JP2008066620A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な単一軸モード歩留まりを維持しつつ、素子の光出力前後比を向上させる分布帰還型半導体レーザを提供する。
【解決手段】本発明にかかる分布帰還型半導体レーザは、位相シフト部を有する回折格子構造４と、回折格子構造４を埋め込んで設けられたガイド層３と、活性層１とを備えた分布帰還型半導体レーザであって、位相シフト部を境に、伝送用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を前方領域、監視用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を後方領域としたとき、ガイド層３は、後方領域の一部の組成と前方領域の組成が異なるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ及びその製造方法であって、特に分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法に関する。

近年、光ファイバー通信システムでは、１Ｇｂｐｓ以上の伝送速度で２５Ｋｍ以上の長距離通信が求められるようになっている。このようなシステムには、単一軸モードを行う半導体レーザが光源として必要となる。この単一軸モード動作を行う半導体レーザには、分布帰還型半導体レーザ(ＤＦＢ−ＬＤ：Distributed Feed−Back Laser Diode)が用いられている。

ＤＦＢ―ＬＤは、活性層の近傍に周期的な回折格子構造を有する。回折格子構造は、ＤＦＢ−ＬＤの基板等の上に形成され、周期状の凹凸構造を有するものである。この回折格子構造によって半導体レーザ内で発振するレーザ光を単一軸モードにすることができる。この回折格子構造においては、半導体レーザ内でのレーザ光の波長をλとしたときに、回折格子構造周期がλ／２に設定されている。

ＤＦＢ−ＬＤの中でも、共振器中央付近で、回折格子構造の位相をλ／４シフトさせ、両端面が無反射被覆されているＤＦＢ−ＬＤ(ＡＲ／ＡＲコート:Anti-Reflection/Anti-Reflection Coated)がある。ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は単一軸モード歩留まりがよい特徴を持つ。

図１４にＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の断面図を示す。図１４に示すように、従来のＤＦＢ−ＬＤは、ｎ型ＩｎＰ基板９４に回折格子構造９３が形成され、この回折格子構造９３をＩｎＧａＡｓＰガイド層９２が埋め込んでいる。このガイド層９２の上に活性層９１が形成されている。また、活性層９１の上にｐ型ＩｎＰクラッド層９５が形成されている。ここで、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）から伝送用信号光を出力する共振器端面側を素子前方端面、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）から監視用信号光を出力する共振器端面側を素子後方端面とする。この素子前方端面及び素子後方端面にＡＲコート９６ａ、９６ｂが形成されている。この共振器両端面に形成されたＡＲコートの反射率は通常１％以下である。また、共振器方向の中央付近にλ／４位相シフト部９７が形成されている。すなわち、素子前方端面を有する素子前方領域と素子後方端面を有する素子後方領域とが共振器方向に略同等の素子長となる位置にλ／４位相シフト部９７が形成されている。図１４において、一点鎖線はＤＦＢ−ＬＤ素子の共振器方向の中央を示す。

この図１４に示すＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の回折格子構造における導波路屈折率の周期的変化及びそれに伴う導光路の軸モード固定化の度合いを示す指標として、以下の式を用いる。
κ＝（ｎ１−ｎ２）π／λ・・・（１）

ここで、κは光結合係数と呼ばれ、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）内の回折格子構造と光の相互作用の強さを示している。また、λは活性層９１を導波する光の波長を示している。そして、ｎ１は回折格子谷での導波路等価屈折率、ｎ２は回折格子山での導波路等価屈折率を示している。このＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の共振器方向の素子長をＬとして、通常ＡＲ／ＡＲコート構造では一般的にκＬ＝２．０〜３．０に設計する。

ところで、上記の光ファイバー通信システムには、光出力が大きいことも求められる。半導体レーザの総出力は素子前方と素子後方との出力量の和で決定されるので、情報通信に用いる伝送用信号光を、光が出射されているかを確認する確認用信号光より大きくするためには、半導体レーザの光出力前後比を上げる必要がある。光出力前後比を上げるために、λ／４位相シフト部９７の位置を素子中央付近より若干前方側に偏った位置に形成する方法がある（例えば、特許文献１及び２参照）。しかしながら、このλ／４位相シフト部９７の形成位置の偏りが大きすぎると、レーザ発振状態がλ／４位相シフト部９７を形成しない場合と略同等となるため、２モード発振しやすくなる。このため、安定な単一軸モード発振を維持するには、λ／４位相シフト部９７の位置を共振器方向において素子前方端面から４：６程度までの偏りに抑える必要がある。この場合の光出力前後比は略１．５になる。

一方、光出力前後比を大きくできるＤＦＢ−ＬＤ構造として、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）(ＡＲ／ＨＲコート：Anti-Reflection/Highly-Reflection Coated)がある。図１５にＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の断面図を示す。図１５に示すＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）は、素子前方面端面は無反射被覆であるＡＲコート９６ａが形成されていて、もう一方の素子後方端面は高反射被覆であるＨＲコート９８が形成されている。この高反射被膜の反射率は略７０％とする。また、λ／４位相シフト部９７は共振器方向の素子中央より後方側に形成されている（例えば、特許文献３参照）。このＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）では、κLは略１．０〜１．５に設計する。これにより素子の光出力前後比は略４とすることができる。すなわち、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）では上述のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の光出力前後比よりも大きな光出力前後比を得られる。

ここで、図１６（ａ）に、共振器方向において素子前方端面からの素子長が、４．３：５．７となる位置にλ／４位相シフト部を形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の光出力量Ｐｏを破線で示す。また、共振器方向において素子前方端面からの素子長が７：３となる位置にλ／４位相シフト部を形成したものであって、素子後方端面に形成するＨＲコートの反射率が略７０％であるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の光出力量Ｐｏを直線で示す。ここで、横軸はＤＦＢ−ＬＤに流す電流Ｉｆ［ｍＡ］、縦軸は光出力量Ｐｏ［ｍＷ］である。さらに、図１６（ｂ）に図１６（ａ）の上述のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）とＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の光出力前後比の一例を示す。ここで、横軸はＤＦＢ−ＬＤに流す電流［ｍＡ］、縦軸は素子前方の光出力量Ｐｆを素子後方の光出力量Ｐｒで除した光出力前後比Ｐｆ／Ｐｒである。

図１６（ａ）に示すように、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）よりＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の方が光出力の前後の差が大きい。さらに、図１６（ｂ）に示すように、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）よりＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の方が光出力前後比が大きいため、素子前方端面から出力される伝送用信号光は素子後方端面から出射される監視用信号光よりも大きくなることがわかる。

しかしながら、このＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）は、素子後方端面にＨＲコート９８を設けると、端面位相の影響により、単一軸モード発振歩留まりがＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）に比べて略２割低下するという問題点があった。ここで、図１７（ａ）にＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）のレーザ光のスペクトルを示す。また、図１７（ｂ）にＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）のレーザ光のスペクトルを示す。ここで、横軸は出力されたレーザ光の波長［ｎｍ］、縦軸はそのときの振幅［ｄＢ］である。図１７（ａ）に示すように、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は単一軸モード性がよい。一方、図１７（ｂ）に示すように、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）は、ＨＲコートが形成された素子後方端面からの反射の影響によるものと考えられるリップルが残る。また、サイドモードが十分に抑圧されない場合もある。これにより、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）は非単一軸モード発振の不良となる場合があり、単一軸モード歩留まりが悪いという問題がある。

このＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）と略同等の光前後出力比を有し、単一軸モード性に優れるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）が特許文献４に記載されている。特許文献４に記載のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、λ／４位相シフト部を共振器方向の素子中央より後方に形成する。そして、素子後方領域の一部でガイド層のκ値を素子前方領域より大きくしている。すなわち、κ値を素子後方領域と素子前方領域で変化させることにより、素子前方端面と素子後方端面からの光出力の差を出している。特許文献４は素子後方領域の回折格子構造の一部をより深く形成して、式（１）での（ｎ１−ｎ２）の値を大きくすることによりκ値を素子後方領域の一部で大きくするＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の製造方法が記載されている。
特開２００３−１５２２７２号公報 特開平５−１４５１９４号公報 特開昭６１−２１６３８３号公報 特開２００１−３６１９２号公報

しかしながら、回折格子構造の深さを変化させることによって、素子前方領域と素子後方領域のκ値を十分な光出力前後比を得るために必要とされる値にするには限界がある。すなわち、本発明者等は素子前方領域と素子後方領域のκ値の差を回折格子構造の深さを変えることによって光出力前後比を上げるためには、回折格子構造の深さは素子前方領域と素子後方領域とでは略３倍以上の差が必要であり、その深さの差を有する回折格子構造を作成することが困難であることを見出した。この理由を以下に説明する。

図１８（ａ）に数種類の異なるλ／４位相シフト部を設けて形成されたＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）であって、κ値を素子後方領域の一部で変調した場合又はκ値を均一とする場合の光の共振器中の電界分布をシュミレーションした図を示す。図１８（ａ）において、（１）は領域内でκ値が均一のＤＦＢ−ＬＤであってλ／４位相シフト部を、共振器方向において伝送用信号光を出射する共振器端面からの長さと監視用信号光を出射する共振器端面からの長さが４．３：５．７となる位置に配置したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）、（２）は位相シフト部を、共振器方向において伝送用信号光を出射する共振器端面からの長さと監視用信号光を出射する共振器端面からの長さが６：４の位置に配置し、後方から４０％の領域のκ値を前方の２倍にしたＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）、（３）はλ／４位相シフト部を、共振器方向において伝送用信号光を出射する共振器端面からの長さと監視用信号光を出射する共振器端面からの長さが６：４の位置に配置し、後方から２０％の領域のκ値を前方の３倍にしたＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）、（４）はλ／４位相シフト部を、共振器方向において伝送用信号光を出射する共振器端面からの長さと監視用信号光を出射する共振器端面からの長さが６：４の位置に配置し、後方から１４％の領域のκ値を前方の４倍にしたＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）である。

また、図１８（ｂ）に上記シュミレーションで用いたパラメータ及びシュミレーション値を示し、Ｉは共振器方向においてλ／４位相シフト部より前方側のκＬ、ＩＩは共振器方向においてλ／４位相シフト部より後方側のκＬ、ＩＩＩは素子全体のκＬ、ＩＶは共振器前方端面と共振器後方端面の電界比、Ｖは出力前後比である。ここで、共振器方向において、素子の一方の端面から他方の端面までの所定の領域のκ値を積分した値をκＬとした。また、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）においては、素子全体のκＬを略２．０、素子長は４５０μｍとした。また、利得係数及び導波損失係数等は一般的なＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子）構造の値を用いる。また、光前後出力量Ｐｏは１０ｍＷとした。

素子全体のκＬＩＩＩを略２．０と共通とし、さらにλ／４位相シフト部より前方のκＬＩ及び後方のκＬＩＩの配分が（１）乃至（４）で略同等であるため、単一軸モードの安定性はλ／４位相シフト部前後で同等である。図１８（ｂ）より、前後電界比ＩＶは（１）は１．２、（２）は１．６、（３）は１．９、（４）は２．２であることから、光出力前後比Ｖは、前後電界比ＩＶをそれぞれ２乗して（１）は１．５（２）は２．６、（３）は３．６（４）は５．１となる。すなわち、λ／４位相シフト部を回折格子構造の素子後方領域に形成し、素子後方領域のガイド層のκ値を素子前方領域より大きくすることにより、光出力前後比が大きくなることを見出した。

また、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を用いてＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の光出力前後比の略４を得るためには、素子後方から２０％の領域のκ値を素子前方の３倍にした（３）のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）、又は素子後方から１４％の領域のκ値を素子前方の４倍にした（４）のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）のようにκ値を素子前方の３倍以上にする必要があることが分かる。ところが、回折格子構造の深さを変えたとき、変えた比率ほどにはκ値は変わらない。例えば回折格子構造の深さを２倍にしても、κ値としては１．８倍程度である。このため、素子後方領域のκ値を素子前方領域の３倍にする場合は、素子後方領域の回折格子構造の深さは、素子前方領域の回折格子構造の深さの略３倍以上必要である。

回折格子構造の深さに差をつける方法は、例えば、回折格子構造のレジストパターンをＥＢ(Electron Beam)露光で描画する際、素子領域により露光量又は描画幅を変える方法等がある。この方法では一括のエッチングで回折格子深さに差をつけているが、２倍以上の深さの差をつけるのは困難であるという問題点があった。

すなわち、深い回折格子構造をガイド層で埋め込むと、ガイド層の上に形成される半導体結晶に歪みを生じさせ、素子特性に影響をきたす。特に活性層の下側に回折格子構造を形成する場合に影響が大きい。一方、回折格子構造はガイド層に埋め込む際に崩れて浅くなるため、浅い回折格子構造を形成する際は、ガイド層の結晶成長条件の微妙な調整が必要である。このため、断面ＳＥＭ等の観察により回折格子構造の深さモニタする必要がある。

しかしながら、断面ＳＥＭ観察は破壊検査となるので実際の製造工程では使用できない。従って、形成する回折格子構造の深さの設計範囲は制限され、実際の製造工程においては、略２０〜４０ｎｍが制御可能な範囲である。すなわち、回折格子構造の深さに２倍以上の差をつけて形成するのは困難である。また、回折格子構造の深さを変えることにより、素子前方領域と素子後方領域間のガイド層のκ値を光出力前後比が十分に大きく取れる程度に変化させるには限界があった。

上述した課題を解決するために、本発明に係る分布帰還型半導体レーザは、位相シフト部を有する回折格子構造と、前記回折格子構造を埋め込んで設けられたガイド層と、活性層とを備えた分布帰還型半導体レーザであって、前記位相シフト部を境に、伝送用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を前方領域、監視用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を後方領域としたとき、前記ガイド層は、前記後方領域の一部の組成と前記前方領域の組成が異なる。

本発明においては、伝送用信号光を出射する共振器端面を有する前方領域と監視用信号光を出射する共振器端面を有する後方領域のガイド層の組成が異なるようにする。

本発明によれば、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）において、良好な単一軸モード歩留まりを維持しつつ、素子の光出力前後比を向上させる分布帰還型半導体レーザを実現することができる。

実施の形態１．
以下、本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、ＡＲ／ＡＲ構造の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）に適用したものである。ＤＦＢ−ＬＤにおいては、活性層の近傍に光を導波させるためのガイド層が設けられている。本実施の形態では、このガイド層と活性層との間にクラッド層を有し、このクラッド層とガイド層との間に回折格子構造を有している。また、本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤにおいては、回折格子構造の深さを変化させることに加え、このガイド層の一部の組成を変化させることにより、素子後方端面側のκを大きくして光出力前後比を大きくしている。このときのＤＦＢ−ＬＤの素子前方とは伝送用信号光が出力される側であり、監視用信号光が出力される側は素子後方である。

図１に本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の断面図を示す。図１に示すように、本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、ｎ型ＩｎＰ基板８の上に活性層１、ｐ型ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層５が積層されている。ガイド層３はｐ型ＩｎＰクラッド層２に形成された回折格子構造４を埋め込んでいる。この回折格子構造４は、周期が活性層１から発振される光の波長の１／２となるようになっている。また、回折格子構造４には回折格子構造の周期がλ／４位相ずれるように連結されたλ／４位相シフト部６を有している。本実施の形態におけるλ／４位相シフト部６は、請求項１に記載の位相シフト部の一例である。ここで、素子前方を伝送用信号光が出力される側、素子後方を監視用信号光が出力される側とする。さらに、この素子前方の共振器端面を有する領域を素子前方領域、素子後方の共振器端面を有する領域を素子後方領域とする。ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、この素子前方領域及び素子後方領域とで構成されている。そして、素子後方端面及び素子前方端面には無反射被膜であるＡＲコート７が形成されている。

また、本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、一例として、λ／４位相シフト部６を共振器方向の素子前方領域と素子後方領域の素子長が２７０μｍ：１８０μｍ＝６：４の位置に形成する。

また、例えば、活性層１は５層のＭＱＷで構成される。そして、ガイド層３の共振器方向の素子前方３／４領域（３４０μｍ）Ｆ１をλｏ＝１．１３μｍ組成、素子後方１／４領域（１１０μｍ）Ｆ２をλｏ＝１．２９μｍ組成とする。ここで、λｏ＝１．０５μｍ組成とは、波長λｏ＝１．０５μｍの光を発生させるバンドギャップを有する組成であることを示している。そして、回折格子構造の深さは、共振器方向の素子前方３／４領域（３４０μｍ）ではガイド層３を埋め込んだ後の回折格子構造の深さを２０ｎｍ、素子前方１／４領域（１１０μｍ）ではガイド層３を埋め込んだ後の回折格子構造の深さを３６ｎｍとし、素子前方領域に比べ素子後方領域で回折格子構造の深さを１．５倍程度深くしている。また、活性層１のＧａｉｎ Ｐｅａｋ波長λ＝１．４９μｍ、レーザ発振波長λ＝１．４９μｍとした。さらに、このＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、活性層１の幅を１．６μｍとし、電流ブロック層で埋め込んだＢＨ（Buried Heterostructure）構造とする。

本実施の形態では、埋め込みガイド層を後方領域の一部で前方領域より長波組成のものにしている。ガイド層の屈折率は長波長組成のものほど大きくなる。このことにより、回折格子構造の深さに差を設けることに加え式（１）の（ｎ１−ｎ２）の値を大きくすることができ、更に素子前方と素子後方でのκ値の比をより大きくすることができる。従って、製造上無理なく、所望のκ値を得ることが出来る。

本実施の形態におけるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）では、κ値は、素子前方８割領域で３５ｃｍ^−１、素子後方２割領域で１０５ｃｍ^−１、全体のκＬはκＬ＝２．４と見積もることができる。これにより、光出力前後比として略４を得ることができ、素子の後方端面から出射する光よりも素子の前方端面から出射する光を大きくすることができるため、光出力前後比を大きくすることができる。また、単一軸モード性を示す指標である、ＳＭＳＲ(Side Mode Suppression Ratio)の要求値(通常４０ｄＢ程度)に対する歩留まりに関しては、κ値が均一であるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）と略同等である。

本実施の形態においては、素子前方領域と素子後方領域の回折格子構造の深さを変化させると共にガイド層組成を変化させる。これにより、製造上無理なく形成できる回折格子構造で素子前方に対して素子後方のκ値を十分に大きくでき、素子の後方端面から出射する光よりも素子の前方端面から出射する光を大きくすることができるため、光出力前後比を大きくすることができる。

なお、本実施の形態においては、基板上に活性層を形成し、活性層上にクラッド層を形成し、このクラッド層に回折格子構造を形成しガイド層で埋め込む構成とした。この構成を、基板上に回折格子構造を形成し、この回折格子構造をガイド層で埋め込み、ガイド層上に活性層を形成する構成にしてもよい。また、基板上にクラッド層を形成し、このクラッド層に回折格子構造を形成しガイド層で埋め込む構成にしてもよい。

次に本実施の形態のＤＦＢ−ＬＤを製造する方法について図２乃至図１１を用いて説明する。図２、図５、及び図７乃至図１０はＤＦＢ−ＬＤの断面図、図３及び図４はＤＦＢ−ＬＤの回折格子構造パターンを示す上面図、図６及び図１１はＤＦＢ−ＬＤの斜視図である。

上述したように、本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤは、光出力前後比を大きくするために、素子後方領域のガイド層３の一部の組成を変化させることによって素子後方領域の光結合定数κを変化させている。本実施の形態では、後述するＭＯＶＰＥ法を用いて組成を変化させ、ＤＦＢ−ＬＤを形成する。以下にその詳細な説明をする。

まず、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板８上に、ＩｎＰバッファ層１１、ＭＱＷ＝５層の活性層１、ｐ型ＩｎＰクラッド層２を結晶成長させる。そして、図３に示すように、ＥＢ描画によりレジストに回折格子構造パターン９をパターニングして、ウエットエッチにより回折格子構造４を形成する。本実施の形態では回折格子構造の深さは素子前方領域より素子後方領域において深くするため、ＥＢ描画の描画幅として素子前方３／４領域Ｆ１の描画幅ａは１２０μｍとし、素子後方１／４領域Ｂ１の描画幅ｂでは４０μｍとする。この回折格子構造の深さはウエットエッチの性質により、描画幅の広い素子前方領域Ｆ１では浅くなり、描画幅の狭い素子後方領域Ｂ１ではより深くなる。

次に、図４に示すように、選択ＭＯＶＰＥ法に使用する２本のストライプ状のＳｉＯ_２マスク１０を回折格子構造４形成部の上にパターニングする。ここで、ＳｉＯ_２マスク１０の幅は素子前方領域Ｆ１は５μｍとし、素子後方領域の一部Ｂ１では５０μｍとする。

そして、図５に示すように、２本のＳｉＯ_２マスク１０の間に、ＩｎＧａＡｓＰ結晶のガイド層３を、選択ＭＯＶＰＥ法により結晶成長させて形成する。この選択ＭＯＶＰＥ法により形成されるＩｎＧａＡｓＰ等からなる半導体結晶の基本的特色については特開平４−３０３９８２号公報に記載されている。

この基本特色について図６を用いて説明する。図６に示すように、本実施の形態において使用するｎ型ＩｎＰ基板８の上にクラッド層等を積層した後（図示せず）、ＭＯＶＰＥ法を用いてＳｉＯ_２等からなる２本のストライプ状マスク１０を形成し、この２本のマスク１０の間に選択的にＩｎＧａＡｓＰ結晶を成長させる（図示せず）。このとき、成長したＩｎＧａＡｓＰ結晶組成は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶のすぐ横のマスク幅に大きく依存する。この依存度は結晶成長における原料ガス圧力等により決定されるが、基本的にマスク幅が大きいほど長波組成となる。例えば７６０ｔｏｒｒ原料ガス圧力での成長条件下では、マスク幅５μｍのところでλｏ＝１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ結晶が形成される。また、マスク幅５０μｍのところではλｏ＝１．２９μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ結晶が形成される。すなわち、ＩｎＧａＡｓＰ結晶を成長させる際に、ＩｎＧａＡｓＰ結晶のすぐ横に形成されるマスク１０の素子前方領域と素子後方領域の幅を変えることにより、素子前方領域と素子後方領域のガイド層の組成を変化させることができる。

このため、本実施の形態においては、結晶成長は、常圧(７６０Ｔｏｒｒ)条件下で行い、素子前方領域ではＳｉＯ_２マスク１０の幅ｃを５μｍにして、素子後方領域ではＳｉＯ_２マスク幅ｄを５０μｍとする。ここで、選択ＭＯＶＰＥ法の性質により、ＳｉＯ_２マスク幅の狭い素子前方領域Ｆ１では略λｏ＝１．１３μｍの短波長組成となり、ＳｉＯ_２マスク幅１０の広い素子後方領域Ｂ１ではＩｎＧａＡｓＰ組成がλｏ＝１．２９μｍとなる。

次に、図７に示すように、ＳｉＯ_２マスク１０を除去した後、再びＳｉＯ_２を用いてメサエッチ用マスク１２をパターニングして、メサエッチ後の活性層１の共振器方向と直交する方向の幅ｅが１．６μｍとなるようにメサエッチを行う。そして、図８に示すように、１．６μｍ幅ｅの活性層１上以外のメサエッチ用マスク１２を除去し、ｐ型ＩｎＰ、ｎ型ＩｎＰを順次結晶成長させてブロック層１３を形成する。

そして、図９に示すように、１．６μｍ幅ｅの活性層１上のメサエッチ用マスク１２を除去し、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１４を順に結晶成長させる。次に、図１０に示すように、容量分離のため、共振器方向と直交する方向の幅が２０μｍとなるように分離メサ１５をエッチングにより形成して、電極１６及びパッシベーション膜１７を順に形成する。この図１０に示すＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の斜視図を図１１に示す。図１１に示す本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）には、共振器両端面にＡＲコートが形成されている。図１１では、ＡＲコートを描写することにより、素子の積層の様子が見えなくなるため、ＡＲコートは図示していない。

本実施の形態においては、ガイド層の共振器方向において、素子後方領域にλ／４位相シフト部６を形成し、素子後方領域Ｂ１の回折格子構造を素子前方領域Ｆ１の回折格子構造よりも深く形成する。そして、ＭＯＶＰＥ法を用いてガイド層５の組成を前方領域と後方領域とで変調させて、κ値を前方領域と後方領域とで異ならせる。すなわち、ガイド層の前方領域と後方領域との組成を変化させて、回折格子構造の深さも変えることにより、κ値を大きくすることができるため、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の光出力前後比も大きくすることができる。すなわち、素子の前方と後方の光出力前後比の高いＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を形成することができる。また、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を用いるため、良好な単一軸モード性が得られる。すなわち、ＳＭＳＲ歩留まりよく半導体レーザを形成することができる。

実施の形態２.
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２の構成は実施の形態１の構成と略同様である。実施の形態２では、実施の形態１と製造方法が異なり、回折格子深さに差をつける構造を形成する手順が異なる。実施の形態２にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の製造方法について以下に説明する。また、実施の形態１と同様の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１２に実施の形態２のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の形成途中の上面図を示す。図１２に示すように、実施の形態２では、ＥＢ描画による回折格子構造パターン１９を形成の際、回折格子構造パターン１９は共振器方向と直行する方向の幅ｆは、共振器前方方向から共振器後方方向まで均一に形成する。次に、回折格子構造パターン１９を挟んでクラッド層を覆うように、素子の共振器前方端面から素子全体領域の例えば８割に当たる部分を第２のレジスト１７で被覆する。

次に、ウエットエッチにより第２のレジスト１８で覆われていない共振器後方端面から素子全体領域の２割に回折格子構造を形成する。そして、第２のレジスト１８を除去し、素子全体に渡って回折格子構造パターン１９を露出させ、続けてウエットエッチにより回折格子構造を形成する。この際、共振器後方端面から素子全体領域の２割の領域の回折格子構造は先のウエットエッチに加えて形成されるため、共振器前方端面から素子全体領域の８割の領域に形成された回折格子構造より深い回折格子構造を形成することができる。

そしてこれ以後の形成工程は、実施の形態１と同様に選択ＭＯＶＰＥ法によりガイド層を形成し、ブロック層、クラッド層、及びコンタクト層の結晶成長を行い、さらに電極構造形成等を行う。実施の形態２において形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の特性は実施の形態１と同様である。

本実施の形態において製造された構造は上述の実施の形態１と同様の構造であり、素子特性としても上述の形態１と同様の特性を得ることができた。

実施の形態３．
次に実施の形態３について説明する。上述の実施の形態１及び２は、ガイド層の一部の組成を変化させることに加え、回折格子構造の深さを変化させ、両方の効果によって素子後方端面側のκ値を大きくしている。本実施の形態においては、回折格子構造の深さを素子全体にわたって均一であり、κ値の大きさの差は専らガイド層組成の変化によるものである。図１３に示す実施の形態３にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）において、図１に示す実施の形態１と同一構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図１３に示すように、回折格子構造の深さは素子全体にわたって均一とするものである。本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、ｎ型ＩｎＰ基板８の上に活性層１、ｐ型ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層５が積層されている。ガイド層３はｐ型ＩｎＰクラッド層２に形成された回折格子構造４を埋め込んでいる。回折格子構造４は、回折格子構造の周期がλ／４位相ずれるようにλ／４位相シフト部６を有している。ここで、素子前方は伝送用信号光が出力される側、素子後方は監視用信号光が出力される側として、この素子前方の共振器端面を有する領域を素子前方領域、素子後方の共振器端面を有する領域を素子後方領域とする。そして、ＡＲコート７が素子後方端面及び素子前方端面に形成されている。

λ／４位相シフト部６の形成位置は実施の形態１と同様に、共振器方向の素子前方領域と素子後方領域の素子長が２７０μｍ：１８０μｍ＝６：４とする。本実施の形態においては、素子長Ｌを４５０μｍとして、ガイド層３の共振器方向の素子前方６割の領域（２７０μｍ）Ｆ２の波長をλｏ＝１．４９μｍ、素子後方４割の領域（１８０μｍ）Ｂ２の波長をλｏ＝１．２９μｍとする。また、レーザ発振波長は、λ＝１．４９μｍに設計して、活性層１のＧａｉｎ Ｐｅａｋ波長をλ＝１．４９μｍとする。

以上から本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）は、素子前方６割の領域（２７０μｍ）Ｆ２ではκ値が４０ｃｍ^−１、素子後方４割の領域（１８０μｍ）Ｂ２では８０ｃｍ^−１となり、κＬ＝２．５と見積もられる。また、光出力前後比は略２．５を得られる。これは、通常のκ値が均一のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）よりも光出力前後比が大きいため、素子前方端面から出射される光が素子後方端面から出射される光よりも大きい。また、ＳＭＳＲの歩留まりに関しては、通常のκ値が均一のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）と略同等である。

本実施の形態においては、回折格子構造の深さを素子全体にわたって均一にし、ガイド層の共振器方向の素子後方領域にλ／４位相シフト部を形成する。そして、ＭＯＶＰＥ法を用いてガイド層の一部の組成を変化させることにより、κ値を素子前方領域と素子後方領域とで変化させる。これにより、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の光出力比を大きくすることができる。すなわち、素子の前方と後方の光出力前後比の高いＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を形成することができる。また、ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を用いるため、良好な単一軸モード性が得られる。すなわち、ＳＭＳＲ歩留まりよく半導体レーザを形成することができる。

なお、ＭＱＷ構造、素子長、回折格子構造ピッチ、発振波長は上記の記載に限定されない。また、ガイド層組成としては、λｏ＝１．１３μｍ組成とλｏ＝１．２９μｍ組成の組み合わせの場合のほか、前方側λｏ＝１．０５μｍ組成、後方側λｏ＝１．２０μｍ組成のように、他の組み合わせでもよい。さらに、回折格子構造の深さも適宜変更可能である。また回折格子構造の深さを素子領域の一部で変化させる場合、変化させる領域として実施の形態１のように、ガイド層組成の領域の素子長に合わせてもよいし、回折格子構造を素子前方領域と素子後方領域の共振器方向の素子長が６:４、ガイド層を素子前方領域と素子後方領域の素子長が８：２とするように、異なる組み合わせにして形成してもよい。

また、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）共振器方向と直交する方向の横断面図である。 本実施の形態にかかるｐ型ＩｎＰクラッド層まで形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）形成の際の回折格子構造パターンを示す上面図である。 本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）形成の際のマスクパターンを示す上面図である。 本実施の形態にかかるガイド層まで形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）のマスクパターンの幅を示す斜視図である。 本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）形成の際のメサエッチ後を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるブロック層まで形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるコンタクト層まで形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるパッシベーション膜まで形成したＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 本実施の形態にかかるＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す斜視図である。 本実施の形態にかかる回折格子構造を形成するためのマスクパターンを示す上面図である。 本実施の形態にかかる回折格子構造の深さが素子全体に亘って均一のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 従来のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）を示す横断面図である。 従来のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）を示す横断面図である。 ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）及びＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）の光出力量及び光出力前後比の一例を示す図である。 ＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）及びＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＨＲ）のレーザ発振時スペクトルを示す図である。 κ値が素子後方領域の一部で変調した場合又はκ値が均一の場合のＤＦＢ−ＬＤ（ＡＲ／ＡＲ）の共振器中の電界分布をシュミレーションした図である。

符号の説明

１、９１ 活性層
２、５、９５ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３、９２ ガイド層
４、９３ 回折格子構造
６、９７ λ／４位相シフト部
７、９６ａ、９６ｂ ＡＲコート
８、９４ ｎ型ＩｎＰ基板
９、１９ 回折格子構造パターン
１０ ＳｉＯ_２マスク
１１ バッファ層
１２ メサエッチ用マスク
１３ ブロック層
１４ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１５ 分離メサ
１６ 電極
１７ パッシベーション膜
１８ 第２のレジスト
９８ ＨＲコート

Claims (10)

1. 位相シフト部を有する回折格子構造と、
   前記回折格子構造を埋め込んで設けられたガイド層と、
   活性層と、
   を備えた分布帰還型半導体レーザであって、
   前記位相シフト部を境に、伝送用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を前方領域、監視用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を後方領域としたとき、
   前記ガイド層は、前記後方領域の一部の組成と前記前方領域の組成が異なる分布帰還型半導体レーザ。
2. 前記ガイド層は前記後方領域の一部の組成において前記前方領域の組成より長波長組成である
   ことを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
3. 前記回折格子構造は前記前方領域と前記後方領域とで深さ又は厚さが異なる
   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. 前記位相シフト部は、共振器方向において前記伝送用信号光を出射する共振器端面からの長さと前記監視用信号光を出射する共振器端面からの長さが６：４となる位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれか１項記載の分布帰還型半導体レーザ。
5. 前記回折格子構造の周期をλとしたとき、前記位相シフト部での位相シフト量がλ／４である
   ことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれか１項記載の分布帰還型半導体レーザ。
6. 前記分布帰還型半導体レーザの共振器端面に無反射被膜が形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれか１項記載の分布帰還型半導体レーザ。
7. 前記回折格子構造は前記活性層の上方または下方に設けられる
   ことを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれか１項記載の分布帰還型半導体レーザ。
8. 位相シフト部を有する回折格子構造と、
   前記回折格子を埋め込んで設けられたガイド層と、
   活性層と、
   を備えた分布帰還型半導体レーザの製造方法であって、
   前記位相シフト部を境に、伝送用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を前方領域、監視用信号光を出射する共振器端面を含む側の領域を後方領域としたとき、
   前記ガイド層は、前記後方領域の一部の組成と前記前方領域の組成が異なるよう形成される分布帰還型半導体レーザの製造方法。
9. 半導体基板上に共振器方向と直交する方向の幅が前記前方領域と前記後方領域とで異なる２本のストライプ状のマスクを形成し、
   前記２本のマスクの間に選択的に前記ガイド層を結晶成長させる
   ことを特徴とする請求項８に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
10. 前記マスクの幅が前記後方領域の一部と前記前方領域とで異なる
    ことを特徴とする請求９に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。

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