JP2004031827A - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】出力光強度を上昇し、かつ出力波長精度を向上する。
【解決手段】半導体基板１１と、この半導体基板の上方に備えられ、光２３の出射方向に互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層１８と、この活性層の上方に配置されたクラッド層１９とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
第１の回折格子層を構成する第１の回折格子１６ａと第２の回折格子層を構成する第２の回折格子１６ｂとは同一格子間隔ｄを有し、第１の回折格子と第２の回折格子との間で空間的に格子配列の位相がシフトΔｄしている。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザに係わり、特に、単一波長の光を出力する分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザにおいては、例えば、図１３（ａ）に示すように、半導体基板１上に活性層２及びクラッド層３が積層されており、半導体基板１の下面とクラッド層３の上面との間に電圧を印加すると、活性層２の端面から光４が出力される。しかし、この光４は、詳細に検証すると、図１３（ｂ）に示すように、それぞれ波長λが微妙に異なる複数の光の集合とみなせる。
【０００３】
そこで、単一波長λ_０の光４を出力させるために、図１３（ｃ）に示すように、活性層２の隣接位置に光４の出射方向に回折格子５を形成した分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　：ＤＦＢ）半導体レーザが提唱されている。このように回折格子５が組込まれた分布帰還型半導体レーザにおいては、光導波路の等価屈折率をｎ、格子間隔をｄとすると、この活性層２で発生した多数の波長λを有する光のうち、波長λが、λ＝２ｎｄの条件を満たす単一波長λ_０（＝２ｎｄ）の光４ａが出力される筈である。
【０００４】
しかし、分布帰還型半導体レーザは、図１３（ｃ）に示すように内部に形成される回折格子５が光の出射方向に沿って一様な位相連続型の場合には、原理的に単一波長λ_０のみで発振する「単一モード発振」は実現せず、図１３（ｄ）に示すように、λ＝２ｎｄの条件を満たす波長λ_０は出力されずに、この波長λ_０の左右に別の波長λ_＋１、λ_−１の光が出力される。
【０００５】
このような不都合を解消するためには、λ／４シフト構造と呼ばれる光の位相をλ／４だけ移相させる位相シフト構造を回折格子５の途中に形成することで「単一モード発振」を実現している。
【０００６】
しかし、途中に位相シフト構造を有する回折格子５は、単純で量産性に優れたレーザ干渉露光法による一括露光作業工程では製造できず、一般的には電子ビーム描画装置を用いて長時間かけて描画する製造方法を採用しているのが実状である。これに対し、レーザ干渉露光法で製造した回折格子でもλ／４シフト構造と同等な効果を得るための技術が特許第１７８１１８６号（特公平４―６７３５６号公報）に提案されている。
【０００７】
すなわち、この提案された分布帰還型半導体レーザにおいては、図１４に示すように、活性層２の下側に、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂを結合する平坦な結合導波路７とを同一面に一体構造で形成している。そして、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの各回折格子は、レーザ干渉露光法を用いて仮想的な単一の回折格子の一部を構成するようにそれぞれの位相を整合させて形成している。
【０００８】
そして、結合導波路７は、この結合導波路７が第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと同一構造を有していた場合に対して、伝送する光の位相をπの整数倍からずらす伝送特性を有する。
【０００９】
なお、この提案では、「第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす」としているが、製造された分布帰還型半導体レーザにおいて、単一波長の光が発生する確率が高い構造としては、「第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）になる」構造であることは明らかである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示した構造の分布帰還型半導体レーザにおいても、まだ解消すべき次のような課題があった。
【００１１】
先ず、第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす機能を有する結合導波路７の長さＬについて詳細に検討する。
【００１２】
一般に、結合導波路７において、この結合導波路７を伝送する光の位相がそこに回折格子がある場合と比較してずれるのは、回折格子の有無という光導波路の構造の違いによって、光の伝搬速度に対応する伝搬定数がわずかに異なるためである。光の伝搬定数は伝送する光が感じる等価屈折率ｎによって決まる。
【００１３】
図１５を用いて説明すると、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの光の伝搬定数と結合導波路７の伝搬定数との差は、結合導波路７の等価屈折率ｎ_１と、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの平均的な等価屈折率ｎ_０との差（ｎ_０―ｎ_１）に依存する。さらに、この等価屈折率の差（ｎ_０―ｎ_１）は、結合導波路７の厚みｈ_１と、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの各格子相互間に存在する溝の深さを考慮した平均厚みｈ_０との差（ｈ_０―ｈ_１）に依存する。
【００１４】
すなわち、この結合導波路７を伝送する光の位相のずれ量を正確にπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２…）に近づけるためには、上述した差（ｈ_０―ｈ_１）を正確に制御する必要がある。
【００１５】
しかしながら、図１４に示す従来の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと結合導波路７との断面形状の差は固定されているので、差（ｎ_０―ｎ_１）は一定値である。
【００１６】
その結果、位相ずれ量が、光の波長λ_０を２πとした場合において、複数のπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）のうちの一つのπの半奇数倍に最も近くなるように、結合導波路長Ｌを設定する必要があり、この結合導波路長Ｌを任意に選択できなかった。
【００１７】
光の出射方向に互いに離間した第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂを有する分布帰還型半導体レーザにおいて、結合導波路長Ｌが任意に選択できないと、次のような課題が生じる。
【００１８】
図１６に示すように、結合導波路長Ｌが短いと、この分布帰還型半導体レーザ内における発生する光の強度分布はほぼ山形波形となる。その結果、この分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光４の出力光強度Ｐ_０が低下する。その結果、空間的ホールバーニングによる出力低下や線幅劣化が生じやすい。
【００１９】
逆に、結合導波路長Ｌが長いと、分布帰還型半導体レーザ全体の寸法形状が大きくなるのみならず、１枚のウエハで製造できる素子の数が減少し、素子の製造単価が上昇する。
【００２０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、結合層長を任意長に設定可能にでき、その結果、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、かつ出力される光のスペクトル線幅を狭くでき、さらに出力される光の単一モード性を向上できる分布帰還型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に備えられ、光の出射方向に互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【００２２】
そして、上記課題を解消するために、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１の回折格子層を構成する第１の回折格子と第２の回折格子層を構成する第２の回折格子とは同一格子間隔を有し、第１の回折格子と第２の回折格子との間で空間的に格子配列の位相がシフトしている。
【００２３】
このように構成された分布帰還型半導体レーザにおいては、光の出射方向に互いに離間して配設された第１の回折格子と第２の回折格子とは仮想的に同一格子間隔（ピッチ）を有するが、位相が連続せずにシフトしている。すなわち、たとえ、第１の回折格子層と第２の回折格子層とが離間せずに連続していたとしても、この空間的な位相シフトの存在にて、第１の回折格子層と第２の回折格子層とを伝搬する光の位相がこの設定された位相シフト量だけずれる。
【００２４】
前述したように、第１の回折格子層と第２の回折格子層とを回折格子が形成されていない結合層を介して離間配置することによって、第１の回折格子層と第２の回折格子層とを伝搬する光の位相をずらせることができる。この光の位相のずれ量は、第１、第２の回折格子層と結合層（結合導波路）との間の断面形状の差と結合層の長さＬによって定まる。
【００２５】
前述したように、第１の回折格子層と第２の回折格子層とを伝搬する光の位相のずれ量がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２…）に近くなればよい。よって、第１の回折格子と第２の回折格子との空間的な位相シフト量と、第１、第２の回折格子層と結合層との間の断面形状の差とを調整して、伝搬する光の位相のずれ量Φを、正確にπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）になる結合層の長さＬを複数に亘って設定可能である。すなわち、この分布帰還型半導体レーザの結合層の長さＬをほぼ任意に設定可能である。
【００２６】
したがって、例えば、結合層の長さＬを長く設定することにより、空間的ホールバーニングを抑制し、高電流注入時に高い効率で光を発生させることができるため、この分布帰還型半導体レーザの高効率化を図ることができる。
【００２７】
ここで言う位相シフトとは、回折格子領域と平坦な結合層との伝搬定数差に起因する光の位相シフト量が、理想とするπ／２からずれてしまうような構造を余儀なくされる場合に、それを補完するために導入するものである。したがってπ／２やその近傍の量に限定されるものではない。素子の高出力化や狭スペクトル線幅化を優先する場合には、平坦な結合層の長さはできるだけ長くすることが望ましく、伝搬定数差に起因する光の位相シフト量はπ／２より大きくせざるを得なくなるが、この場合は回折格子に負の位相シフトを導入することで相殺することができる。
【００２８】
一方、低価格で大量に製造することを優先する場合には、１枚のウエハから取り出せるチップ数（収率）を大きくすることが望ましい。そのためにはチップ長は短くなくてはならない。結合層の長さがチップ長を越えることはできないから、伝搬定数差に起因する光の位相シフト量がπ／２に満たない場合には回折格子に正の位相シフトを導入することでこれを補うことができる。こうして様々な要求に応えられる素子設計の自由度が生み出されるのである。
【００２９】
また、別の発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に備えられ、光の出射方向に互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【００３０】
そして、上記課題を解消するために、第１の回折格子層を構成する第１の回折格子と第２の回折格子層を構成する第２の回折格子とは同一格子間隔を有し、第１の回折格子と第２の回折格子との間で空間的に格子配列の位相がシフトしている。
【００３１】
先の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の下方に第１、第２の回折格子層を配設したのに対して、この発明が適用される分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の上方に第１、第２の回折格子層を配設している。その他の構成は、先の発明の分布帰還型半導体レーザに類似している。
【００３２】
したがって、先の発明の分布帰還型半導体レーザとほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【００３３】
なお、活性層の下方に回折格子層を配設する場合においては、ｎ型半導体基板を用いた際に、ｐ側で再成長界面を作る必要がなく、Ｓｉのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【００３４】
また、活性層の上方に回折格子層を配設する場合においては、先に活性層を成長した上で回折格子の格子間隔（ピッチ）を設定できる。さらに、成長回数を１回減らすことができる。
【００３５】
また、別の発明においては、上述した各発明の分布帰還型半導体レーザにおいて、第１の回折格子の結合効率κ_１と、第２の回折格子の結合効率κ_２とが互いに異なる値に設定されている。
【００３６】
回折格子における結合効率κとは、回折格子を伝搬する光の前進波と後進波との結合の度合いを示す指標であり、結合効率κが高いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが強いことを示し、結合効率κが低いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが弱いことを示す。
【００３７】
例えば、導波路中の回折格子における格子の体積と隙間を含む格子以外の部分が占める体積との比が大きいほど結合効率κが低くなる傾向を示し、回折格子における格子の屈折率と隙間を含む格子以外の部分の屈折率との差が小さいほど結合効率κが低くなる傾向を示す。
【００３８】
第１の回折格子層の回折格子における結合効率κ_１と第２の回折格子層の回折格子における結合効率κ_２とが異なることは、第１の回折格子層における光の反射率と、第２の回折格子層における光の反射率とが異なることを示す。その結果、第１の回折格子層側の端面から出力される光の量と、第２の回折格子層側の端面から出力される光の量とを異ならせることが可能である。よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。
【００３９】
さらに、別の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体基板はＩｎＰで形成され、第１、第２の回折格子層はＩｎＧａＡｓＰで形成され、活性層はＩｎＧａＡｓＰを含む材質で形成され、クラッド層はＩｎＰで形成されている。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。
【００４１】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１の上面に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第１の回折格子層１２ａと、結合層１３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第２の回折格子層１２ｂとが形成されている。第１の回折格子層１２ａは複数の格子１４と格子相互間に存在する複数の隙間１５とからなる第１の回折格子１６ａで構成されている。一方、第２の回折格子層１２ｂは複数の格子１４と格子相互間に存在する複数の隙間１５とからなる第２の回折格子１６ｂで構成されている。そして、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間の領域を充填する結合層１３は半導体基板１１と同一材質で形成されている。
【００４２】
図２に示すように、第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの各格子１４と各隙間１５は同一形状を有しており、格子間隔ｄは等しく設定されている。しかし、第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂとの間で空間的に格子配列の位相がΔｄの距離だけシフトしている。具体的には、結合層１３が存在しなくて、第１の回折格子１６ａが、図２の点線で示すように、第２の回折格子１６ｂまで延長したと仮定した場合に、第２の回折格子１６ｂの格子配列の位相が第１の回折格子１６ａの格子配列の位相に比較してΔｄだけシフトしている。この位相シフト量Δｄは、結合層１３の長さＬとは独立して、この分布帰還型半導体レーザの製造過程で任意に設定可能である。
【００４３】
また、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する各格子１４の屈折率は半導体基板１１の屈折率より高く設定されている。
【００４４】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂ及び結合層１３の上面には、半導体基板１１と同一材料物質からなる緩衝層１７が形成されている。なお、結合層１３と緩衝層１７とは一体形成されている。この緩衝層１７の上面に、それぞれ適当な組成のＩｎＧａＡｓＰからなる、下側ＳＣＨ層、ＭＱＷ層、上側ＳＣＨ層を含む活性層１８が形成されている。この活性層１８の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１９が形成されている。
【００４５】
クラッド層１９の上面にｐ電極２０が取付けられ、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が取付られている。さらに、光２３が出射される活性層１８、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの端面には、反射防止膜２２ａ、２２ｂが形成されている。
【００４６】
なお、クラッド層１９とｐ電極２０との間に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰあるいはｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【００４７】
このように構成された第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に電圧を印加すると、活性層１８は多波長を有する光を発光するが、この多くの波長を有する光のうち、第１、第２の各回折格子１６ａ、１６ｂの格子間隔ｄと第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ_０とで定まる単一波長λ_０を有した光２３が選択されてレーザ発振される。
【００４８】
この場合、長さＬの結合層１３の存在、及び第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂ相互間の位相シフト量Δｄの存在によって、光２３の前進波と後退波との位相がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）だけずれるので、単一波長λ_０を有した光２３が出力される。
【００４９】
次に、このように構成された第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層１３の長さＬを設定する方法を図２を用いて説明する。
【００５０】
長さＬの結合層１３を伝搬する光２３の距離で表した位相のずれ量Φは、結合層１３の長さＬに光の伝搬定数の差Ｂを乗算した値に第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂ相互間の位相シフト量Δｄに相当する光の位相のずれ量ΔΦを加算した値である。伝搬定数の差Ｂは、前述したように、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ_０と結合層１３の等価屈折率ｎ_１との差（ｎ_０―ｎ_１）の関数ｆ（ｎ_０―ｎ_１）で表現できる。よって、位相のずれ量Φは下式となる。
【００５１】
Φ＝Ｌ・Ｂ＋ΔΦ＝Ｌ・［ｆ（ｎ_０―ｎ_１）］＋ΔΦ
この式から、結合層１３の長さＬは下式となる。
【００５２】
Ｌ＝（Φ―ΔΦ）／ｆ（ｎ_０―ｎ_１）
位相ずれ量Φは光の波長λ_０を２πとした場合においてπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）であるので、複数のπの半奇数倍のうちの任意のπの半奇数倍の選択と、位相シフト量Δｄと、等価屈折率の差（ｎ_０―ｎ_１）を適宜設定することによって、この分布帰還型半導体レーザの結合層１３の長さＬをほぼ任意に設定可能である。
【００５３】
したがって、図３に示すように、結合層１３の長さＬを長く設定することにより、分布帰還型半導体レーザ内で発生する光２３の強度分布特性２４における中央部分を広い範囲に亘ってほぼ平坦にでき、光の強度分布特性２４全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。これにより、高電流注入時の出力飽和を抑制できる。
【００５４】
その結果として、図４に示すように、分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光２３の出力光強度Ｐ_０を図１４に示した従来の分布帰還型半導体レーザの光４の出力光強度Ｐ_０に比較して大幅に向上でき、印加電流に対する光の出力特性２５における直線応答性を、従来の分布帰還型半導体レーザにおける出力特性２５ａに比較して改善できる。
【００５５】
さらに、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂ相互間に存在する結合層１３は、緩衝層１７と同一物質で構成され、さらに、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂは、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間１５を有している。一般に、回折格子は、複数の格子と格子相互間に存在する複数の溝とで構成さているが、この実施形態においては、各格子１４間の溝が上面から下面へ貫通する隙間１５で形成されている。
【００５６】
このように、各格子１４間の溝を隙間１５で構成することによって、この回折格子をエッチングで製造する場合の形状及び寸法の精度が向上する。すなわち、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ_０の素子相互間のバラツキが抑制され一定値に安定する。その結果、位相ずれ量Φの精度が向上し、出力される光２３の波長安定性がより一層向上する。
【００５７】
なお、この第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層１８の下方に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを配設しているので、ｎ型半導体基板を用いた際に、ｐ側で再成長界面を作る必要がなく、Ｓｉのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【００５８】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５９】
この第２実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間に存在する結合層１３は第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一物質で形成されている。さらに、第１実施形態と同様に、第１の回折格子１６ａと第２の回折格子１６ｂとは空間的に位相シフト量Δｄを有する。
【００６０】
したがって、この位相シフト量Δｄを調整することにより、結合層１３の長さＬを自由に設定することができる。よって、図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、分布帰還型半導体レーザ内で発生する光２３の強度分布特性２４における中央部分を任意の範囲に亘ってほぼ平坦にでき、光の強度分布特性２４全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。
【００６１】
（第３実施形態）
図６は本発明の第３実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００６２】
この第３実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間に存在する結合層１３を下部層１３ａと上部層１３ｂとの２層で構成している。上部層１３ｂは、上側の緩衝層１７と同一物質で形成されている。また、下部層１３ａは第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一物質で形成されている。
【００６３】
このように、第１の回折格子層１２ａ、第２の回折格子層１２ｂとの間に存在する結合層１３の下部層１３ａが、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一の物質で形成されているので、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと結合層１３との間の境界面において等価屈折率が大きく変化することはなく、この境界面での光の反射を抑制でき、この分布帰還型半導体レーザで発生する光２３の単一モード性をより一層向上できる。
【００６４】
さらに、第１実施形態と同様に、第１の回折格子１６ａと第２の回折格子１６ｂとは空間的に位相シフト量Δｄを有する。したがって、前述した各実施形態と同様に、結合層１３の長さＬをほぼ任意に設定可能である。
【００６５】
（第４実施形態）
図７は本発明の第４実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００６６】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１の上面に、それぞれ適当な組成のＩｎＧａＡｓＰからなる、下側ＳＣＨ層、ＭＱＷ層、上側ＳＣＨ層を含む活性層１８が形成されている。この活性層１８の上面には、クラッド層１９と同一材料物質からなる緩衝層１７が形成されている。この緩衝層１７の上面に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第１の回折格子層１２ａと、結合層１３と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第２の回折格子層１２ｂとが形成されている。
【００６７】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂは、それぞれ複数の格子１４と格子相互間に存在する複数の隙間１５とで構成されており、第１実施形態と同様に、第１の回折格子１６ａと第２の回折格子１６ｂとは空間的に位相シフト量Δｄを有する。第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する各格子１４の屈折率は半導体基板１１の屈折率より高く設定されている。
【００６８】
そして、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂ及び結合層１３の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１９が形成されている。なお、結合層１３ｂとクラッド層１９とは一体形成されている。
【００６９】
クラッド層１９の上面にｐ電極２０が取付けられ、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が取付られている。さらに、単一モードの光２３が出射される活性層１８、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの端面には、反射防止膜２２ａ、２２ｂが形成されている。
【００７０】
なお、クラッド層１９とｐ電極２０との間に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰあるいはｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【００７１】
このように構成された第４実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に電圧を印加すると、活性層１８は多波長を有する光を発振するが、この波長を有する光のうち、回折格子１６の格子間隔ｄと第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ_０とで定まる単一波長λ_０からなる光２３が選択されてレーザ発振される。
【００７２】
この場合、長さＬの結合層１３、及び第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの間の空間的な位相シフト量Δｄの存在によって、光２３の位相がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）だけずれるので、確実に単一波長λ_０を有した光２３が出力される。第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂに挟まれた結合層１３の光２３の伝搬方向の長さＬは、前述した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの間の空間的な位相シフト量Δｄと、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと結合層１３との断面形状差とで定まる。
【００７３】
したがって、前述した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、結合層１３の光２３の伝搬方向の長さＬを、ほぼ任意の値に設定できるので、図１に示した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザとほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００７４】
なお、この第４実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層１８の上方に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを配設しているので、活性層１８から第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂまでを１回の成長で形成できるので、成長回数を１回減らすことができる。また、先に活性層１８を成長した上で第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂにおける回折格子の格子間隔（ピッチ）を設定できる。
【００７５】
（第５実施形態）
図８は本発明の第５実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図７に示す第４実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００７６】
この第５実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間に存在する結合層１３を下部層１３ａと上部層１３ｂとの２層で構成している。上部層１３ｂは上側のクラッド層１９と同一物質で形成されている。また、下部層１３ａは第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一物質で形成されている。さらに、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂで形成される第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの格子１４相互間を、上下に貫通する隙間１５でなく、貫通しない溝１５ａとしている。
【００７７】
したがって、この第５実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体素子内において、光２３の出射方向に存在する第１の回折格子層１２ａ、結合層１３、第２の回折格子層１２ｂの全領域に亘って、同一の物質で接続されることになる。よって、図６に示す第３実施形態の分布帰還型半導体レーザとほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００７８】
（第６実施形態）
図９は本発明の第６実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図８に示す第５実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００７９】
この第６実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第５実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの格子１４相互間を、上下に貫通する隙間１５で形成している。第５実施形態と同様に、第１の回折格子１６ａと第２の回折格子１６ｂとは空間的に位相シフト量Δｄを有する。
【００８０】
このように、第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの格子１４相互間を、上下に貫通する隙間１５で構成することにより、この回折格子１６ａ、１６ｂをエッチングで製造する場合の形状及び寸法の精度が向上する。
【００８１】
また、位相シフト量Δｄを調整することにより、結合層１３の長さＬを長く設定することができるので、布帰還型半導体レーザ内における光の強度分布特性２４全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。
【００８２】
（第７実施形態）
図１０は本発明の第７実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００８３】
この第７実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１の回折格子層１２ａの第１の回折格子１６ａにおける結合効率κ_１と、第２の回折格子層１２ｂの第２の回折格子１６ｂにおける結合効率κ_２とが互いに異なる値に設定されている。
【００８４】
この第７実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの一つの格子間隔ｄ内における格子１４の体積と隙間１５を含む格子１４以外の部分が占める体積との割合を示す体積比ｖ_１と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける体積比ｖ_２とが互いに異なる値に設定されている。
【００８５】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの各回折格子１６ａ、１６ｂの格子１５どうしと、隙間１５どうしとが互いに同一材料で形成されているので、屈折率の寄与を考えないと、この各体積比ｖ_１、ｖ_２が第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの各結合効率κ_１、κ_２に対応する。
【００８６】
具体的には、結合層１３を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂとは、同一格子間隔（ピッチ）ｄを有するが、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂでそれぞれ形成される第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂの形状が互いに異なる。各回折格子１６ａ、１６ｂは、それぞれ一つの格子間隔ｄにおいては、１個の格子１４と１個の隙間１５（又は溝）とで構成されるが、この一つの格子間隔ｄ内における格子１４の体積と隙間１５を含む格子１４以外の部分が占める体積との割合を前述したように体積比ｖとする。この体積比ｖは、光２３の進行方向と一致する方向の格子１４の幅、格子１４の高さ、及び光２３の進行方向と直交する方向の格子１４の幅等によって定まる。
【００８７】
図１０の第７の実施形態においては、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａにおける格子１４の光２３の進行方向と一致する方向の高さに対して、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける格子１４の光２３の進行方向と一致する方向の高さを小さな値に設定することによって、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの体積比ｖ_１と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの体積比ｖ_２とを異ならせている（ｖ_１＞ｖ_２）。よって、第１の回折格子１６ａの結合効率κ_１と第２の回折格子１６ｂの結合効率κ_２とが異なる（κ_１＞κ_２）。
【００８８】
その結果、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａにおける光の反射率と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける光の反射率とが異なる。第１の回折格子層１２ａ側の端面から出力される光２３ａの量と、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの量とを異ならせることが可能である。
【００８９】
よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。この図１０の第７実施形態においては、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの強度を、第１の回折格子層１２ａ側の端面から出力される光２３ａの強度より高く設定される。
【００９０】
なお、図１０の第７実施形態においては、第２の回折格子層１２ｂ側の端面に形成された反射防止膜２２ｂの反射率を、第１の回折格子層１２ａ側の端面に形成された反射防止膜２２ａの反射率より小さく設定することによって、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの強度をより高くしている。この場合、第１の回折格子層１２ａ側の端面に形成された反射防止膜２２ａは、高反射膜であってもよく、へき開面のままであってもよい。
【００９１】
なお、図６、図７、図８、図９の各実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの結合効率κ_１と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの結合効率κ_２とを異ならせることも可能である。
【００９２】
図１１は、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの体積比ｖ_１（結合効率κ_１）と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの体積比ｖ_２（結合効率κ_１）とを異ならせた（ｖ_１＜ｖ_２）分布帰還型半導体レーザの製造方法における各回折格子１６ａ、１６ｂ形成までを示す図である。
【００９３】
なお、図１１においては、図１０の第７実施形態の分布帰還型半導体レーザに示すように、活性層１８の下側に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂが存在する場合について述べる。
【００９４】
先ず、図１１（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂとして、組成波長１．０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．１μｍ成長してから、その上に電子ビームレジスト（例えば日本ゼオン社製ＺＥＰ―５２０等）を０．２μｍ厚に塗布する。
【００９５】
加熱処理後に電子ビーム描画装置で回折格子パターン描画を行う。図１１（ｂ）に、この実施形態における、回折格子１６ａ、１６ｂの格子間隔（ピッチ）ｄを２４０ｎｍとした描画パターン及び描画条件を示す。回折格子部分の描画条件は、チップ加工後に出力側となる第１の回折格子層１２ａ（図では左側）ではドーズ量を多く（例えば０．４５ｎＣ／ｃｍ程度）、反対側の第２の回折格子層１２ｂではドーズ量を少なく（０．３ｎＣ／ｃｍ程度）設定して照射する。周辺部は電子ビームあるいは紫外線照射などにより露光してもよい。
【００９６】
そして、描画された回折格子パターンを現像する。図１１（ｃ）に示すように、この実施形態においては、現像後のレジストパターンは回折格子１６ａ、１６ｂの格子１４相互間の間隙１５がドーズ量を多くした部分では１４０ｎｍ程度、少なくした部分では７０ｎｍ程度となる。
【００９７】
この状態で飽和臭素水と燐酸の水溶液を用いて２０秒程度エッチングを行う。すると、図１１（ｄ）に示すような断面形状となり、この後の結晶成長工程における加熱によって格子１４の幅の違いは格子１４の高さの違いに転写される。
【００９８】
こうして光出射側の回折格子１６ａの体積比ｖ_１が小さく、反対側の回折格子１６ｂの体積比ｖ_２が大きい（ｖ_１＜ｖ_２）構造の分布帰還型半導体レーサが作製される。
【００９９】
一方、ドーズ量変調以外の方法としては、エッチング時のエッチングレートがウエハ面露出面積に依存して変化すること利用することもできる。すなわち、ウエハ表面のうちレジストや誘電体膜などのエッチング阻害物質に覆われている面積が大きく、エッチングされる部分が小さい場合にはエッチングレートが速く、逆に、広い面積をエッチングする場合はエッチングレートが遅くなる現象が、上記の飽和臭素水と燐酸の水溶液などで知られている。この特徴を利用すれば、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなレジストパターンを作製することで体積比ｖの異なる回折格子を部分的に作製することが可能となる。
【０１００】
図１２（ａ）に示すように、周辺部のレジストを除去してからエッチングするとエッチングレートは遅くなる。
【０１０１】
図１２（ｂ）に示すように、光の導波方向に直交する方向への格子パターンの広がりを変えて（例えば２０μｍと１００μｍ）エッチングレートを制御することも可能である。
【０１０２】
以上の説明はポジレジストを使用した場合について述べたが、ネガレジストを使用しても同様である。またいずれの場合も、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰに直接レジストを塗布するのでなく、例えば３０ｎｍ厚程度のｎ型ＩｎＰ層を介在させ、エッチングを２段階に分けて選択性エッチャントを使用することも可能である。
【０１０３】
この場合は、レジストをエッチングマスクとして飽和臭素水を含むエッチャントで５秒程度エッチングしてＩｎＰを部分的に除去し、露出したｎ型ＩｎＧａＡｓＰを、今度は、ｎ型ＩｎＰをエッチングマスクとして硫酸と過酸化水素を含む水溶液によってエッチングする方法なども可能である。
【０１０４】
この方法であれば、硫酸と過酸化水素を含む水溶液がＩｎＧａＡｓＰのみを選択的にエッチングすることから、特に活性層の上側に回折格子を形成する場合に、エッチングが緩衝層のＩｎＰとの界面で停止することから、誤って活性層までエッチングが到達するような事故を防ぐことが可能となる。
【０１０５】
一方、結合層１３の部分は全面的に露出するため、エッチングレートが低くなり、第１、第２の回折格子１６ａ、１６ｂにおける隙間１５部分がＩｎＰに達するまでエッチングされたとしても結合層１３にはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層（１３ａ）が薄く残りやすい。この層（１３ａ）を完全に除去したい場合には、図１２（ｃ）のように周辺部をレジスト等で覆って露出面積を狭め、エッチングレートを上げればよい。
【０１０６】
いずれにしても、この後の工程でレーザに加工される際、光２３の出射方向に沿って幅２〜３μｍ程度のメサ形状にエッチングされてしまうため、その外側の領域はどのような状態であってもよい。
【０１０７】
【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においては、第１、第２の回折格子層における第１、第２の回折格子との間で空間的に格子配列を位相シフトさせている。したがって、結合層の長さを任意長に設定可能となり、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、かつ出力される光の波長を高い精度で目的波長に設定でき、さらに出力される光の波長安定性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図２】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さの設定方法を説明するための図
【図３】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さと光の強度分布特性との関係を示す図
【図４】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける光の出力特性を示す図
【図５】本発明の第２実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図６】本発明の第３実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図７】本発明の第４実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図８】本発明の第５実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図９】本発明の第６実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図１０】本発明の第７実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図１１】分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す図
【図１２】分布帰還型半導体レーザの各回折格子を示す図
【図１３】分布帰還型半導体レーザの動作原理を説明するための図
【図１４】従来の分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図１５】従来の分布帰還型半導体レーザにおける結合導波路長の設定方法を説明するための図
【図１６】同従来の分布帰還型半導体レーザの問題点を説明するための図
【符号の説明】
１１…半導体基板
１２ａ…第１の回折格子層
１２ｂ…第２の回折格子層
１３…結合層
１３ａ…下部層
１３ｂ…上部層
１４…格子
１５…隙間
１５ａ…溝
１６ａ…第１の回折格子
１６ｂ…第２の回折格子
１７…緩衝層
１８…活性層
１９…クラッド層
２０…ｐ電極
２１…ｎ電極
２２ａ、２２ｂ…反射防止膜
２３、２３ａ、２３ｂ…光
２４…光の強度分布特性
２５、２５ａ…光の出力特性

Claims (4)

1. 半導体基板（１１）と、この半導体基板の上方に備えられ、光（２３）の出射方向に互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層（１２ａ、１２ｂ）と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層（１８）と、この活性層の上方に配置されたクラッド層（１９）とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
   前記第１の回折格子層を構成する第１の回折格子（１６ａ）と前記第２の回折格子層を構成する第２の回折格子（１６ｂ）とは同一格子間隔（ｄ）を有し、第１の回折格子と第２の回折格子との間で空間的に格子配列の位相がシフトしていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
2. 半導体基板（１１）と、この半導体基板の上方に配置された活性層（１８）と、この活性層の上方に備えられ、光（２３）の出射方向に互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層（１２ａ、１２ｂ）と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置されたクラッド層（１９）とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
   前記第１の回折格子層を構成する第１の回折格子（１６ａ）と前記第２の回折格子層を構成する第２の回折格子（１６ｂ）とは同一格子間隔（ｄ）を有し、第１の回折格子と第２の回折格子との間で空間的に格子配列の位相がシフトしていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
3. 前記第１の回折格子（１６ａ）の結合効率（κ_１）と、前記第２の回折格子（１６ｂ）の結合効率（κ_２）とが互いに異なる値に設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載の分布帰還型半導体レーザ。
4. 前記半導体基板はＩｎＰで形成され、前記第１、第２の回折格子層はＩｎＧａＡｓＰで形成され、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰを含む材質で形成され、前記クラッド層はＩｎＰで形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の分布帰還型半導体レーザ。

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