JP2008204999A - 光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードの導波路損失の増大を抑制することが可能な光素子を提供する。
【解決手段】 基板上に形成された光導波構造が、基板の表面に平行な方向に光を導波させる光導波路を画定すると共に、導波光の横モードの光強度分布を該光導波路の第１の側に偏在させる。光導波路の両側のうち、少なくとも第１の側とは反対の第２の側に、光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子が配置されている。光導波路の両側のうち第１の側に、主回折格子と結合して光導波路を伝搬する導波光を、光導波路の延在する方向とは異なる方向に回折させる副回折格子が配置されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光素子及びその製造方法に関し、特に光導波路を伝搬する導波光に結合する回折格子を含む光素子及びその製造方法に関する。
インターネット需要の爆発的な増加に伴い、光通信及び光伝送において超高速化と大容量化への取り組みが活発化している。特に、ギガビットの伝送帯域を持つイーサネット（登録商標）向けに、非冷却で１０Ｇｂ／ｓ以上の直接変調が可能で、かつ安価な半導体レーザ素子が求められている。この要請に応え得る半導体レーザ素子として、分布帰還（ＤＦＢ）型レーザ素子が挙げられる。
ＤＦＢレーザ素子を安価に製造するために、１回の結晶成長で製造可能な、すなわちエッチング工程後の２度目の結晶成長を行う必要のないリッジ型レーザ素子が有望である。リッジ型レーザ素子に分布帰還用の回折格子を形成する場合、結晶内部に回折格子を作り込むよりは、リッジの両側に回折格子を形成する方が、製造コストの点で有利である。
図１６に、従来のリッジ型ＤＦＢレーザ素子の斜視図を示す。半導体基板５００の上に、活性層５０１、クラッド層５０２が順番に積層されている。クラッド層５０２の上に、一方向に延在するリッジ５０３が形成されている。リッジ５０３の側面に、回折格子５０４が形成されている。リッジ５０３の下方の活性層５０１が光導波路として作用する。
図１７に、従来のリッジ型ＤＦＢレーザ素子の他の例を示す。図１６に示したリッジ型ＤＦＢレーザ素子では、リッジ５０３の側面に回折格子５０４が形成されていたが、図１７に示した例では、回折格子５０４に代えて、リッジ５０３の両側の平坦面上に回折格子５０４Ａが形成されている。他の構成は、図１６に示したレーザ素子と同様である。
図１８に、光導波路を伝搬する導波光と、回折格子との位置関係を示す。リッジ５０３の両側に回折格子５０４または５０４Ａが配置されている。導波光の基本横モードの光強度分布は、実線５１０で示すように、リッジ５０３の幅方向の中心で最大になり、中心から離れるに従って低下する。１番目の高次横モード（以下、「２次横モード」と略記する。）の光強度分布は、実線５１１で示すように、リッジ５０３の幅方向の中心で極小値を示し、中心から離れるに従って光強度が大きくなり、その両側で極大値を示す。極大値を示す位置よりも外側の領域では、リッジ５０３の中心から遠ざかるに従って光強度が単調に減少する。
リッジ５０３の中心近傍には回折格子が配置されておらず、リッジ５０３の両脇に回折格子が配置されているため、回折格子が配置された領域における２次横モードの光強度が、基本横モードの光強度よりも強い。このため、２次横モードと回折格子との結合係数が、基本横モードと回折格子との結合係数の１．５〜２倍程度になる。これにより、２次横モードの発振が生じやすくなる。
２次横モードと回折格子との結合係数を小さくするためには、リッジ５０３を細くし、回折格子をリッジ５０３の中心に近づければよい。ところが、リッジ５０３を細くすると、レーザ素子の電気抵抗が増大する。このため、リッジ５０３を細くすることは、消費電力の増大や、大電流注入時の発熱に起因する光出力の低下の原因になる。
下記の特許文献１に、高次横モードの発振を抑制することができる半導体レーザ素子が開示されている。
図１９に、特許文献１に開示された半導体レーザ素子のリッジ部分の平断面図を示す。リッジ５２０の側面に回折格子５２１が形成されている。回折格子５２１の凹凸をなす外側表面上に、発振光に対して吸収性をもつＩｎＧａＡｓからなる光吸収層５２２が形成されている。光吸収層５２２は、基本横モードよりも高次横モードを多く吸収するため、高次横モードの発振を抑制することができる。
特開２００３−１５２２７３号公報
特許文献１に開示されたレーザ素子においては、図１９に示した光吸収層５２２を配置したことにより、基本横モードの導波路損失も増大してしまう。その結果、発振しきい値が５０〜２００％程度上昇してしまう。
本発明の目的は、高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードの導波路損失の増大を抑制することが可能な光素子を提供することである。本発明の他の目的は、この光素子の製造に適した方法を提供することである。
本発明の一観点によると、
基板上に形成され、該基板の表面に平行な方向に光を導波させる光導波路を画定すると共に、導波光の横モードの光強度分布を該光導波路の第１の側に偏在させる光導波構造と、
前記光導波路の両側のうち、少なくとも前記第１の側とは反対の第２の側に配置され、該光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
前記光導波路の両側のうち前記第１の側に配置され、前記主回折格子と結合して前記光導波路を伝搬する導波光を、該光導波路の延在する方向とは異なる方向に回折させる副回折格子と
を有する光素子が提供される。
高次横モードの導波光が、副回折格子の影響を強く受けることにより、高次横モードの伝搬損失が増大する。基本横モードの導波光も副回折格子の影響を受けるが、その程度は小さい。
本発明の他の観点によると、
下側クラッド層の上に、該下側クラッド層よりも実効屈折率の高い導波路層を形成する工程と、
前記導波路層の上に、該導波路層よりも実効屈折率の低い上側クラッド層を形成する工程と、
前記上側クラッド層の上に、干渉露光法を用いて、第１の方向に周期性を持つ第１の回折格子パターンを形成する工程と、
前記第１の方向に平行な境界線の一方の領域に配置された前記第１の回折格子パターンを、マスク膜で覆う工程と、
前記マスク膜で覆われていない領域の前記第１の回折格子パターンを除去する工程と、
前記上側クラッド層及び前記マスク膜の上に、干渉露光法を用いて、前記第１の方向に周期性を持つ第２の回折格子パターンを形成する工程と、
前記マスク膜を、その上に形成されている前記第２の回折格子パターンと共に除去する工程と、
少なくとも一部において前記第１の回折格子パターンと重なり、前記第１の方向に延在する帯状の領域覆うリッジパターンを形成する工程と、
前記第１の回折格子パターン、第２の回折格子パターン、及びリッジパターンをエッチングマスクとして、前記上側クラッド層をエッチングする工程と
を有する光素子の製造方法が提供される。
高次横モードの導波光の伝搬損失が大きくなるため、高次横モードでの発振が生じにくくなる。副回折格子を配置したことによる基本横モードの伝搬損失の増大の程度は、高次横モードの伝搬損失の増大の程度よりも小さい。
干渉露光法を用いて、周期の異なる２つの回折格子を同一基板上に形成することができる。
実施例の説明に先立って、図１〜図３を参照して、本願発明者が先に提案したリッジ型レーザ素子について説明する。
図１に、先に提案されたリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。ｎ型ＧａＡｓからなる基板１の主表面上に、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる厚さ１．５μｍの下側クラッド層２、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる厚さ０．１５μｍの下側光ガイド層３、量子ドット活性層（光導波路層）４、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる厚さ０．１５μｍの上側光ガイド層５がこの順番に積層されている。
量子ドット活性層４は、ＩｎＡｓからなる多数の量子ドットを含むＩｎＧａＡｓ層をＧａＡｓ層で挟み込んだ構造が厚さ方向に１０回繰り返された積層構造を有する。
上側光ガイド層５の上に、一方向に長い高さ１．４μｍ、幅２μｍのリッジ１０が配置されている。リッジ１０の両側の側面に、リッジ１０の長さ方向に周期性を持つ主回折格子１１が形成されている。主回折格子１１は、リッジ１０の高さ方向に延在する凸部と凹部とが、リッジ１０の長さ方向に交互に配置された構造を有する。主回折格子１１の周期は１９８ｎｍであり、凹部の底から凸部の先端までの高さは５００ｎｍである。
リッジ１０は、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる厚さ１．２μｍの上側クラッド層６と、その上に形成されたｐ型ＧａＡｓからなる厚さ０．２μｍのコンタクト層７との２層構造を有する。
リッジ１０の両側の、上側光ガイド層５の平坦面上に、リッジ１０の長さ方向に周期性を持つ副回折格子１２が形成されている。副回折格子１２は、等間隔でリッジ１０の長さ方向に配列した多数の凸部により構成される。副回折格子１２の周期は３９６ｎｍ、すなわち、主回折格子１１の周期の２倍である。副回折格子１２を構成する凸部は、リッジ１０と同一の２層構造を有し、その高さはリッジ１０の高さと等しい。リッジ１０の長さ方向に関する凸部の寸法は１９８ｎｍである。また、リッジ１０の長さ方向と直交する方向に関する凸部の寸法は、０．５μｍである。
副回折格子１２の凸部は、その端面が主回折格子１１の凸部の先端に接するように配置してもよいし、その端面と主回折格子１１の凸部の先端との間に微小な間隙を確保するように配置してもよい。
リッジ１０の上に、上側電極１４が形成されている。基板１の底面に、下側電極１５が形成されている。上側電極１４及び下側電極１５は、例えばＡｕＺｎ／Ａｕで形成される。通常、レーザ素子の半導体表面は、酸化シリコン、窒化シリコン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の保護膜で被覆される。
量子ドット活性層４は、下側クラッド層２、下側光ガイド層３、上側光ガイド層５、及び上側クラッド層６のいずれの屈折率よりも高い実効屈折率を有する。量子ドット活性層４のうちリッジ１０の下方の領域が、リッジ１０の長さ方向に光を導波させる光導波路となる。この光導波路を伝搬する導波光が、主回折格子１１及び副回折格子１２と結合する。
光導波路の等価屈折率をｎｅとし、主回折格子１１の周期をｐ１とすると、主回折格子１１により選択される導波光の波長λは、
λ＝２×ｐ１×ｎｅ
となる。上側電極１４と下側電極１５との間に電圧を印加し、量子ドット活性層４にキャリアを注入すると、リッジ型レーザ素子は、上述の式で表される波長λで発振する。
なお、図１において、主回折格子１１及び副回折格子１２の周期は、素子全体の寸法に比べて相対的に大きく表わされている。また、本明細書に添付した他の図面においても、回折格子の周期は、素子全体の寸法に比べて相対的に大きく表わされている。
図２に、先に提案されたリッジ型レーザ素子の主回折格子１１と、副回折格子１２と、導波光の横方向の光強度分布との位置関係の一例を示す。リッジ１０の両側の各々に、屈折率の高い領域（凸部）と低い領域（凹部）とが交互に配列した周期構造からなる主回折格子１１が配置されている。主回折格子１１よりも外側の各々に、屈折率の高い領域（凸部）と低い領域とが交互に配列した周期構造からなる副回折格子１２が配置されている。
導波光の基本横モードの光強度分布を実線Ｄ１で示し、２次横モードの光強度分布を実線Ｄ２で示す。基本横モードの光強度分布Ｄ１は、リッジ１０の幅方向の中心で最大値を示し、中心から遠ざかるに従って光強度が低下する。２次横モードの光強度分布Ｄ２は、リッジ１０の幅方向の中心で極小値を示し、リッジ１０の側面近傍で極大値を示す。
２次横モードは、主回折格子１１が配置されている領域Ａ、及び副回折格子１２が配置されている領域Ｂの両方で、比較的高い光強度を持つ。基本横モードは、主回折格子１１が配置されている領域Ａである程度高い光強度を示す。ところが、副回折格子１２が配置されている領域Ｂにおける基本横モードの光強度は、主回折格子１１が配置されている領域Ａにおける基本横モードの光強度に比べて著しく低い。
このため、基本横モードと副回折格子１２との結合係数は、基本横モードと主回折格子１１との結合係数よりも小さくなる。これに対し、２次横モードは、主回折格子１１と副回折格子１２との双方に対して高い結合係数を持つ。基本横モードと主回折格子１１との結合係数をｋ１１、基本横モードと副回折格子１２との結合係数をｋ１２、２次横モードと主回折格子との結合係数をｋ２１、２次横モードと副回折格子１２との結合係数とｋ２２とすると、下記の不等式が成立する。
（ｋ１１−ｋ１２）＞（ｋ２１−ｋ２２）
すなわち、基本横モードは、主回折格子１１の影響を強く受けるが、副回折格子１２の影響をほとんど受けない。２次横モードは、主回折格子１１の影響を強く受け、かつ副回折格子１２の影響も強く受ける。
次に、図３を参照して、主回折格子１１によって選択された波長の導波光が、副回折格子１２から受ける影響について説明する。
図３に、副回折格子１２の幾何学的形状と、回折の強さとの関係を示す。図３の横軸は、副回折格子１２の１周期内に占める凸部の比率（デューティ比）を単位「％」で表し、縦軸は回折の強さを任意目盛で表す。曲線ｃは、基板面に対して直交する方向への回折の強さを示し、曲線ｄは、導波光の伝搬方向への回折の強さを示す。
デューティ比が５０％のとき、基板法線方向への回折の強さが最大になる。デューティ比が５０％から離れるに従って、法線方向への回折の強さが弱くなり、デューティ比が０％及び１００％の時に０になる。導波光の伝搬方向への回折の強さは、デューティ比が２５％及び７５％の時に最大になる。デューティ比が２５％及び７５％から外れるに従って、回折の強さが弱くなり、デューティ比が０％、５０％、１００％の時に、回折の強さが０になる。
このため、副回折格子１２のデューティ比が５０％近傍のとき、導波光の伝搬損失が大きくなる。ところが、基本横モードは副回折格子１２の影響をほとんど受けないため、基本横モードの伝搬損失は増大しない。これに対し、２次横モードは、副回折格子１２から大きな作用を受け、導波路と垂直な方向に回折されるため、伝搬損失が大きくなる。
「副回折格子による２次横モードの再結合強度」を、主回折格子１１に結合して光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの光が副回折格子１２により回折されて、光導波路に再結合する強度と定義し、「副回折格子による基本横モードの再結合強度」を、導波光の基本横モードの光が副回折格子１２により回折されて、光導波路に再結合する強度と定義する。第１の実施例においては、副回折格子による２次横モードの再結合強度が、副回折格子による基本横モードの再結合強度よりも弱い。これにより、２次横モードの発振を抑制することができる。
２次横モードの発振を抑制する十分な効果を得るために、副回折格子１２のデューティ比を３５％〜６５％とすることが好ましい。なお、副回折格子１２の周期を主回折格子１１の周期の２倍にしたが、副回折格子１２の周期が主回折格子１１の周期の１．２倍以上であれば、回折した光が導波路に再結合しない角度で回折されるため、２次横モードの発振を十分抑制することが可能である。
上記先の提案では、基本横モードと２次横モードとを対比させて説明したが、２次以上の高次横モードも、基本横モードに比べて、副回折格子１２と強く結合する。従って、先に提案されたリッジ型レーザ素子は、２次以上の高次横モードの発振を抑制することができる。一例として、先に提案されたリッジ型レーザ素子においては、高次横モードの発振しきい値を、従来のものに比べて４〜１０倍程度にすることができる。このとき、基本横モードの発振しきい値の上昇は数％程度に抑制することができる。以下に説明する実施例においては、基本横モードの発振しきい値の上昇を抑制する効果がより大きくなる。
図４に、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。ｐ型ＧａＡｓからなる基板１の主表面上に、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる厚さ２μｍの下側クラッド層２、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる厚さ５０ｎｍの下側光ガイド層３、活性層４、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層５がこの順番に積層されている。活性層４は、ＩｎＡｓからなる多数の量子ドットを含むＩｎＧａＡｓ層をＧａＡｓ層で挟み込んだ構造が厚さ方向に１０回繰り返された積層構造を有する。
上側光ガイド層５の上に、ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる厚さ（高さ）１μｍ、幅２μｍのリッジ状クラッド層６が形成されている。リッジ状クラッド層６は、基板面に平行な直線に沿って配置されている。基板１の主表面をｘｙ面とし、リッジ状クラッド層６の延在する方向をｘ軸とし、基板１の主表面の法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
リッジ状クラッド層６の両側の、上側光ガイド層５の表面上に、ｘ方向に周期性を持つ主回折格子１１が配置されている。主回折格子１１は、リッジ状クラッド層６の両側の側面の各々からｙ方向に張り出した多数の第１の部材１１ａにより構成される。第１の部材１１ａの各々の高さは、リッジ状クラッド層６の高さと同一であり、ｘ方向の寸法（厚さ）は９９ｎｍである。第１の部材１１ａの間隔は、９９ｎｍに設定されている。すなわち、主回折格子１１の周期は１９８ｎｍである。リッジ状クラッド層６の一方の側（第１の側Ｓ１）に配置された第１の部材１１ａの、リッジ状クラッド層６の側面からの張り出し量は５００ｎｍであり、他方の側（第２の側Ｓ２）に配置された第１の部材１１ａのそれは１０μｍである。
リッジ状クラッド層６の第１の側Ｓ１の上側光ガイド層５の表面上に、副回折格子１２が配置されている。副回折格子１２は、ｘ方向に配列した多数の第２の部材１２ａにより構成される。第２の部材１２ａの各々の高さは、リッジ状クラッド層６の高さと同一であり、ｘ方向の寸法（厚さ）は１９８ｎｍである。第２の部材１２ａの間隔は１９８ｎｍに設定されている。すなわち、副回折格子１２の周期は、３９６ｎｍである。第２の部材１２ａのｙ方向の寸法は、例えば９．５μｍである。副回折格子１２は、第１の側Ｓ１に配置された主回折格子１１に接するか、または主回折格子１１からｙ方向に微小な間隙を隔てて配置されている。
リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２の上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＡｓからなる厚さ０．４μｍのコンタクト層７が配置されている。コンタクト層７は、リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２と同一の平面形状を有する。
リッジ状クラッド層６の第１の側Ｓ１に配置された主回折格子１１の間隙部、及び副回折格子１２の間隙部に、第１の埋込部材２１が充填されている。第１の埋込部材２１は、副回折格子１２よりも外側の上側光ガイド層５の表面をも覆う。リッジ状クラッド層６の第２の側Ｓ２に配置された主回折格子１１の間隙部に、第２の埋込部材２２が充填されている。第２の埋込部材２２は、主回折格子１１よりも外側の上側光ガイド層５の表面をも覆う。
第１の埋込部材２１及び第２の埋込部材２２の上面を、コンタクト層７の上面とほぼ同じ高さにしてもよいし、第１の埋込部材２１及び第２の埋込部材２２がコンタクト層７の上面を被覆するようにしてもよい。
第１の埋込部材２１の屈折率は、第２の埋込部材２２の屈折率よりも高い。例えば、第１の埋込部材２１はＴｉＯ２で形成され、第２の埋込部材２２はＳｉＯ２で形成されている。ＴｉＯ２及びＳｉＯ２の屈折率は、それぞれ２．３及び１．５である。なお、主回折格子１１及び副回折格子１２を形成しているＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓの屈折率は約３．２３である。
リッジ状クラッド層６を覆うコンタクト層７の上に、上側電極１４が形成され、基板１の底面に、下側電極１５が形成されている。上側電極１４及び下側電極１５は、ＡｕＺｎ層とＡｕ層との２層構造を有し、それぞれコンタクト層７及び基板１にオーミック接触する。
図５に、リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２の平面配置と、導波光の基本横モード及び２次横モードの光強度分布との位置関係を示す。リッジ状クラッド層６の屈折率は約３．２３である。主回折格子１１を構成する第１の部材１１ａ及び副回折格子１２を構成する第２の部材１２ａの屈折率も、約３．２３である。第１の側Ｓ１に配置された第１の埋込部材２１の屈折率が２．３であるため、リッジ状クラッド層６の第１の側Ｓ１に配置された部材の平均屈折率は約２．７７になる。リッジ状クラッド層６の第２の側Ｓ２に配置された第２の埋込部材２２の屈折率は約１．５であるため、リッジ状クラッド層６の第２の側Ｓ２に配置された部材の平均屈折率は約２．３７になる。
ｙ方向に関しては、リッジ状クラッド層６の屈折率が、その両側の部材の平均屈折率よりも高くなる屈折率分布が得られ、ｚ方向に関しては、活性層４の位置において屈折率が最大になる屈折率分布が得られる。このため、活性層４が導波路層としての役割を担い、リッジ状クラッド層６の下方に、ｘ方向に光を導波する光導波路が画定される。
基本横モード及び２次横モードの光強度分布Ｄ１及びＤ２は、主回折格子１１及び副回折格子１２が配置された領域まで広がっている。また、リッジ導波路６の第１の側Ｓ１の部材の平均屈折率が、第２の側Ｓ２の部材の平均屈折率よりも高い。このため、導波光が感じる第１の側Ｓ１の実効屈折率が、第２の側Ｓ２の実効屈折率よりも高くなる。この実効屈折率の差により、導波光の横モードの光強度分布が、第１の側Ｓ１に偏在する。
基本横モードの光強度分布Ｄ１は、左右対称ではなく、リッジ状クラッド層６の中心よりもやや第１の側Ｓ１に偏在する。２次横モードの光強度分布Ｄ２は２つの山を持ち、第１の側Ｓ１の山が、第２の側Ｓ２の山よりも高くなる。
主回折格子１１はリッジ状クラッド層６に隣接するように配置されているため、その位置Ａにおいて、基本横モードの光強度はある程度の強さを維持している。このため、基本横モードの導波光は、主回折格子１１と、相対的に強く結合する。これに対し、副回折格子１２は、リッジ状クラッド層６から離れているため、その位置Ｂにおいて、基本横モードの光強度が低くなる。このため、基本横モードの導波光と副回折格子１２との結合は、相対的に弱い。また、第２の側Ｓ２の成分は、主回折格子１１とのみ結合し、副回折格子１２とは結合しない。光強度分布が第１の側に偏在することにより、副回折格子１２が配置された領域Ｂにおける基本横モードの光強度が大きくなるが、領域Ｂ内の成分は、光強度分布の裾野の部分であるため、光強度増大の程度は小さい。このため、副回折格子１２がリッジ状クラッド層６の両側に配置されている図１及び図２に示した構造に比べて、基本横モードの導波光の伝搬損失を小さくすることができる。
これに対し、２次横モードの光強度分布が第１の側Ｓ１に偏在することにより、第１の側Ｓ１の山を構成する成分と副回折格子１２との結合が強くなる。第１の側Ｓ１の山の頂上の近傍が領域Ｂ内に進入するため、結合強度増大の程度が顕著である。第２の側Ｓ２においては、２次横モードも副回折格子１２と結合しないが、第１の側Ｓ１において、より強く結合するため、２次横モードの導波光と副回折格子１２との結合強度は、図１及び図２に示した構成における結合強度よりも強くなる。これにより、２次横モードの発振を効果的に抑制することができる。
また、３次以上の高次横モードの導波光も、２次横モードと同様に、副回折格子１２との十分な結合強度を維持することができる。これにより、３次以上の高次横モードの発振を抑制することができる。
上述のように、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子においては、図１及び図２に示したものに比べて、基本横モードの導波光の伝搬損失が小さくなるため、副回折格子１２を配置したことによる発振しきい値の上昇を抑制することができる。実際に、副回折格子１２が配置されていない従来のリッジ型レーザ素子と、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子とを比較したところ、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の発振しきい値は、従来のリッジ型レーザ素子の発振しきい値とほぼ同等か、高々数ｍＡ程度上昇しただけであった。
第１の実施例において、副回折格子１２の周期を主回折格子１１の周期の２倍にしたが、先に提案したリッジ型レーザ素子の場合と同様に、副回折格子１２の周期が主回折格子１１の周期の１．２倍以上であれば、２次横モードの発振を十分抑制することができる。また、副回折格子１２のデューティ比を３５％〜６５％とすることが好ましい。また、横モードの光強度分布を第１の側Ｓ１に十分偏在させるために、第１の埋込部材２１の屈折率を第２の埋込部材２２の屈折率の１．２倍以上にすることが好ましい。
次に、図６Ａ〜図６Ｅを参照して、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法について説明する。
図６Ａに示すように、ｐ型ＧａＡｓからなる半導体基板１の主表面上に、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる厚さ２μｍの下側クラッド層２、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる厚さ５０ｎｍの下側光ガイド層３、量子ドット活性層４、及びｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層５を、例えば分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）により形成する。さらに、上側光ガイド層５の上に、図４に示したリッジ状クラッド層６等を構成するｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる厚さ１μｍの上側クラッド層６ａ、及びｎ型ＧａＡｓからなる厚さ０．４μｍのコンタクト層７を、ＭＢＥにより形成する。
図６Ｂに示すように、コンタクト層７の上に、電子ビーム露光用レジスト膜５０を形成する。
図６Ｃに示すように、レジスト膜５０の露光及び現像を行うことにより、レジストパターン５０ａを形成する。レジスト膜５０の露光は、例えば電子ビーム直接描画法等により行うことができる。レジストパターン５０ａは、図４に示したリッジ状クラッド層６、主回折格子１１及び副回折格子１２の平面形状と同一の平面形状を有する。
図６Ｄに示すように、レジストパターン５０ａをエッチングマスクとして、コンタクト層７及び上側クラッド層６ａをエッチングする。このエッチングは、例えばエッチングガスとしてＣｌ２を用いたドライエッチングにより行うことができる。これにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるリッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２が形成され、その上にｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層７が残る。エッチング後、レジストパターン５０ａを除去する。
図６Ｅに示すように、リッジ状クラッド層６よりも第１の側Ｓ１の上側光ガイド層５の上に、ＴｉＯ２からなる第１の埋込部材２１を堆積させ、第２の側Ｓ２の上側光ガイド層５の上に、ＳｉＯ２からなる第２の埋込部材２２を堆積させる。第１の側Ｓ１に配置された主回折格子１１の間隙部及び副回折格子１２の間隙部が、第１の埋込部材２１で埋め尽くされ、第２の側Ｓ２に配置された主回折格子１１の間隙部が、第２の埋込部材２２で埋め尽くされる。以下、第１の埋込部材２１及び第２の埋込部材２２の形成方法について説明する。
まず、主回折格子１１及び副回折格子１２の間隙部が埋め尽くされるように、上側光ガイド層５の全面にＴｉＯ２膜を堆積させる。第１の側Ｓ１に堆積したＴｉＯ２膜をレジストパターンで覆い、第２の側Ｓ２に堆積しているＴｉＯ２膜を除去する。その後、第２の側Ｓ２に配置された主回折格子１１の間隙部が埋め尽くされるように、基板全面にＳｉＯ２膜を堆積させる。第２の側Ｓ２に堆積しているＳｉＯ２膜をレジストパターンで覆い、第１の側Ｓ１に堆積しているＳｉＯ２膜を除去する。これにより、第１の埋込部材２１及び第２の埋込部材２２を形成することができる。
図４に示すように、上側電極１４及び下側電極１５を形成する。これらの電極は、例えば真空蒸着法により形成される。また、電極の平面形状は、例えばリフトオフ法により画定することができる。上部電極１４及び下部電極１５を形成した後、半導体基板１を、へき開等により素子単位に分離する。素子単位に分離した後、端面処理を行う。例えば、前側の端面を無反射コーティングし、後側の端面を高反射コーティングする。なお、後側の端面は、へき開面のままとしてもよい。
上述の方法では、図６Ｃに示したレジストパターン５０ａをエッチングマスクとして用いたが、ＳｉＯ２等のハードマスクをエッチングマスクとして用いてもよい。
また、上述の方法では、電子ビーム露光を用いてエッチングマスクを形成したが、干渉露光法を用いることも可能である。次に、図７Ａ〜図７Ｈを参照して、干渉露光法を用いて、エッチング用マスクを形成する方法について説明する。
図７Ａに示すように、コンタクト層７の表面にポジ型フォトレジストを塗布することにより、レジスト膜６０を形成する。レジスト膜６０を、二光束干渉露光法を用いて露光し、現像する。
図７Ｂに示すように、レジスト材からなる第１の回折格子パターン６０ａが形成される。第１の回折格子パターン６０ａの周期は、主回折格子１１の周期と同一になるようにする。
図７Ｃに示すように、主回折格子１１及びリッジ状クラッド層６が形成される領域（図４の主回折格子１１と副回折格子１２との境界線よりも主回折格子１１側の領域）を、ＳｉＮからなる厚さ２００ｎｍのマスク膜６１で覆う。マスク膜６１は、全面にＳｉＮ膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィと、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより形成することができる。
図７Ｄに示すように、マスク膜６１で覆われていない第１の回折格子パターン６０ａを、酸素ガスを用いたリアクティブイオンエッチングにより除去する。
図７Ｅに示すように、ポジ型フォトレジストを塗布することにより、全面にレジスト膜６４を形成する。レジスト膜６４を、二光束干渉露光法により露光し、現像する。
図７Ｆに示すように、レジスト材からなる第２の回折格子パターン６４ａが形成される。第２の回折格子パターン６４ａは、副回折格子１２と同一の周期を持つ。バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより、マスク膜６１を除去する。このとき、マスク膜６１の上に形成されていた第２の回折格子パターン６４ａも除去される。
図７Ｇに示すように、主回折格子１１及びリッジ状クラッド層６が配置される領域に、第１の回折格子パターン６０ａが露出する。副回折格子１２が配置される領域には、第２の回折格子パターン６４ａが残る。
図７Ｈに示すように、ＳｉＯ２またはＳｉＮからなるリッジパターン６５を形成する。リッジパターン６５は、第１の回折格子パターン６０ａと第２の回折格子パターン６４ａとの境界線よりも第１の回折格子パターン６０ａ側に配置され、リッジ状クラッド層６に対応する平面形状を持つ。リッジパターン６５は、全面にＳｉＯ２またはＳｉＮからなる絶縁膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィと、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより形成することができる。第１の回折格子パターン６０ａ、第２の回折格子パターン６４ａ、及びリッジパターン６５が、図６５Ｃに示したレジストパターン５０ａと同様に、エッチングマスクとして使用することができる。
なお、図７Ａ〜図７Ｈにおいては、図１７に示したレーザ素子の回折格子５０４Ａよりも外側に配置されているリッジ５０３と同じ高さのリッジ状の部分の記載を省略している。実際には、図７Ａ〜図７Ｈに表された領域の両側に、図１７に示したレーザ素子の両側のリッジ状の部分に相当する領域が確保されている。
図８に、第２の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。以下、図４に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子との相違点に着目して説明する。第１の実施例では、副回折格子１２が、リッジ状クラッド層６及び主回折格子１１と同一の高さであったが、第２の実施例では、副回折格子１２が、リッジ状クラッド層６及び主回折格子１１よりも低く、その高さは、例えば１００ｎｍである。リッジ状クラッド層６の第１の側Ｓ１に配置されている第１の埋込部材２１の上面は、コンタクト層７の上面とほぼ同一の高さに設定されている。その他の構成は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の構成と同一である。
副回折格子１２の上面よりも上方の領域に着目すると、第１の側Ｓ１には屈折率２．３のＴｉＯ２が配置され、第２の側Ｓ２には、屈折率１．５のＳｉＯ２と屈折率３．２３のＡｌＧａＡｓが配置される。このため、両者の平均屈折率に大きな差はない。ただし、副回折格子１２の上面よりも下方の領域に着目すると、第１の実施例の場合と同様に、第１の側Ｓ１の平均屈折率が、第２の側Ｓ２の実効屈折率よりも高い。
光導波路を伝搬する導波光は、厚さ方向に関して、活性層４の近傍に閉じ込められるため、副回折格子１２の上面よりも下方の部材の屈折率が導波光に大きく作用する。このため、第２の実施例においても、第１の実施例の場合と同様に、第１の側Ｓ１の実効屈折率が、第２の側Ｓ２の実効屈折率よりも高くなる。これにより、導波光の横モードの光強度分布が、第１の側Ｓ１に偏在することになり、第１の実施例と同様の効果が得られる。
なお、主回折格子１１の高さと、副回折格子１２の高さとを逆にしてもよい。すなわち、主回折格子１１を、リッジ状クラッド層６よりも低くし、副回折格子１２をリッジ状クラッド層６と同じ高さにしてもよい。さらに、主回折格子１１及び副回折格子１２の両方を、リッジ状クラッド層６より低くしてもよい。
図９に、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。以下、図４に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子との相違点に着目して説明する。
半導体基板１がｎ型ＩｎＰで形成されている。第１の実施例の下側クラッド層２に代えて、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ５００ｎｍのバッファ層２が配置されている。半導体基板１及びバッファ層２が、下側クラッド層として機能する。バッファ層２の上の下側光ガイド層３は、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰで形成されている。下側光ガイド層３の組成波長は１０５０ｎｍであり、その厚さは５０ｎｍである。
活性層４は、１０層の量子井戸層と１１層のバリア層とで構成され、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。量子井戸層はＧａＩｎＡｓＰで形成されており、その発光波長は１３１０ｎｍ、厚さは６ｎｍである。バリア層は、組成波長１０５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰで形成され、その厚さは１０ｎｍである。
上側光ガイド層５は、組成波長１０５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰで形成され、その厚さは８００ｎｍである。
リッジ状クラッド層６及び主回折格子１１は、ｐ型ＩｎＰで形成されており、その周期は２００ｎｍ、高さは７５０ｎｍである。副回折格子１２は、上側光ガイド層５と同一の材料で形成されており、その周期は４００ｎｍ、高さはリッジ状クラッド層６と同一である。主回折格子１１とコンタクト層７との間、及び副回折格子１２とコンタクト層７との間に、リッジ状クラッド層６と同一の材料で形成された上側クラッド層６ｂが配置されている。
第１の実施例の第１の埋込部材２１及び第２の埋込部材２２に代えて、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）からなる埋込部材２３が配置されている。
第１の実施例では、第１の埋込部材２１と第２の埋込部材２２との屈折率を異ならせることによって、リッジ状クラッド層６の第１の側Ｓ１と第２の側Ｓ２との実効屈折率を異ならせていた。これに対し、第３の実施例では、副回折格子１２の材料と、主回折格子１１の材料との屈折率を異ならせることにより、同等の効果を得ている。
次に、図１０Ａ〜図１０Ｇを参照して、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法について説明する。
図１０Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１の主表面上に、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ５００ｎｍのバッファ層２、組成波長１０５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの下側光ガイド層３、及び多重量子井戸層４を、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により形成する。さらに、多重量子井戸層４の上に、組成波長１０５０ｎｍ、厚さ８００ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層からなる高屈折率層５ａを、ＭＯＶＰＥにより形成する。
図１０Ｂに示すように、高屈折率層５ａの上に、ＳｉＯ２からなるマスクパターン７０を形成する。マスクパターン７０は、副回折格子１２が配置される領域を覆う。マスクパターン７０は、周知のＳｉＯ２膜の堆積工程、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を経て形成される。
図１０Ｃに示すように、マスクパターン７０をエッチングマスクとして、高屈折率層５ａをエッチングする。このとき、マスクパターン７０で覆われていない領域に、厚さ５０ｎｍの高屈折率層５ａを残す。残った高屈折率層５ａが、図９に示した上側光ガイド層５の一部を構成する。
図１０Ｄに示すように、上側光ガイド層５の上に、ｐ型ＩｎＰからなる低屈折率層６ａをＭＯＶＰＥにより選択的に成長させる。低屈折率層６ａの上面が、マスクパターン７０で覆われている領域の高屈折率層５ａの上面とほぼ同じ高さになるように、低屈折率層６ａの厚さを制御する。その後、マスクパターン７０を除去する。
図１０Ｅに示すように、高屈折率層５ａ及び低屈折率層６ａの上に、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ０．２μｍの上側クラッド層６ｂ、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなる厚さ０．３μｍのコンタクト層７を、ＭＯＶＰＥにより形成する。コンタクト層７の上に、電子線露光用レジスト膜７２を形成する。
図１０Ｆに示すように、電子線露光用レジスト膜７２を、電子線直接描画法により露光し、現像することにより、レジストパターン７２ａを形成する。レジストパターン７２ａは、リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２の平面形状と同一の平面形状を有する。レジスト膜７２の露光時には、主回折格子１１と副回折格子１２との境界に対応する部分が、高屈折率層５ａと低屈折率層６ａとの境界とほぼ一致するように、位置合わせを行う。
レジストパターン７２ａをエッチングマスクとして、コンタクト層７、上側クラッド層６ｂ、高屈折率層５ａ、及び低屈折率層６ａをエッチングする。このとき、低屈折率層６ａの底面でエッチングを停止させる。エッチング後、レジストパターン７２ａを除去する。
図１０Ｇに示すように、リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２が形成される。副回折格子１２が配置される領域には、高屈折率層５ａの下層部分からなる上側光ガイド層５が残る。リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２の上に、上側クラッド層６ｂが残り、その上にコンタクト層７が残る。
図９に示すように、主回折格子１１及び副回折格子１２の間隙部に、埋込部材２３を充填する。主回折格子１１及び副回折格子１２が配置された領域よりも外側の上側光ガイド層５の上にも、埋込部材２３が形成される。第１の実施例の場合と同様に、上側電極１４及び下側電極１５を形成する。
第３の実施例では、主回折格子１１及び副回折格子１２自体の材料を異ならせることにより、第１の側Ｓ１と第２の側Ｓ２とに屈折率差を形成している。このため、埋込部材２３は必須ではない。例えば、主回折格子１１及び副回折格子１２の間隙部が大気で満たされていてもよい。
また、第１の実施例の場合と同様に、第１の側Ｓ１に配置される埋込部材の屈折率を、第２の側Ｓ２に配置される埋込部材の屈折率よりも高くしてもよい。このような構成とすることにより、第１の側Ｓ１と第２の側Ｓ２との実効屈折率差をより大きくし、光強度分布の偏在の度合いを高めることができる。
また、第３の実施例では、図１０Ｆに示した屈折率が相対的に高い高屈折率Ｐ層５ａと、屈折率が相対的に低い低屈折率層６ａとの境界を、主回折格子１１と副回折格子１２との境界に一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。例えば、高屈折率層５ａと低屈折率層６ａとの境界を、リッジ状クラッド層６の、第１の側Ｓ１の側面に一致させてもよい。また、高屈折率層５ａと低屈折率層６ａとの境界を、第１の側Ｓ１の主回折格子１１内に配置してもよいし、副回折格子１２内に配置してもよい。
図１１に、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。以下、図４に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子との相違点に着目して説明する。第１の実施例では、リッジ状クラッド層６の両側に主回折格子１１が配置されていたが、第４の実施例では、第２の側Ｓ２にのみ主回折格子１１が配置されており、第１の側Ｓ１には主回折格子１１が配置されていない。このため、第１の側Ｓ１においては、副回折格子１２を構成する第２の部材１２ａの各々が、直接、リッジ状クラッド層６の側面から外側に張り出している。リッジ状クラッド層６の側面からの張り出し量は、例えば１０μｍである。その他の構成は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の構成と同一である。
図１２に、リッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折格子１２の平面配置と、導波光の横モードの光強度分布との位置関係を示す。第１の側Ｓ１には副回折格子１２のみが配置され、第２の側Ｓ２には、主回折格子１１のみが配置されている。第１の側Ｓ１の埋込部材２１の屈折率が、第２の側Ｓ２の埋込部材２２の屈折率よりも高いため、第１の実施例の場合と同様に、光導波路を伝搬する導波光の横モードの光強度分布は、第１の側Ｓ１に偏在する。
基本横モードＤ１の導波光が第１の側Ｓ１に偏在することにより、副回折格子１２との結合が強まるが、その程度は小さい。これに対し、２次横モードＤ２の導波光が第１の側Ｓ１に偏在することによる副回折格子１２との結合係数の増加の程度は大きい。このため、第１の実施例の場合と同様に、基本横モードの導波光の伝搬損失の増加を抑制しつつ、２次横モードの導波光の伝搬損失を大きくすることができる。これにより、２次横モードの発振を抑制することができる。
また、第１の実施例の場合と同様に、３次以上の高次横モードの導波光も、２次横モードと同様に、副回折格子１２との十分な結合強度を維持することができる。これにより、３次以上の高次横モードの発振を抑制することができる。
第４の実施例によるリッジ型レーザ素子は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法の図６Ｃに示した工程におけるレジストパターン５０ａの形状を、図１１に示したリッジ状クラッド層６、主回折格子１１、及び副回折光視１２に整合させることにより、製造可能である。
干渉露光法で回折格子のマスクパターンを形成する場合、第１の実施例では、図７Ｈに示した工程において、第１の回折格子用レジストパターン６０ａと第２の回折格子用レジストパターン６４ａとの境界線と、リッジパターン６５との位置合わせに、高い精度が要求される。両者の位置ずれが生じると、図４に示した第１の側Ｓ１の主回折格子１１の、リッジ状クラッド層６の側面からの張り出し量が変動してしまい、所望の素子特性が得られなくなってしまう。例えば、位置合わせ誤差を０．３μｍ以下にしなければならない。
これに対し、第４の実施例の場合には、図７Ｈに対応する工程において、リッジパターン６５が、第１の回折格子用レジストパターン６０ａと第２の回折格子用レジストパターン６４ａとの境界線を跨ぐように位置合わせすればよい。このため、大きな位置合わせ余裕を確保することができる。
図１３に、第５の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。第５の実施例においては、第４の実施例の場合と同様に、主回折格子１１がリッジ状クラッド層６の第２の側Ｓ２にのみ配置されている。第１の側Ｓ１に配置された副回折格子１２は、図８に示した第２の実施例の場合と同様に、リッジ状クラッド層６よりも低い構成とされている。
第５の実施例においても、第４の実施例と同様の効果が得られることは、当業者に自明であろう。
図１４に、第６の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。第６の実施例においては、図９に示した第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の第１の側Ｓ１の主回折格子１１を省略したものと同一の構成を有する。第１の側Ｓ１の主回折格子１１が省略されたことにより、副回折格子１２がリッジ状クラッド層６に近づくか、または接することになる。
第６の実施例によるリッジ型レーザ素子は、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法の図１０Ｆに示した工程において、レジストパターン７２ａの第１の側Ｓ１に配置される主回折格子１１に対応する部分を削除し、副回折格子１２に対応する部分を、リッジ状クラッド層６に対応する部分に接続することにより、製造することができる。第６の実施例では、レジストパターン７２ａのリッジ状クラッド層６に対応する部分と、副回折格子１２に対応する部分との境界線が、高屈折率層５ａと低屈折率層６ａとの境界線とほぼ一致するように、レジストパターン７２ａの位置合わせを行う。
第６の実施例においても、導波光の横モード光強度分布を第１の側Ｓ１に偏在させることができる。このため、第１の実施例と同様の効果が得られる。
図１５に、第７の実施例によるレーザ素子の概略断面図を示す。第１〜第６の実施例によるレーザ素子は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子であったが、第７の実施例によるレーザ素子は、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ素子である。
第７の実施例によるＤＢＲレーザ素子は、導波光の伝搬する方向に関して、増幅領域２００の両側にブラッグ反射領域２０１が配置された構造を有する。増幅領域２００には、電極２０２及び２０３からキャリアが注入される。ブラッグ反射領域２０１には、導波光を反射する回折格子２０５が形成されている。回折格子２０５は、上記第１〜第６の実施例によるレーザ素子の主回折格子及び副回折格子を含む。
ブラッグ反射領域２０１内の回折格子２０５が、導波光の高次横モードの損失を増大させるため、高次横モードの発振を抑制することができる。
上記実施例では、ＧａＡｓ基板上に量子ドット活性層を配置したレーザ素子、及びＩｎＰ基板上に多重量子井戸活性層を配置したレーザ素子について説明したが、基板材料と活性層の構造とを、その他の組み合わせとしてもよい。例えば、ＧａＡｓ基板上に多重量子井戸活性層を配置してもよいし、ＩｎＰ基板上に量子ドット活性層を配置してもよい。
また、上記第１、第２、第４、第５の実施例では、ｐ型基板１を用い、第３及び第６の実施例では、ｎ型基板１を用いたが、逆の導電型の基板を用いてもよい。この場合、活性層４の上下の各層の導電型を逆にすればよい。さらに、半絶縁性の基板を用いてもよいし、シリコン基板の上に所望の材料からなる下地基板を貼り合わせた基板を用いてもよい。また、上記実施例では、活性層４の上下に、光ガイド層３及び５を配置したが、これらの光ガイド層を省略してもよい。
また、第３の実施例では活性層（量子井戸層）及びバリア層（障壁層）がＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されているが、活性層及びバリア層はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料で構成されていてもよいし、活性層の材料とバリア層の材料との組み合わせが、ＧａＩｎＡｓＰ系材料とＡｌＧａＩｎＡｓ系材料との組み合わせで構成されていてもよい。
また、第１の実施例においては、端面処理として、回折格子に位相シフトが導入されていない構造（前端面が無反射コーティングであり、後端面が高反射コーティングまたはへき開面）を採用した。そのほかに、回折格子にλ/４位相シフトを導入し、両端面を無反射コーティングとした構造を採用してもよい。
また、上記実施例では、埋込部材として、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＢＣＢ等を用いたが、その他の材料を用いてもよい。また、上記実施例では、主回折格子１１及び副回折格子１２を半導体で形成したが、半導体以外の材料で形成してもよい。例えば、副回折格子１２を、Ｃｒ等の金属で形成してもよい。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
上記実施例から、以下の付記に示される発明が導出される。
（付記１）
基板上に形成され、該基板の表面に平行な方向に光を導波させる光導波路を画定すると共に、導波光の横モードの光強度分布を該光導波路の第１の側に偏在させる光導波構造と、
前記光導波路の両側のうち、少なくとも前記第１の側とは反対の第２の側に配置され、該光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
前記光導波路の両側のうち前記第１の側に配置され、前記主回折格子と結合して前記光導波路を伝搬する導波光を、該光導波路の延在する方向とは異なる方向に回折させる副回折格子と
を有する光素子。
（付記２）
前記副回折格子の周期が、前記主回折格子の周期の１．２倍以上である付記１に記載の光素子。
（付記３）
前記主回折格子が、前記光導波路の第１の側にも配置されており、前記副回折格子が、前記第１の側に配置された主回折格子よりも外側に配置されている付記１に記載の光素子。
（付記４）
前記光導波構造が、
下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に配置され、該下側クラッド層よりも実効屈折率が高い導波路層と、
前記導波路層の上に配置されたリッジ形状を持つリッジ状クラッド層と
を含み、
前記主回折格子及び副回折格子が、前記リッジ状クラッド層の側方に配置されている付記１または２に記載の光素子。
（付記５）
前記主回折格子が、周期的に配置された第１の部材で構成され、前記副回折格子が、周期的に配置された第２の部材で構成され、該第１の部材と第２の部材とは、同一の材料で形成されており、
前記光導波構造が、前記リッジ状クラッド層の第１の側に配置された回折格子の間隙部に充填された第１の埋込部材と、前記リッジ状クラッド層の第２の側に配置された回折格子の間隙部に充填された第２の埋込部材とを含み、該第１の埋込部材の屈折率が、該第２の埋込部材の屈折率よりも高い付記３に記載の光素子。
（付記６）
前記第１の部材と第２の部材とが、同一の高さを有する付記５に記載の光素子。
（付記７）
前記第１の埋込部材の屈折率が、前記第２の埋込部材の屈折率の１．２倍以上である付記４に記載の光素子。
（付記８）
前記主回折格子が、周期的に配置された第１の部材で構成され、前記副回折格子が、周期的に配置された第２の部材で構成され、該第２の部材の実効屈折率が該第１の部材の実効屈折率よりも高い付記３に記載の光素子。
（付記９）
前記副回折格子のデューティ比が３５％〜６５％の範囲内である付記１乃至６のいずれか１項に記載の光素子。
（付記１０）
下側クラッド層の上に、該下側クラッド層よりも実効屈折率の高い導波路層を形成する工程と、
前記導波路層の上に、該導波路層よりも実効屈折率の低い上側クラッド層を形成する工程と、
前記上側クラッド層の上に、干渉露光法を用いて、第１の方向に周期性を持つ第１の回折格子パターンを形成する工程と、
前記第１の方向に平行な境界線の一方の領域に配置された前記第１の回折格子パターンを、マスク膜で覆う工程と、
前記マスク膜で覆われていない領域の前記第１の回折格子パターンを除去する工程と、
前記上側クラッド層及び前記マスク膜の上に、干渉露光法を用いて、前記第１の方向に周期性を持つ第２の回折格子パターンを形成する工程と、
前記マスク膜を、その上に形成されている前記第２の回折格子パターンと共に除去する工程と、
少なくとも一部において前記第１の回折格子パターンと重なり、前記第１の方向に延在する帯状の領域覆うリッジパターンを形成する工程と、
前記第１の回折格子パターン、第２の回折格子パターン、及びリッジパターンをエッチングマスクとして、前記上側クラッド層をエッチングする工程と
を有する光素子の製造方法。
（付記１１）
前記リッジパターンが、前記境界線よりも、前記第１の回折格子パターンが形成されている領域側に配置され、該リッジパターンの両側に該第１の回折格子パターンが露出している付記１０に記載の光素子の製造方法。
（付記１２）
前記リッジパターンが、前記境界線を跨ぐように配置されている付記１０に記載の光素子の製造方法。
本願発明者が先に提案したリッジ型レーザ素子の斜視図である。 先に提案したリッジ型レーザ素子の主回折格子及び副回折格子と、基本横モード及び２次横モードの光強度分布との位置関係を示す図である。 回折格子のデューティ比と、回折強度との関係を示すグラフであり、曲線ｃは導波光の伝搬方向と直交する方向の回折強度を示し、曲線ｄは、導波光の伝搬方向への回折強度を示す。 第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の主回折格子及び副回折格子と、基本横モード及び２次横モードの光強度分布との位置関係を示す図である。 （６Ａ）及び（６Ｂ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （６Ｃ）及び（６Ｄ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （６Ｅ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （７Ａ）及び（７Ｂ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の他の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （７Ｃ）及び（７Ｄ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の他の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （７Ｅ）及び（７Ｆ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の他の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （７Ｇ）及び（７Ｈ）は、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の他の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 第２の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 （１０Ａ）及び（１０Ｂ）は、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （１０Ｃ）及び（１０Ｄ）は、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （１０Ｅ）及び（１０Ｆ）は、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 （１０Ｇ）は、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造方法を説明するための、製造途中段階における素子の斜視図である。 第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の主回折格子及び副回折格子と、基本横モード及び２次横モードの光強度分布との位置関係を示す図である。 第５の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 第６の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 第７の実施例によるＤＢＲレーザ素子の断面図である。 従来のリッジ型レーザ素子の斜視図である。 従来のリッジ型レーザ素子の斜視図である。 従来のリッジ型レーザ素子の回折格子と、導波光の基本横モード及び２次横モードの光強度分布との位置関係を示す図である。 従来のリッジ型レーザ素子のリッジ部分の平断面図である。
符号の説明
１ 基板
２ 下側クラッド層
３ 下側光ガイド層
４ 活性層
５ 上側光ガイド層
５ａ 高屈折率層
６ リッジ状クラッド層
６ａ 低屈折率層
７ コンタクト層
１０ リッジ
１１ 主回折格子
１２ 副回折格子
１４ 上側電極
１５ 下側電極
２１ 第１の埋込部材
２２ 第２の埋込部材
２３ 埋込部材
５０ レジスト膜
５０ａ レジストパターン
６０ レジスト膜
６０ａ 第１のレジストパターン
６１ ＳｉＮ膜
６４ レジスト膜
６４ａ 第２のレジストパターン
６５ リッジパターン
７０ マスクパターン
７２ レジスト膜
７２ａ レジストパターン
２００ 増幅領域
２０１ ブラッグ反射領域
２０２、２０３ 電極
２０５ 回折格子

Claims (10)

  1. 基板上に形成され、該基板の表面に平行な方向に光を導波させる光導波路を画定すると共に、導波光の横モードの光強度分布を該光導波路の第１の側に偏在させる光導波構造と、
    前記光導波路の両側のうち、少なくとも前記第１の側とは反対の第２の側に配置され、該光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
    前記光導波路の両側のうち前記第１の側に配置され、前記主回折格子と結合して前記光導波路を伝搬する導波光を、該光導波路の延在する方向とは異なる方向に回折させる副回折格子と
    を有する光素子。
  2. 前記副回折格子の周期が、前記主回折格子の周期の１．２倍以上である請求項１に記載の光素子。
  3. 前記主回折格子が、前記光導波路の第１の側にも配置されており、前記副回折格子が、前記第１の側に配置された主回折格子よりも外側に配置されている請求項１に記載の光素子。
  4. 前記光導波構造が、
    下側クラッド層と、
    前記下側クラッド層の上に配置され、該下側クラッド層よりも実効屈折率が高い導波路層と、
    前記導波路層の上に配置されたリッジ形状を持つリッジ状クラッド層と
    を含み、
    前記主回折格子及び副回折格子が、前記リッジ状クラッド層の側方に配置されている請求項１または２に記載の光素子。
  5. 前記主回折格子が、周期的に配置された第１の部材で構成され、前記副回折格子が、周期的に配置された第２の部材で構成され、該第１の部材と第２の部材とは、同一の材料で形成されており、
    前記光導波構造が、前記リッジ状クラッド層の第１の側に配置された回折格子の間隙部に充填された第１の埋込部材と、前記リッジ状クラッド層の第２の側に配置された回折格子の間隙部に充填された第２の埋込部材とを含み、該第１の埋込部材の屈折率が、該第２の埋込部材の屈折率よりも高い請求項３に記載の光素子。
  6. 前記第１の部材と第２の部材とが、同一の高さを有する請求項５に記載の光素子。
  7. 前記第１の埋込部材の屈折率が、前記第２の埋込部材の屈折率の１．２倍以上である請求項４に記載の光素子。
  8. 前記主回折格子が、周期的に配置された第１の部材で構成され、前記副回折格子が、周期的に配置された第２の部材で構成され、該第２の部材の実効屈折率が該第１の部材の実効屈折率よりも高い請求項３に記載の光素子。
  9. 前記副回折格子のデューティ比が３５％〜６５％の範囲内である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光素子。
  10. 下側クラッド層の上に、該下側クラッド層よりも実効屈折率の高い導波路層を形成する工程と、
    前記導波路層の上に、該導波路層よりも実効屈折率の低い上側クラッド層を形成する工程と、
    前記上側クラッド層の上に、干渉露光法を用いて、第１の方向に周期性を持つ第１の回折格子パターンを形成する工程と、
    前記第１の方向に平行な境界線の一方の領域に配置された前記第１の回折格子パターンを、マスク膜で覆う工程と、
    前記マスク膜で覆われていない領域の前記第１の回折格子パターンを除去する工程と、
    前記上側クラッド層及び前記マスク膜の上に、干渉露光法を用いて、前記第１の方向に周期性を持つ第２の回折格子パターンを形成する工程と、
    前記マスク膜を、その上に形成されている前記第２の回折格子パターンと共に除去する工程と、
    少なくとも一部において前記第１の回折格子パターンと重なり、前記第１の方向に延在する帯状の領域覆うリッジパターンを形成する工程と、
    前記第１の回折格子パターン、第２の回折格子パターン、及びリッジパターンをエッチングマスクとして、前記上側クラッド層をエッチングする工程と
    を有する光素子の製造方法。
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