＶＣＳＥＬ１０が完成する。

また、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬを製造する場合には、図４（ｂ）の工程で形成されるレジストマスクＲのサイズを異ならせ、メサ２２よりもメサ３２の外形を小さくする。これにより、図３に示したように、メサ３２の酸化アパーチャ１１２ｂの径（Ｄ２）が、メサ２２の酸化アパーチャ１１２ａの径（Ｄ１）より小さくなる。Ｄ１−Ｄ２の差は、メサの外形の差によって制御することができる。

図５は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬが形成されたｎ型のＧａＡｓウエハを示す図である。ウエハ２００には、複数のチップ２１０が形成され、各チップ２１０には、複数のメサ（またはポスト）２２０を含むマルチスポット型のＶＣＳＥＬが形成されている。図５には、一例として３×３のマトリックス状に配列したメサ２２０を示しているが、このメサの数および配列は、目的に応じて適宜変更される。但し、本発明に係るチップ２１０は、第１の実施例で説明した同一の酸化アパーチャ径に対して出射開口の径が異なるメサ２０および３０、あるいは第２の実施例で説明した同一の出射開口の径に対して酸化アパーチャの径が異なるメサ２２および３２を含んでいる。チップ２１０上のすべてのメサが、第１の実施例のメサ、または第２の実施例のメサであっても良いし、それ以外の構成のメサを併せ持つものであっても良い。

各チップ２１０は、スクライブラインに沿ってダイシングされた後、図６に示すようにパッケージ化（モジュール化）される。図６に示すように、パッケージ３００は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを含むチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の表面に形成されたｐ側電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のマトリックスアレイ状に形成されたメサアレイのほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０の各メサからレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整する。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図７は、図６に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。

ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図８は、他のパッケージの構成を示す図である。好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。図８に示すパッケージ３０２は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを含むチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の表面に形成されたｐ側電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２が固定されている。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のマトリックス状に形成されたメサアレイのほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０の各メサからレーザ光が出射される。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整する。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図９は、マルチスポット型ＶＣＳＥＬを駆動する回路の構成を示す図である。同図に示すように、レーザーダイオード・ドライバ（ＬＤＤ）３７０は、入力された駆動制御信号に応答して基板上に形成された複数のメサ３８０−１〜３８０−ｎに対して同一の駆動信号３７２を供給する。この同一の駆動信号３７２は、例えば図６や図８に示すリード３４０、３４２を介してＶＣＳＥＬのｎ側電極１１７（図１を参照）および各メサ部のｐ側電極１１５（図１を参照）に与えられる。これにより、各メサ頂部の出射開口を介して基板と垂直方向にレーザ光を出射される。ＬＤＤ３７０の駆動信号３７２は、光信号に変換され、全体として１つの光信号として、例えば、光ファイバ等に入射される。

図１０は、図８に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。本発明のマルチスポット型のＶＣＳＥＬを用いることで、高出力でありながら単峰性のレーザ光を光伝送に用いることができる。

図１１は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、マルチスポット型ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。本発明によるマルチスポット側のＶＣＳＥＬは、すべての領域において大きな出力低下のないビームプロファイルを有しているため、受光部６３０は、どの領域においても適切にレーザ光の検出を行うことができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１２は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１３はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１４および図１５に示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１０に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明に係るマルチスポット型面発光レーザは、プリンタや複写装置の光源や光通信、光ネットワーク等の光源として、広く利用することができる。

本発明の第１の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図(ｂ)はＸ−Ｘ線断面図である。 第１および第２の実施例に係るＶＣＳＥＬのビームプロファイルを説明する図である。 本発明の第２の実施例に係るマルチスポット型のＶＣＳＥＬの構成を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図(ｂ)はＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を示す断面図である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬが形成されたウエハを示す図である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。 図６に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装した他のパッケージの構成を示す概略断面図である。 図８に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 マルチスポット型のＶＣＳＥＬを駆動する回路構成例を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 光伝送装置の内部構成を示し、同図(ａ)は上面を切り取ったときの内部構造を示し、同図（ｂ）は側面を切り取ったときの内部構造を示している。 図１２の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 図１２の映像伝送システムを裏側から示した図である。

符号の説明

１０、１２：ＶＣＳＥＬ
２０、２２、３０、３２：メサ
１００：ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２：バッファ層
１０３：下部ＤＢＲミラー層
１０７：活性領域
１０８：上部ＤＢＲミラー層
１０９：コンタクト層
１１０：ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）
１１１、１１１ａ、１１１ｂ：酸化領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ：酸化アパーチャ
１１３：層間絶縁膜
１１４：コンタクトホール
１１５ａ、１１５ｂ：ｐ側電極層
１１６ａ、１１６ｂ：出射開口
１１７：ｎ側電極

Claims (17)

1. 駆動回路と、基板上に、第１導電型の第１の半導体ミラー層、電流狭窄層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、第２の半導体ミラー層の上方の複数の出射開口を含み、各出射開口から前記駆動回路により同一信号で駆動されたレーザ光を出射可能な面発光型半導体レーザとを備えた面発光型半導体レーザ装置であって、
   電流狭窄層は、選択酸化された領域によって囲まれた少なくとも第１、第２の導電領域を含み、
   複数の出射開口は、第１、第２の導電領域に対応する位置に少なくとも第１、第２の出射開口を含み、
   第１、第２の導電領域の径はほぼ等しく、第２の出射開口の径は、第１の出射開口の径より小さく、かつ、第２の導電領域の径より小さい、面発光型半導体レーザ装置。
2. 駆動回路と、基板上に、第１導電型の第１の半導体ミラー層、電流狭窄層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、第２の半導体ミラー層の上方の複数の出射開口を含み、各出射開口から前記駆動回路により同一信号で駆動されたレーザ光を出射可能な面発光型半導体レーザとを備えた面発光型半導体レーザ装置であって、
   電流狭窄層は、選択酸化された領域によって囲まれた少なくとも第１、第２の導電領域を含み、
   複数の出射開口は、第１、第２の導電領域に対応する位置に少なくとも第１、第２の出射開口を含み、
   第１、第２の出射開口の径はほぼ等しく、第２の導電領域の径は、第１の導電領域の径より小さく、かつ、第２の出射開口より小さい、面発光型半導体レーザ装置。
3. 前記第１の出射口から出射されるレーザ光の遠視野におけるビームプロファイルが前記第２の出射口から出射されるレーザ光の遠視野におけるビームプロファイルと異なる、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
4. 前記第１の出射口から出射されるレーザ光は、双峰性のマルチモードであり、前記第２の出射口から出射されるレーザ光は、単峰性のマルチモードである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
5. 前記第１の出射口から出射されるレーザ光は、双峰性のマルチモードであり、前記第２の出射口から出射されるレーザ光は、中心部にピークが形成されたマルチモードである、請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
6. 第１、第２の導電領域、および第１、第２の出射開口は、基板上に形成された第１、第２のメサ内にそれぞれ形成されている、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
7. 第１、第２の出射開口は、第２の半導体ミラー層上の電極層に形成される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
8. 第１、第２の導電領域の径は、約１２μｍであり、第１の出射開口は約１２μｍ、第２の出射開口は約１０μｍである、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
9. 電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層を含み、第１および第２の半導体ミラー層は、ＡｌＧａＡｓ層を含み、ＡｌＡｓ層の一部が選択的に酸化される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
10. 第１、第２の出射開口から、基板と垂直方向に一定の放射角でレーザ光が同時に出射される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
11. 請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置が形成された半導体チップが実装されたモジュール。
12. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
13. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
14. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
15. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
16. 基板上に複数のメサを備えたマルチスポット型の面発光型半導体レーザの製造方法であって、
    第１導電型の第１の半導体ミラー層、第２導電型の第２の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層と第２の半導体ミラー層に挟まれた電流狭窄層および活性層を含む複数の半導体層を基板上に積層し、
    複数の半導体層をエッチングし、基板上に少なくとも第１および第２のメサを形成し、
    第１および第２のメサ側面から電流狭窄層を選択的に酸化し、
    第２の半導体ミラー層上のメサ頂部に出射開口が形成された電極層を形成するステップを含み、
    第１のメサの電流狭窄層は、酸化領域によって囲まれた第１の導電領域を含み、第２のメサの電流狭窄層は、酸化領域によって囲まれかつ第１の導電領域とほぼ等しい径の第２の導電領域を含み、第２のメサの頂部に形成された第２の出射開口の径は、第１のメサの頂部に形成された第１の出射開口の径より小さくかつ第２の導電領域の径より小さい、
    マルチスポット型の面発光型半導体レーザの製造方法。
17. 基板上に複数のメサを備えたマルチスポット型の面発光型半導体レーザの製造方法であって、
    第１導電型の第１の半導体ミラー層、第２導電型の第２の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層と第２の半導体ミラー層に挟まれた電流狭窄層および活性層を含む複数の半導体層を基板上に積層し、
    複数の半導体層をエッチングし、基板上に少なくとも第１および第２のメサを形成し、
    第１および第２のメサ側面から電流狭窄層を選択的に酸化し、
    第２の半導体ミラー層上のメサ頂部に出射開口が形成された電極層を形成するステップを含み、
    第１のメサの頂部に形成された第１の出射開口の径は、第２のメサの頂部に形成された第２の出射開口の径とほぼ等しく、第２のメサの電流狭窄層の酸化領域によって囲まれた第２の導電領域の径は、第１のメサの電流狭窄層の酸化領域によって囲まれた第１の導電領域の径より小さくかつ第２の出射開口の径より小さい、
    マルチスポット型の面発光型半導体レーザの製造方法。

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