专利名称：表面发光半导体激光器及其制造方法和光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面发光半导体激光器及其制造方法和包含其中使用了表面发光半导体激光器的光源装置的光学装置，尤其涉及一种模场直径扩展趋于使输出提高且能保持单一水平模式的表面发光半导体激光器及其制造方法和光学装置。
背景技术：
表面发光半导体激光器被用于作为例如进行数据通信时光通信的光源装置。
传统的表面发光半导体激光器通过大的发光面积来获得高功率输出。然而，当发光面积大时，单一水平模式通常成为多模式。
另一方面，单一水平模式的光纤被用于长距离传输，例如并优选用于该传输的输入激光为单一水平模式以获得高的耦合效率和高的传输效率。由于上述及类似原因需要一种单一水平模式的高功率输出激光器。
另外，近来用于在光学记录介质的记录和再现的光检波器需要高速操作，对于用作光源的激光，在保持水平模式的单一性的同时提高输出成为必要。同样，单一水平模式在例如激光打印机及其它打印器件中是绝对必要的，高功率输出在高速处理中也是绝对必要的，对那些光学装置来说需要获得单一水平模式和高功率输出的激光器。
使用光子晶体结构的表面发光半导体激光器被建议作为具有上述单一水平模式的表面发光半导体激光器(参考专利文件1，和非专利文件1)。
近来，使用光子晶体结构控制表面发光激光器的水平模式以获得导致输出提高的模场直径的扩展和单一的水平模式。
专利文件1日本专利申请No.2002-292781非专利法文件1Noriyuki Yokouchi等，Appl.Phys.Lett.82，3608(2003)然而，使用光子晶体控制表面发光半导体激光器的水平模式是基于以下概念降低限定模式的谐振器部分和其圆周部分之间的有效折射系数的差异从而使高阶模式成为漏泄模式。由于用于使输出增大的谐振器部分的直径越扩展，高阶模式越难于漏泄，因此有效折射系数的差异必须越小。从而，单一水平模式的原理对于导致折射系数分布产生的外界干扰来说是非常不适用的。
另外，在大直径的表面发光半导体激光器中，起泄漏损失作用的共振部分的侧表面面积占谐振器部分的体积比率减小，可使包含漏泄模式的所有模式的Q值增大。另一方面，至于最初具有小的漏泄损失和大的基值的基础模式，由于激光其中仍存在寄生吸收和散射损失，Q值的增大被限制，并且不可能获得特别高的Q值。由于不可能保持模式之间大的Q值比率，因此选择模式的功能变差。
即使激光器中模式之间的Q值的比率小并且如上所述模式选择功能抗外界干扰能力弱，在小驱动电流和并且实现了理想的有效折射系数分布以及载流子密度分布的情况下肯定获得大于传统单一水平模式型表面发光激光器的模场直径。然而，随着驱动电流的增大，由于会发生伴随着通电时温度的升高发生的折射系数的分布以及模式局部区域选择性缺乏载流子的空间增加的空穴燃烧现象，保持单一水平模式的条件容易变差，存在水平模式最终成为多模式。
因此，需要一种能更稳定地保持单一水平模式的结构。
根据上面所述，本发明的一个目的为提供一种表面发光半导体激光器，其中与包括具有光子晶体的表面发光半导体激光器的传统的表面发光半导体激光器相比获得了高功率输出的提高和单一水平模式。
发明内容
根据本发明的表面发光半导体激光器包括一个通过设置第一和第二DBR(分布布拉格反射镜)以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向谐振器，其中引起散射损失产生的散射损失结构部分在谐振器的外围部分，而且散射损失结构部分至少有一个设置在谐振器的外圆周方向至少与激光器的主流路径相对的部分中的对立端。
根据本发明的表面发光半导体激光器包括一个通过设置第一和第二DBR(分布布拉格反射镜)以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向谐振器，其中在至少激光器的主流路径附近的谐振器的外围部分中，通过具有至少一个对立端的腔体或通过在设置于圆周方向的腔体中填充低折射率的材料制成的低折射率区域，低折射率区域的上述多个对立端的与主电路路径的电流流动方向交叉的截面在朝着激光器的主流路径的中心的方向逐渐变细。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括相隔一定距离提供的并相对上述主流路径的中心轴近似设置在同心圆上的多个对立端。
另外，根据本发明的半导体激光器包括相隔一定距离提供的且以规则的间隔设置的多个对立端。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器有一个从至少一个对立端沿激光器的外圆周方向延伸出来的延伸部分，并且延伸部分是分离的，或其一部分彼此邻接或所有的延伸部分是彼此连接的。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器具有至少三个对立端。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括深度选择为至少在与激光器的主流路径相对的对立端处不会接触到有源层的散射损失结构部分和低折射率区域。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括至少一部分表面为波动不平或粗糙表面的低折射率区域。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括对立端形状为随着远离有源层而垂直截面的宽度变宽的散射损失结构部分或低折射率区域。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括对立端形状为距主流路径的距离随远离有源层逐渐变化的散射损失结构部分或低折射率区域。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括散射损失结构部分或低折射率区域，其中其间的至少一个间隔被选择为可使在激光振荡时间的输出光的密度分布在散射损失结构部分之间或低折射率区域之间的区域有一最大值。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括氧化物收缩层，其具有一个选择激光器主流路径的氧化物收缩开口，位于第一DBR或第二DBR与有源层之间，并且折射系数区域的对立端被设置在氧化物收缩开口内部。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器包括氧化物收缩层，其具有选择激光器主流路径的氧化物收缩开口，位于第一DBR或第二DBR与有源层之间，并且氧化物收缩开口大约为包围谐振器的中心的环形形状。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器的制造方法是制造具有通过设置第一和第二DBR以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向的谐振器的表面发光半导体激光器的方法，至少包括步骤在衬底上至少形成第一DBR，第一包层，有源层，第二包层和第二DBR；在谐振器的外围部分上形成具有至少一个与主流路径相对可导致散射损失的对立端的散射损失结构部分；通过蚀刻至至少到达第一DBR的深度除去谐振器的外围部分的外侧；在谐振器的中心部分形成中心孔洞；选择性地在第一包层的下部或在第二包层的上部中从谐振器的外围部分的外部的侧表面和从中心孔洞氧化。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器的制造方法是制造具有通过设置第一和第二DBR以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向的谐振器的表面发光半导体激光器的方法，至少包括步骤在衬底上形成第一DBR，第一包层，有源层，第二包层和第二DBR；在谐振器的外围部分形成腔体或低折射率区域，低折射率区域通过在腔体中填充低折射率材料制得，其具有至少一个与主流路径相对的对立端；通过蚀刻至至少到达第一DBR的深度除去谐振器的外围部分的外侧；在谐振器的中心部分形成中心孔洞；选择性地在第一包层的下部或在第二包层的上部中从谐振器的外围部分的外部的侧表面和从中心孔洞氧化。
另外，根据本发明的光学装置包括具有包括通过设置第一和第二DBR以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向的谐振器的表面发光激光器的光源装置，其中引起散射损失的产生的散射损失结构部分被设置在谐振器外围部分，并且散射损失结构部分有多个在至少与激光器的主流路径相对的部分中沿外圆周方向间隔设置的对立端。
另外，根据本发明的光学装置包括具有包括通过设置第一和第二DBR以及位于这两者之间的有源层形成的垂直方向的谐振器的表面发光激光器的光源装置，其中具有在激光器的主流路径圆周的外圆周方向以间隔提供多个对立端的腔体或通在在腔体中填充低折射率的材料制成的低折射率区域，被设置在谐振器的外围部分，并且低折射率区域的与主流路径的流动方向交叉的多个对立端的截面形状被制作为沿朝向激光器的主流路径的中心的方向逐渐变细。
根据上面所述的包括本发明的结构的表面发光半导体激光器，可获得具有单一水平模式的高功率输出表面发光半导体激光器。
假定在传统表面发光半导体激光器中局部地存在位于发光表面的中心部分的基础模式和位于外围部分的高阶模式；那么如果在外围部分提供一个具有其中发生散射损失的结构部分，由于相对于高阶模式的散射损失变大可获得单一模式。
因此，当采用在主流路径，尤其是在腔体结构部分的附近设置低折射率区域的结构时，光线被限制在中心部分并且由于设置其中的低折射率区域的存在引起折射系数平均值降低从而光发射效率得以提高。而且，由于低折射率区域被以一定间隔设置且其尖端被制成一锐角，界限不是很严格，以至光向外界的漏出量略有些高并且为了获得高的功率输出需增大发光面积。另外，低折射率区域的侧表面上即界面上的光散射损失大；特别是当侧表面(界面)形成为波浪状的不平表面或粗糙表面时，光发射损失变得值得注意，并且在上面所述的在外围区域局部存在的高阶模式的光发射激光损失相当大，因此需要能够获得良好的单一模式半导体激光器。
特别地，根据本发明采用发生了不同于光子晶体效应的现象并且获得了大电流和高输出的单一水平模式的半导体激光器。
另外，在根据本发明的表面发光半导体激光器中，散射损失结构部分之间或低折射率区域之间的至少一个间隔被选择为使激光振荡中输出光强的分布在散射损失结构部分之间或低折射率区域之间有一最大值，从而能够提高水平模式的单一性，在后边优选实施例的描述中将具体描述。
另外，在根据本发明的表面发光半导体激光器中，在有源层和第一DBR或第二DBR之间提供一个具有选择激光器的主流路径的氧化物收缩开口的氧化物收缩层，氧化物收缩开口大约被构成为围绕谐振器的中心部分的环形，其能够实现电流的下阈值。
而且，根据本发明的表面发光半导体激光器的制造方法，具有实现上述电流下限值的环形氧化物收缩开口的表面发光半导体激光器能够被容易和可靠地制造。
另外，根据本发明的光学装置包括由上述本发明的大电流，高功率输出和单一水平模式半导体激光器组成的光源单元或光源装置，从而能够获得例如具有高速进行记录和再现光记录介质的光学拾取器的光学装置。
附图1示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的结构的一个例子的透视示意图；附图2A到2C分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的电极和低折射率区域之间的配置关系的顶视示意图；附图3A到3D分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的低折射率区域或由低折射率区域构成的散射损失结构部分的形状或配置关系的一个例子的示意图；附图4A和4B分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器中的低折射率区域的侧表面的情形的一个例子的透视示意图；附图5A和5B分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的结构和形状的一个例子的透视示意图；附图6A和6B分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的结构和形状的一个例子的透视示意图，附图6C示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的形状的另一个例子的透视示意图；附图7A和7B是透视示意图和截面示意图，分别示出了根据本发明的表面发光半导体激光器中低折射率区域的形状的一个例子，附图7C给出根据本发明的表面发光半导体激光器中低折射率区域的另一个例子的顶视示意图；附图8示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的一个例子的结构透视示意图；附图9是用以解释根据本发明的表面发光半导体激光器的低折射率区域之间的间隔的图；附图10是给出根据本发明的表面发光半导体激光器的旁模抑制比率随低折射率区域的间隔变化的曲线图；附图11示出了附图10中组A的半导体激光器的发光图形的一个例子的图；附图12示出了附图10中组A的半导体激光器的振荡光谱的一个例子的曲线图；附图13示出了附图10中组B的半导体激光器的发光图形的一个例子的图；附图14示出了附图10中组B的半导体激光器的振荡光谱的一个例子的曲线图；附图15是根据本发明的表面发光半导体激光器的结构的一个例子的透视示意图；附图16A到16D示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的制造方法的一个例子的流程图；附图17A到17D示出了根据本发明的表面发光半导体激光器的制造方法的一个例子的流程图；附图18是作为根据本发明的光学器件的一个例子的一个光学检波器件的构造示意图；附图19A和19B示出了根据本发明的光学装置的一个例子的激光打印机中的光学投影装置的结构的构造示意图；和附图20示出了作为根据本发明的光学装置的一个例子的通讯装置的构造示意图。
具体实施例方式
接下来，对表面发光半导体激光器和包含由根据本发明的表面发光半导体激光器组成的光源装置的光学装置作以解释；然而，不必说，本发明不局限于这些实施例。
首先，参照附图1-4对根据本发明的表面发光半导体的第一实施例的一个例子作以解释。
附图1是给出根据这一实施例的表面发光半导体激光器的透视示意图，其中以截面形式给出各部分。
在根据本实施例的表面发光半导体激光器1中，在衬底3上例如连续外延依次形成，缓冲层4(当需要时)，第一DBR5，第一包层6，有源层7，第二包层8和第二DBR9和覆盖层10。
第一电极2与衬底3的背表面欧姆接触，由例如SiO2制备的绝缘膜11以环形图形形成在覆盖层10上，以形成具有经由形成于绝缘膜11的中心的开口部分11w与覆盖层10欧姆接触的环形部分12a的第二电极12。
在第一DBR5和第二DBR9之间形成垂直型谐振器，在相对的第一电极2和第二电极12之间，即在位于开口部分11w内的第二电极12环形部分12a下面的部分形成主流路径。
于此，第一电极2是由例如金/金锗合金/金(Au/AuGe/Au)组成的多层膜形成的，第二电极12和环形部分12a均由例如钛/铂/金(Ti/Pt/Au)组成的多层膜形成的，并且这些分别是通过淀积、溅射或类似方法形成的。
另外，衬底3是由例如n型GaAs的第一导电类型组成的，缓冲层4是由例如GaAs组成的，第一DBR5是由例如AlGaAs叠层组成的，第一包层6是由例如AlGaAs组成的，有源层7是由例如AlGaAs和GaAs的叠层组成的，第二包层8是由例如AlGaAs组成的，第二DBR9是由例如AlGaAs叠层组成的，覆盖层10是由例如p型GaAs的第二导电类型组成的。
然后，散射损失结构部分、低折射率区域、或由低折射率区域组成的散射损失结构部分被设置在上述的谐振器的外围部分。散射损失结构部分或低折射率区域的深度被选择为其中至少与主流路径的中心部分相对的对立端21a不会到达有源层7。除了低折射率区域之外散射损失结构部分可以由低折射率区域组成，该低折射率区域可通过选择进行例如离子注入以提高电阻来形成。
另外，与表面发光半导体激光器的主流路径的电流流动方向交叉的低折射率区域21的截面的形状为朝谐振器的中心方向呈一锥形锐角，并能通过例如上述的选择性离子注入或光刻技术和反应性离子刻蚀形成。
在本实施例中，低折射率区域21例如腔体穿入覆盖层10，并在第二DBR9和第二包层8中形成；然而，为了同时获得光线的有效平稳限制和高阶模式光的散射，希望得到在同一表面，即在谐振器圆周方向上以一定间隔提供的各自具有对立端的三个或更多低折射率区域21。
另外，在本实施例中，测量构成低折射率区域的对立端处的角、即锥形锐角和高阶模式光的散射损失之间的关系并获得结果，若角度为θ，则高阶模式的光的散射损失在tan(θ/2)＝(0.25/2)到(0.75/2)，尤其是θ＝14.3到41.1[度]的范围内非常显著。
采用上述结构，更多分布在表面发光半导体激光器1的外围上的高阶模式光的发射和色散的可能性由于在外围部分设置的低折射率区域21而增大，以致光返回表面发光半导体激光器1的中心部分的可能性也变小。
附图2A到2C示出了电极12的环形部分12a和低折射率区域21之间的设置关系的示意图，在附图1中的电极12的环形部分12a，正如附图2A中给出的，是被设置在主流路径附近即表面发光半导体激光器1的电流路径中心部分22附近的多个低折射率区域21的外围面的上表面上的；然而环形部分12a不必提供在外围侧上，例如可考虑附图2B中给出的至少电流路径中心部分22的一部分是暴露的且环形部分12a被设置为直接横过低折射率区域21顶面上的结构，或附图2C中给出的环形部分是设置在低折射率区域21的内圆周侧的表面上的结构。
附图3A到3D是给出根据本发明的表面发光半导体激光器的低折射区域的配置和形状的修改实施例的示意图。
在根据本发明的表面发光半导体激光器中，以一定间隔形成的多个低折射率区域21的形状或配置不必具有例如旋转对称顺序，和例如附图3A中给出的，只要在向内部圆周侧即向电流路径的中心方向为一锥形锐角图形形成，其在圆周方向彼此之间的间隔也不需恒定不变。
另外多个低折射率区域21任一可以有不同的形状和截面面积，因此其截面可以彼此不同。
另外，等分低折射率区域21的锐角的直线X1-X1和通过形成锐角的点和电流路径中心部分22的中心O的直线X2-X2不必重合。
另外，与低折射率区域21的电流路径的电流流动方向相交叉的截面的形状不被限制为所谓的等腰三角形，形状可以为如附图3B所示的锐角三角形或所谓的直角三角形，或如附图3C所示，形状可为其中在圆周方向与外侧接触的延伸部分的侧表面相对于电流路径的中心方向为一曲形表面。
另外，根据本发明的表面发光半导体激光器中，多个低折射率区域21的结构不必限制为各区域彼此分离和独立的情况，可采用如附图3D所示的在外圆周方向延伸的部分彼此连接的结构。
附图4示出了根据本发明的表面发光半导体激光器中低折射率区域的侧表面的形状的一个例子的透视示意图。
在根据本发明的表面发光半导体激光器1中，低折射率区域21的侧表面的至少一部分形成为一波状不平表面或粗糙表面，其例子根据附图4A和4B的透视示意图加以解释。
特别地，在形成低折射率区域21时，沿表面发光半导体激光器1的主流路径的电流流动的方向在角度上给出一微小的变化。例如，通过形成如附图4A的透视图所示的曲折波状表面或通过形成附图4B的透视图所示的类似任意粗糙表面，由多个低折射率区域21形成的散射损失结构部分中的散射损失相对于表面发光半导体激光器1的外围部分中存在的高阶模式光较大。
当进行反应性离子蚀刻以形成腔体时，本不平表面可以通过例如控制气体压力，提供的电功率，衬底温度和类似条件来形成。
接下来，参照附图5到7解释根据本发明的的表面发光半导体激光器的第二个实施例。
附图5A示出了这一实施例的表面发光半导体激光器1的各组成部分的透视示意图。
在根据本实施例的表面发光半导体激光器1中，在衬底3上例如通过连续外延依次形成缓冲层4(需要时)，第一DBR5，第一包层6，有源层7，第二包层8，第二DBR9和覆盖层10。
第一电极2与衬底3的背面欧姆接触，由例如SiO2制备的绝缘膜11以环形图形形成在覆盖层10上，以形成具有经由形成于绝缘膜11的中心的开口部分11w与覆盖层10欧姆接触的环形部分12a的第二电极12。
在第一DBR5和第二DBR9之间形成垂直型谐振器，在相对的第一电极2和第二电极12之间，即在位于开口部分11w内的第二电极12环形部分12a的下面的部分形成主流路径。
于此，第一电极2是由例如金/金锗合金/金(Au/AuGe/Au)组成的多层膜形成的，第二电极12和环形部分12a均由例如钛/铂/金(Ti/Pt/Au)组成的多层膜形成的，并且这些分别是通过淀积、溅射或类似方法形成的。
另外，衬底3是由例如n型GaAs的第一导电类型组成的，缓冲层4是由例如GaAs组成的，第一DBR5是由例如AlGaAs叠层组成的，第一包层6是由例如AlGaAs组成的，有源层7是由例如AlGaAs和GaAs的叠层组成的，第二包层8是由例如AlGaAs组成的，第二DBR9是由例如AlGaAs叠层组成的，覆盖层10是由例如p型GaAs的第二导电类型组成的。
然后，散射损失结构部分、低折射率区域、或由低折射率区域组成的散射损失结构部分被设置在上述谐振器的外围部分。散射损失结构部分或低折射率区域的深度被选择为其中至少一部分不会接触到组成谐振器的有源层7。
另外，在本实施例中，3个或更多例如腔体的多个低折射率区域21穿过覆盖层10并在谐振器圆周方向的第二DBR9和第二包层8中以一定间隔形成。
在本实施例中，低折射率区域21具有与表面发光半导体激光器1的电流路径的电流流动方向交叉的截面形状，由例如圆形或椭圆形的一闭合曲面形成，其曲率连续或不连续变化。
另外，在根据本发明的表面发光半导体激光器中，多个低折射率区域21的结构不必限制为各区域彼此分离和独立，外圆周方向中的延伸部分可以彼此连接。
在根据本发明的表面发光半导体激光器1中，低折射率区域21的侧表面的至少一部分被形成为一波状不平表面或粗糙表面。
特别地，在形成低折射率区域21时，沿表面发光半导体激光器1的主流路径的电流流动的方向对角度提供一微小的变化。例如，通过形成曲折波状表面或任意粗糙表面或附图5B中所示的类似情况，由多个低折射率区域21形成的散射损失结构部分中的散射损失相对于表面发光半导体激光器1的外围部分中存在的高阶模式光而较大。
当通过构图或刻蚀进行反应性离子蚀刻(RIE)以形成腔体时，本不平表面可以通过例如控制气体压力，供电功率，衬底温度和类似条件来形成。
采用以上结构，更多的分布在表面发光半导体激光器1的外围上的高阶模式光的发射和色散的可能性由于设置在外围部分的低折射率区域21而增大，以致光返回表面发光半导体激光器1的中心部分的可能性也会变小。
而且，在根据本实施例的表面发光半导体激光器中，如附图6A中给出的一个例子的各组成部分截面的透视示意图所示，低折射率区域21的对立端距主流路径的距离随远离有源层的距离逐渐变化。特别地，如低折射率区域21的一个例子的透视示意图附图6B中所示，利用随着远离有源层向主流路径靠近的倾斜圆柱形结构，光与低折射率区域21接触的可能性增大，从而在散射损失结构部分中的高阶模式光的散射损失增大。本结构例如可通过聚焦离子束蚀刻(FIB)获得。
另外，如附图6C所示，在低折射率区域21的垂直截面的横向宽度随远离有源层13变大的结构中，光与低折射率区域21接触的可能性增大，从而在散射损失结构部分中的高阶模式光的散射损失增大。这可通过例如在与平时相比的低气压和高功率的条件下通过RIE蚀刻以形成腔体来实现。
如上所述，对根据本发明的表面发光半导体激光器的实施例作了解释；然而，本发明不局限于此，不必说可以作各种变形。
例如，根据本发明的表面发光半导体激光器的一个实施例中，虽然第一导电类型为n型和第二导电类型为p型，然而相反地，p型可被用作第一导电类型，n型可被用作第二导电类型。
同样的，如附图7A的顶视透视图和附图7B的透视图所示，低折射率区域的垂直截面，例如腔体，可以为例如截棱锥形。换句话说，形成腔体时越靠近有源层的截面面积被制作的越小，以使高阶模式光的散射损失能够有效地被提升。
另外，如附图7C的顶视示意图中所示，根据本发明的表面发光半导体激光器可以具有不同多边形形成其截面的形状，并且可为不同的其它变形形状。
接下来解释根据本发明的表面发光半导体激光器的第三个实施例。
附图8是给出本实施例的表面发光半导体激光器1的一部分截面的透视示意图。在附图8中，同样的附图标记指的是与附图1和5中一致的部分，并且省略了多余的解释。
在本实施例中，氧化物收缩层18位于第二包层8上。例如，各层依次外延生长后，通过蚀刻形成圆柱状谐振器，氧化物收缩层18可以通过例如选择性的氧化从其外部形成。本氧化物收缩层18具有其中氧化物收缩开口18a例如通过适当地选择氧化时间形成在中心部分，即垂直谐振器的中心部分的结构。
在本实施例中，例如三个或更多个散射损失结构部分或低折射率区域，附图中为低折射率区域21，例如腔体，穿过覆盖层10，朝谐振器的圆周方向以一定间隔在第二DBR9和第二包层8中形成。
另外，在本实施例中，低折射率区域21之间的间隔被选择为使激光振荡时间的输出光的强度分布在低折射率区域之间的区域有一最大值。
本发明的发明者及他人的深入研究结果表明，当提供如上所述的多个例如两个或两个以上低折射率区域且其间隔也够大时，可获得符合要求的单一水平模式的振荡。然后，可通过改变低折射率区域的间隔测量单一水平模式的波动。
在接下来的实施例中，第一电极2是由例如金/金锗合金/金(Au/AuGe/Au)组成的多层膜形成的，第二电极12和环形部分12a均由例如钛/铂/金(Ti/Pt/Au)组成的多层膜形成的，并且这些分别是通过淀积、溅射或类似方法形成的。
另外，衬底3是由例如n型GaAs的第一导电类型组成的，缓冲层4是由例如GaAs组成的，第一DBR5是由例如AlGaAs叠层组成的，第一包层6是由例如AlGaAs组成的，有源层7是由例如AlGaAs和GaAs的叠层组成的，第二包层8是由例如AlGaAs组成的，第二DBR9是由例如AlGaAs叠层组成的，覆盖层10是由例如p型GaAs的第二导电类型组成的。
然后，在本实施例中，由近似三角形截面的孔组成的低折射率区域21被设置于氧化物收缩开口18a的里面，其对立端也被设置于氧化物收缩开口18a内部然后，如附图9所示，在氧化物收缩开口18a和低折射率区域21的排列结构中，低折射率区域21之间的间隔d是与氧化物收缩开口18a相交的内点之间的直线距离。这里，当氧化物收缩开口18a大约为圆形时，沿半径方向进入低折射率区域21的对立端的氧化物收缩开口18a的数量Li设为约2μm，同样地沿半径方向低折射率区域21的长度a设为约5μm，外围侧面上的侧面长度b大约设为约1.25μm到3.75μm。
采用上述结构，可以制作多个其中低折射率区域21之间的间隔d在4μm到13μm的范围内变化的表面发光半导体激光器，并得到作为表示从每一振荡波谱的单一水平模式振荡程度的指标的旁模抑制比率(SMSR)。结果见附图10。
从附图10显然可见，SMSR的分布被分为两组；若间隔d较窄的一组为组A，间隔d较宽的一组为组B时，针对这些组观察到两种激光振荡的发光图形。
首先，在组A的半导体激光器中，如附图11所示的激光振荡的发光图形(周等高线显示光发射强度)的一个例子，光发射强度的分布在低折射率区域21之间有一最大值。这种情况的振荡波谱的例子在附图12中给出。
相反，在组B的半导体激光器中，如附图13所示的激光振荡的发光图形的一个例子，光发射强度的分布在低折射率区域21之间没有一最大值，可理解为存在两个或更多最大值。这种情况的振荡波谱的例子在附图14中给出。
比较附图12和14的振荡波谱时，组A的表面发光半导体激光器的SMSR更好，可认为组A的间隔d是有利于水平模式的单一性的。
因此，可以考虑低折射率区域21之间的部分具有与谐振器相似的效果。另外，当提供散射损失结构部分时可认为其发生类似的现象。
因此，在上述的结构中，AlGaAs用作有源层，振荡波长为850nm，谐振器的长度被设计为与振荡波长相等，低折射率区域之间的间隔d的值取组A和组B的边界9μm。然而，可以预测例如GaInNAs用作有源层时振荡波长为1.3nm；谐振器被设计为具有的长度稍不同于振荡波长；低折射率区域的形状或长度不同，等等情形下，间隔d的适当值会变化。
然而，同样在这些情况中，从共振特性相似性的基本概念出发假定在属于上述附图10中组A所示的范围中适当的选择低折射率区域的间隔d可容易地获得更高的SMSR。
因此，在本发明中，当在表面发光半导体激光器中提供散射损失结构部分或低折射率区域时，其间隔被选择为属于组A的间隔，即被选择为其中输出光的强度在散射损失结构部分之间或低折射率区域之间有一最大值的间隔。
另外，在上述的例子中，提供一氧化物收缩层以使光发射区小；氧化物收缩层可被提供位于如前边的实施例中描述的第二包层的上部或位于第一包层的下部。
而且，那时，水平模式的单一性能通过在氧化物收缩开口内部设置低折射率区的对立端而进一步被提高。当对立端被设置于氧化物收缩开口的末端或其外部上时，高阶模式光的散射可能是不充分的。
如上所述，在根据本发明的表面发光半导体激光器中，通过适当选择低折射率区域的间隔，可以获得更高的SMSR并且模式的单一性可被提高，从而表面发光半导体激光器可被用作长距离和高数字传输率的光纤通信的光源。
接下来，解释根据本发明的表面发光半导体激光器的第四个实施例。
附图15是给出根据本发明的表面发光半导体激光器1的组成部分的透视示意图。在附图15中，相同的附图标记指代与附图1和5中相应的部分，并且省略了多余的解释。
在本实施例中，具有选择激光器的主流路径的氧化物收缩开口18a的氧化物收缩层18被提供在有源层与第一DBR或第二DBR之间，本氧化物收缩开口18a大约为围绕谐振器的中心的环形。具有这种结构的表面发光半导体激光器可通过根据本发明的制造表面发光半导体激光器的方法来形成。
特别，在本实施例中，给出以下情况，其中具有穿过氧化物收缩层18的深度，即到达附图中的有源层的深度的中间孔22被提供在谐振器的中心部分。在这种构造中，氧化物收缩层18可通过从外部和从中心孔22选择性氧化形成。
例如，在氧化物收缩开口的截面大致为圆形的传统表面发光半导体激光器中，如附图16A中给出的截面结构；当截面为三角形的孔组成的低折射率区域21存在于垂直部分C中而低折射率区域21不存在于垂直部分D中时，在各层通过例如外延生长依次形成之后，圆柱形构成的垂直谐振器通过蚀刻等形成，如附图16B所示，其中指示出了各部分C和D的每种情况，并且通过选择性蚀刻首先形成低折射率区域21。然后，如附图16C所示，从外部进行选择性氧化。
此时，第一和第二电极被欧姆接触之后电流流通，如附图16D所时，同样电流在氧化物收缩开口18a中流通。
相反，在本发明的情况中，类似地如附图17A所示，当低折射率区域21是截面为三角形的孔，低折射率区域21存在于部分C中且低折射率区域21不存在于部分D中时，通过选择性蚀刻等形成如附图17B中的低折射率区域21，并且，例如同时在中心部分里形成深度到达有源层(未示出)的孔22。
随后，如附图17C所时，通过选择性氧化形成氧化物收缩层的位置，从中心孔22的侧表面和垂直谐振器的外表面通过正确选择氧化时间继续氧化穿过氧化物收缩层18形成大致环形的氧化物收缩开口18a。在上述结构中当第一和第二电极被欧姆接触后电流流通，电流选择如附图17D所示在除中心部分之外的环形区域流通。
上面结构可获得与常规例子氧化物收缩开口18a大致被制为圆形的情形相比低的阈值电流。
说明一下，从附图11或13中所示的根据本发明的表面发光半导体激光器的激光振荡的发光图形显然可以看出，在散射损失部分之间或低折射率区域之间提供了一个强的光强分布，并且中心部分的光强分布与外围部分相比相对要小。
这意味着在散射损失结构部分或低折射率区域中，即附图中低折射率区域的中心部分中，也就是氧化物收缩开口的中心处流动的电流对激光振荡的贡献小而成为无用的电流，以至它成为导致表面发光半导体激光器的量子效率低的因素。量子效率的下降有使电流振荡阈值和工作电流的升高的缺点，由此需要额外的电功率。
相反，在本发明的结构中，氧化物收缩开口18a大致形成为环形以控制电流流入对激光振荡贡献小的中心部分，从而减小无用的电流并能够降低电流的阈值。
在具有例如三个或更多个腔体的多个折射系数区域21穿过覆盖层10且以一定间隔沿谐振器的圆周方向在例如第二DBR9和第二包层8中形成的例子中，第一和第二电极及各层采用与上述的第一-第三实施例中表面发光半导体激光器的制造方法中类似的材料，研究该情况中的阈值电流。
当在中心不提供中心孔时，电流流经直径为14μm的氧化物收缩开口的整个面积，并且振荡阈值电流此时为4.5mA。
相反，当在中心部分提供直径大致为3μm的中心孔22和在中心孔22外部提供直径为5.6μm的氧化物收缩层时，由于在氧化物收缩开口18a的中心处直径为5.6μm的区域之外的区域中本表面发光半导体激光器的振荡的光强占了全部的95％，即使不在中心部分提供振荡区域，输出损失也被限制为5％。另一方面，此时电流流经的氧化物收缩开口18a的区域缩窄了16％成为84％。如果振荡阈值电流密度是一定值，显然振荡阈值电流减小至0.84倍，即3.8mA。
另外，调整中心孔和垂直谐振器的形状，即调整所谓的台面直径或利用中心孔内部的低氧分子流动性，氧化物收缩层的外围的被氧化量与中心孔中的被氧化量的比率可被设定为相对任意的值，从而可容易的调整氧化物收缩开口的形状。
如上所述，在根据本发明的表面发光半导体激光器中，提供了氧化物收缩层，并且氧化物收缩开口的形状被形成为电流难以流入振荡器中心的大致环形，从而电流可被更有效的利用并减小了振荡阈值电流。
应当注意根据本发明的表面发光半导体激光器不局限于上述实施例；散射损失结构部分或低折射率区域的形状和结构、衬底和各层结构的材料可做不同变形。作为一个例子，下表1中给出适用于本发明的衬底和各层的材料及其振荡波长。
表一
另外，不必说，本发明可应用于各种不脱离本发明的结构范围的表面发光半导体激光器结构。
接下来，参照附图18到20解释具有包含根据本发明的表面发光半导体激光器的光源器件的光学装置的实施例。
在本实施例中，将用于记录/再现光记录介质的光学拾取器，例如CD作为光学装置的一个例子加以解释。
如附图18给出的结构示意图所示，根据本实施例的光学装置，既光学拾取器31，包括具有根据本发明的半导体激光器1(未示出)的光源装置32，形成希望的光点的光栅33，偏振光束分光镜34，准直透镜35a和35b，1/4波长相移板36，光记录介质37，圆柱形透镜38和光检测器39。
根据本发明的表面发光半导体激光器的激光从光源装置32发射，经过光栅33和偏振光束分光镜34，在准直透镜35a处变为平行光，且为圆形偏振光，通过准直透镜35b被聚焦在光记录介质37上；例如，凹陷表面上反射的光被准直透镜35b和1/4波长相移板36线性偏振，经过准直透镜35a，被偏振光束分光镜34反射，通过圆柱透镜38被聚焦在光探测器39上。
光源装置32具有根据本发明的表面发光半导体激光器1，其中垂直方向谐振器通过设置第一和第二DBR及位于两者之间的有源层形成，引起散射损失的散射损失结构部分被设置于谐振器的外围部分上，且散射损失结构部分包括沿振荡器的圆周方向以一定间隔设置的多个具有对立端的腔体或多个具有对立端的通过在腔体中填充低折射率材料制得的低折射率区域。
另外，构成光源装置32的表面发光半导体激光器1具有其中与主流路径的电流流动方向交叉的多个如三个或更多低折射率区域的对立端的截面的形状朝激光器的主流中心方向逐渐变细，例如成为一个锐角的结构。
在本结构的光学装置中，使用根据本发明的表面发光半导体激光器构成光源装置32，可发射单一水平模式和高功率的激光，从而加速记录/再现光学记录介质37的操作成为可能。
在本实施例中，将激光打印机中在光导元件上执行曝光操作的光投影装置作为光学装置的一个例子加以解释。
例如，如附图19A的结构示意图所示，在本实施例中的光学元件，即用于激光打印机的光投影装置41包括具有根据本发明的表面发光半导体激光器(未示出)的光源器件42，扩展光学系统43，反射镜44和光电导元件45。
在本实施例中，构成光源装置42的光源具有由多个根据本发明的半导体激光器二维集成形成的VCSEL阵列结构，光源装置42发出的激光经过扩展光学系统43，随即被反射镜44照射到光电导元件45，得到需求图形的曝光。
光源装置42具有根据本发明的表面发光半导体激光器1，其中垂直方向谐振器通过设置第一和第二DBR及位于两者之间的有源层形成，引起散射损失的散射损失结构部分被设置于谐振器的外围部分上，且散射损失结构部分包括沿振荡器的圆周方向以一定间隔设置的多个具有对立端的腔体或多个具有对立端的通过在腔体中填充低折射率材料制得的低折射率区域组成。
另外，构成光源装置42的表面发光半导体激光器1具有其中多个如三个或更多对立端的截面的形状与主流路径的电流流动方向交叉，低折射率区域朝激光器的主流中心方向逐渐变细如为一个锐角的结构。
在本结构的光学装置中，使用根据本发明的表面发光半导体激光器构成光源装置42，可发射单一水平模式和高功率的激光，从而运用高速输出激光使光电导元件45上的投影高速输出成为可能。
另外，如附图19B的结构示意图所示，本实施例中的光学装置，即用于激光打印机的光投影装置41包括光源装置46，由多边形反射镜或电流反射镜形成的可移动反射镜47，反射镜48和光电导器件49。
在本实施例中，具有根据本发明的表面发光半导体激光器(未示出)的光源装置46发出的光通过可移动反射镜47被二维投影到反射镜48上，随即照射到光电导器件49，得到预想图形的曝光。
光源装置46具有根据本发明的表面发光半导体激光器1，其中垂直方向谐振器通过设置第一和第二DBR及位于两者之间的有源层形成，引起散射损失的散射损失结构部分被设置于谐振器的外围部分上，且散射损失结构部分由沿振荡器的圆周方向以一定间隔设置的多个具有对立端的腔体或多个具有对立端的通过在腔体中填充低折射率材料制得的低折射率区域组成。
另外，构成光源装置46的表面发光半导体激光器1具有其中与主流路径的电流流动方向交叉的多个如三个或更多低折射率区域的对立端的截面的形状朝激光器的主流中心方向逐渐变细，例如成为一个锐角的结构。
在本结构的光学装置中，使用根据本发明的表面发光半导体激光器构成光源装置46，可发射单一水平模式和高功率的激光，从而运用高速输出激光使光电导元件49上的投影高速输出成为可能。
在本实施例中，将作为光学装置的一个例子的通讯装置进行解释。
如附图20的透视示意图所示，本实施例中的光学装置51具有光源装置即传输装置52，光纤53和接收装置54。
光源装置52具有根据本发明的表面发光半导体激光器1(未示出)，其中垂直方向谐振器通过设置第一和第二DBR及位于两者之间的有源层形成，引起散射损失的散射损失结构部分被设置于谐振器的外围部分上，且散射损失结构部分包括沿振荡器的圆周方向以一定间隔设置的多个具有对立端的腔体或多个具有对立端的通过在腔体中填充低折射率材料制得的低折射率区域。
另外，构成光源装置52的表面发光半导体激光器1具有其中与主流路径的电流流动方向交叉的多个如三个或更多低折射率区域的对立端的截面的形状朝激光器的主流中心方向逐渐变细，例如成为一个锐角的结构。
至此描述了根据本发明的光学装置的实施例；然而，本发明不局限于此，不必说可进行各种修改和变形。
由根据本发明的表面发光半导体激光器构成光源装置的根据本发明的光学装置具有其中与主流路径的电流流动方向交叉的多个如三个或更多低折射率区域的对立端的截面的形状朝激光器的主流中心方向逐渐变细，例如成为一个锐角的结构。
另外，作为具有包括根据本发明的表面发光半导体激光器的光源装置的光学装置，可用于除了前述的通讯装置以外的具有包括根据本发明的表面发光半导体激光器的光源装置的各种其它装置，例如传输装置或光学集成电路器件。
另外，在根据本发明的光学装置中，所谓的阵列激光器可由多个位于衬底上或多个衬底上的多个表面发光半导体激光器形成，根据本发明的表面发光半导体激光器和光学装置可做各种各样的修改和变形。
结合附图描述了发明的优选实施例，应当认为发明不局限于这些确切的实施例，本领域熟练人员可以在不脱离由附带的权利要求所限定出的精神和范围内实施各种修改和变形。
权利要求
1.一种表面发光半导体激光器，其中设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层以形成垂直方向谐振器，其中引起散射损失的散射损失结构部份被设置于所述的谐振器的外围部分，所述的散射损失结构部分具有至少一个与激光器的主流路径相对的对立端。
2.一种表面发光半导体激光器，其中设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层以形成垂直方向谐振器，其中具有至少一个与激光器的主流路径相对的对立端的腔体或通过在腔体中填充低折射率材料制成的低折射率区域被设置在所述的谐振器的外围部分中，所述低折射率区域的对立端与主流路径的电流流动方向交叉的截面形状为沿朝向激光器的主流路径的中心方向逐渐变细。
3.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中多个所述对立端被以一定间隔设置，且大致被设置在相对于所述主流路径的中心轴线的同心圆上。
4.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中多个所述的对立端被以规则的间隔设置。
5.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，还包括在从所述对立端中的至少一个朝激光器的外圆周的方向延伸的延伸部分，其中所述延伸部分是分离地被提供的，或所述延伸部分中的一部分彼此邻接或所述延伸部分全部彼此相连。
6.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中三个或更多个所述对立端被提供。
7.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中所述散射损失结构部分和低折射率区域的深度被选择为相对于所述主流路径至少在对立端处不到达所述有源层。
8.如权利要求2所述的表面发光半导体激光器，其中所述低折射率区域的侧面的至少一部分是不平的波状表面或粗糙表面。
9.一种表面发光半导体激光器，其中权利要求1或2中所述的散射损失结构部分和所述的低折射率区域的对立端的形状为其垂直截面的宽度随远离所述有源层而变宽。
10.一种表面发光半导体激光器，其中权利要求1或2中所述的散射损失结构部分和所述低折射率区域的对立端的形状为相对于与所述主流路径的距离随着远离所述有源层逐渐变化。
11.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中所述散射损失结构部分或所述低折射率区域之间的至少一个间隔被选择为使在所述散射损失结构部分之间或所述低折射率区域之间的区域中激光振荡的输出光的强度分布有一最大值。
12.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中在有源层与所述第一分布布拉格反射镜或所述第二分布布拉格反射镜之间提供具有选择所述激光器的主流路径的氧化物收缩开口的氧化物收缩层，并且所述低折射区域的对立端被设置在所述氧化物收缩开口内。
13.如权利要求1或2所述的表面发光半导体激光器，其中在有源层与所述第一分布布拉格反射镜或所述第二分布布拉格反射镜之间提供具有选择所述激光器的主流路径的氧化物收缩开口的氧化物收缩层，并且所述氧化物收缩开口近似为围绕所述谐振器的中心的环形。
14.一种表面发光半导体激光器的制造方法，通过设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层以形成垂直方向谐振器，包含步骤在衬底上形成至少第一分布布拉格反射镜，第一包层，有源层，第二包层和第二分布布拉格反射镜；形成其中具有至少一个与主流路径相对的对立端且引起所述谐振器的外围部分中的散射损失的散射损失结构部分；通过至少蚀刻至到达所述第一分布布拉格反射镜的深度，除去所述谐振器的外围部分的外侧；形成所述谐振器的中心部分的中心孔；在所述第一包层的下部或第二包层的上部中从所述谐振器的外围部分的外表面和从所述中心孔选择性地进行氧化。
15.一种表面发光半导体激光器的制造方法，通过设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层以形成垂直方向谐振器，包含步骤在衬底上形成至少第一分布布拉格反射镜，第一包层，有源层，第二包层和第二分布布拉格反射镜；形成腔体或通过在腔体中填充低折射率材料制成低折射率区域，其具有至少一个在所述的谐振器的外围部分中与主流路径相对的对立端；通过至少蚀刻至到达所述第一分布布拉格反射镜的深度，除去所述谐振器的外围部分的外侧；形成所述谐振器的中心部分的中心孔；在所述第一包层的下部或第二包层的上部中从所述谐振器的外围部分的外表面和从所述中心孔选择性地进行氧化。
16.一种光学装置，包含具有表面发光半导体激光器的光源装置，其中所述表面发光半导体激光器具有通过设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层形成的垂直方向谐振器，引起散射损失的散射损失结构部分被设置于所述谐振器的外围部分中，所述散射损失结构部分具有至少一个与激光器的主流路径相对的对立端。
17.一种光学装置，包含具有表面发光半导体激光器的光源装置，其中所述表面发光半导体激光器具有通过设置第一和第二分布布拉格反射镜和位于此两者之间的有源层形成的垂直方向谐振器，具有至少一个与激光器的主流路径相对的对立端的腔体或通过在腔体中填充低折射率材料制成的低折射率区域被设置在所述谐振器的外围部分中，所述低折射率区域的对立端与主流路径的电流流动方向交叉的截面形状为沿朝向激光器的主流路径的中心方向逐渐变细。
全文摘要
公开了一种能够稳定地保持高功率的单一水平模式的结构的表面发光半导体激光器和一种包含具有表面发光半导体激光器的光源装置的光学装置。由低折射率区域组成的散射损失结构部分被设置为围绕表面发光半导体激光器的主流路径，即围绕腔体结构部分；低折射率区域被以一定间隔设置；与中心部分相对的顶端部分的形状被设为逐渐变细的形状，例如为一个锐角。因此，在腔体结构部分中，位于外围部分中的高阶模式发射光的损失变大，从而可以构造一种能够振荡出具有良好特性的单一模式激光的表面发光半导体激光器。
文档编号H01S5/183GK1627576SQ20041010054
公开日2005年6月15日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者马场俊彦, 松园淳史, 古川昭夫, 佐佐木智, 星光成 申请人:索尼株式会社, 马场俊彦