JP2011082588A - 光導波路を伝搬する光と回折格子とを結合させた光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に回折格子を配置した従来のＤＦＢレーザ素子においては、規格化結合係数κＬを好適な値にすることと、良好な高速変調特性を得ることとを両立させることが困難である。
【解決手段】 主回折格子のみが配置されている場合に光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、主回折格子及び副回折格子が導波光と結合している。導波光の基本横モードと副回折格子との結合係数が、２次横モードと副回折格子との結合係数よりも小さい。副回折格子の周期が、主回折格子の周期の２倍であり、副回折格子が、導波光の伝搬方向に関して周期的な屈折率分布を持つ第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とを含み、第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とは、位相が、主回折格子の周期の１／２だけ相互にずれている。
【選択図】 図７

Description

本発明は光素子に関し、特に光導波路を伝搬する光と回折格子とを結合させて、光導波路を伝搬する光の狭スペクトル化を図った光素子に関する。

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２４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２５に、従来のリッジ型ＤＦＢレーザ素子の他の例を示す。図２４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２５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２４に示したレーザ素子と同様である。

図２６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２７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。

次に、埋め込み型導波路を有するレーザ素子（以下、埋め込み型レーザ素子と呼ぶ。）における導波光の横モードについて説明する。

図２８に、従来の埋め込み型レーザ素子の斜視図を示す。半導体基板５５０の表面に、一方向に延在するメサ部５５１が形成されている。メサ部５５１の上面に回折格子５５２が形成され、その上に活性層５５３が形成されている。メサ部５５１の両脇の平坦面上に、埋め込み層５５５が形成されている。埋め込み層５５５の上に、電流狭窄層５５６が形成されている。上側クラッド層５５７が、活性層５５３及び電流狭窄層５５６を覆う。

図２９に、図２８に示した埋め込み形レーザ素子の導波光と回折格子との結合係数と活性層の幅との関係の一例を示す。曲線ａが基本モードの結合係数を示し、曲線ｂが２次横モードの結合係数を示す。

回折格子５５２が活性層５５３の幅方向の全域に亘って配置されているため、原理的に、基本横モードの結合係数ａが２次横モードの結合係数ｂよりも大きい。特に、活性層５５３の幅が１．４μｍ（カットオフ幅）以下であれば、２次横モードの発振は生じない。

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２７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。

図２８に示した埋め込み型レーザ素子においては、活性層５５３の幅がカットオフ幅以下であれば、２次横モードの発振は生じない。ところが、図２９に示したように活性層５５３の幅を広くすると、２次横モードの結合係数も大きくなり、活性層５５３が広くなるに従って、基本横モードの結合係数と２次横モードの結合係数との差が小さくなる。図２９に示した例では、活性層５５３の幅が２．５μｍ以上になると、２次横モードの結合係数が発振に必要な大きさに達する。このため、活性層５５３の幅を２．５μｍよりも広くすることは好ましくない。

リッジの下の基板内部に回折格子を配置したリッジ型レーザ素子においても、図２８に示した埋め込み型レーザ素子と同様に、リッジの幅を広くすると、２次横モードの発振が生じやすくなる。

ＤＦＢレーザ素子において、光出力特性の向上を図るために、リッジの幅や活性層の幅を広くすることが有効である。リッジや活性層の幅を広くしたときにも、２次横モードの発振を抑制する技術が望まれる。

また、図２４及び図２５に示したリッジ型レーザ素子のリッジ５０３の両側の空間には、通常、大気が充たされるか、またはＳｉＯ２やベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の誘電体材料が充填される。これらの材料の屈折率は１〜１．７程度であり、半導体材料の一般的な屈折率３．２〜３．５に比べて著しく低い。この屈折率の差のために、活性層５０１内を、リッジ５０３に沿って伝搬する導波光の光強度分布は、基板側に向かって大きく広がり、リッジ５０３の両側の空間への広がりは極めて小さくなる。このため、リッジ５０３の側面や、リッジ５０３の両側の平坦面に回折格子を配置したＤＦＢレーザ素子においては、基板内に回折格子を配置した素子に比べて、導波光と回折格子との結合係数κが小さくなってしまう。

基板内に回折格子を配置したＤＦＢレーザ素子においては、結合係数κが２５０ｃｍ^−１程度になる。これに対し、基板表面に回折格子を配置したＤＦＢレーザ素子においては、結合係数κは９０ｃｍ^−１程度である（Watanabe et al., "Laterally Coupled Strained MQW Ridge Waveguide Distributed-Feedback Laser Diode Fabricated by Wet-Dry Hybrid Etching process", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.10, No.12, December 1998）。

一般に、高速直接変調特性の向上には、レーザ素子の寄生容量を小さくすることが有効である。寄生容量を小さくするために、一例として、レーザ素子の光共振器長Ｌを２５０μｍ以下にすることが好ましい。例えば、光共振器長Ｌが２５０μｍ、結合係数κが９０ｃｍ^−１のレーザ素子の規格化結合係数κＬは２．２５になる。ところが、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速変調可能な１／４波長シフトＤＦＢレーザ素子の最適な規格化結合係数κＬは、２．４〜２．７である。規格化結合係数κＬが２．４よりも小さくなると、直接変調動作の変調速度の指標となる緩和振動周波数が低下し、その結果１０Ｇｂ／ｓ以上の高速な変調特性が得られなくなる。規格化結合係数κＬが２．７よりも大きくなると、光共振器の軸方向に関して、回折格子が位相シフトしている部分の近傍に光分布が集中する。これにより、軸方向ホールバーニングに起因して副モードが発振しやすくなり、単一縦モード発振が阻害される。また、光が、より強く光共振器内に閉じ込められるため、端面からの光出力が低下する。

結合係数κが９０ｃｍ^−１程度のＤＦＢレーザ素子において、十分な規格化結合係数κＬを実現するためには、光共振器長Ｌを２５０μｍよりも長くしなければならない。光共振器長Ｌを２５０μｍよりも長くすると、寄生容量が大きくなり、高速変調特性が悪くなってしまう。

このように、表面に回折格子を配置した従来のＤＦＢレーザ素子においては、規格化結合係数κＬを好適な値にすることと、良好な高速変調特性を得ることとを両立させることが困難である。

本発明の一観点によると、
レーザビームを伝搬させる光導波路と、
前記光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
前記光導波路を伝搬する導波光と結合する副回折格子と
を有し、該主回折格子のみが配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、前記主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、該主回折格子及び副回折格子が導波光と結合しており、
前記導波光の基本横モードと前記副回折格子との結合係数が、２次横モードと前記副回折格子との結合係数よりも小さく、
前記副回折格子の周期が、前記主回折格子の周期の２倍であり、該副回折格子が、導波光の伝搬方向に関して周期的な屈折率分布を持つ第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とを含み、該第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とは、位相が、前記主回折格子の周期の１／２だけ相互にずれている記載の光素子が提供される。

２次横モードの伝搬が抑制されるため、基本横モードのみを含む単一モードの導波光を伝搬させることが可能になる。

図１は、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。 図２は、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。 図３は、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。 図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その１）である。 図４Ｃ及び図４Ｄは、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その２）である。 図５は、第１の実施例の変形例によりリッジ型レーザ素子の斜視図である。 図６Ａは、第１の実施例の変形例によるリッジ型レーザ素子の光強度分布を示す図であり、図６Ｂは、比較例によるリッジ型レーザ素子の光強度分布を示す図である。 図７は、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。 図８は、第２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、この回折格子に結合して伝搬する導波光とを模式的に示す図である。 図９は、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。 図１０は、第３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、この回折格子に結合して伝搬する導波光とを模式的に示す図である。 図４は、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。 図１２Ａ及び図１２Ｂは、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その１）である。 図１２Ｃ及び図１２Ｄは、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その２）である。 図１２Ｅは、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その３）である。 図１３は、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。 図１４は、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。 図１５は、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 図１６Ａ及び図１６Ｂは、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その１）である。 図１６Ｃ及び図１６Ｄは、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その２）である。 図１６Ｅは、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その３）である。 図１７は、第８の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 図１８は、第９の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図である。 図１９Ａ及び図１９Ｂは、第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その１）である。 図１９Ｃ及び図１９Ｄは、第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その２）である。 図１９Ｅは、第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階における斜視図（その３）であり、図１９Ｆは、第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の斜視図である。 図２０は、第１１の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階における斜視図である。 図２１は、第１２の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階における斜視図である。 図２２は、第１３の実施例によるリッジ型レーザ素子の製造途中段階における斜視図である。 図２３は、第１４の実施例によるＤＢＲレーザ素子の断面図である。 図２４は、従来のリッジ型レーザ素子の斜視図である。 図２５は、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。 従来の埋め込み型レーザ素子の斜視図である。 従来の埋め込み型レーザ素子の活性層幅と結合係数との関係を示すグラフであり、曲線ａは基本横モードの結合係数を示し、曲線ｂは２次横モードの結合係数を示す。

図１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。ｎ型ＧａＡｓからなる基板１の主表面上に、ｎ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる厚さ１．５μｍの下側クラッド層２、ｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ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Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ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Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ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、ｐ側電極１４が形成されている。基板１の底面に、ｎ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。

光導波路の実効屈折率をｎ_ｅとし、主回折格子１１の周期をｐ_１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×ｐ_１×ｎ_ｅ
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、第１の実施例による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２０で示し、２次横モードの光強度分布を実線２１で示す。基本横モードの光強度分布２０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２１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と強く結合して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、第１の実施例では、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。

上記第１の実施例では、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、上記第１の実施例による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。

次に、図４Ａ〜図４Ｄ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４Ａに示すように、基板１の上に、下側クラッド層２、下側光ガイド層３、量子ドット活性層４、上側光ガイド層５、上側クラッド層６、コンタクト層７を、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）により成長させる。

図４Ｂに示すように、コンタクト層７の上に、電子ビーム露光用のレジスト膜８を形成する。

図４Ｃに示すように、電子ビームでレジスト膜８を露光し、現像を行うことにより、レジストパターン８ａ及び８ｂを形成する。レジストパターン８ａは、側面に主回折格子１１が形成されたリッジ１０（図１）の平面形状に整合し、レジストパターン８ｂは、副回折格子１２の凸部の平面形状に整合する。

レジストパターン８ａ及び８ｂをマスクとして、コンタクト層７及び上側クラッド層６をエッチングし、上側光ガイド層５の上面でエッチングを停止させる。このエッチングは、例えば、エッチングガスとしてＣｌ_２を用いたドライエッチングにより行うことができる。

図４Ｄに示すように、レジストパターン８ａ及び８ｂと同一の平面形状を持つリッジ１０、主回折格子１１、及び副回折格子１２が形成される。エッチング後、レジストパターン８ａ及び８ｂを除去する。

図１に示したように、リッジ１０の上面の上に、ｐ側電極１４を形成し、基板１５の底面にｎ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。ｐ側電極１４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。

図５に、第１の実施例の変形例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。以下、図１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の実施例によるリッジ型レーザ素子と同一の構成については、説明を省略する。

第１の実施例では、下側クラッド層２と活性層４との間に下側光ガイド層３が配置されていたが、変形例においては、下側光ガイド層３が配置されておらず、下側クラッド層２と活性層４とが接している。第１の実施例では、上側光ガイド層５の厚さが０．１５μｍであったが、変形例においては、その厚さが０．１μｍにされている。

図６Ａの左側に、光導波路に垂直な断面における光強度分布の一例を示し、右側に、厚さ方向に関する屈折率の分布を示す。上側光ガイド層５及び上側クラッド層６がＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓで形成され、下側クラッド層２がＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓで形成されている。このため、下側クラッド層２の屈折率が、上側光ガイド層５及び上側クラッド層６の屈折率よりも低い。比較のために、図６Ｂに、下側クラッド層２ａを、上側光ガイド層５及び上側クラッド層６と同じ組成比のＡｌＧａＡｓで形成した場合の光強度分布及び屈折率分布を示す。

光は、屈折率の低い媒質よりも高い媒質内に拡がり易い傾向を示す。このため、図６Ａに示した第１の実施例の変形例の場合には、図６Ｂに示した比較例に比べて、活性層４よりも上方における光強度が高くなる。主回折格子１１はリッジ１０の側面に形成され、副回折格子１２は、リッジ１０の両側の平坦面上に形成されている。このように、いずれの回折格子も、活性層４より上方に配置されている。このため、第１の実施例の変形例に示したように、活性層４よりも基板側に配置された媒質、具体的には下側クラッド層２の屈折率を、活性層４よりも上方に配置された媒質、具体的には上側光ガイド層５及び上側クラッド層６の屈折率より小さくすることにより、結合係数κを大きくすることができる。例えば、第１の実施例の変形例のリッジ型レーザ素子の結合係数κは、図６Ｂに示した比較例のレーザ素子の結合係数κの１．３〜１．６倍程度になる。なお、上側光ガイド層５を省略して、活性層４の上に、リッジ状の上側クラッド層６が直接配置される構成としてもよい。

第１の実施例の変形例の構造を採用することにより、結合係数κと光共振器長Ｌとの積で定義される規格化結合係数κＬを一定に維持したまま、光共振器長Ｌを短くすることが可能になる。光共振器長Ｌを短くすると、寄生容量が小さくなり、高速変調特性の向上が期待される。一例として、図６Ｂに示したレーザ素子では、十分な大きさの規格化結合係数κＬを確保するために、光共振器長Ｌを２５０μｍ以上にしなければならなかった。これに対し、図６Ａに示した第１の実施例の変形例によるレーザ素子においては、光共振器長を２００μｍ程度まで短くすることが可能である。

また、図１に示した第１の実施例においては、活性層４と下側クラッド層２との間に、上側光ガイド層５及び上側クラッド層６と同じ組成比のＡｌＧａＡｓからなる下側光ガイド層３が配置されている。ところが、下側光ガイド層３の厚さは高々０．１５μｍであるため、光強度分布は下側クラッド層２内まで拡がる。下側クラッド層２の屈折率は、上側光ガイド層５及び上側クラッド層６の屈折率よりも小さいため、図５に示した第１の実施例の変形例と同様の効果が得られるであろう。

基板１側に向かって光強度分布が拡がる範囲内に、リッジ１０の基板側の一部分を構成する上側光クラッド層６よりも屈折率の小さい媒質を配置することにより、結合係数κを高めることができる。

第１の実施例、及びその変形例では、活性層４よりも基板側の媒質をｎ型導電性とし、リッジ１０側の媒質をｐ型導電性としたが、その反対に、基板側の媒質をｐ型導電性とし、リッジ１０側の媒質をｎ型導電性としてもよい。リッジ１０を、低抵抗化が容易なｎ型導電性とすることにより、レーザ素子の抵抗を下げることができる。これにより、光出力の向上が可能になる。

第１の実施例及びその変形例では、ＧａＡｓ基板を用い、クラッド層をＡｌＧａＡｓで形成し、活性層を、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット層で形成したが、他の化合物半導体で形成することも可能である。

一例として、図５に示した第１の実施例の変形例において、基板１、下側クラッド層２をｐ型ＩｎＰで形成する。活性層４は、アンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ６ｎｍの量子井戸層とアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ１０ｎｍのバリア層とが１０回繰り返して交互に積層され、さらにこの交互積層構造をアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ２０ｎｍのガイド層で挟み込んだ構造を有する。バリア層とガイド層とを構成するＡｌＧａＩｎＡｓの組成波長は１０５０ｎｍである。上側光ガイド層５及び上側クラッド層６を、組成波長９５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓで形成し、コンタクト層７をｎ型ＧａＩｎＡｓで形成する。ｎ型のコンタクト層に接する電極１４をＡｕＧｅ／Ａｕの積層とし、ｐ型の基板１に接する電極１５を、ＡｕＺｎ／Ａｕの積層とする。この場合、主回折格子１１の周期を１９８ｎｍとする。

図７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。第２の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第１の実施例では、リッジ１０の両側に配置された２つの副回折格子１２の位相が揃っていたが、第２の実施例では、リッジ１０の一方に配置された副回折格子１２Ａと他方に配置された副回折格子１２Ａとの位相が、主回折格子１１の周期の１／２だけずれている。２つの副回折格子１２Ａの各々の周期は、主回折格子１１の周期の２倍である。また、副回折格子１２Ａの１周期内で凸部の占める割合（デューティ比）は２５％である。

なお、図７では、副回折格子１２Ａを構成する凸部がリッジ１０よりも低い例を示しているが、図１に示した第１の実施例の場合と同様に、副回折格子１２Ａを構成する凸部を、リッジ１０と同じ高さにしてもよい。

図８に、主回折格子１１と副回折格子１２Ａとの位相関係を模式的に示す。リッジ１０の側面に、主回折格子１１が配置され、その外側に、副回折格子１２Ａが配置されている。図８の斜線を付した領域が、相対的に屈折率の高い領域に対応する。

光導波路を伝搬する導波光の波長は、主回折格子１１の周期ｐ_１の２倍になる。一方の副回折格子１２Ａにより回折されて逆方向に伝搬する導波光ＬＡと、他方の副回折格子１２Ａで回折されて逆方向に伝搬する導波光ＬＢとは、２つの副回折格子１２Ａの位相のずれ量の２倍、すなわち主回折格子１１の周期ｐ_１だけ位相がずれる。この位相のずれ量は、導波光の波長の１／２に等しい。従って、一方の副回折格子１２Ａによる回折光と他方の副回折格子１２Ａによる回折光とは、位相が１８０°ずれる。このため、回折光ＬＡとＬＢとは、相互に弱め合う。

光導波路を伝搬する導波光の基本横モードは、主回折格子１１と強く結合するが、副回折格子１２Ａとはほとんど結合しないため、副回折格子１２Ａによってほとんど弱められない。これに対し、高次横モードは、基本横モードに比べて副回折格子１２Ａと強く結合するため、副回折格子１２Ａによる損失が大きくなる。

従って、高次横モードの発振を抑制し、基本横モードを優先的に発振させることができる。

第２の実施例では、２つの副回折格子１２Ａでそれぞれ回折され、光導波路内の導波光の伝搬方向に伝搬する２つの回折光の位相が相互にずれていることを利用している。このため、導波光の伝搬方向への回折強度が強くなるように副回折格子１２Ａを設計することが好ましい。図３の曲線ｄで示したように、デューティ比が２５％及び７５％のときに、導波光の伝搬方向への回折強度が最大になる。導波光の伝搬方向への回折強度を強くするために、副回折格子のデューティ比を、１５〜３５％の範囲内または６５〜８５％の範囲内に設定することが好ましい。

第２の実施例においても、図５に示した第１の実施例の変形例のように、下側光ガイド層３を配置せず、下側クラッド層２と活性層４とを直接接触させてもよい。また、活性層４よりも基板側の媒質の導電型と、リッジ側の媒質の導電型とを反対にしてもよい。第２の実施例の場合も、第１の実施例の変形例と同様に、結合係数κを大きくすることができる。

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。第３の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第１の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ｂは、主回折格子１１と同一の周期を持ち、主回折格子１１の位相と副回折格子１２Ｂの位相とが１８０°ずれている。図９では、副回折格子１２Ｂを構成する凸部がリッジ１０よりも低い構成を示しているが、図１に示した第１の実施例の場合と同様に、副回折格子１２Ｂをリッジ１０と同じ高さにしてもよい。

図１０に、第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の主回折格子１１と副回折格子１２Ｂとの位相関係を模式的に示す。リッジ１０の側面に、主回折格子１１が配置され、その外側に、副回折格子１２Ｂが配置されている。図１０の斜線を付した領域が、相対的に屈折率の高い領域に対応する。

光導波路を伝搬する導波光は、主回折格子１１及び副回折格子１２Ｂにより回折される。主回折格子１１による回折光Ｌ１と、副回折格子１２Ｂによる回折光Ｌ２とは、位相が１８０°ずれている。このため、副回折格子１２Ｂは、主回折格子１１に同期した回折光を弱める機能を持つ。

光導波路を伝搬する導波光の基本横モードは、主回折格子１１と強く結合し、副回折格子１２Ｂとほとんど結合しないため、副回折格子１２Ｂによってほとんど弱められない。これに対し、高次横モードは、主回折格子１１及び副回折格子１２Ｂの両方に強く結合するため、副回折格子１２Ｂによって弱められる。

このため、高次横モードの発振を抑制し、基本横モードを優先的に発振させることができる。

第３の実施例においても、図５に示した第１の実施例の変形例のように、下側光ガイド層３を配置せず、下側クラッド層２と活性層４とを直接接触させてもよい。また、活性層４よりも基板側の媒質の導電型と、リッジ側の媒質の導電型とを反対にしてもよい。第３の実施例の場合も、第１の実施例の変形例と同様に、結合係数κを大きくすることができる。

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。ｎ型ＩｎＰからなる基板５１の主表面に、周期的に配置された凹凸で構成された主回折格子６０が形成されている。主回折格子６０が形成された表面上に、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ０．１μｍの光ガイド層５２が形成されている。

光ガイド層５２の上に、量子井戸活性層５３が形成されている。量子井戸活性層５３は、アンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ６ｎｍの量子井戸層とアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ１０ｎｍのバリア層とが１０回繰り返して交互に積層され、さらにこの交互積層構造をアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓからなる厚さ２０ｎｍのガイド層で挟み込んだ構造を有する。バリア層とガイド層とを構成するＡｌＧａＩｎＡｓの組成波長は１０５０ｎｍである。

量子井戸活性層５３の上に、ｐ型ＩｎＰからなる上側クラッド層５４が形成されている。上側クラッド層５４は、基板の主表面の全面を覆う膜状部分、第１の方向に延在するリッジ６１、及びリッジ６１の両側に配置された複数の凸部からなる副回折格子６２により構成される。膜状部分の厚さは０．１μｍである。リッジ６１の高さは１．２μｍ、幅は２μｍである。副回折格子６２を構成する凸部は、主回折格子６０が周期性を持つ方向と平行な方向に周期的に配置されている。

リッジ６１の上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層５５が形成されている。コンタクト層５５の上に、ｐ側電極５６が形成され、基板５１の底面にｎ側電極５７が形成されている。

主回折格子６０及び副回折格子６２は、リッジ６１の延在する方向に関して屈折率が周期的に変化する周期構造を持つ。主回折格子６０の周期は２００ｎｍであり、凹部の底面から凸部の上面までの高さは５０ｎｍである。周期性を持つ方向に関する各凹部の寸法は１００ｎｍである。すなわち、相互に隣り合う２つの凹部の間隔も１００ｎｍであり、デューティ比は５０％になる。

副回折格子６２の周期は４００ｎｍ、各凸部の高さは１００ｎｍ、周期性を持つ方向に関する各凸部の寸法は１００ｎｍである。すなわち、副回折格子６２のデューティ比は２５％になる。なお、デューティ比を１５〜３５％の範囲内または６５〜８５％の範囲内に設定してもよい。また、リッジ６１の一方の側に配置された副回折格子６２の周期構造と、他方の側に配置された副回折格子６２の周期構造とは、位相が１００ｎｍ、すなわち主回折格子６０の周期の１／２だけずれている。

量子井戸活性層５３のうちリッジ６１の下方の領域が、リッジ６１の長さ方向に光を伝搬させる光導波路を構成する。光導波路の幅方向の全域に、主回折格子６０が配置されている。これに対し、副回折格子６２は、光導波路の幅方向に関して光導波路と重なる領域には配置されておらず、光導波路の外側にのみ配置されている。このため、光導波路を伝搬する導波光の基本横モードは、主回折格子６０と強く結合するが、副回折格子６２とはほとんど結合しない。これに対し、高次横モードは、主回折格子６０に結合するとともに、副回折格子６２にも、基本横モードよりも強く結合する。

このため、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子６２は、図７及び図８に示した第２の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ａと同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

次に、図１２Ａ〜図１２Ｅを参照して、第４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１２Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰからなる基板５１の主表面上に、干渉露光または電子ビーム露光により、レジストパターン７０を形成する。レジストパターン７０は、主回折格子６０の周期構造に対応する。レジストパターン７０をマスクとして基板５１の表層部をドライエッチングする。エッチング後、レジストパターン７０を剥離する。

図１２Ｂに、レジストパターン７０を剥離した後の基板５１を示す。レジストパターン７０で覆われていなかった領域に形成された凹部と、凹部の間に残された凸部とにより構成された主回折格子６０が形成される。

図１２Ｃに示すように、主回折格子６０が形成された基板５１の主表面上に、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる光ガイド層５２、量子井戸活性層５３、ｐ型ＩｎＰからなる上側クラッド層５４、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層５５を、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＤ）により成長させる。コンタクト層５５の上に、図１１に示したリッジ６１に整合するマスクパターン７１を酸化シリコンで形成する。

図１２Ｄに示すように、マスクパターン７１をマスクとして、ドライエッチングにより、コンタクト層５５をエッチングし、さらに上側クラッド層５４の途中までエッチングする。

図１２Ｅに示すように、マスクパターン７１の両側の平坦面上に、図１１に示した副回折格子６２を構成する凸部に整合するレジストパターン７２を、電子ビーム露光を用いて形成する。マスクパターン７１及びレジストパターン７２をマスクとして、ドライエッチングにより、上側クラッド層５４を途中までエッチングする。上側クラッド層５４をエッチングした後、レジストパターン７２及びマスクパターン７１を除去する。

図１１に示したように、リッジ６１及び副回折格子６２が形成される。コンタクト層５５の上に、リフトオフ法を用いてｐ側電極５６を形成する。基板５１の底面にｎ側電極５７を形成する。

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の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第５の実施例では、リッジ６１の両側に配置された２つの副回折格子６２Ａの位相が揃っている。副回折格子６２Ａの周期は４００ｎｍであり、副回折格子６２Ａを構成する各凸部の高さは１００ｎｍであり、リッジ６１の延在する方向に関する各凸部の寸法は２００ｎｍである。すなわち、副回折格子６２Ａのデューティ比は５０％である。なお、デューティ比を３５〜６５％の範囲内に設定してもよい。

第５の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子６２Ａは、図１〜図３に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２と同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

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の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第４の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第６の実施例では、リッジ６１の両側に配置された２つの副回折格子６２Ｂの位相が揃っている。副回折格子６２Ｂの周期は２００ｎｍであり、副回折格子６２Ｂを構成する各凸部の高さは１００ｎｍであり、リッジ６１の延在する方向に関する各凸部の寸法は１００ｎｍである。すなわち、副回折格子６２Ｂのデューティ比は５０％である。副回折格子６２Ｂは、主回折格子６０に比べて、屈折率分布の周期構造が、１／２周期、すなわち１００ｎｍだけずれている。

第６の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子６２Ｂは、図９及び図１０に示した第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ｂと同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

図１５に、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。ｎ型ＩｎＰからなる基板１０１の主表面に、主回折格子１０９が形成されている。主回折格子１０９が形成された基板１０１の主表面上に、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ０．１μｍの光ガイド層１０２が形成されている。光ガイド層１０２の上に、量子井戸活性層１０３が形成されている。量子井戸活性層１０３は、図１１に示した第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の量子井戸活性層５３と同じ構造を有する。

量子井戸活性層１０３の上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ０．１μｍの上側光ガイド層１０４が形成されている。上側光ガイド層１０４の上面に、副回折格子１１０が形成されている。その上に、ｐ型ＩｎＰからなる上側クラッド層１０５が形成されている。上側クラッド層１０５は、基板全面を覆う膜状部分と、その上に形成された一方向に延在するリッジ１１１を含む。膜状部分の厚さは０．１μｍであり、リッジ１１１の高さは１．２μｍ、幅は２μｍである。

リッジ１１１の上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層１０６が形成されている。コンタクト層１０６の上にｐ側電極１０７が形成され、基板１０１の底面にｎ側電極１０８が形成されている。

主回折格子１０９及び副回折格子１１０は、リッジ１１１が延在する方向に関して屈折率が周期的に変化する周期構造を持つ。主回折格子１０９は、リッジ１１１の直下、及びその両側の領域に配置されている。副回折格子１１０は、リッジ１１１の両側の領域に配置されているが、リッジ１１１の直下には配置されていない。

主回折格子１０９の周期は２００ｎｍであり、主回折格子１０９を構成する凹部の底面から凸部の上面までの高さは５０ｎｍであり、デューティ比は５０％である。副回折格子１１０の周期は４００ｎｍであり、副回折格子１１０を構成する凸部の各々の高さは１００ｎｍであり、そのリッジ１１１の延在する方向の寸法は２００ｎｍである。すなわち、デューティ比は５０％である。なお、副回折格子１１０のデューティ比を３５〜６５％の範囲内に設定してもよい。

リッジ１１１の下方の量子井戸活性層１０３が、リッジ１１１の延在する方向に導波光を伝搬させる光導波路として作用する。リッジ１１１の直下に主回折格子１０９が配置されているため、光導波路を伝搬する導波光の基本横モードは、主回折格子１０９と強く結合する。ところが、副回折格子１１０はリッジ１１１の直下に配置されていないため、基本横モードと副回折格子１１０との結合は弱い。導波光の高次横モードは、主回折格子１０９及び副回折格子１１０の両方に強く結合する。

第７の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１１０は、図１〜図３に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２と同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

図１６Ａ〜図１６Ｅを参照して、第７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１６Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰからなる基板１０１の主表面上に、干渉露光または電子ビーム露光により、レジストパターン１２０を形成する。レジストパターン１２０は、図１５に示した主回折格子１０９を構成する凸部に整合する平面形状を有する。レジストパターン１２０をマスクとして、ドライエッチングにより基板１０１の表層部をエッチングする。エッチング後、レジストパターン１２０を剥離する。

図１６Ｂに示すように、基板１０１の主表面に、レジストパターン１２０で覆われていない領域に形成された凹部、及び凹部の間に残された凸部が交互に配列した主回折格子１０９が形成される。

図１６Ｃに示すように、主回折格子１０９が形成された基板１０１の主表面上に、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる下側光ガイド層１０２、量子井戸活性層１０３、及びｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる上側光ガイド層１０４を、ＭＯＶＰＥにより順番に成長させる。上側光ガイド層１０４の上に、図１５に示した副回折格子１１０を構成する凸部に整合した平面形状を持つレジストパターン１２１を形成する。レジストパターン１２１は、干渉露光または電子ビーム露光と、通常の紫外線露光とを組み合わせることにより形成することができる。レジストパターン１２１をマスクとして、上側光ガイド層１０４の表層部をエッチングする。エッチング後、レジストパターン１２１を剥離する。

図１６Ｄに示すように、上側光ガイド層１０４の表面に、副回折格子１１０が形成される。

図１６Ｅに示すように、副回折格子１１０が形成された上側光ガイド層１０４の表面上に、ｐ型ＩｎＰからなる上側クラッド層１０５及びｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層１０６を、ＭＯＶＰＥにより成長させる。コンタクト層１０６の上に、酸化シリコンからなるマスクパターン１２２を形成する。マスクパターン１２２は、図１５に示したリッジ１１１に整合する平面形状を有する。

マスクパターン１２２をマスクとして、ドライエッチングにより、コンタクト層１０６をエッチングし、さらに上側クラッド層１０５をその途中までエッチングする。エッチング後、マスクパターン１２２を除去する。

図１５に示したように、リッジ１１１が形成され、その上にコンタクト層１０６が残る。コンタクト層１０６の上に、リフトオフ法を用いてｐ側電極１０７を形成し、基板１０１の底面にｎ側電極１０８を形成する。

図１７に、第８の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。第８の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第８の実施例では、リッジ１１１の両側に配置された２つの副回折格子１１０Ａの周期が４００ｎｍであり、デューティ比が２５％である。なお、デューティ比を、１５〜３５％の範囲内または６５〜８５％の範囲内に設定してもよい。さらに、２つの副回折格子１１０Ａの位相が、主回折格子１０９の周期の１／２、すなわち１００ｎｍだけ相互にずれている。

第８の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１１０Ａは、図７及び図８に示した第２の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ａと同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

図１８に、第９の実施例によるリッジ型レーザ素子の斜視図を示す。第９の実施例によるリッジ型レーザ素子を、第７の実施例によるリッジ型レーザ素子と比較すると、副回折格子の構成が異なり、他の構成は同一である。

第９の実施例では、リッジ１１１の両側に配置された２つの副回折格子１１０Ｂの周期が２００ｎｍであり、デューティ比が５０％である。さらに、副回折格子１１０Ｂは、主回折格子１０９に対して、屈折率分布の周期構造が、１／２周期、すなわち１００ｎｍだけずれている。

第９の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１１０Ｂは、図９及び図１０に示した第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ｂと同様に、高次横モードの伝播損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

上記第７〜第９の実施例では、主回折格子１０９、量子井戸活性層１０３、副回折格子１１０が、基板側からこの順番に配置されていたが、これら３つの構成部分を、その他の順番に配置してもよい。例えば、副回折格子、量子井戸活性層、主回折格子の順番にしてもよいし、量子井戸活性層よりも基板側に、主回折格子と副回折格子との両方を配置してもよいし、量子井戸活性層よりも上方に、主回折格子と副回折格子との両方を配置してもよい。

次に、図１９Ａ〜図１９Ｆを参照して、第１０の実施例による埋め込み型レーザ装置の製造方法について説明する。

図１９Ａに示すように、ｐ型ＩｎＰからなる基板１５１の主表面上に、量子井戸活性層１５２を形成する。量子井戸活性層１５２は、図１１に示した第４の実施例によるリッジ型レーザ素子の量子井戸活性層５３と同じ構造を有する。量子井戸活性層１５２の上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ０．１μｍの上側光ガイド層１５３をＭＯＶＰＥにより形成する。上側光ガイド層１５３の上に、主回折格子を形成するためのレジストパターン１８０を、干渉露光または電子ビーム露光により形成する。レジストパターン１８０は、幅１００ｎｍの複数の帯状パターンが間隔１００ｎｍで等間隔に配列した縞状の平面形状を有する。

レジストパターン１８０をマスクとして、上側光ガイド層１５３の表層部をエッチングする。エッチング後、レジストパターン１８０を剥離する。

図１９Ｂに示すように、上側光ガイド層１５３の表面に、主回折格子１７０が形成される。主回折格子１７０は、レジストパターン１８０で覆われていなかった領域に形成された深さ５０ｎｍの凹部と、その間に残った凸部とにより構成される。主回折格子１７０の周期は２００ｎｍであり、デューティ比は５０％である。

図１９Ｃに示すように、主回折格子１７０が形成された上側光ガイド層１５３の上に、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ０．２５μｍの上側クラッド層１５４をＭＯＶＰＥにより形成する。

上側クラッド層１５４の上に、酸化シリコンからなるマスクパターン１８１を形成する。マスクパターン１８１は、主回折格子１７０の周期性を持つ方向と平行な方向に延在し、その両側の縁に、副回折格子を形成するための周期的な凹凸パターンが設けられている。凹凸パターンの周期は４００ｎｍであり、凹部の底から凸部の先端までの高さは２５０ｎｍであり、デューティ比は５０％である。なお、デューティ比を３５〜６５％の範囲内に設定してもよい。また、一方の縁の凸部に対応する位置に、他方の縁の凸部が配置される。

マスクパターン１８１をマスクとして、ドライエッチングにより、上側クラッド層１５４、上側光ガイド層１５３、量子井戸活性層１５２をエッチングし、さらに基板１５１の表層部をエッチングする。

図１９Ｄに示すように、基板１５１の上に、量子井戸活性層１５２、上側光ガイド層１５３、及び上側クラッド層１５４が積層されたリッジ１７２が残る。リッジ１７２の側面には、リッジ１７２の高さ方向に延在する凸部と凹部とが、リッジ１７２の長さ方向に交互に配置された周期構造を持つ副回折格子１７１が形成される。

図１９Ｅに示すように、リッジ１７２の両側の平坦面上に、ｐ側ＩｎＰからなる第１電流狭窄層１６０、ｎ型ＩｎＰからなる第２電流狭窄層１６１、及びｐ型ＩｎＰからなる第３電流狭窄層１６２を、ＭＯＶＰＥにより順番に、かつ選択的に成長させる。その後、マスクパターン１８１を除去する。

図１９Ｆに示すように、リッジ１７２の最上層である上側クラッド層１５４及び第３電流狭窄層１６２の上に、ｐ型ＩｎＰからなる上側クラッド層１６５、及びｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層１６６をＭＯＶＰＥにより順番に成長させる。コンタクト層１６６の上に、リフトオフ法を用いてｐ側電極１６８を形成し、基板１５１の底面にｎ側電極１６９を形成する。

リッジ１７２内に配置された量子井戸活性層１５２が、リッジ１７２の長さ方向に導波光を伝搬させる光導波路として作用する。

第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子においては、図１９Ｄに示したように、光導波路となる量子井戸活性層１５２の幅方向の全域に亘って、主回折格子１７０が配置されている。これに対し、副回折格子１７１は、光導波路の幅方向の中央部分には配置されておらず、光導波路の両脇にのみ配置されている。このため、光導波路を伝搬する導波光の基本横モードは、主回折格子１７０と強く結合し、基本横モードと副回折格子１７１との結合は弱い。これに対し、高次横モードは、主回折格子１７０及び副回折格子１７１の両方に強く結合する。なお、主回折格子１７０は、光導波路の幅方向に関して全域に配置する必要はなく、幅方向に関して中央を含む領域に配置してもよい。

第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の副回折格子１７１は、図１〜図３に示した第１の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２と同様に、高次横モードの伝搬損失を増大させる。なお、第１０の実施例では、高次横モードは、基板面に平行な横方向に回折される。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

図２０に、第１１の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階の斜視図を示す。第１１の実施例による埋め込み型レーザ素子は、図１９Ｄに示した第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の副回折格子１７１の構造を変えたものである。

第１１の実施例においては、リッジ１７２の両側に形成された２つの副回折格子１７１Ａの位相が、主回折格子１７０の周期の１／２、すなわち１００ｎｍだけ相互にずれている。副回折格子１７１Ａの周期は４００ｎｍであり、デューティ比は１５〜３５％の範囲内、または６５〜８５％の範囲内である。

第１１の実施例による埋め込み型レーザ素子の副回折格子１７１Ａは、図７及び図８に示した第２の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ａと同様に、導波光の高次横モードの損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

図２１に、第１２の実施例による埋め込み型レーザ素子の製造途中段階の斜視図を示す。第１２の実施例による埋め込み型レーザ素子は、図１９Ｄに示した第１０の実施例による埋め込み型レーザ素子の副回折格子１７１の構造を変えたものである。

第１２の実施例の副回折格子１７１Ｂは、主回折格子１７０と同一の周期を持ち、主回折格子１７０に対して、屈折率分布の周期構造が、１／２周期すなわち１００ｎｍだけずれている。副回折格子１７１Ｂのデューティ比は３５〜６５％の範囲内である。

第１２の実施例による埋め込み型レーザ素子の副回折格子１７１Ｂは、図９及び図１０に示した第３の実施例によるリッジ型レーザ素子の副回折格子１２Ｃと同様に、導波光の高次横モードの損失を増大させる。このため、高次横モードの発振を抑制することができる。

第１０〜第１２の実施例では、量子井戸活性層１５２の上に主回折格子を配置したが、量子井戸活性層の下に主回折格子を配置することも可能である。

上記第１〜第１２の実施例のいずれにおいても、主回折格子のみが配置されている場合に光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、主回折格子及び副回折格子が導波光と結合している。

図２２に、第１３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５に示した第１の実施例の変形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の実施例の変形例では、リッジ１０の両側の平坦面上に、副回折格子１２が形成されていたが、第１３の実施例においては、副回折格子１２が形成されていない。その他の構成は、第１の実施例の変形例によるリッジ型レーザ素子の構成と同一である。第１３の実施例によるリッジ型レーザ素子は、図４Ｃに示した副回折格子用のレジストパターン８ｂを形成せず、主回折格子用のレジストパターン８ａのみを形成することにより製造することができる。

第１３の実施例においても、第１の実施例の変形例の場合と同様に、導波光と主回折格子１１との結合係数κを高めることができる。上側光ガイド層５を省略し、活性層４の上に上側クラッド層６が直接配置される構成としてもよい。

なお、第１３の実施例においては、副回折格子が配置されていないため、第１の実施例の変形例に比べて、高次横モードの発振が生じやすい。高次横モードの発振が動作上の問題になるような場合には、リッジ１０の幅を狭くすることにより、高次横モードの発振を抑制することができる。

図２３に、第１４の実施例によるレーザ素子の概略断面図を示す。第１〜第１２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１４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１４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１２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。

また、第１４の実施例において、第１〜第３、及び第１３の実施例によるリッジ型レーザ素子の回折格子と同様に、導波路層よりも上方に回折格子を配置する場合、ブラッグ反射領域２０１の導波路層（増幅領域２００の活性層と同一の層）よりも基板側に配置された媒質の屈折率を、活性層４よりも上方に配置されたリッジを形成する媒質の屈折率より小さくすることが好ましい。このような屈折率分布とすることにより、図５に示した第１の実施例の変形例、及び図２２に示した第１３の実施例と同様に、導波光と回折格子との結合係数κを大きくすることができる。

上記実施例によるレーザ素子では、基板、クラッド層、光ガイド層、活性層等の材料として、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等を用いたが、その他の化合物半導体を用いることも可能である。例えば、第１〜第３の実施例では、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを含む活性層を形成した。第４〜第１２の実施例では、ＩｎＰ基板上にＡｌＧａＩｎＡｓからなる量子井戸活性層を形成した。ＧａＡｓ基板上に、量子井戸活性層を形成してもよいし、ＩｎＰ基板上に量子ドット活性層を形成してもよい。

また、上記実施例では、副回折格子を半導体で形成したが、その他の材料で形成してもよい。例えば、Ｃｒ等の金属で形成してもよい。

また、ｎ型基板を用いた実施例において、ｎ型基板に代えてｐ型基板を用いてもよい。ｐ型基板を用いる場合には、活性層の上に配置される光ガイド層、クラッド層等をｎ型にすればよい。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、上記第１〜第１２の実施例による素子に採用された主回折格子及び副回折格子の適用分野はレーザ素子に限定されない。主回折格子及び副回折格子を備えた光導波路は、主回折格子に結合した導波光の高次横モードの損失を増大させ、基本横モードを優先的に伝搬させる機能を有する。

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、以下の付記に示す発明が導出される。

（付記１）
レーザビームを伝搬させる光導波路と、
前記光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
前記光導波路を伝搬する導波光と結合する副回折格子と
を有し、該主回折格子のみが配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、前記主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、該主回折格子及び副回折格子が導波光と結合している光素子。

（付記２）
前記主回折格子に結合して前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの光が前記副回折格子により回折されて、該光導波路に再結合する強度が、該導波光の基本横モードの光が前記副回折格子により回折されて、該光導波路に再結合する強度よりも弱い付記１に記載の光素子。

（付記３）
前記導波光の基本横モードと前記副回折格子との結合係数が、前記導波光の２次横モードと前記副回折格子との結合係数よりも小さく、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２に記載の光素子。

（付記４）
前記副回折格子は、第１の屈折率を持つ第１の領域と、第２の屈折率を持つ第２の領域とが、導波光の伝搬方向に交互に配列した構造を有し、該副回折格子の１周期のうち該第１の領域の占める割合が３５％以上６５％以下である付記３に記載の光素子。

（付記５）
前記導波光の基本横モードと前記副回折格子との結合係数が、２次横モードと前記副回折格子との結合係数よりも小さく、
前記副回折格子の周期が、前記主回折格子の周期の２倍であり、該副回折格子が、導波光の伝搬方向に関して周期的な屈折率分布を持つ第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とを含み、該第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とは、位相が、前記主回折格子の周期の１／２だけ相互にずれている付記１に記載の光素子。

（付記６）
前記副回折格子の第１の周期構造部分及び第２の周期構造部分は、相互に屈折率の異なる２種類の領域が導波光の伝搬方向に交互に配列した構造を有し、該第１及び第２の周期構造の１周期のうち一方の領域の占める割合が、１５％以上３５％以下または６５％以上８５％以下である付記５に記載の光素子。

（付記７）
前記導波光の基本横モードと前記副回折格子との結合係数が、２次横モードと前記副回折格子との結合係数よりも小さく、
前記主回折格子と副回折格子との周期が同一であり、該主回折格子と副回折格子とは、導波光の伝搬方向に関して周期的な屈折率分布を持ち、副回折格子の屈折率分布は、主回折格子の屈折率分布に対して、位相が１８０°ずれている付記１に記載の光素子。

（付記８）
前記光導波路が半導体で形成されており、
さらに、前記光導波路に電子及び正孔を供給する電極を有する付記１〜７のいずれかに記載の光素子。

（付記９）
さらに、
表層部に半導体からなる活性層が埋め込まれた基板と、
前記基板の表面の一部の領域上に設けられたリッジとを有し、
前記活性層のうち前記リッジの下方の領域が前記光導波路となり、前記主回折格子が前記リッジの側面に形成されており、前記副回折格子が、前記リッジの両側の基板表面に形成されている付記８に記載の光素子。

（付記１０）
さらに、
表層部に半導体からなる活性層が埋め込まれた基板と、
前記基板の表面の一部の領域上に設けられたリッジとを有し、
前記活性層のうち前記リッジの下方の領域が前記光導波路となり、前記主回折格子が前記基板の全面に埋め込まれており、前記副回折格子が、前記リッジの両側の基板表面に形成されている付記８に記載の光素子。

（付記１１）
さらに、
表層部に半導体からなる活性層が埋め込まれた基板と、
前記基板の表面の一部の領域上に設けられたリッジとを有し、
前記活性層のうち前記リッジの下方の領域が前記光導波路となり、前記主回折格子が前記基板の全面に埋め込まれており、前記副回折格子は、前記リッジの真下には配置されておらず、前記基板のうち前記リッジの両側の領域に埋め込まれている付記８に記載の光素子。

（付記１２）
さらに、
表面にリッジが形成された半導体基板と、
前記リッジの両側の半導体基板の平坦面、及び該リッジの側面を覆う埋め込み層とを有し、
前記光導波路が前記リッジ内に配置され、前記主回折格子が前記リッジの幅方向に関する中央を含む領域に配置されており、前記副回折格子が前記リッジの側面に形成されている付記８に記載の光素子。

（付記１３）
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する媒質からなる光導波路層と、
前記光導波路層の一部の領域上に、前記下側クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する媒質で形成され、一方向に延在するリッジ状の上側クラッド層と、
前記光導波路層よりも上方に配置され、前記上側クラッド層で構成されるリッジの延在する方向に周期性を持つ回折格子と
を有する光素子。

（付記１４）
前記回折格子は、前記上側クラッド層の両側の側面及び両側の平坦面の少なくとも一方の面上に形成されている付記１３に記載の光素子。

（付記１５）
前記光導波路層が半導体で形成されており、
さらに、前記光導波路層のうち、前記上側クラッド層の下方の領域に電子及び正孔を供給する電極を有する付記１３または１４に記載の光素子。

（付記１６）
前記半導体基板及び前記下側クラッド層がｐ型の化合物半導体で形成され、前記上側クラッド層がｎ型の化合物半導体で形成されている付記１５に記載の光素子。

（付記１７）
前記回折格子が、前記光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子及び副回折格子を含み、該主回折格子のみが配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、前記主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、該主回折格子及び副回折格子が導波光と結合している付記１３〜１６のいずれかに記載の光素子

１、５１、１０１、１５１ 基板
２ 下側クラッド層
３、１０２ 下側光ガイド層
４ 量子ドット活性層（光導波路層）
５、１０４、１５３ 上側光ガイド層
６、１０５、１５４、１６５ 上側クラッド層
７、５５、１０６、１６６ コンタクト層
８ レジスト膜
１０、６１、１１１、１７２ リッジ
１１、６０、１０９、１７０ 主回折格子
１２、１２Ａ、１２Ｂ、６２、６２Ａ、６２Ｂ、１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１７１、１７１Ａ、１７１Ｂ 副回折格子
１４、５６、１０７、１６８ 上側電極
１５、５７、１０８、１６９ 下側電極
２０ 基本横モードの光強度分布
２１ ２次横モードの光強度分布
５２ 光ガイド層
５３、１０３、１５２ 量子井戸活性層
５４ 上側クラッド層
７０、７２、１２０、１２１、１８０ レジストパターン
７１、１２２、１８１、１８１Ａ、１８１Ｂ マスクパターン
１６０ 第１電流狭窄層
１６１ 第２電流狭窄層
１６２ 第３電流狭窄層
２００ 増幅領域
２０１ ブラッグ反射領域
２０２、２０３ 電極
２０５ 回折格子

Claims (4)

1. レーザビームを伝搬させる光導波路と、
   前記光導波路を伝搬する導波光と結合する主回折格子と、
   前記光導波路を伝搬する導波光と結合する副回折格子と
   を有し、該主回折格子のみが配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬に比べて、前記主回折格子及び副回折格子の両方が配置されている場合に前記光導波路を伝搬する導波光の２次横モードの伝搬が抑制されるように、該主回折格子及び副回折格子が導波光と結合しており、
   前記導波光の基本横モードと前記副回折格子との結合係数が、２次横モードと前記副回折格子との結合係数よりも小さく、
   前記副回折格子の周期が、前記主回折格子の周期の２倍であり、該副回折格子が、導波光の伝搬方向に関して周期的な屈折率分布を持つ第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とを含み、該第１の周期構造部分と第２の周期構造部分とは、位相が、前記主回折格子の周期の１／２だけ相互にずれている記載の光素子。
2. 前記副回折格子の第１の周期構造部分及び第２の周期構造部分は、相互に屈折率の異なる２種類の領域が導波光の伝搬方向に交互に配列した構造を有し、該第１及び第２の周期構造の１周期のうち一方の領域の占める割合が、１５％以上３５％以下または６５％以上８５％以下である請求項１に記載の光素子。
3. 前記光導波路が半導体で形成されており、
   さらに、前記光導波路に電子及び正孔を供給する電極を有する請求項１または２に記載の光素子。
4. さらに、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の上に形成された下側クラッド層と、
   前記下側クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する媒質からなる光導波路層と、
   前記光導波路層の一部の領域上に、前記下側クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を有する媒質で形成され、一方向に延在するリッジ状の上側クラッド層と、
   を有し
   前記光導波路が、前記光導波路層のうち、前記上側クラッド層の下方の領域に画定されており、
   前記主回折格子及び前記副回折格子が、前記光導波路層よりも上方に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光素子。

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