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JP2692913B2 - グレーティング結合型表面発光レーザ素子およびその変調方法 - Google Patents

グレーティング結合型表面発光レーザ素子およびその変調方法

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JP2692913B2
JP2692913B2 JP63317818A JP31781888A JP2692913B2 JP 2692913 B2 JP2692913 B2 JP 2692913B2 JP 63317818 A JP63317818 A JP 63317818A JP 31781888 A JP31781888 A JP 31781888A JP 2692913 B2 JP2692913 B2 JP 2692913B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は光導波路に沿って形成された２次以上の回折
格子によって光帰還を行う分布帰還型レーザ素子に係
り、その光出力を放射モードの形で取り出すグレーティ
ング結合型表面発光レーザ素子とその変調方法に関す
る。
（従来の技術） 近年、光通信や光学ディスク用の光源として、各種の
半導体発光素子が盛んに使用されている。この中でも光
導波路に沿って周期的摂動（回折格子）を設けた分布帰
還型（DFB）半導体レーザ素子は、この回折格子の波長
選択性により、単一波長（単一縦モード）で発振でき
る。
現在、この素子は長距離高速光通信用の光源としてGa
InAsP/InP系材料を用いて実用化されている。
分布帰還型半導体レーザ素子の構造の中でも次の構造
が良く知られている。すなわち、両劈開端面にAR（無反
射）コート等によってその反射率を低下させ、かつその
共振器の中央に回折格子の周期の不連続部（位相シフ
タ）を有する構造である。この不連続量が管内波長の1/
4に相当する場合は、ブラッグ波長での発振が可能であ
る。かつ、この構造では他の縦モードとのゲイン差が大
きいため、単一縦モード動作に極めて有利である。
このような分布帰還型の発光素子に限らず、劈開端面
から光を取り出すタイプの半導体発光素子では、出射さ
れるビームの垂直方向の拡がりは非常に広い。この広が
りは、薄い導波層（含活性層）を導波した光の端面での
スポット・サイズの回折限界で決まるため、ビーム指向
性は、たとえば半値全角で30〜50゜以下にすることは難
しい。したがって、光ファイバ等の各種光学系への結合
効率も大きくすることができない。
また、端面を半ば手作業である劈開で形成したり、ま
たその劈開面に誘電体薄膜や金属膜をコートして反射率
を調整する等の手間がかかる。したがって、その製作工
程は著しく量産性が低い。
ところで、このような通常の端面出射型の素子に対
し、光出力を回折格子によって取り出す試みがなされて
いる。これは次の原理を利用している。つまり、２次以
上のブラッグ回折を生じる回折格子を用いた場合には、
その次数未満の回折光は放射モードとして狭いビームで
外部に取り出すことができることである。特に、次数が
２次の場合にはその出力は導波路方向（共振器方向）に
対し、ほぼ垂直に上下に取り出せる。しかも、放射モー
ド光は共振器方向のビームの拡がりが１゜程度と狭いた
め、各種光学系との高効率結合が期待される。最近で
は、GaAlAs/GaAs系材料のTJS型レーザ素子で試作した例
が知られている（光永他電子情報通信学会OQE−86−15
2）。
ところが、この半導体発光素子では、２次の回折格子
を利用した場合、鋭いビームを基板にほぼ垂直に取り出
せる利点があるものの、その放射モード出力は共振器の
全長にわたって分布を示す。故に、出力光を微小な一点
に結像するのは困難である。
たとえば、これを第９図（ａ）に示す構造で説明す
る。つまり、ｎ型InP基板１上に２次の回折格子２を形
成し、その上にｎ型GaInAsP光導波路層３（λ＝1.15μ
ｍ帯組成）、アンドープGaInAsP活性層４（λ＝1.3μｍ
帯組成）、ｐ型InPクラッド層５、p+型GaInAsPオーミッ
クコンタクト層６（λ＝1.15μｍ帯組成）を順次積層し
てなるGaInAsP/InP系分布帰還型半導体レーザ素子構造
である。さらに、回折格子２が均一で、かつ両端面の反
射率が０である構造と比較すると、導波モードの軸方向
の光強度分布は第９図（ｂ）の曲線ｂのようになる。こ
こで、Ｚ方向の前進波の複素振幅をＲ（Ｚ）（以下Ｒと
略）、後退波の複素振幅をＳ（Ｚ）（以下Ｒと略）とす
ると、光強度分布は|R|2＋|S|2で示される。
このとき、Henryらが指摘しているように、ストップ
バンドを挟んだ２本の縦モードのうち長波長側のモード
（−１次モード；モードは位相定数差で定義するため、
波長と符号が逆になる。）は、導波モードの前進波Ｒと
後退波Ｓによって発生する２つの放射モード光が、強め
合う干渉を起こす。したがって、大きな表面発光出力が
得られる（IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.
QE−21,p.151,1985）。つまり、放射モード光の軸方向
の近視野像のプロファイルは|R＋S|2で表され、この場
合は第９図（ｂ）の曲線ａとなる。
これに対し、短波長側のモード（＋１次モード）は、
互いに反射方向に伝搬する２つの光波ＲとＳによって発
生する２つの放射モード光が、弱め合う干渉を起こす。
つまり、第９図（ｂ）の曲線ｃに示すように共振器中央
が凹むため、表面発光出力は小さくなる。
ところで、両縦モードとも放射モード損がなければそ
の発振閾値ゲインは同じであるが、−１次モードは放射
モード損の大きい分だけ閾値が高いので発振しない。つ
まり、強め合う干渉により放射モード損の大きい−１次
モードは発振に不利である。したがって、実際には放射
モード損の小さい＋１次モードで発振する。従って、放
射モード出力は第９図（ｂ）の曲線ｃのように共振器中
央で殆ど０となる。つまり、端部にのみ僅かな出力が分
離するような好ましくない発光パターンを示す。このよ
うに、このままでは効率が非常に悪く、鋭い面発光ビー
ムを出射できるというグレーティング結合レーザ素子の
長所を活かせないでいた。
また、従来の変調方法は、半導体レーザ素子全体に注
入される電流でオン、オフしていた。しかしながら、半
導体レーザ素子全体に電流を注入して変調すると、比較
的大きな振幅で変調する必要があった。
（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来のグレーティング結合型表面
発光レーザ素子は、共振器方向の狭い領域に効率良く出
力光を集中できないという問題があった。また、従来の
変調方法は、半導体レーザ素子全体に電流を注入するの
で比較的大きな振幅で変調しなければならないという問
題があった。
本発明は上述する問題を解決するもので、その目的と
するところは、共振器方向の狭い領域に効率良く出力光
を集中できるグレーティング結合型表面発光レーザ素子
を提供することである。
また、小さな電流で、効率良く、かつ高速で変調がで
きるグレーティング結合型表面発光レーザ素子およびそ
の変調方法を提供することである。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のグレーティング結合型表面発光レーザ素子
は、導波層と結晶活性構造のレーザ共振器に沿って備え
られた２次以上の次数をもつ回折格子とを含み、前記レ
ーザ共振器が光の伝搬方向で定められる長さにより規定
されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を
励起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する
２つの導波路光によって発生する放射モードとして、前
記結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための
少なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前
記結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め
合う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載のグレーティング結
合型表面発光レーザ素子において、前記２電極のうち１
つの電極が、複数の電極領域に分割され、電流が選択的
かつ独立に複数の電極領域に注入され、前記結晶活性層
構造の対応する活性領域を励起することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１記載のグレーティング結
合型表面発光レーザ素子において、前記位相シフト手段
が、複数の電極領域に分割された前記２電極のうち１つ
の電極を具備し、電流が前記結晶活性層構造の対応する
活性領域に選択的かつ独立に注入されることを特徴とす
る。
請求項４の発明は、導波層と結晶活性構造のレーザ共
振器に沿って備えられた２次以上の次数をもつ回折格子
とを含み、前記レーザ共振器が光の伝搬方向で定められ
る長さに規定されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を
励起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する
２つの導波路光によって発生する放射モードとして、前
記結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための
少なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前
記結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め
合う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備するグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の変調方法において、 前記２電極のうち１つの電極が、複数の電流領域に分
割され、電流が複数の電流領域に選択的かつ独立に注入
され、前記結晶活性層構造の対応する活性領域を励起す
る電極配置を有し、 電流注入により、独立に前記活性領域のいくつかを励
起し、前記共振器長に変化を生じさせて、共振器に沿う
前記放射モードの出力フィールドパターンを制御する工
程を具備することを特徴とする。
請求項５の発明は、導波層と結晶活性構造のレーザ共
振器に沿って備えられた２次以上の次数をもつ回折格子
とを含み、前記レーザ共振器が光の伝搬方向で定められ
る長さにより規定されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を
励起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する
２つの導波路光によって発生する放射モードとして、前
記結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための
少なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前
記結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め
合う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備するグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の変調方法において、 前記位相シフト手段が、複数の電極領域に分割された
前記電極を具備し、電流が複数の電極領域に選択的かつ
独立に注入され、前記結晶活性層構造の対応する活性領
域を励起する手段を有し、 選択的かつ独立に前記複数の電極領域のいくつかに電
流を注入する方法を用いて、前記放射モードの位相シフ
ト量を変化させることによって、前記共振器に沿う前記
放射モードの出力フィールドパターンを制御する工程を
具備することを特徴とする。
複数の領域は電流注入により励起してもよいし、光に
より励起してもよいし、一部は電流注入により一部は光
により励起してもよい。
（作用） 本発明は、導波方向に沿う放射モードの発光パターン
の分布において、所定の光強度より大きい光強度をもつ
限定領域からのみ、表面発光出力を取り出すので、微小
スポットから指向性の良いビームを得ることができる。
たとえば、λ/4位相シフタを有するグレーティング結
合型表面発光半導体レーザ素子は、ブラッグ波長での発
振が可能である。しかも０次モードの軸方向の放射モー
ド界（|R＋S|2）と導波路モード界（|R|2＋|S|2）と
は、、第１図にプロファイルを曲線ａで示すように相似
の分布を示す。したがって、共振器長全体にわたって放
射モード出力が得られる可能性がある。さらに、この０
次モードは他の縦モード（たとえば＋１次、−１次モー
ド）との閾値ゲイン差（△αＬ＝αthL0−αthL±１、
但し、共振器長Ｌを乗じて規格化してある。）が大き
い。したがって、第１図にプロファイルを曲線ｂで示す
＋１次モードの方が放射モード損が少ないにもかかわら
ず、０次モードでの発振が実現できる。なぜなら、０次
モードの放射損にゲイン差が打ち勝つためである。
また、規格化結合係数κＬが1.25より大きい場合に
は、λ/4位相シフタ位置に放射モード光が集中してく
る。ここで、結合係数κはＲ波とＳ波の結合の程度を示
す。Ｌは共振器長である。したがって、共振器中央が凸
となる分布が実現され、効率良く放射モード出力が取り
出される（第１図はκＬ＝2.0で、この場合に該当す
る）。
しかし、導波モードの光強度分布|R|2＋|S|2に大きな
偏りがある場合には、軸方向の空間的ホールバーニング
（雙田他、電子情報通信学会、光量子エレクトロニクス
研究会OQE87−7pp.49−56、1986年）の作用により、注
入キャリア密度の空間的な変化が縦モードの変化を誘引
する。したがって、λ/4位相シフタ位置に導波モード光
が集中した場合には、この軸方向ホールバーニングのた
め、せっかく大きい値であった△αＬが小さくなる。つ
まり、発振直後に、しばしば＋１次モードへモードジャ
ンプしてしまう。
この軸方向ホールバーニングを防ぐには、規格化結合
係数κＬを1.25付近として共振器長の全体にわたって一
様に発光するようにすれば良い。しかし、その場合は、
効率良く出力光を一点に集光しにくくなる。
このグレーティング結合型表面発光レーザ素子は、光
出力側の電極層を、独立に励起される複数の領域に分割
して構成することもできる。それぞれ独立に複数の領域
の励起レベルを調整することにより、放射モード光強度
分布（|R＋S|2の形状）を制御できる。これにより、微
小な光取り出し窓直下の強度を変化させ、面発光出力の
変調を可能としている。
この変調方法について説明する。
まず、励起長Ｌを変えてκＬの値を変えて変調する。
一般に、中央部にλ/4位相シフトがあっても、κＬ値が
1.25よりはるかに小さければ、共振中央部での放射モー
ド分布は小さくなる。そのとき、この中央部上側に光取
り出し窓を設けても、光出力は殆ど得られない。しか
し、この素子のさらに外側を励起すれば、全共振器長が
長くなったことに対応し、κＬ値は大きくなる。
これによって、κＬ値が1.25を超えると、中央部の放
射モード強度が増加して、光取り出し窓から出力を取り
出すことができる。
また、別の変調方法は等価的な位相シフト量を制御す
ることにより、その窓からの出力をコントロールするも
のである。つまり、κＬが1.25よりも大きい時、等価的
な位相シフト量を制御してλ/4相当の光路の位相差（伝
搬定数差）を発生させると、そのブラッグ波長で発振
し、中央部で強い放射モード光が得られる。
すなわち、中央付近の導波路部の等価屈折率が周囲と
同じであれば、共振器に沿っての放射モード光分布は、
必ず中央付近が０となる。これは、この凹型分布をもつ
縦モードのしきい値が最も低いからである。一方、中央
部の等価屈折率を制御して、λ/4相当の光路の位相差
（伝搬定数差）を発生させると、そのブラッグ波長で発
振し、中央部で強い放射モード光が得られる。したがっ
て、中央部に窓を設ければ、表面発光出力の変調が可能
となる。
また、本発明の別のグレーティング結合型表面発光レ
ーザ素子は、導波方向に沿う放射モードの発光パターン
の分布において、所定の光強度より大きい光強度をもつ
限定領域からのみ、表面発光出力を取り出すグレーティ
ング結合型表面発光レーザ素子において、回折格子の位
相をシフトさせる位相シフト手段を複数有することによ
り、軸方向ホールバーニングを防ぎながら、安定した放
射モード光の集中が得られる。
また、このグレーティング結合型表面発光レーザ素子
は、１つ以上の複数の位相手段が、独立に励起される複
数の電極領域に分割して構成し、複数の領域を独立に励
起することにより、位相シフト量を制御して放射モード
の導波方向の発光出力パターンを制御することができ
る。
すなわち、１つ以上の位相シフト手段の位相シフト量
を電流注入または光によって同時もしくは独立に調整す
ることにより、位相シフト部の間の放射モード光の発光
パターンを制御することができる。そして、これら位相
シフト間に光取り出し用の出力窓を設けておけば、微小
領域での出力変調が可能である。
但し、下方に向って放射された光は裏面から反射し
て、出力と望ましくない干渉を起こさないように、この
反射を防ぐ必要がある。もしくは裏面からの反射光は出
力光と強め合う干渉を超して強度を増強するようにする
べきである。
（実施例） 以下、本発明のグレーティング結合型表面発光半導体
レーザ素子およびその変調方法について図を参照して説
明する。
実施例１ 第２図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導
体レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。
ｎ型InP基板１上には、λ/4位相シフタ10を形成した
２次の回折格子２が刻設されており、その上にｎ型Galn
AsP光導波路層３、アンドープGaInAsP活性層４、ｐ型In
Pクラッド層５、ｐ＋型GaInAsPオーミックコンタクト層
６を液相エピキシャル成長法によって順次積層した。こ
の後エッチングによりメサ・ストライプ部を形成し、そ
の周囲をｐ−ｎ逆接合を有するｐ型InP層７、ｎ型InP層
８とｐ型キャップ層９を順次結晶成長させて埋め込んだ
BH構造を構成した。この後、ｐ側電極11およびｎ側電極
12を形成した。
導波路層３、活性層４により成る導波ストライプを、
第２図の平面図に点線で示す。
InP層７、８の境界ではダイオードの逆接合13により
電流がブロックされている。このため電流は活性層スト
ライプ層４のみに効率良く注入される。共振器の端面近
傍ではｐ側電極11を形成せず、非励起領域として事実上
の両端面無反射（たとえば、反射率５％以下）とし、劈
開面を不要とした。
また、ｐ側電極11は、λ/4位相シフタ10のある中央部
付近に光取り出し用窓14を有している。ｐ側電極11の長
さをＬで示す。
第３図では共振器長Ｌを1.0mm以上と十分大きくする
ことにより、κＬ＞２という大きな値を得ることがで
き、面発光パワーを中央部に集中させることが可能であ
った。この光パワーの一部は２次の回折格子によって生
じる放射モードとして光取り出し用窓14から放射され
る。
実施例２ 第３図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導
体レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。
このグレーティング結合型表面発光半導体レーザ素子
は、実施例１と同様にGaInAsP/InP系材料を用いてお
り、実施例１とはｐ側電極11の構造のみが違う。
つまり、ｐ側電極11は、中央部付近の中央電極11a
と、それ以外の周辺電極11bとに分離形成され、それぞ
れに独立に電流注入できるようになっている。
中央電極11aは、光取り出し用窓14を有する。
２次の回折格子２による結合係数κは約20cm-1であっ
た。中央電極11aによる励起領域長Lcは約200μｍとし、
κLc＝0.4と設計した。周辺電極領域長Ll、Lrはそれぞ
れ400μｍとし、κ・（Ll＋Lr）＝1.6とした。
中央電極11aおよび周辺電極11bに電流が注入された場
合のκＬ値は2.0である。これは中央部に光パワーを集
中させるには十分な大きさである。
但し、あまりκＬが大きくてパワーが集中しすぎる
と、軸方向ホールバーニングによる他モードへのジャン
プが起る。
周辺電極11bのみにバイアス電極を約80mA通電してい
る場合は、周辺電極領域Ll、Lrの強度分布は、第３図
（ｂ）に示すように、内部でエネルギーがロスしている
だけである（端面付近および中央部での非励起領域で減
衰する。また、光取り出し用窓14以外を吸収性の電極材
料で、もしくはバンドキャップの小さい四元キャップ層
で覆っておけば、放射モード光としても外部に取り出さ
れない）。また、それぞれの分布は前進波Ｒと後退波Ｓ
の干渉がキャンセルするように働き、中央部が落ち窪
む。
さらに、中央電極11aに約20mAのスイッチング電流を
加えたときは、これは周辺電極11bと同じ注入電流密度
である。第３図（ｄ）に示すように、光パワーは中央部
に集中した。故に、放射モードによる鋭い、高輝度、高
出力ビームを取り出すことができた。このとき、κＬの
値は約2.0であった。
このように小さなスイッチングパルスにより、大きな
光出力を取り出すことができる。
また、中央電極11aに対する電流励起に依らなくと
も、光ビームの入射による光励起によってもスイッチン
グ動作が可能である。このときバイアス電流が大きいと
きには光信号の増幅も可能であり、光増幅器を構成する
こともできる。
さらに、周辺電極11bをオフ状態にしておき、中央電
極11aのみをオン状態にしておいた場合は、第３図
（ｃ）に示すような中央部が凹んだ光分布となり、低出
力レベルとなる。このとき周辺電極11bに徐々に電流を
流していくか、あるいは周辺電極11bを複数個に分割し
て多レベルで動作させることにより、中央部からの光出
力レベルの調整（変調）を行うことも可能である。
実施例３ 第４図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導
体レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。
この、グレーティング結合型表面発光半導体レーザ素
子は、実施例２と同様にGaInAsP/InP系材料を用いたグ
レーティング結合型表面発光型半導体レーザ素子であ
り、実施例２との違いは、回折格子の中央部には位相シ
フタ（第３図の10）を設けてないことである。また、中
央電極11aの長さLcは30μｍ程度と短くなっている。
周辺電極11bの長さLl、Lrは各約150μｍであり、中央
電極11aの長さLcは30umである。したがって、周辺電極1
1bに30mA、中央電極11aに3mAの電流を流すと一様なキャ
リアの注入が実現され、第４図（ｂ）に示すように、−
１次モードでの発振が開始された。つまり、中央部で放
射モードが極めて少なく周辺部に放射モードが現れる。
このとき、光取り出し用窓14からは光出力は当然得られ
なかった。
次に周辺電極11bへの電流値をバイアス条件として、
中央電極11aに10mAの電流を流したところ、注入キャリ
ア密度の増加により、等価屈折率が変動し、等価的なλ
/4シフトの条件が満たされる。このとき、ブラッグ条件
で発振する０次モードが発振し、第４図（ｃ）に示すよ
うに。中央部に放射モードが集中し、光取り出し用窓14
から基板に対してほぼ垂直方向に放射角の狭い（θ11×
θＬ 30゜×１゜）ビームが得られた。
ただし、本実施例でも、数mW以上の光を小さな光取り
出し用窓14から得ようとすると、軸方向ホールバーニン
グにより再び中央部が凹むモードにジャンプしてしまっ
た。
本実施例の方法は、実施例２のようにκＬを制御した
のではなく、等価的に位相シフトの量を制御したもので
ある。
但し、実施例１ないし実施例３では、放射モード光の
みを窓部に集中したのではなく、導波モードそのものを
も窓部直下に集中させている。したがって、軸方向ホー
ルバーニングの影響により、発光の安定性が悪くなる。
つまり、これらの構造では、大きく放射モード光を集中
するには限界があった。
従って、導波モードの軸方向光強度分布は一様で、放
射モード光のみ所望の窓の下で強くなる構造が望まし
い。
このようなグレーティング結合型表面発光半導体レー
ザ素子を、実施例４に述べる。
実施例４ 第５図は本発明のグレーティング結合型表面発光半導
体レーザ素子を示す縦横断面図および平面図である。
この、グレーティング結合型表面発光半導体レーザ素
子は、実施例３と同様にGaInAsP/InP系材料を用いたグ
レーティング結合型表面発光型半導体レーザ素子であ
り、実施例３とは、ｐ側電極11の構造および両端面が違
う。
両端面は、事実上の無反射端面とする。非励起吸収領
域としてもARコートとしても良いが、ここでは簡単のた
めARコート15とした。
ｐ側電極11は、中央部付近の中央電極11aと、それ以
外の周辺電極11bとに分離形成され、それぞれに独立に
電流注入できるようになっている。
中央電極11aは30μｍだけ離れた２μｍ指幅の２本の
電極指で構成してある。また、中央電極11aの電極指に
挟まれた周辺電極11bには、幅が５μｍの光取り出し用
窓14が開孔している。ｐ型InPクラッド層５を比較的厚
く成長することにより、周辺電極11bから注入された電
流は光取り出し用窓14直下の活性層４にも拡がって流れ
込み、一様な励起が実現できる。
このようなグレーティング結合型表面発光型半導体レ
ーザを用いると、電流を制御することにより、中央電極
11aの下の注入キャリア密度を、周辺電極11bに対して相
対的に変化させることができる。このキャリア密度の変
化が、活性層４の屈折率を相対的に変化させる。導波路
３の実効屈折率が変化するため、導波光が等価的に回折
格子２の位相に対してこの領域の通過前後で相対変化を
経験する。したがって、このような構成のｐ側電極11
は、30μｍだけ離れた位置に調整可能な２つの位相シフ
タを設けたことと等価となる。このとき、励起されてい
る共振器長Ｌは、300μｍとした。
なお、位相シフタの位相を調整可能にする必要のない
ときは、実際の回折格子に位相不連続部を固定して設け
ることもできる。このとき、ｐ側電極11は中央電極11a
と周辺電極11bとに分離する必要はない。
なお、κＬの値は導波路モードが比較的一様であるよ
うに1.25付近とし、軸方向ホールバーニングの影響を少
なくしている。
次に、このグレーティング結合型表面発光半導体レー
ザ素子の動作を説明する。第６図は二つの位相シフタの
シフト量△φ１、△φ２を変化させた場合の軸方向の放
射モード強度分布（|R＋S|2）と、一部導波路モード強
度分布（|R|2＋|S|2）を示す。
二つの等価位相シフタのシフト量を△φ１、△φ２と
すると、△φ１＝△φ２＝λ/8,3λ/8（λ；管内波長）
のときは、導波路モードの軸方向の分布（|R|2＋|S|2）
は、第６図において曲線ａで示され、比較的一様であ
る。また、△φ１＝△φ２＝３λ/8としたときは、放射
モード（|R＋S|2）の分布は曲線ｂで示されるプロファ
イルである。つまり、中央部の光取り出し用窓14付近に
のみ、強め合う干渉を起こすことができる。したがっ
て、効率良く光取り出し用窓14から放射モード出力を取
り出すことができる。
本発明のグレーティング結合型表面発光半導体レーザ
素子は、共振器長全体を流れる電流をオン、オフしても
出力を変調できる。しかも、もっと効果的な変調方法
は、ｐ側電極11の周辺電極11bにバイアスを加えて発振
状態にしておき、小さな電極指である中央電極11aに変
調信号を印加することである。
つまり、△φ１＝△φ２＝０となるように中央電極11
aに流す電流を調整した段階では、放射モード（|R＋S
|2）の分布は曲線ｄで示される。したがって、光取り出
し用窓14から放射モード出力は殆ど取り出すことができ
ない（オフ状態）。これに対し、△φ１＝△φ２＝３λ
/8となるように中央電極11aを変調すれば、放射モード
の分布は曲線ｂとなる。つまり、光取り出し用窓14から
放射モード出力を取り出すことができる（オン状態）。
ここで、素子がバイアスされていることと、中央電極11
aの電極面積が小さいため変調パルスの振幅が小さくて
済むことから、高速で、高効率な変調が可能となる。
なお、これ以外の位相シフト量の条件でも変調するこ
とができる。すなわち、△φ１＝△φ２＝λ/8のとき
は、曲線ｃのように、中央部の光取り出し用窓14にの
み、弱め合う干渉を起こすことができる。このことを利
用して、△φ１＝△φ２λ/8（オフ状態）から△φ１＝
△φ２＝３λ/8（オン状態）へ変化させるような変調を
行っても光パルスの発生が可能である。
第７図に、本発明のグレーティング結合型表面発光レ
ーザ素子の放射モード出力の遠視野像の模式図を示す。
ビームの拡がりは共振器方向では、約１゜と非常に狭
い。導波路の幅方向では、通常の端面発光レーザと同様
に、拡がり角（半値全角）は約30゜であった。なお、発
光部の面積は５×２μm2である。このままでも、従来の
半導体レーザや発光ダイオードと比べて、十分に狭いビ
ームが得られている。したがって、直接光ファイバ等に
結合しても実用的な結合効率が得られる。さらに、この
光取り出し用窓14にシリンドリカル・レンズやグレーテ
ィング・レンズ等の加工を起えば、さらにビームを狭く
することができる。これらは、結晶ウェファの表面の加
工で形成できるため困難な少なく、量産に適している。
実施例５ 第８図を用いて本発明のグレーティング結合型表面発
光半導体レーザ素子を説明する。
本実施例では、300μｍの共振器長の中央部から互い
に30μｍ離して回折格子に２つのλ/4位相シフタを設け
た。このとき、２つの位相シフタのシフト量の合計はλ
/2となり、放射モード損がなければ発振すべき導波路モ
ードは、±１次モードである。しかし、放射モードのあ
る場合は、第８図（ａ）の放射モード・プロファイルを
持つ＋１次モードと、第８図（ｂ）の放射モード・プロ
ファイルを持つ−１次モードとなる。したがって、放射
モード損が少ない＋１次モードで発振する。しかも、こ
の場合は２つのλ/4位相シフタに囲まれた狭い中央部の
放射モードを強めることができる。このため、この中央
部から効率良く、放射モード出力を取り出すことができ
る。
また、２つの位相シフタのうち、一方を回折格子に設
け、他方を位相シフト量を電気的に調整するようにして
も良い。すなわち、第８図（ｃ）に示すように、１つの
位相シフタの位相シフト量を△φ２＝３λ/8に固定し
て、他の位相シフタの位相シフト量を△φ１＝λ/8とす
ると、−１次モード発振するとともに、中央部で若干突
出し、光の取り出しが可能である。なお、この場合は、
出力パターンに非対称性が現れる。
さらに、２つの位相シフタをその位相シフト量を電気
的に調整可能に構成するとともに、１つの位相シフタの
位相シフト量を固定し、他の位相シフタの位相シフト量
を制御して変調しても良い。
さらにまた、本発明のグレーティング結合型表面発光
レーザ素子では、２つの位相シフタを有する場合に限る
ことなく、３つ以上の位相シフタを組合わせ、共振器方
向の任意の場所の放射モード光を選択的に強めるように
しても良い。
尚、光を取り出し用窓も、結晶成長側にある場合に限
らない。つまり、成長層側を下にしてマウントする場合
には、ｎ側電極側に光取り出し用窓を設けても良い。こ
の際、放射光に対し基板が不透明な場合（GaAs系の場
合）は、基板の一部を除去することも本発明の趣旨に含
まれる。
［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、放射モードの強
め合う干渉を狭い面積に集中させることができるため、
効率良く外部に放射モード出力を取り出すことができ
る。さらに、電流または光による高速、高効率の変調が
可能である。加えて、小さな発光領域から、鋭い放射ビ
ームを取り出すことができる。この放射角は、光取り出
し用窓の加工により、さらに挟めることができる。
したがって、光学結合および駆動回路の簡単化によ
り、この素子を用いた光学情報機器および光通信装置の
大幅な簡素化が可能となる。
また、この素子は面発光動作が本質であり、劈開およ
び劈開端面の加工等が不要である。さらに、ウェファ状
態のままでの評価も可能である。故に、素子の量産性の
大幅な向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のグレーティング結合型表面発光レーザ
素子の光強度分布を示す図、第２図（ａ）は本発明の第
１の実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ
素子の縦横断面図および平面図、第２図（ｂ）はその光
強度分布を示す図、第３図（ａ）は本発明の第２の実施
例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子の縦
横断面図および平面図、第３図（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそ
の光強度分布を示す図、第４図（ａ）は本発明の第３の
実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の縦横断面図および平面図、第４図（ｂ）（ｃ）はその
光強度分布を示す図、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発
明の第４の実施例であるグレーティング結合型表面発光
レーザ素子の縦横断面図および平面図、第６図は本発明
の第４の実施例における光強度分布を示す図、第７図は
本発明の第４の実施例における表面発光出力の遠視野像
の模式図、第８図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第５の
実施例であるグレーティング結合型表面発光レーザ素子
の光強度分布を示す図、第９図（ａ）は従来の半導体発
光レーザ素子を示す図、第９図（ｂ）はその光強度分布
を示す図である。 １……ｎ型InP基板、 ２……２次の回折格子 ３……ｎ型GaInAsP光導波路層 ４……アンドープGaInAsP活性層 ５……ｐ型InPクラッド層 ６……p+型GaInAsPオーミックコンタクト層 ７……ｐ型InP層 ８……ｎ型InP層 ９……ｐ型キャップ層 10……λ/4位相シフタ 11……ｐ側電極 11a……中央電極 11b……周辺電極 12……ｎ側電極 13……ｐ−ｎ逆接合 14……光取り出し用窓 15……ARコート

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】導波層と結晶活性構造のレーザ共振器に沿
    って備えられた２次以上の次数をもつ回折格子とを含
    み、前記レーザ共振器が光の伝搬方向で定められる長さ
    により規定されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を励
    起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する２
    つの導波路光によって発生する放射モードとして、前記
    結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための少
    なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前記
    結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め合
    う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備することを特徴とするグレーティング結合型表面
    発光レーザ素子。
  2. 【請求項２】前記２電極のうち１つの電極が、複数の電
    極領域に分割され、電流が選択的かつ独立に複数の電極
    領域に注入され、前記結晶活性層構造の対応する活性領
    域を励起することを特徴とする請求項１記載のグレーテ
    ィング結合型表面発光レーザ素子。
  3. 【請求項３】前記位相シフト手段が、複数の電極領域に
    分割された前記２電極のうち１つの電極を具備し、電流
    が前記結晶活性層構造の対応する活性領域に選択的かつ
    独立に注入されることを特徴とする請求項１記載のグレ
    ーティング結合型表面発光レーザ素子。
  4. 【請求項４】導波層と結晶活性構造のレーザ共振器に沿
    って備えられた２次以上の次数をもつ回折格子とを含
    み、前記レーザ共振器が光の伝搬方向で定められる長さ
    により規定されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を励
    起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する２
    つの導波路光によって発生する放射モードとして、前記
    結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための少
    なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前記
    結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め合
    う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備するグレーティング結合型表面発光レーザ素子の
    変調方法において、 前記２電極のうち１つの電極が、複数の電流領域に分割
    され、電流が複数の電流領域に選択的かつ独立に注入さ
    れ、前記結晶活性層構造の対応する活性領域を励起する
    電極配置を有し、 電流注入により、独立に前記活性領域のいくつかを励起
    し、前記共振器長に変化を生じさせて、共振器に沿う前
    記放射モードの出力フィールドパターンを制御する工程
    を具備することを特徴とするグレーティング結合型表面
    発光レーザ素子の変調方法。
  5. 【請求項５】導波層と結晶活性構造のレーザ共振器に沿
    って備えられた２次以上の次数をもつ回折格子とを含
    み、前記レーザ共振器が光の伝搬方向で定められる長さ
    により規定されてなる結晶活性層構造と、 前記結晶活性層構造を挟持し、前記結晶活性層構造を励
    起する２電極と、 前記電極上のいずれかに位置し、互いに逆に伝搬する２
    つの導波路光によって発生する放射モードとして、前記
    結晶活性層構造表面から出力ビームを取り出すための少
    なくとも１つの窓と、 前記回折格子の位相をシフトし、前記窓に対応する前記
    結晶活性構造の領域において、前記放射モードに強め合
    う干渉を起こさせる効果を有する位相シフト手段と を具備するグレーティング結合型表面発光レーザ素子の
    変調方法において、 前記位相シフト手段が、複数の電極領域に分割された前
    記電極を具備し、電流が複数の電極領域に選択的かつ独
    立に注入され、前記結晶活性層構造の対応する活性領域
    を励起する手段を有し、 選択的かつ独立に前記複数の電極領域のいくつかに電流
    を注入する方法を用いて、前記放射モードの位相シフト
    量を変化させることによって、前記共振器に沿う前記放
    射モードの出力フィールドパターンを制御する工程を具
    備することを特徴とするグレーティング結合型表面発光
    レーザ素子の変調方法。
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