JP2010232504A - 半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法 - Google Patents

半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法 Download PDF

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Abstract

【課題】きわめて狭線幅なレーザ光を発生でき、安定した特性を有する半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法を提供すること。
【解決手段】半導体活性層と、前記半導体活性層に直接、もしくは間接的に接続した、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶光導波路と、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵し、前記半導体活性層から発生して前記フォトニック結晶光導波路を導波する光をレーザ発振させる光共振器と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法に関するものである。
超高密度波長多重伝送(ＤＷＤＭ:Dense Wavelength Division Multiplexing)や、光の位相を用いて情報のやりとりを行なうコヒーレント通信方式では、広帯域にわたって波長掃引可能であり、かつスペクトル線幅（以下、線幅と称する）が狭い半導体レーザが重要となる。コヒーレント通信方式において、特に多値数の高い１６ＱＡＭ(Quadrature Amplitude Modulation)や１６ＰＳＫ(Phase Shift Keying)を用いる場合は、線幅を１００ｋＨｚ以下に狭窄化しなければならない（たとえば、非特許文献１参照）。
ここで、レーザの線幅（Δｆlaser）FWHMは式（１）で表されることが知られている。
Figure 2010232504
なお、式（１）において、ｈはプランク定数、ｆは光周波数、Ｐはレーザ出力、Ｑはレーザのクォリティーファクター(通常Ｑ値と呼ぶ)、Ｎ２は励起準位のキャリア密度、Ｎ１は基底準位のキャリア密度である。また、αはレーザのαパラメータであり、半導体レーザの場合、式（２）で表される。
Figure 2010232504
なお、式（２）において、ｎは半導体活性層の屈折率であり、Ｎ(＝Ｎ１＋Ｎ２)はキャリア密度、ｇは利得係数である。
また、式（１）におけるＱ値は、式（３）で表される。
Figure 2010232504
なお、式（３）において、ｆは光周波数、ｎgは光共振器の構成材料の群屈折率、Ｌoptは共振器長、ｃは真空中の光速、δは光共振器の損失定数である。
上記式（１）から明らかなように、レーザ光の線幅はレーザ発振のための光共振器のＱ値に大きく依存性している。しかしながら、特に半導体レーザの場合、共振器長が３００μｍ〜１０００μｍと短いものが多く、そのためＱ値は小さい。これに対して、Ｑ値を高くしてレーザの線幅を狭窄化する技術の検討がなされている。たとえば、Ｑ値を高くする方法として、外部共振器構造により、共振器長Ｌoptを長くする方法がある。また、利得媒体としてはエルビウム添加型光ファイバ(ＥＤＦ:Er-Doped Fiber)、もしくは半導体光増幅器(ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier)を用い、これらと数ｍ以上の長さの光ファイバから構成した光共振器とを組み合わせてＱ値を高くしたファイバーレーザ等がある。
特開２００７−１２９０２８号公報 特開２００７−２０１２９３号公報 特開２００７−２２０９２２号公報
M.Seimetz, "Laser linewidth limitations for optical systems with high-order modulation employing feed forward digital carrier phase estimation," in Proc. Optical Fiber Communication Conference (OFC2008), San Diego, USA, paper OTuM2 (2008). 清田他、「フォトニック結晶線欠陥導波路の低群速度効果を用いたレーザと光増幅器」、古河電工時報第１１８号（平成１８年７月発行） M.Okai, "Corrugation-Pitch-Modulated MQ W -DFB Laser with Narrow Spectral Linewidth (170 kHz)," IEEE Photonics Technol., Lett., Vol. 2, No. 8, pp. 529-530, Aug. 1990. K.Kikuchi, "Coherent transmission systems," European Conference on Optical Communication (ECOC2008), Brussel Belgium, paper Th.2.A.1(2008).
しかしながら、上記のように共振器長を長くし、Ｑ値を高くする方法の場合、レーザ全体のサイズが大きくなる。そのため、コストが高くなるとともに、光共振器の実効的な光学長が外部の温度変化や振動により変化しやすくなるので、特性が不安定になるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、きわめて狭線幅なレーザ光を発生でき、安定した特性を有する半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザは、半導体活性層と、前記半導体活性層に直接、もしくは間接的に接続した、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶光導波路と、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵し、前記半導体活性層から発生して前記フォトニック結晶光導波路を導波する光をレーザ発振させる光共振器と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、半導体活性層と、前記半導体活性層に直接、もしくは間接的に接続した、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶光導波路と、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路との間に挿入されたモード変換器と、前記半導体活性層と前記モード変換器と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵し、前記半導体活性層から発生して前記モード変換器と前記フォトニック結晶光導波路とを導波する光をレーザ発振させる光共振器と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、前記モード変換器は、上部クラッド層からコア層を挟んで少なくとも下部クラッド層に到る深さまでメサストライプ状に形成されたハイメサ構造を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、少なくとも、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とは、バットジョイント成長方法を用いてモノリシックに集積して形成したものであることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、前記光共振器内に形成され、前記光共振器の少なくともいずれか一つの縦モードに対応する波長の光を選択的にレーザ発振させる波長選択手段をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、前記波長選択手段は、前記半導体活性層に沿って形成された分布帰還用回折格子であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、前記波長選択手段は、光導波方向において前記半導体活性層を挟むように配置した一対の分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザは、上記の発明において、半導体可飽和吸収体を有するモード同期手段をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ光の発生方法は、半導体活性層から発生させた光を、フォトニック結晶光導波路に導波させ、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵する光共振器によってレーザ発振させることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法は、発振すべきレーザ光のスペクトル線幅を狭窄化するために、フォトニック結晶光導波路を光共振器内に挿入することを特徴とする。
本発明によれば、きわめて狭線幅なレーザ光を発生でき、安定した特性を有する半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザの模式的な平面図である。 図２は、図１に示す半導体レーザのＡ−Ａ線断面図である。 図３は、図１に示す半導体レーザの能動部を半導体活性層の光導波方向に沿って切断した断面図である。 図４は、図１に示すフォトニック結晶光導波路の模式的な斜視図および上面の拡大図である。 図５は、図１に示すフォトニック結晶光導波路のＢ−Ｂ線断面図である。 図６は、図１に示すモード変換器のＣ−Ｃ線断面図である。 図７は、図１に示すフォトニック結晶光導波路の分散曲線を示す図である。 図８は、図１に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する説明図である。 図９は、図１に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する説明図である。 図１０は、図１に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する説明図である。 図１１は、図１に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する説明図である。 図１２は、実施の形態２に係る半導体レーザの模式的な平面図である。 図１３は、実施の形態３に係る半導体レーザの模式的な平面図である。 図１４は、実施の形態４に係る半導体レーザの模式的な平面図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ、レーザ光の発生方法、およびレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの模式的な平面図である。本実施の形態１に係る半導体レーザ１００は、基板上１０に、半導体活性層２２を含む能動部２０と、フォトニック結晶光導波路３０と、能動部２０とフォトニック結晶光導波路３０との間に挿入されたモード変換器４０とを備えている。能動部２０とフォトニック結晶光導波路３０とは、モード変換器４０によって間接的に接続している。また、この半導体レーザ１００は、能動部２０と、フォトニック結晶光導波路３０と、モード変換器４０とを内蔵する光共振器５０を備えている。光共振器５０は、能動部２０の端面とフォトニック結晶光導波路３０の端面とにそれぞれ形成された高反射率反射膜５１、５２を有するファブリー・ぺロー型光共振器である。
つぎに、図１に示す能動部２０、フォトニック結晶光導波路３０、およびモード変換器４０の断面構造について順次説明する。図２は、図１に示す半導体レーザ１００のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、半導体レーザ１００の能動部２０は、裏面にｎ側電極１１を形成したｎ型のＩｎＰからなる基板１０上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層２１と、半導体活性層２２と、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層２３ａ、２３ｂとが積層した構造を有している。基板１０の一部から上部クラッド層２３ｂまではメサ構造となっており、その両側はｐ型のＩｎＰからなる下部電流阻止層２４ａとｎ型のＩｎＰからなる上部電流阻止層２４ｂとからなる電流阻止層２４、２４によって埋め込まれている。また、上部クラッド層２３ｂと電流阻止層２４、２４との上にはｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層２３ｃ、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層２５が積層している。また、コンタクト層２５上にはｐ側電極２７が形成され、または保護膜２６で保護されている。さらに、保護膜２６に形成された開口部においてｐ側電極２７に接触するように、電極パッド２８が形成されている。
半導体活性層２２は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の両側に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ活性層からなる。なお、ＭＱＷについては、井戸層厚が６ｎｍ、障壁層厚が１０ｎｍの６層の構造である。また、半導体活性層２２の幅は１．８μｍであり、導波路のモードフィールド径は約１．６μｍとなる。また、半導体活性層２２の利得長は能動部２０の長さＬ１と同じ４００μｍである。また、電極パッド２８は長さＬ２が２００μｍであり、幅Ｗ１が２００μｍである。
一方、図３は、図１に示す半導体レーザ１００の能動部２０を半導体活性層２２の光導波方向に沿って切断した断面図である。図３に示すように、能動部２０の上部クラッド層２３ａには、半導体活性層２２に沿って、波長選択手段としての分布帰還用の回折格子Ｇ１が形成されており、通常の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザと同様の構造となっている。なお、回折格子Ｇ１のピッチは２４０ｎｍであり、ブラッグ波長は１５５０ｎｍとなっている。
つぎに、フォトニック結晶光導波路３０について説明する。図４は、図１に示すフォトニック結晶光導波路３０の模式的な斜視図および上面の拡大図である。図４に示すように、このフォトニック結晶光導波路３０は、半導体の積層体Ｌの側面を貫くエアギャップＧ２上にスラブ構造Ｓが形成された構造を有している。このスラブ構造Ｓを半導体積層方向に垂直に貫くように形成された空孔Ｈが、導波路を形成すべき部分を除いて三角格子状に配列している。その結果、空孔Ｈが半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造である２次元フォトニック結晶を形成する。そして、この２次元フォトニック結晶によって光を導波すべき線欠陥導波路部ＤＷが形成され、フォトニック結晶光導波路３０が構成されている。なお、空孔Ｈの形成する三角格子の格子定数はａである。線欠陥導波路部ＤＷの幅Ｗは、線欠陥導波路部ＤＷを挟んだ空孔Ｈ間の中心距離で表される。なお、空孔Ｈの形成する三角格子の格子定数ａに対して、Ｗは１．０８ａであり、空孔Ｈの直径ｒは０．２９ａである。ａ＝７７５ｎｍとすると、Ｗは８３７ｎｍであり、ｒは２２４．７５ｎｍである。また、フォトニック結晶光導波路３０の長さＬ３は１００μｍである。
また、図５は、図１に示すフォトニック結晶光導波路３０のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図５は、空孔Ｈの数を略して記載している。図５に示すように、このフォトニック結晶光導波路３０は、裏面にｎ側電極１１を形成した共通の基板１０上に、共通の下部クラッド層２１と、下部クラッド層３１と、半導体コア層３２と、上部クラッド層３３ａ〜３３ｃとが積層した構造を有している。また、エアギャップＧ２は下部クラッド層２１の部分に形成されており、スラブ構造Ｓは下部クラッド層３１から上部クラッド層３３ｃまでで構成され、空孔Ｈも下部クラッド層３１から上部クラッド層３３ｃまでを貫くように形成されている。なお、半導体コア層３２は厚さ５００ｎｍの真性のＧａＩｎＡｓＰからなり、下部クラッド層３１と、上部クラッド層３３ａ〜３３ｃとは真性のＩｎＰからなり、３層スラブ構造を構成しており、さらに上部クラッド層３３ｃの外側の空気とエアギャップＧ２内の空気とによって空気クラッドが形成されている。
つぎに、モード変換器４０について説明する。図１に示すように、モード変換器４０は、長さＬ４が５００μｍであり、能動部２０側の幅Ｗ３が２．０μｍ、フォトニック結晶光導波路３０側の幅Ｗ４が０．８μｍであり、能動部２０側からフォトニック結晶光導波路３０側に向かってその幅がゆるやかに狭くなる様なテーパ形状となっている。また、図６は、図１に示すモード変換器４０のＣ−Ｃ線断面図である。図６に示すように、モード変換器４０は、裏面にｎ側電極１１を形成した共通の基板１０上に、共通の下部クラッド層２１と、共通の下部クラッド層３１、半導体コア層３２、および上部クラッド層３３ａ〜３３ｃが積層した構造を有している。そして、モード変換器４０は、上部クラッド層３３ｃから半導体コア層３２を挟んで下部クラッド層２１に到る深さまでメサストライプ状に形成されたハイメサ構造Ｍを有している。
なお、能動部２０の半導体活性層２２とフォトニック結晶光導波路３０との結合損失は、これらを直接結合させた場合は７ｄＢ程度であるが、このモード変換器４０を挿入することによって１ｄＢ以下にまで低減されるので好ましい。
また、この半導体レーザ１００の長さＬ５は、従来と同程度の約１０００μｍである。
この半導体レーザ１００は以下のように動作する。まず、ｎ側電極１１とｐ側電極２７との間に電圧を印加し、半導体活性層２２に電流を注入して蛍光を発生させる。すると、発生した蛍光はモード変換器４０と、フォトニック結晶光導波路３０とを導波し、光共振器５０はこの導波する光をレーザ発振させる。この際に、回折格子Ｇ１は、波長選択手段として、そのブラッグ反射波長である１５５０ｎｍ近傍の縦モードに対応する波長の光を選択的にレーザ発振させる。その結果、光共振器５０の一端からは、回折格子Ｇ１により選択された波長を有する連続波（Continuous Wave：ＣＷ）のレーザ光が出力する。
ここで、この半導体レーザ１００においては、発振すべきレーザ光の線幅を狭窄化するために、フォトニック結晶光導波路３０を光共振器５０内に挿入している。そして、このフォトニック結晶光導波路３０の低群速度効果によって、半導体レーザ１００は小型ながら高いＱ値を有しており、出力するレーザ光の線幅はきわめて狭窄化され、狭線幅となる。
以下、具体的に説明する。図７は、図１に示すフォトニック結晶光導波路３０の分散曲線を示す図である（非特許文献２参照）。なお、横軸は規格化波数を示し、縦軸は規格化周波数を示している。図７に示すように、このフォトニック結晶光導波路３０においては、線欠陥導波路ＤＷの導入により、フォトニックバンドギャップ中に偶モードＥと奇モードＯが一つずつ形成される。このうち導波路中央に強い電磁界を有する偶モードＥが外部との結合の面で有利であり、ここでは偶モードＥを利用する。なお、このフォトニック結晶光導波路３０では、半導体クラッドを利用しているので、クラッドの屈折率が大きいために、クラッドのライトラインの傾きが大きくなり、図７中に書かれた全ての領域でモードはリーキーとなる。
図７に示すように、このフォトニック結晶光導波路３０では、規格化波数が０．５に近づくにつれて群屈折率ｎgが非常に大きくなり、１００程度の値が期待できる。たとえば、波長を１．５５μｍとすると、群屈折率ｎgとして１００以上の数値が得られる。したがって、上記特性を有するフォトニック結晶光導波路３０を光共振器５０に挿入することにより、光共振器５０のＱ値を向上させることができ、出力するレーザ光の線幅を狭窄化することができる。
また、上述したように、この半導体レーザ１００の長さＬ５は、従来と同程度の約１０００μｍであるため、小型、低コストであり、安定した特性を実現できる。
ここで、所望のレーザ発振をさせるために重要となるのは、回折格子Ｇ１のブラッグ波長と光共振器５０のいずれかの縦モードの波長を一致させることである。光共振器５０の縦モードの波長λは、以下の式（４）で表される。
Figure 2010232504
なお、式（４）において、ｎlaser、ｎtaper、ｎpc_waveguideはそれぞれ能動部２０、モード変換器４０、フォトニック結晶光導波路３０における光導波路の群屈折率を示している。また、ｌlaser、ｌtaper、lpc_waveguideはそれぞれ能動部２０、モード変換器４０、フォトニック結晶光導波路３０における光導波路の長さを示している。また、ｑは整数である。
本実施の形態１の場合、たとえば、ｎlaser＝３．２、ｎtaper＝３．２、ｎpc_waveguide＝１００、ｌlaser＝４００μｍ、ｎlaser=５００μｍ、ｌpc_waveguide＝１００μｍである。この場合、たとえばｑ＝１の場合、式（４）の波長λは２５７６０μｍであるが、ｑ＝１６６２０の場合は、光共振器５０の縦モードの波長λが、回折格子Ｇ１のブラッグ波長とほぼ等しい１５４９．９４ｎｍとなり、ほぼこの波長でレーザ発振する。なお、発振波長の微調整は能動部２０の温度、電流により行い、ブラッグ波長を正確に光共振器５０の縦モードの波長λと一致させる必要がある。
なお、従来、狭線幅を実現するレーザとして、ＣＰＭ-ＤＦＢレーザが開示されている（非特許文献３参照）。このＣＰＭ-ＤＦＢレーザでは、共振器長が１．２ｍｍの場合で１７０ｋＨｚの線幅のレーザ光が実現されている。一方、本実施の形態１に係る半導体レーザ１００であれば、このＣＰＭ−ＤＦＢレーザと同じ導波路損を実現できれば、Ｑ値を３．３５倍も高くできると考えられる。この場合、式（１）より、線幅としては１１．５倍も狭くなる。すなわち、本実施の形態１に係る半導体レーザ１００によれば、１５．１ｋＨｚという従来よりも１桁以上狭い線幅のレーザ光が実現できると期待される。この線幅は、１６ＱＡＭやそれ以上に多値数の高い６４ＱＡＭコヒーレント通信の信号光光源に用いるのに十分に狭い線幅である。
本実施の形態１では、半導体活性層２２と空孔Ｈによるフォトニック結晶構造とが分離した構成を有するため、半導体活性層２２の表面が空孔Ｈの内部に露出することはないので、表面再結合によるレーザ出力の低下は防止され、信頼性も維持される。
なお、本実施の形態１に係る半導体レーザ１００では、半導体活性層２２は、電流阻止層２４、２４によって埋め込まれた埋め込みメサ構造を構成しているが、半導体活性層を、その表面をＩｎＰ膜等でパッシベーションしたハイメサ構造としてもよい。
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る半導体レーザ１００の製造方法について説明する。図８〜１１は、図１に示す半導体レーザ１００の製造方法の一例を説明する説明図である。
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００度において以下のような結晶成長を行なう。すなわち、図８（ａ）に示すように、基板１０上に、下部クラッド層２１、半導体活性層２２、回折格子Ｇ１を含む上部クラッド層２３ａ、２３ｂを形成する。なお、回折格子Ｇ１を含む上部クラッド層２３ａは以下のように形成する。すなわち、半導体活性層２２上にｐ型のＩｎＰ層を成長した後、ＥＢ（Electron Beam）描画により、レジストマスクをパターニングし、ドライエッチングにより回折格子Ｇ１を形成し、その後ｐ型のＩｎＰ層を再成長して、上部クラッド層２３ａを形成する。なお、回折格子Ｇ１は、能動部２０を形成すべき能動領域ＡＡに形成するが、その他の領域にも形成してもよい。
つぎに、図８（ｂ）に示すように、能動領域ＡＡの上部クラッド層２３ｂ上にのみ、ＳｉＮ膜からなるマスクＭ１を形成する。そして、モード変換器４０、フォトニック結晶光導波路３０などの、パッシブな導波路を形成すべき受動領域ＰＡの上部クラッド層２３ａ、２３ｂおよび半導体活性層２２を、塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングによって除去し、除去した部分に下部クラッド層３１、半導体コア層３２、上部クラッド層３３ａ〜３３ｃをバットジョイント成長方法により形成する（図８（ｃ））。このようにバットジョイント成長方法を用いることにより、半導体活性層２２を含む能動部２０と、モード変換器４０と、フォトニック結晶光導波路３０とを同一基板上にモノリシックに集積して形成することが容易に実現できる。
つぎに、図８（ｃ）のＸ−Ｘ線断面を参照して、能動部２０の製造工程について説明する。はじめに、図８（ｄ）に示すように、能動領域ＡＡの上部クラッド層２３ｂの全面にＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法で成膜したＳｉＮ膜からなるマスクＭ２を形成し、図８（ｅ）に示すように、メサ構造を形成する領域周辺において、紙面奥行き方向に伸びるストライプ状になるように、マスクＭ２をエッチングする。その後、図８（ｆ）に示すように、マスクＭ２をマスクとして、メタン水素ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupling Plasma-Reactive Ion Etcher）によるドライエッチングによって、マスクＭ２以外の領域の上部クラッド層２３ａ、２３ｂ、半導体活性層２２、下部クラッド層２１を除去する。つづいて、図８（ｇ）に示すように、ウェットエッチングを用いて、さらに基板１０から上部クラッド層２３ｂまでをエッチングし、メサ構造を形成する。このとき、上部クラッド層２３ｂの幅Ｗ５の値が１．６μｍ程度になるようにする。つぎに、図８（ｈ）に示すように、メサ構造の両側に、下部電流阻止層２４ａと上部電流阻止層２４ｂとを順次形成して電流阻止層２４を形成し、メサ構造を埋め込む。その後、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）により、マスクＭ２を除去する。
つぎに、図９（ａ）に示すように、上部クラッド層２３ｃ、コンタクト層２５、保護層であるキャップ層Ｃを形成し、その後、図９（ｂ）に示すように、キャップ層Ｃを除去する。つぎに、図９（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、ｐ側電極２７に対応する部分をパターニングしたレジストＲ１を形成し、その上にＡｕＺｎ膜Ｅ１を蒸着する。つぎに、図９（ｄ）に示すように、レジストＲ１を除去し、リフトオフしてｐ側電極２７を形成する。その後、図９（ｅ）に示すように、ＳｉＮ膜からなる保護膜２６を成膜する。
つぎに、図１０（ａ）に示すように、保護膜２６上に、フォトリソグラフィーにより、電極パッド２８をｐ側電極２７に接触させるための部分をパターニングしたレジストＲ２を形成し、図１０（ｂ）に示すように、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、レジストＲ２をパターニングした部分の保護膜２６をエッチングし、その後レジストＲ２を除去する。
さらに、図１０（ｃ）に示すように、保護膜２６上に、フォトリソグラフィーにより、電極パッド２８に対応する部分をパターニングしたレジストＲ３を形成し、その上にＴｉ／Ｐｔ膜Ｅ２を蒸着する。その後、図１０（ｄ）に示すように、レジストＲ３を除去し、リフトオフして電極パッド２８を形成する。
つぎに、図８（ｃ）のＹ−Ｙ線断面を参照して、モード変換器４０と、フォトニック結晶光導波路３０との製造工程について説明する。はじめに、図１１（ａ）に示すように、受動領域ＰＡの上部クラッド層３３ｃ上にレジストＲ４を形成し、ＥＢ描画によって、モード変換器４０およびフォトニック結晶光導波路３０の形状のパターニングを行なう。そして、図１１（ｂ）に示すように、パターニングしたレジストＲ４をマスクとして、メタン水素ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、垂直異方性エッチングを、上部クラッド層３３ｃから半導体コア層３２を通って基板１０に到る深さまで行ない、モード変換器４０およびフォトニック結晶光導波路３０を形成する。その後、図１１（ｃ）に示すように、選択ウェットエッチングによって、フォトニック結晶光導波路３０の所定部分の下部クラッド層２１をエッチングし、エアギャップＧ２を形成する。
最後に、能動領域ＡＡおよび受動領域ＰＡを含む基板１０の裏面全面を研磨し、図１１（ｄ）に示すように、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１１を形成した後、オーミックコンタクトをとるために４３０℃でシンタする。その後、へき開により端面を形成し、この端面に反射率が９９％以上となるようにＨＲ（High Reflection）コートを施して高反射率反射膜５１、５２を形成し、素子分離して、半導体レーザ１００が完成する。
以上説明したように、本実施の形態１に係る半導体レーザ１００は、きわめて狭線幅なレーザ光を発振できるとともに、小型、低コストであり、かつ安定した特性を有する。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。図１２は、本実施の形態２に係る半導体レーザの模式的な平面図である。本実施の形態２に係る半導体レーザ２００は、実施の形態１に係る半導体レーザ１００において、能動部２０を能動部２０ａに置き換え、光共振器５０を光共振器６０に置き換えた構成を有している。
能動部２０ａは、実施の形態１における能動部２０から、波長選択手段である回折格子Ｇ１を削除した構成を有している。光共振器６０は、フォトニック結晶光導波路３０の端面に形成された高反射率反射膜６２と、能動部２０ａの端面に形成された分布ブラッグ反射鏡であるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）膜６１とを有するファブリー・ぺロー型光共振器である。また、能動部２０ａのもう一方の端面にも、ＤＢＲ膜６３が形成されている。すなわち、この半導体レーザ２００では、能動部２０ａの光導波方向において半導体活性層２２を挟むように配置した一対のＤＢＲ膜６１、６３が構成する内部光共振器が波長選択手段として機能している。なお、符号２８は電極パッドである。
この半導体レーザ２００も、実施の形態１の半導体レーザ１００と同様に、きわめて狭線幅なレーザ光を発振できるとともに、小型、低コストであり、かつ安定した特性を有するものとなる。
なお、この半導体レーザ２００では、実施の形態１の半導体レーザ１００と同様に、上述した式（４）を用いて、ＤＢＲ膜６１、６３のブラッグ波長と光共振器６０の縦モードの波長とを一致させるようにすることが重要である。
また、この半導体レーザ２００を製造する場合は、たとえば、上述した半導体レーザ１００の製造方法において、回折格子Ｇ１を形成する工程を省略し、図８（ｂ）に示す受動領域ＰＡのドライエッチング工程の後に、能動領域ＡＡの側面にＤＢＲ膜６３を形成すればよい。
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図１３は、本実施の形態３に係る半導体レーザの模式的な平面図である。図１３に示すように、この半導体レーザ３００は、実施の形態２に係る半導体レーザ２００において、高反射率反射膜６２を高反射率反射膜７２に置き換え、ＤＢＲ膜６１、６３を高反射率反射膜７２と同様の高反射率反射膜７１、７３に置き換えた構成を有している。高反射率反射膜７１、７２は光共振器７０を構成している。そして、この半導体レーザ３００では、能動部２０ａの光導波方向において半導体活性層２２を挟むように配置した一対の高反射率反射膜７１、７３が構成する内部光共振器が波長選択手段として機能している。その結果、この半導体レーザ３００は、実施の形態１の半導体レーザ１００と同様に、きわめて狭線幅なレーザ光を発振できるとともに、小型、低コストであり、かつ安定した特性を有するものとなる。なお、この半導体レーザ３００においても、上述した式（４）を用いて、高反射率反射膜７１、７３の内部光共振器の縦モードの波長と光共振器７０の縦モードの波長とを一致させるようにすることが重要である。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４について説明する。上記実施の形態１〜３に係る半導体レーザ１００〜３００は、ＣＷレーザ光を出力するものであるが。本実施の形態４に係る半導体レーザは、モード同期手段を備え、レーザパルス光を出力するものである。
図１４は、本実施の形態４に係る半導体レーザの模式的な平面図である。本実施の形態１に係る半導体レーザ４００は、実施の形態１に係る半導体レーザ１００において、能動部２０を能動部２０ｂに置き換えた構成を有している。
能動部２０ｂは、実施の形態１における能動部２０から、波長選択手段である回折格子Ｇ１を削除するとともに、電極パッド２８を、電極パッド２８ａ、２８ｂに置き換えた構成を有している。電極パッド２８ａ、２８ｂは、幅Ｗ６が２００μｍであり、それぞれの長さＬ６、Ｌ７がいずれも１００μｍである。
この半導体レーザ４００においては、能動部２０ｂは、電極パッド２８ａを利用して、半導体活性層２２に順バイアス電圧を印加する構成となっており、半導体活性層２２は、この順バイアス印加領域において光増幅領域２２ａとなっている。また、能動部２０ｂは、電極パッド２８ｂを利用して、半導体活性層２２に逆バイアス電圧を印加する構成となっている。半導体活性層２２は、このように逆バイアス電圧を印加すると可飽和吸収体となる。したがって、半導体活性層２２は、この逆バイアス印加領域において可飽和吸収領域２２ｂとなっている。光増幅領域２２aと可飽和吸収領域２２ｂは絶縁された構造となっている。
その結果、この半導体レーザ４００は、光増幅領域２２ａに電流を注入し、可飽和吸収領域２２ｂにＤＣの逆バイアス電圧を印加すると、可飽和吸収領域２２ｂの受動モード同期作用によって、以下の式（５）で与えられる繰り返し周波数ｆrepでレーザパルス光を発生する。
Figure 2010232504
なお、式（５）における各変数は、上述した式（４）における各変数と同一のものである。たとえば、本実施の形態４において、実施の形態１の場合と同様に、ｎlaser＝３．２、ｎtaper＝３．２、ｎpc_waveguide＝１００、ｌlaser＝４００μｍ、ｌtaper=５００μｍ、ｌpc_waveguide＝１００μｍとすると、ｑ＝１である基本発振周波数は、２３．３ＧＨｚであり、この半導体レーザ４００は、この基本発振周波数の整数倍で発振することとなる。
このようなレーザパルス光のスペクトルは、たとえば１０本以上の複数の縦モードを含むこととなる。各縦モードの線幅としては、実施の形態１の場合と同様に１５．１ｋＨｚが実現できると期待され、たとえば従来の共振器長が１．２ｍｍ程度のモード同期レーザよりも約一桁狭いものとなる。なお、この半導体レーザ４００のような狭線幅のモード同期レーザは、ＷＤＭ−ＱＡＭのレシーバ側の局所発振器として用いることができる（非特許文献４参照）。
また、この半導体レーザ４００において、可飽和吸収領域２２ｂに印加すべきＤＣの逆バイアス電圧に、上記式（５）に相当する繰り返し周波数のＲＦ信号を重畳することにより、強制モード同期を掛けるようにすれば、受動モード同期の場合よりもパルスの時間ジッタを低減することができるので、さらに好ましい。
なお、上記各実施の形態に係る半導体レーザでは、半導体活性層はＭＱＷ構造を有しているが、ＭＱＷ構造の井戸層数、層厚等は適宜設定できる。また、この半導体活性層は、バルク構造を有するものとしてもよい。また、モード変換器を省略し、能動部とフォトニック結晶光導波路とを直接接続するようにしても、レーザ光の線幅は狭窄化される。
また、上記各実施の形態に係る半導体レーザは、波長１．５５μｍ用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、発振させたいレーザ光の波長等に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。
１０ 基板
１１ ｎ側電極
２０、２０ａ、２０ｂ 能動部
２１、３１ 下部クラッド層
２２ 半導体活性層
２２ａ 光増幅領域
２２ｂ 可飽和吸収領域
２３ａ〜２３ｃ、３３ａ〜３３ｃ 上部クラッド層
２４ 電流阻止層
２４ａ 下部電流阻止層
２４ｂ 上部電流阻止層
２５ コンタクト層
２６ 保護膜
２７ ｐ側電極
２８、２８ａ、２８ｂ 電極パッド
３０ フォトニック結晶光導波路
３２ 半導体コア層
４０ モード変換器
５０〜７０ 光共振器
５１、５２、６２、７１〜７３ 高反射率反射膜
６１、６３ ＤＢＲ膜
１００〜４００ 半導体レーザ
ＡＡ 能動領域
Ｃ キャップ層
ＤＷ 線欠陥導波路部
Ｅ 偶モード
Ｅ１ ＡｕＺｎ膜
Ｅ２ Ｔｉ／Ｐｔ膜
Ｇ１ 回折格子
Ｇ２ エアギャップ
Ｈ 空孔
Ｌ 積層体
Ｌ１〜Ｌ７ 長さ
Ｍ ハイメサ構造
Ｍ１、Ｍ２ マスク
Ｏ 奇モード
ＰＡ 受動領域
Ｒ１〜Ｒ４ レジスト
Ｓ スラブ構造
Ｗ１〜Ｗ６ 幅

Claims (10)

  1. 半導体活性層と、
    前記半導体活性層に直接、もしくは間接的に接続した、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶光導波路と、
    前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵し、前記半導体活性層から発生して前記フォトニック結晶光導波路を導波する光をレーザ発振させる光共振器と、
    を備えることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 半導体活性層と、
    前記半導体活性層に直接、もしくは間接的に接続した、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶光導波路と、
    前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路との間に挿入されたモード変換器と、
    前記半導体活性層と前記モード変換器と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵し、前記半導体活性層から発生して前記モード変換器と前記フォトニック結晶光導波路とを導波する光をレーザ発振させる光共振器と、
    を備えることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 前記モード変換器は、上部クラッド層からコア層を挟んで少なくとも下部クラッド層に到る深さまでメサストライプ状に形成されたハイメサ構造を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
  4. 少なくとも、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とは、バットジョイント成長方法を用いてモノリシックに集積して形成したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ。
  5. 前記光共振器内に形成され、前記光共振器の少なくともいずれか一つの縦モードに対応する波長の光を選択的にレーザ発振させる波長選択手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ。
  6. 前記波長選択手段は、前記半導体活性層に沿って形成された分布帰還用回折格子であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。
  7. 前記波長選択手段は、光導波方向において前記半導体活性層を挟むように配置した一対の分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。
  8. 半導体可飽和吸収体を有するモード同期手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ。
  9. 半導体活性層から発生させた光を、フォトニック結晶光導波路に導波させ、前記半導体活性層と前記フォトニック結晶光導波路とを内蔵する光共振器によってレーザ発振させることを特徴とするレーザ光の発生方法。
  10. 発振すべきレーザ光のスペクトル線幅を狭窄化するために、フォトニック結晶光導波路を光共振器内に挿入することを特徴とするレーザ光のスペクトル線幅の狭窄化方法。
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