JP2003309321A

JP2003309321A - 分布帰還型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2003309321A
Application number: JP2003150715A
Authority: JP
Inventors: Takuo Morimoto; 卓夫森本
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】均一グレーティングＤＦＢレーザ並の光出力が
得られる製造が容易なλ／４位相シフトＤＦＢレーザを
提供する。【解決手段】本発明の分布帰還型半導体レーザは、回折
格子上にλ／４の位相シフト点を有する分布帰還型半導
体レーザにおいて、周期又は位相差を異ならせた複数の
グレ−ティングの組合わせにより、結合係数が共振器軸
方向で変化する回折格子を備え、前記複数のグレ−ティ
ングの山の高さを一定とし、前記共振器軸方向の所定領
域ごとそれぞれのグレ−ティングの周期又は位相差を変
化させ、前記回折格子の結合係数を前記共振器軸方向で
段階的に変化させる構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分布帰還型半導体
レーザに関し、特に結合係数が共振器軸方向で変化する
分布帰還型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】回折格子を備えた分布帰還型半導体レー
ザ(Distributed Feedback Laser ：以下、ＤＦＢレーザ
と称する) は、Bragg 反射を利用することにより、変調
時においても単一波長のレーザ発振動作が得られること
から、長距離光ファイバ通信に広く用いられている。そ
して現在広く用いられているＤＦＢレーザには、均一グ
レーティングＤＦＢレーザと、λ／４位相シフトＤＦＢ
レーザがある。

【０００３】均一グレーティングＤＦＢレーザは、回折
格子のピッチが一定で位相の飛びもなく、共振器の両端
面は無反射コーティング膜（以下、ＡＲコーティング膜
と称する）と高反射コーティング膜（以下、ＨＲコーテ
ィング膜と称する）が施されている。またλ／４位相シ
フトＤＦＢレーザは、共振器軸方向の中央にλ／４位相
シフト点があり、共振器の両端面はＡＲ−ＡＲコーティ
ングが施されている。

【０００４】上述のように均一グレーティングＤＦＢレ
ーザは、ＡＲ−ＨＲコーティングを施してあるためＡＲ
側から大きな光出力が得られるが、λ／４位相シフトＤ
ＦＢレーザは基本的には両端面からの光出力が同じなの
で、均一グレーティングＤＦＢレーザに比べて前方から
取り出せる光出力が小さくなる。然しながら均一グレー
ティングＤＦＢレーザは、λ／４位相シフトＤＦＢレー
ザに比べ、シングルモード性が劣り製造上の歩留りが悪
く、またレーザをデジタルで変調した時の動的なシング
ルモード性も劣るため、光通信に使用した場合に信号誤
り率が大きくなるという欠点がある。

【０００５】シングルモード性を定量的に扱う値とし
て、通常Δαで表される閾値利得差がある。レーザは、
光導波路の利得がある値以上になるとレーザ発振し、こ
のレーザ発振の利得を閾値利得と言うが、ＤＦＢレーザ
では異なった波長で発振するそれぞれのモードに対して
閾値利得がある。そして最も低い閾値利得を有するモー
ドと次に低い閾値利得を有するモードとの、閾値利得の
差を閾値利得差Δαと言うが、構造上、λ／４位相シフ
トＤＦＢレーザでは大きな閾値利得差が得られるが、均
一グレーティングＤＦＢレーザでは小さな閾値利得差し
か得られない。

【０００６】均一グレーティングＤＦＢレーザとλ／４
位相シフトＤＦＢレーザとは、光通信に使用する場合、
それぞれ上述のような合い反する長所と短所があり、こ
れらの短所を解消するレーザの研究が行われている。例
えば、昭和６０年度電子通信学会半導体・材料部門全国
大会、論文番号３１０（1985）では、λ／４位相シフト
ＤＦＢレーザにおいて、ＡＲ−ＨＲコーティングを施
し、位相シフト位置を後方のＨＲ側にずらすことによっ
て、閾値利得差をある程度の値に保持しながら前方光出
力を大きく取り出す方法が提案されている。

【０００７】然しながらＨＲコーティングを施したＤＦ
Ｂレーザは、一般に回折格子の端面位相により閾値利得
差が変動し、このため論理的にある確率でシングルモー
ド不良が発生する。このためＡＲ−ＨＲコーティングを
施した非対称型λ／４位相シフトＤＦＢレーザは、均一
グレーティングＤＦＢレーザよりシングルモード歩留り
が向上したとしても、ある一定の割合で不良が発生する
のを避けられない。

【０００８】また、ＡＲ−ＡＲコーティングのλ／４位
相シフトＤＦＢレーザにおいても、前方光出力と後方光
出力を異ならせようとする研究がなされている。例え
ば、"Asymmetric λ/4-Shifet InGaAsP/InP DFB Laser
s" M.Usami et.(IEEE J. Quantum Electron., QE-23,
p.815〜821，１９８７年６月) では、共振器軸方向の中
央からλ／４位相シフト点を前方にずらすことにより、
それ程シングルモード性を損なわずに前方光出力を向上
させる方法を開示している。

【０００９】また例えば特公平１−３７８７２号公報で
は、位相シフト点の前後で回折格子の高さを変化させ
て、前方光出力と後方光出力とを変化させる方法を開示
している。また、このような回折格子の高さを変化させ
た場合の解析については、例えば、" λ/4-Shifet InGa
AsP/InP DFB Lasers" k.Utaka et.(IEEE J. Quantum E
lectron., QE-22, p.1042〜1051 ，１９８６年７月) に
述べられている。

【００１０】以下、従来の分布帰還型半導体レーザにつ
いて、図面を参照して説明する。図６は、従来のこの種
の分布帰還型半導体レーザの構成の一例を示す断面図で
ある。図６において、１はｎ型ＩｎＰ基板、２は回折格
子、３はｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層、４はＳＣＨ−歪
ＭＱＷ層、５はｐ−ＩｎＰクラッド層、６はｐ−コンタ
クト層、７はｐ側電極、８はｎ側電極、９はＡＲコーテ
ィング膜を示す。表面面方位が（１００）のｎ型ＩｎＰ
基板１に、共振器軸方向に対して中央の位置にλ／４位
相シフトのある回折格子２が刻まれる。回折格子２のピ
ッチは光導波路内の光の波長の半分であることから、こ
の位相シフトは、回折格子の位相をπずらしたものであ
る。

【００１１】図６に示すλ／４位相シフトＤＦＢレーザ
の特徴的なことは、回折格子２の山の高さをλ／４位相
シフト位置から前方側では低くし、後方側では高くして
いる点である。この回折格子２を形成した基板１の上に
は、厚さが100nm でバンドギャップ波長が1.15μmの(1.
15μm 組成の) ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、活性
層、ｐ−ＩｎＰクラッド層５が積層される。近年では、
活性層にＳＣＨ−歪ＭＱＷ層４が用いられる。ＳＣＨと
は、Separate Confinement Heterostructureの略であ
り、歪ＭＱＷの両側にＩｎＧａＡｓＰ層が設けられて光
閉じ込め効果を有しており、ＭＱＷとは、Multi-Quantu
m Wellの略であり、多重量子井戸構造と呼ばれるもので
ある。

【００１２】このような回折格子を有した光導波路で
は、共振器軸方向に等価屈折率が例えば、 n =n₀+n₁・c
os( ２β₀z+ Ω) のように周期的に変動している。ここ
で真空中の光の波数をk0とおいて、 κ =k₀n₁/2 と定
義されるκを結合係数と呼ぶ。図６に示すレーザは、λ
／４シフト点の前後で結合係数κを変化させるために、
回折格子の高さを変化させている例であるが、結合係数
κを変化させるために回折格子のデューティを変える構
成のものもある。

【００１３】ＤＦＢレーザでは、光のフィールド強度を
共振器軸方向分布でなるべくフラットにするため、設計
上、結合係数κを共振器軸方向で変化させると良い場合
がある。例えば特開平８−２５５９５４号公報では、λ
／４シフトＤＦＢレーザにおいて、λ／４位置でフィー
ルドが大きくなりキャリア密度が小さくなる軸方向のス
ペーシャルホールバーニングを抑制するために、回折格
子のデューティを変化させ、共振器軸方向の中央部分で
結合係数を小さくしている。この場合、回折格子の高さ
を変化させる構成ではないので、製造は比較的容易に行
える。

【００１４】同じ目的で、特公平８−１７２６２号公報
では、高次の回折格子を用いることを前提としている。
然しながら２次の回折格子は１次の回折格子に比べて、
Bragg 反射による分布帰還が格段に弱まるため最適設計
とならず、実際にこのような方法を適用した製品例はな
い。

【００１５】またアナログ用途のＤＦＢレーザでは、注
入電流に対する光出力特性のリニアリティを向上させる
ために、特に、共振器軸方向の光のフィールドフラット
ネスが要求される。均一グレーティングＤＦＢレーザに
おいて、このようなフィールドフラットネスを実現する
ためには、ＡＲ側の結合係数を大きく、ＨＲ側の結合係
数を小さくすればよいが、特開平９−６４４５６号公報
では、選択成長の成長阻止マスク幅より、エピタキシャ
ル層の層厚が変化することを利用して、共振器軸方向の
結合係数を変化させている。アナログ性能を向上させる
という同じ目的をもった例としては、特開平６−３１０
８０６号公報があり、この場合はＡＲ側の一部にのみ回
折格子を持たせ、ＨＲ側の領域の回折格子を無くしてい
る。

【００１６】また均一グレーティングに比べ、位相シフ
トを回折格子に導入するのは、製造が難しいという欠点
がある。例えば特開昭６１−２２２１８９号公報では、
活性層の上下に回折格子を設け、それらの回折格子のピ
ッチをずらしてシングルモード発振するようにしてい
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の分布帰
還型半導体レーザは、以下のような問題点があった。

【００１８】例えば特公平１−３７８７２号公報のよう
に、結合係数を共振器の途中でκ₁＞κ₂ のように変化
させることが製造上非常に難しいという問題がある。今
日、歪ＭＯＷは、有機金属気相成長法（以下、ＭＯ−Ｖ
ＰＥ法と呼ぶ）で結晶成長させるが、このとき基板上に
形成した回折格子を、フォスフィン(PH₃) ，アルシン(A
sH₃)雰囲気中で昇温中に崩して、所望の高さを得てい
る。従って共振器軸方向でその高さが変化する回折格子
の製造再現性が十分確保できないからである。

【００１９】なお上述した特開平８−２５５９５４号公
報では、回折格子の高さは一定としデユーティ比を変化
させているが、長波光通信用のＤＦＢレーザでは回折格
子のピッチは２００ｎｍ〜２５０ｎｍ程度であり、１つ
の回折格子の山の長さは１００ｎｍ〜１２０ｎｍ程度で
あり、この長さを変調しようとすると、１０ｎｍオーダ
のパターン形成精度が要求されることになり、このよう
なパターン形成技術は今日の量産技術には存在しないた
め同様に製造が困難である。

【００２０】また、上述の特開平９−６４４５６号公報
では、選択成長の成長阻止マスク幅により、エピタキシ
ャル層の層厚が変化することを利用して、共振器軸方向
の結合係数を変化させることとしており、この方法を用
いれば回折格子の高さを精度良く形成できるが、選択成
長のマスク幅依存性を利用するため、回折格子の高さの
変化にも限度があり、従って非対称λ／４シフトＤＦＢ
レーザのように、かなりの大きさで回折格子の高さを変
化させたい場合には適用できない。

【００２１】また、上述の特開昭６１−２２２１８９号
公報のように、活性層の上下に回折格子を設けることに
より、製造の難しい位相シフトを用いずに閾値利得を向
上させようとする試みの場合でも、確率的にシングルモ
ードの不良が発生する。活性層の上下では、互いの回折
格子の位相差を制御することができず、その位相の違い
により閾値利得差が著しく低下する場合が生じるからで
ある。

【００２２】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、閾値利得差を良好に維持できると共
に端面位相の影響を受けず、且つ均一グレーティングＤ
ＦＢレーザ並の光出力が得られる製造が容易なＤＦＢレ
ーザを提供することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】大きなκの変化を共振器
軸方向で回折格子の高さを変化させることにより形成す
るのは、実際のＭＯ−ＶＰＥ成長を考えると、相当難し
い。そこで回折格子の高さを一定という条件で、結合係
数κを変化させることを考える。結合係数は、導波路方
向に等価屈折率が三角関数で変化している変化幅に比例
している量である。そこで三角関数の足し合わせの性質
を利用し、導波路に平行して複数のグレーティングを形
成し、これらのグレーティングを領域ごとに位相差を変
化させることにより、合計の結合係数を変化させること
ができる。

【００２４】また、このような複数の回折格子の製造
は、今日のＥＢ技術を用いれば、同一面内に違ったピッ
チや位相の回折格子を形成することが可能である。ま
た、同じ高さの回折格子を所々間引くことによって、平
均的に結合係数を変化させることができる。特に、回折
格子の有る領域と無い領域の繰り返しを共振器軸方向に
対して斜めに設定すれば、共振器軸方向の結合係数の変
化はなだらかになり、また活性層形成位置が共振器方向
に対して垂直の方向にずれたとしても、平均の結合係数
が変化することはない。

【００２５】具体的な構成としては、本発明の分布帰還
型半導体レーザは、回折格子上にλ／４の位相シフト点
を有する分布帰還型半導体レーザにおいて、周期又は位
相差を異ならせた複数のグレ−ティングの組合わせによ
り、結合係数が共振器軸方向で変化する回折格子を備
え、前記複数のグレ−ティングの山の高さを一定とし、
前記共振器軸方向の所定領域ごとそれぞれのグレ−ティ
ングの周期又は位相差を変化させ、前記回折格子の結合
係数を前記共振器軸方向で段階的に変化させることを特
徴とする。

【００２６】また、結合係数を大きくする領域では前記
複数のグレ−ティングの位相を互いに一致させ、結合係
数を小さくする領域では前記複数のグレ−ティングの位
相を互いにずらせることを特徴とする。

【００２７】また、前記複数のグレ−ティングを、前記
共振器軸方向に並列して左右に別れた２つのグレ−ティ
ングとしたことを特徴とする。

【００２８】また、前記２つのグレ−ティングは、その
周期数が前記共振器長Ｌ内で互いに１周期だけ異なるよ
うに僅かに周期を異ならせ、それぞれの共振器端面で位
相が一致し、共振器中央で位相がπだけずれた構成とし
たことを特徴とする。

【００２９】また、前記２つのグレ−ティングは、光導
波路を選択成長で形成する活性層幅を変調し、選択成長
部の両端面に形成されることを特徴とする。

【００３０】また、共振器長Ｌより十分小さい間隔でグ
レ−ティングを形成する領域とグレ−ティングを形成し
ない領域とを繰り返しパターンで設けることとし、これ
らの領域の比率を変化させることで平均的な結合係数を
前記共振器軸方向に変化させる回折格子を備えたことを
特徴とする。

【００３１】また、前記グレ−ティングを形成する領域
とグレ−ティングを形成しない領域との繰り返しパター
ンを共振器軸方向に対して斜めに設けたことを特徴とす
る分布帰還型半導体レーザ。

【００３２】さらに、ある領域ではグレ−ティングの山
がｍ個中ｎ個の割合で存在するように間引かれ、他の領
域ではグレ−ティングの山がｐ個中ｑ個（ｍ，ｎ，ｐ，
ｑは共に１以上の整数でｍ＞ｎ，ｐ＞ｑ）の割合で存在
するように間引かれており、平均的な結合係数をｎ／
ｍ：ｑ／ｐの比率で前記共振器軸方向に変化させる回折
格子を備えたことを特徴とする

【００３３】

【発明の実施の形態】実施形態１．例えば上述の図６に
示す分布帰還型半導体レーザでは、回折格子の結合係数
κを軸方向に変化させる必要性がある。この結合係数κ
はほぼ回折格子のグレーティング高さに比例するため、
これを変化させれば良いのであるが、実際のグレーティ
ング埋め込み成長でグレーティング保存高さ（凹凸の深
さ）を各領域によって変化させることは困難である。従
って本実施形態１では、光導波路の上または下にグレー
ティングを左右に分けて並列させ、κを高める必要のあ
る領域では左右のグレーティングの位相を合わせ、κを
低くする必要のある領域では左右のグレーティングの位
相をずらす構造とする。以下、この実施形態１を図面を
参照して説明する。

【００３４】図１は、本発明の実施形態１を説明するた
めの回折格子構造を示す斜視図である。上述したように
結合係数を共振器軸方向で変化させることができれば、
良好なＤＦＢレーザ特性が得られるが、実際の製造では
結合係数の変化を回折格子の高さで変化させることは難
しい。従って本実施形態１では、回折格子の高さを一定
としながら結合係数を変化させる構造とする。本実施形
態１の分布帰還型ＤＦＢレーザは、図１に示すように、
先ず表面面方位が（１００）のｎ型ＩｎＰ基板１に、
［０１１］方向に伸びた幅3μm の二酸化シリコン膜１
０を二対、間隔1.8μm で形成する。この二酸化シリコ
ン膜１０は、活性層をＭＯ−ＶＰＥ選択成長で形成する
ための成長阻止マスクとなる。ＤＦＢレーザの活性層を
選択成長で形成する理由は、活性層幅を制御良くバラツ
キを少なく製造するためであり、この結果として結合係
数や発振波長を精密に制御でき、活性層幅のうねりによ
るキンクの発生を無くすことができる。このＭＯ−ＶＰ
Ｅの選択成長で、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰのエピタキシ
ャル成長を行うが、原料ガスは、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ａｓ
Ｈ₃ 、ＰＨ₃ を用い、有機金属は水素のバブリングによ
り供給する。ドーピングについては、適宜、Ｓｉ₂ Ｈ
₆ 、ＤＭＺn を水素で希釈したガスを用いる。また成長
圧力は75Torrとする。

【００３５】回折格子２は、二酸化シリコン膜１０の隙
間1.8μm の中で、２つのグレーティングを並列させ
る。光導波路の等価屈折率の変化は、２つのグレーティ
ングの寄与の足し算となる。これを模式的に示したのが
図２である。

【００３６】２つのグレーティングは、後方0.38L の領
域において位相を合わせる。そして後方から0.38L の位
置でλ／４シフトを導入する。λ／４シフトは、屈折率
変化の位相をπずらすことであるが、これは屈折率の符
号を反転させることと等価である。そこでλ／４位置か
ら前方では、後方に対してグレーティングの変化の符号
を反転させるが、それと同時に一方のグレーティングの
位相を、cos^-1(1/3)、他方のグレーティングの位相を-c
os^-1(1/3) ずらす。

【００３７】このように互いに位相をずらすことによ
り、前方側での結合係数は減少し、後方側の１／３にな
る。このことを式で表すと、以下のようになる。位相シ
フト位置をz=0 とすると、後方側： -sin(z)-sin(z)=-2sin(z) 前方側： sin(z+cos^-1(1/3))+sin(z-cos^-1(1/3))=2/3s
in(z)

【００３８】ここでは結合係数を３：１で変化させる場
合について述べたが、勿論一般化することができる。こ
のように２つのグレーティングを組み合わせるとき、活
性層幅の中で、２つのグレーティングの寄与が丁度半分
半分になっていないとこの足し合わせが狂ってくること
になる。然しながら今日では、ＥＢ（エレクトロンビー
ム加工）によりグレーティングを形成することができる
ため、十分な目合わせ精度でこのような回折格子を形成
できる。

【００３９】すなわち本実施形態１は、２本のグレーテ
ィングの位相差を変化させ、干渉によりトータルとして
の結合係数κを段階的に変化させることとする。大きな
前方光出力を得たい場合、λ／４シフト位置の前後でκ
を変化させると効果的であることは上述したが、κの大
きな部分は各グレーティングの位相差を０とし、κの小
さな部分は適当な位相差を設ける。この構造によりグレ
ーティングの高さやデューティ比等によりκの大きさを
制御する必要がなくなり、製造が容易でフレキシブルな
制御が可能となり、素子歩留まりを大幅に改善し、製造
コストの低減が可能な分布帰還型半導体レーザが得られ
ることとなる。

【００４０】実施形態２．次に本発明の分布帰還型半導
体レーザの実施形態２について説明する。λ／４位相シ
フトを導入した分布帰還型半導体レーザでは、λ／４位
置でフィールドが大きくなりキャリア密度が小さくなる
ホールバーニングの問題がある。これを解決するために
は、位相シフト点近傍でグレーティングの結合係数を小
さくすれば良い。従来グレーティングの結合係数を小さ
くする方法として、グレーティングの深さを制御した
り、例えば上述の特開平８−２５５９５４号公報のよう
にグレーティングのデューティ比を変化させる方法が試
みられているが、深さを制御する方法は上述のように困
難であり、デューティ比を制御する方法も共振器中央で
極めて小さな幅（50nm以下）でＩｎＧａＡｓＰ薄膜を残
す必要があり現実的には不可能である。

【００４１】従って本実施形態２では、幅が変調された
ストライブ上に選択成長で光導波路を形成することによ
って活性層側面に回折格子を形成する分布帰還型半導体
レーザにおいて、二対の左右の側面のグレーティングの
ピッチを僅かに変え、位相が導波路の両端で一致し、中
央で反転する構造とする。ピッチの僅かに異なる２つの
グレーティングは、ＥＢで形成することにより、κを軸
方向に高精度に変化させることができ、κを中央は小さ
く、端では大きくなるような変化を極めてなだらかに実
現でき、ホールバーニングの影響を非常に良く抑制する
ことができるようになる。

【００４２】図３は、この実施形態２を説明するための
回折格子の構造を示す図である。本実施形態２において
は、実施形態１で述べた二対の二酸化シリコン膜１０の
間隔を変調することにより、選択成長で形成する活性層
幅を変調して等価屈折率を変調する構造とした。従って
回折格子は選択成長の（１１１）Ｂ面斜面に形成される
ようになる。そして両斜面のグレーティングの位相や周
期を、互いに僅かに異ならせることにより、結合係数を
共振器軸方向で変化させる。図３の例は、対称型λ／４
シフトＤＦＢレーザにおいて、軸方向のスペーシャルホ
ールバーニングを解決するために、共振器中央部で結合
係数を小さくするための構造である。

【００４３】この回折格子構造では、２つのグレーティ
ングの高さは等しく、位相も途中で不連続に変わること
はない。ただピッチを僅かに異ならせ、共振器の長さの
間で、一周期だけ変わらせるようにする。このとき両共
振器端面では、２つのグレーティングの位相を一致さ
せ、共振器中央で位相が反転するようにする。このよう
にすると結合係数は中央に向かって緩やかに減少して行
き、三角関数の足し合わせを考えると、符号が中央で逆
転することから、λ／４位相シフトとなる。このような
２つのグレーティングの形成は、二酸化シリコン膜１０
のパターニングをＥＢで行うことにより可能である。

【００４４】更に詳述すると、回折格子をピッチの僅か
に異なる２つのグレーティングで構成し、軸方向 zの等
価屈折率の分布で、以下のような”うなり”を起こさせ
る（ピッチΛ 《共振器長Ｌ）。この式からピッチが
Λ² /L だけ異なるグレーティングを組み合わせると、
κが軸方向に 2cos(πz/L)のように変化し、ｚ＜L/2で
はκは正に、ｚ＞L/2 ではκは負になり、κの符号が反
転するところでκの絶対値を０に漸近させることができ
る。κの正負が反転するということはλ／４位相シフト
を導入することと等価であるため、この構造はλ／４点
でκを小さくするグレーティング構造とできる。

【００４５】実施形態３．次に本発明の分布帰還型半導
体レーザの実施形態３について説明する。分布帰還型半
導体レーザでは、軸方向の光のフィールド分布を制御す
るために、グレーティングの結合係数κを軸方向で変化
させたい場合がある。このような場合、従来では埋め込
んだ回折格子の高さや層数を変化させる構造としている
が、この構造は製造工程が複雑でコスト高になる。この
実施形態３では、グレーティングを形成する領域を導波
路方向に対して斜めの複数のストライブ状領域とし、グ
レーティングのある領域と無い領域とを設け、これらの
領域の比率を変化させることで、結合係数κを変化させ
る回折格子構造とした。

【００４６】図４は、本実施形態３を説明するための回
折格子の構造を示す図である。選択成長によりＤＦＢレ
ーザを製造する場合については上述したが、レーザの製
造方法には、エッチングにより活性層の横幅を形成する
方法もある。このエッチングによる方法の場合、上述し
た回折格子を左右に分ける方法は、左右に分けるライン
を活性層の横幅の中心にもってくる目合わせが困難にな
る。従って本実施形態３では、ＥＢによって作成したグ
レーティングに対して、活性層位置のトレランスのある
構造とする。

【００４７】結合係数の大小は、回折格子の有る部分と
無い部分とを繰り返すことによって、平均的に結合係数
を変化させることで制御する。図４の黒く塗った部分が
ＥＢにより露光する部分である。作成するＤＦＢレーザ
構造は、後方から0.38L の位置にλ／４シフトがあり、
λ／４シフト位置から後方部では、κ₁L=3.3、前方部で
はκ₂L=1.1とする。

【００４８】これを実現するために、後方部分は通常通
りのグレーティング領域を形成するが、前方部分はグレ
ーティングを形成する領域を活性層の1/3 とする。この
1/3の領域の設定の仕方は、共振器方向に垂直な断面で
みて、グレーティングのある部分が0.4μm 、回折格子
の無い部分が0.8μm とする。そして、グレーティング
の有無のパターン領域の方向を、共振器軸方向に対して
斜め方向とする。このようにグレーティングの形成領域
を1/3 とすることにより、結合係数は約1/3 となる（厳
密には、共振器軸方向で結合係数値が波打つが、平均す
ると1/3となっており、ＤＦＢレーザ設計を大きく狂わ
せる程度にはならない）。このＥＢのパターンは、活性
層領域となる1.5μm 幅より広い領域で形成する。

【００４９】このようにすると活性層を1.5μm 幅に切
るフォトレジスト工程において、横方向の位置ずれが生
じても、結合係数の平均値は変動しない。そしてグレー
ティングの有る無しの繰り返し方向が、共振器軸方向に
対して垂直になっていれば、横の位置ずれに対しグレー
ティングにかかる光のフィールドの大きさが変わってく
るため結合係数が変化してしまうが、本実施形態の構造
では平均的な結合係数で考えれば良いので、その値は変
動しない。

【００５０】更に詳述すれば、ＩｎＰ基板にＥＢで回折
格子を形成する際、κを小さくする部分において、グレ
ーティングを形成する領域を、導波路方向に対して斜め
の複数のストライブ状の領域とする。このストライブの
幅(0.4μm) により、κの大きさを制御する。この後、
ガイド層，活性層，グラッド層を成長した後、導波路幅
が1.5μm になるようにメサエッチングを行うが、この
ときは目合わせずれが起きたとしてもκの大きさは変動
しない。これは、グレーティング形成領域が斜めのスト
ライプ状となっているため、横にずれてもグレーティン
グ領域の比率が変化しないためである。仮にグレーティ
ングの形成領域が、斜めでなく導波路方向に平行な複数
のストライプであるとすると、活性層の横の位置ずれに
対してκの変化を鈍感にさせるためには、各ストライプ
幅は0.2μm 以下と極めて短くする必要がでてくる。こ
れはピッチと同レベルであるため、グレーティングは殆
どドットとなり、エッチングの制御性が低下してしま
う。このためκの制御性は向上しない。本実施形態３で
は、上述のような構成とすることにより、回折格子形成
のためのエッチングと、κ変化のためのエッチングを同
じ工程で行え、κの変化率をグレーティング形成領域の
比率で制御できるため極めて正確な制御が行えるように
なる。

【００５１】実施形態４．次に、本発明の分布帰還型半
導体レーザの実施形態４について説明する。図５は、本
発明の実施形態４を説明するための分布帰還型半導体レ
ーザの断面図である。上述の実施形態３では、グレーテ
ィングを形成する領域を縞模様とするか否かにより、平
均的な結合係数を変化させることとしているが、それで
も微妙に結合係数値が波打っている。そこでこの実施形
態４においては、グレーティングの数周期レベルで、グ
レーティングの山の有る無しを設定し、なめらかな結合
係数が得られる構造とした。

【００５２】図５の例では、後方0.38L までに対して、
前方0.62L の部分が結合係数を1/3とする例である。後
方部分は通常のグレーティングであるが、前方部分では
３個に１個だけ山を残す構成とした。結合係数はピッチ
をΛとして、共振器軸方向の等価屈折率の変調をフーリ
エ展開したときのcos(2 πZ/Λ+ Ω) の係数に比例する
ことから、このように３個に１個山を残すようにする
と、結合係数が1/3 になる。すなわち高次の回折格子の
結合係数への寄与は、１次の回折格子の寄与に比べて無
視できるからであり、また３個に１個の山があるのは、
３次の回折格子でもあるが、１次の回折格子としても1/
3 の効果がある。これはフーリェ係数的にいって明らか
である。

【００５３】一般には、ある領域ではｍ個中ｎ個、別の
領域ではｐ個中ｑ個、回折格子の山を残すようにすれ
ば、結合係数をｎ／ｍ：ｑ／ｐの比率で変化させること
ができる。しかし図５に示すように、３倍周期で回折格
子の山を残すようにすると、Bragg 反射は、光導波路の
上下の角度に対しても起こり、パワーロスが生じる。そ
こでこのような周期性はなるべく無いようにランダムに
回折格子を残すことが望ましい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の分布帰還型
半導体レーザは上述のような構成とすることにより、以
下のような効果を生じる。

【００５５】第１には実施形態１及び実施形態２記載の
ように、複数の回折格子の位相差やピッチ差を利用する
構造とすることで、共振器軸方向の結合係数分布を精度
良く製造できるようになる。その理由は、回折格子の高
さは一定で良いため、回折格子の高さを数ｎｍといった
精度で制御しなくて良いからである。また回折格子の１
つ１つのデューティも一定で良いため、数10nmといった
精度でパターニングを行う必要がなくなる。また、この
ような複数の回折格子は、１つのフォトレジスト工程の
ＥＢで行えるため、互いの位相差やピッチ差を形成する
ことが可能となる。

【００５６】第２には、回折格子の有無を共振器長に比
べて短い周期で繰り返し、その比率を変えることによっ
て平均的に結合係数を共振器方向で変化させる方法にお
いても、結合係数分布を精度，再現性良く作成できるよ
うになる。その理由は、１つは実施形態３記載のよう
に、回折格子の有無の繰り返しを共振器軸方向に対して
斜め方向に形成することにより、活性層位置のずれに対
して結合係数が変化しなくなり、また同時に結合係数が
回折格子の有無を平均化した滑らかな値が得られるから
である。また他の１つは実施形態４記載のように、回折
格子の山の有り無しを数個レベルで繰り返す方法によ
り、結合係数の平均値が凹凸しないようにすることがで
きる。

【００５７】このような結合係数の良好な制御性が得ら
れる理由は、回折格子の山の高さを一定としながら結合
係数を変化させる構造としたからであり、同時に回折格
子のパターニングをドーズ量を変調したＥＢ露光で形成
できるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を説明するための図であ
る。

【図２】本発明の実施形態１を説明するための図であ
る。

【図３】本発明の実施形態２を説明するための図であ
る。

【図４】本発明の実施形態３を説明するための図であ
る。

【図５】本発明の実施形態４を説明するための図であ
る。

【図６】従来の分布帰還型半導体レーザの一例を示す図
である。

【符号の説明】

１ｎ型ＩｎＰ基板２回折格子３ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層４ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層（活性層）５ｐ−ＩｎＰクラッド層６ｐ−コンタクト層７ｐ側電極８ｎ側電極９ＡＲコーティング膜１０二酸化シリコン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回折格子上にλ／４の位相シフト点を有
する分布帰還型半導体レーザにおいて、周期又は位相差を異ならせた複数のグレ−ティングの組
合わせにより、結合係数が共振器軸方向で変化する回折
格子を備え、前記複数のグレ−ティングの山の高さを一定とし、前記
共振器軸方向の所定領域ごとそれぞれのグレ−ティング
の周期又は位相差を変化させ、前記回折格子の結合係数
を前記共振器軸方向で段階的に変化させることを特徴と
する分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】請求項１に記載の分布帰還型半導体レー
ザにおいて、結合係数を大きくする領域では前記複数のグレ−ティン
グの位相を互いに一致させ、結合係数を小さくする領域
では前記複数のグレ−ティングの位相を互いにずらせる
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】請求項１又は２に記載の分布帰還型半導
体レーザにおいて、前記複数のグレ−ティングを、前記共振器軸方向に並列
して左右に別れた２つのグレ−ティングとしたことを特
徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】請求項１に記載の分布帰還型半導体レー
ザにおいて、前記２つのグレ−ティングは、その周期数が前記共振器
長Ｌ内で互いに１周期だけ異なるように僅かに周期を異
ならせ、それぞれの共振器端面で位相が一致し、共振器中央で位
相がπだけずれた構成を特徴とする分布帰還型半導体レ
ーザ。
【請求項５】請求項３又は４に記載の分布帰還型半導
体レーザにおいて、前記２つのグレ−ティングは、光導波路を選択成長で形
成する活性層幅を変調し、選択成長部の両端面に形成さ
れることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】回折格子上にλ／４の位相シフト点を有
する分布帰還型半導体レーザにおいて、共振器長Ｌより十分小さい間隔でグレ−ティングを形成
する領域とグレ−ティングを形成しない領域とを繰り返
しパターンで設けることとし、これらの領域の比率を変
化させることで平均的な結合係数を前記共振器軸方向に
変化させる回折格子を備えたことを特徴とする分布帰還
型半導体レーザ。
【請求項７】請求項６に記載の分布帰還型半導体レー
ザにおいて、前記グレ−ティングを形成する領域とグレ−ティングを
形成しない領域との繰り返しパターンを前記共振器軸方
向に対して斜めに設けたことを特徴とする分布帰還型半
導体レーザ。
【請求項８】回折格子上にλ／４の位相シフト点を有
する分布帰還型半導体レーザにおいて、ある領域ではグレ−ティングの山がｍ個中ｎ個の割合で
存在するように間引かれ、他の領域ではグレ−ティング
の山がｐ個中ｑ個（ｍ，ｎ，ｐ，ｑは共に１以上の整数
でｍ＞ｎ，ｐ＞ｑ）の割合で存在するように間引かれて
おり、平均的な結合係数をｎ／ｍ：ｑ／ｐの比率で前記
共振器軸方向に変化させる回折格子を備えたことを特徴
とする分布帰還型半導体レーザ。