JP2013219192A

JP2013219192A - 半導体レーザ

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Publication number: JP2013219192A
Application number: JP2012088651A
Authority: JP
Inventors: Minefumi Shimoyama; 峰史下山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】半導体レーザに関し、温度制御を要することなくモードホップを抑制する。
【解決手段】前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長を後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長と異なるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザに関し、例えば、高速光通信に用いられる半導体光源に用いられる分布ブラッグ反射器部と分布帰還型発振部とを備えた半導体レーザに関する。

通信サービスの多様化・多機能化に伴い、光ファイバ通信の伝送容量に対する要求は年々増加している。大容量伝送に適した送信機あるいは中継器に用いる半導体光源への市場の要求は大きい。

次世代の光通信用の半導体光源には、２５Ｇｂｐｓ〜１００Ｇｂｐｓの高速動作と同時に小型化・低消費電力化が要求されている。外部変調器を持たず、活性層への注入電流を直接変調することでデータ送信を行う直接変調レーザは、小型・低消費電力の観点で有利であり、これを２５Ｇｂｐｓ以上の高速動作させるための研究・開発が進められている。

直接変調レーザで高速動作を実現するには、素子容量を抑制して電気的な応答速度を向上させると共に、共振器内の光子寿命と利得とに依存する緩和振動周波数を増大して光強度変化の応答速度を向上させる必要がある。このためには、共振器長を短くしつつ発振閾値利得を下げることが求められる。

このような要請に応える半導体レーザ構造として、分布帰還型半導体レーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋＬａｓｅｒ：ＤＦＢレーザ）に分布ブラッグ反射器（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）構造を集積したＤＲレーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＲｅｆｌｅｃｔｏｒＬａｓｅｒ）が提案されている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。

ここで、図１８乃至図２０を参照して従来のＤＲレーザを説明する。図１８は従来のＤＲレーザの概略的側面断面図であり、ｎ型基板５１の表面に回折格子５２を形成し、この回折格子５２を回折格子層５３で埋め込み、その上に活性層５４を形成するとともに、その両側に光導波層５５を形成する。この活性層５４及び光導波層５５の上にｐ型クラッド層５６を形成し、活性層５４に対応する領域にｐ側電極５７を形成するとともに、ｎ型基板５１の裏面にｎ側電極を形成する。また、端面には反射防止膜５９，６０を形成する。

このように、ＤＲレーザは、活性層５４へ電流注入し利得を持たせるＤＦＢ領域と、発振波長の光に対して透明な光導波層５５を有するＤＢＲ領域とから構成される。いずれの領域にも回折格子５２を設け、活性領域はＤＦＢレーザとして、光導波層５５を有する領域は分布反射鏡（ＤＢＲ）として動作させる。

ＤＲレーザ構造の最大の利点は、共振器長の小さなレーザが簡便かつ歩留まり良く作製可能な点にある。例えば、端面出射型の半導体レーザは、端面での光散乱を防ぐために、結晶面で劈開することで端面を形成する。一般に素子長が１５０μｍ以下の試料を劈開で作製するのは困難であるため、単純なＤＦＢレーザを用いて共振器長の小さな素子を作製するのは難しい。

一方、ＤＲレーザは回折格子５２の光結合係数の調整によりＤＢＲ部の反射率を上げ、ほぼ活性領域（ＤＦＢ部）のみに共振器長を設定することが出来るため、素子長自体は長く、例えば、３００μｍ程度にしつつ、共振器長を非常に短く、例えば、１０μｍ〜１００μｍ程度にできるため、容易に共振器長の小さな素子を形成することができる。

また、単純なＤＦＢレーザの場合、回折格子の端面位相ばらつきが製造歩留まりの劣化を引き起こすことが知られている。回折格子の格子間隔Λは、
Λ＝ｍ（λ／２ｎ_ｒ）・・・（１）
で与えられる。但し、ｍは回折の次数、λは真空中の波長、ｎ_ｒは導波路の有効屈折率である。

ここでは高速変調用の短共振器レーザを考えているが、短素子長で十分な回折効率を得るには１次の回折（ｍ＝１）が使われる。ごく一般的な通信用の光波長１．５５μｍ帯レーザをＩｎＰ基板上に形成する場合を考えると、ｎ_ｒは３．２前後となるのでΛは２４０ｎｍ程度となる。劈開の位置精度は一般に数μｍ程度であり、よって素子端面に回折格子の山の部分が当たるか谷の部分が当たるかは制御不能である。

この端面位相のばらつきはＤＦＢレーザの発振スペクトルに影響を与え、発振モードが設計と異なってしまう原因となる。この端面位相ばらつきの影響を抑制するために、端面への反射防止膜形成が行われるが、単純なＤＦＢレーザでこれを行った場合に、特に、短い素子では共振器としてのフィードバックが不十分になり発振が難しくなる。

これに対して、ＤＲレーザであれば、素子が元々反射鏡を備えた構造であるから端面に反射防止膜を形成しても十分なフィードバックを確保可能であり、端面位相ばらつきの影響を排除した高歩留まりの短共振器レーザが実現される。

特開平０３−２３０８０８号公報特開２００１−１６０６３５号公報

上述のように、ＤＲレーザにおいては、ＤＦＢ領域の光導波層は電流注入によって導波光に利得を与える活性層であるのに対し、ＤＢＲ領域の光導波層は導波光に対して透明な層構造が用いられる。このため、ＤＦＢ部への電流注入量に依存して両領域間の導波路屈折率の関係が変化する。この時に起こる現象について図１９を参照して説明する。

図１９は、従来のＤＲレーザにおけるモードホップの説明図であり、横軸を波長、縦軸を強度とし、細線でＤＢＲ部の反射スペクトルを示し、太線ＤＦＢ部の透過スペクトルを示している。

内部に位相シフト領域を持たず、ある程度の大きさの回折格子結合係数κと長さＬとの積、例えばκ・Ｌ〜１程度を持つＤＢＲ部の反射スペクトルは、ブラッグ波長近傍の禁制帯で大きな反射率を有し、図において細線で示したようなスペクトル形状を有する。同じく内部に位相シフト領域を持たないＤＦＢ部の透過スペクトルは、ブラッグ反射帯の両近傍に２つの強い透過ピークを有し、通常のＤＦＢレーザはこの２つのモードのいずれかで発振することになる。なお、より正確には、利得ピーク波長がこれら主モードから大きく外れていれば、別モードで発振することもあるが、通常は主モードで発振するように利得ピーク波長を設計する。

図１９（ａ）に示すように、ＤＲレーザの導波路構造を適切に設計し、初期状態、即ち、電流注入の無い状態ではＤＢＲ部導波路とＤＦＢ部導波路の実効屈折率が揃っており、両導波路における回折格子のブラッグ波長が揃っているとする。

図１９（ｂ）に示すように、このＤＲレーザのＤＦＢ部に電流注入を行うと、レーザ発振が起こるまではＤＦＢ部ではキャリア密度が増大することによるキャリアプラズマ効果によって屈折率が減少する。その結果、ＤＦＢ部のスペクトルはＤＢＲ部に対して短波長側に変移する。この状態では、ＤＦＢ部の主モードのうち長波側のモードがＤＢＲ部の高反射域に合致して高いフィードバックを受けるため、先にしきい値利得に到達してこちら側のモードでレーザ発振が起こる。

図１９（ｃ）に示すように、発振後さらに注入電流を増加させると、注入された電流は光出力増大に寄与してキャリア密度は発振時の値に保たれる。このため、プラズマ効果による屈折率減少はこれ以上には進まない。一方で、素子抵抗と電流の累乗積で与えられるジュール熱の発生は電流増大に伴い増加する。通信用レーザに用いられる多くの半導体では一般に温度と共に屈折率は増加するため、今度は注入電流増加に伴いＤＦＢ部の屈折率は増加し、ＤＦＢ部スペクトルが長波側へ変移する。

図１９（ｄ）に示すように、出力光強度を上げるために注入電流をさらに増加させてゆくと、遂には当初のプラズマ効果の影響を凌駕し、ＤＦＢ部のスペクトルが初期状態よりも長波側にずれることになる。この状態では短波側のＤＦＢ主モードの方がＤＢＲ部の高反射域と一致するために高いフィードバックが得られ、発振モードが変化してしまう。即ち、発振モードが変わるモード飛び（モードホップ）と呼ばれる現象が発生する。

光通信等における直接変調レーザは注入電流を変化させて光強度を変調する光源であるので、注入電流量によって発振モードの変化が起こることは許容されないので、このようなモードホップの発生が問題となる。

また、同根の問題ではあるが、素子温度によって発振モードが変化してしまうという問題もあるので、図２０を参照して説明する。図２０は、初期状態でＤＢＲ部とＤＦＢ部の波長関係のずれがある場合の問題点の説明図であり、ここでも、横軸を波長、縦軸を強度とし、細線でＤＢＲ部の反射スペクトルを示し、太線ＤＦＢ部の透過スペクトルを示している。

図２０（ａ）に示すように、初期状態でＤＦＢ部とＤＢＲ部のブラッグ波長がずれている場合について考える。ＤＲレーザのＤＦＢ部とＤＢＲ部とは導波路層構造が異なっており、層厚や導波路幅の調整により実効屈折率を揃えるように設計したとしても、製造時の層厚ゆらぎや導波路幅ゆらぎによって、ある程度の波長ずれは発生する場合がある。

図２０（ｂ）に示すように、発振しきい値以前の電流注入では、図１９（ａ）で説明したように、ＤＦＢ部スペクトルは短波側にずれる。ところで、レーザ素子の動作雰囲気が高温になると、一般に発振しきい値電流は増大する。これは、電流注入によって発生したキャリアのエネルギー分布が温度によって変化し、高温下では発振に寄与するキャリアの割合が減少するためである。この結果、温度によって発振以前のＤＦＢ部波長変移量が異なることになる。低温では変移が小さく、このため短波側の主モードがＤＢＲ部からの高いフィードバックを受けて発振する。

ところが高温では、図２０（ｃ）に示すように、発振までにより大きな変移が発生するために長波側の主モードがＤＢＲ部のフィードバックを受けて発振する。次世代の直接変調レーザには、低消費電力化のため、温度調整機構が不要であることが要求されており、すなわち周囲温度の変化によらない、広い温度範囲での動作が要求されている。温度によって発振モードが異なるということは、周囲温度が変化した際にモード飛びが発生するということであり、これも通信用レーザとしては致命的な欠陥となる。

したがって、分布反射器型半導体レーザにおいて、温度制御を要することなくモードホップを抑制することを目的とする。

開示する一観点からは、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次積層した分布帰還型発振部と、前記分布帰還型発振部の光軸方向の前方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した前方分布ブラッグ反射器部と前記分布帰還型発振部の光軸方向の後方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した後方分布ブラッグ反射器部とを有し、前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長と前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長とが互いに異なっていることを特徴とする半導体レーザが提供される。

開示の半導体レーザによれば、温度制御を要することなくモードホップを抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態のＤＲレーザの構成説明図である。本発明の実施の形態のＤＲレーザの実効反射率の説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の図３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の図４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の図６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程の図７以降の説明図である。本発明の実施例１のＤＲレーザの特性の説明図である。本発明の実施例２のＤＲレーザのストライプパターンの説明図である。本発明の実施例３のＤＲレーザのストライプパターンの説明図である。本発明の実施例４のＤＲレーザの側面断面図である。本発明の実施例４のＤＲレーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例４のＤＲレーザの製造工程の図１３以降の説明図である。本発明の実施例５のＤＲレーザの側面断面図である。本発明の実施例６のＤＲレーザの側面断面図である。本発明の実施例６のＤＲレーザの途中の製造工程の説明図である。従来のＤＲレーザの概略的側面断面図である。従来のＤＲレーザにおけるモードホップの説明図である。初期状態でＤＢＲ部とＤＦＢ部の波長関係のずれがある場合の問題点の説明図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態のＤＲレーザを説明する。図１は本発明の実施の形態のＤＲレーザの構成説明図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ′断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′断面図である。

このＤＲレーザは、ＤＦＢ部（分布帰還型発振部）１２と、その前後に設けられたストライプ状メサ７からなる前方ＤＢＲ部（前方分布ブラッグ反射器部）１３とストライプ状メサ８からなる後方ＤＢＲ部（後方分布ブラッグ反射器部）１４とを備えている。ＤＦＢ部１２は、第１導電型半導体層３、活性層４及び第２導電型半導体層６を順次積層して形成されており、前方ＤＢＲ部１３及び後方ＤＢＲ部１４は、それぞれ第１導電型半導体層３、光導波層５及び第２導電型半導体層６を順次積層して形成されている。

本発明においては、前方ＤＢＲ部１３における回折格子２の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長と後方ＤＢＲ部１４における回折格子２の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長とが互いに異なるように設定する。

また、前方ＤＢＲ部１３及び後方ＤＢＲ部１４の一方の回折格子の導波光に対する最大反射率を０．９以上とし、且つ、前方ＤＢＲ部１３及び後方ＤＢＲ部１４の他方の回折格子の導波光に対する最大反射率を０．８以下とする。即ち、ＤＢＲ部の一方の反射率を高反射率とし他方の反射率を低反射率とし、前後のＤＢＲ部による反射特性を非対称にすることによって、全体としての実効反射率を非対称にしたものである。

一般的に半導体レーザに用いられている反射膜の種類として、高反射膜は大凡０．８以上、特に一般的には０．９以上の反射率であり、低反射膜は０．３〜０．８位の反射率を指すことが多い。但し、高反射率側のＤＢＲ部の反射率を０．８程度にすると、十分な非対称性が得られないので、０．９以上とすることが望ましい。

このような非対称性を導入するためには、前方ＤＢＲ部１３における光導波層５の光導波方向の長さと、後方ＤＢＲ部１４における光導波層５の光導波方向の長さが互いに異なるようにすれば良い。後方ＤＢＲ部１４の長さを前方ＤＢＲ部１３に比べて長くすることで、後方ＤＢＲ部１４の反射率を大きくかつ平坦にし、前方ＤＢＲ部１３は短くすることでなだらかな波長依存性を持たせることができる。

或いは、前方ＤＢＲ部１３における回折格子２の導波光に対する結合係数κ_ｆと、後方ＤＢＲ部１４における回折格子２の導波光に対する結合係数κ_ｂを互いに異なるように設定しても、前後のＤＢＲ部の反射率を非対称にすることができる。具体的には、前方ＤＢＲ部１３における回折格子２の深さと、後方ＤＢＲ部１４における回折格子２の深さを互いに異なるように設定すれば良い。

高反射波長帯をずらすには、前方ＤＢＲ部１３における回折格子２のピッチΛ_ｆと、後方ＤＢＲ部１４における回折格子２のピッチΛ_ｂを互いに異なるように設定すれば良い。例えば、前方ＤＢＲ部１３の反射波長を後方ＤＢＲ部１４に比べて長波側にずらすのであれば、前方ＤＢＲ部１３の回折格子２のピッチΛ_ｆを後方ＤＢＲ部１４における回折格子２のピッチΛ_ｂより大きくする。短波側にずらすのであれば前記の反対にすれば良い。

或いは、前方ＤＢＲ部１３における光導波層５の厚さと、後方ＤＢＲ部１４における光導波層５の厚さを互いに異なるように設定しても良い。例えば、前方ＤＢＲ部１３の反射波長を後方ＤＢＲ部１４に比べて長波側にずらすのであれば、前方ＤＢＲ部１３の光導波層５の厚さを後方ＤＢＲ部１４の光導波層５の厚さより厚くすれば良い。短波側にずらすのであれば前記の反対にすれば良い。

或いは、前方ＤＢＲ部１３における光導波層５の幅と、後方ＤＢＲ部１４における光導波層５の幅を互いに異なるように設定しても良い。例えば、前方ＤＢＲ部１３の反射波長を後方ＤＢＲ部１４に比べて長波側にずらすのであれば、前方ＤＢＲ部１３の光導波層５の幅を後方ＤＢＲ部１４の光導波層５の幅より太くすれば良い。短波側にずらすのであれば前記の反対にすれば良い。

図２は本発明の実施の形態のＤＲレーザの実効反射率の説明図であり、破線で示す後方ＤＢＲ部１４の反射率及び最大反射率が得られる波長と一点鎖線で示す前方ＤＢＲ部１３の反射率の最大反射率が得られる波長が異なるように設定している。その結果、全体の実効反射率は実線で示すように非対称になる。ここでは、長波長側が高反射率になる非対称性を採用している。

具体的には、ＤＲレーザのＤＢＲ領域のうち、光を出射させる前方ＤＢＲ部１３は反射率が小さくかつなだらかな波長依存性を持たせ、後方ＤＢＲ部１４は反射率が高くかつ高反射帯域では平坦な波長依存性を持たせる。

このような非対称性を導入することによって、図２（ｂ）に示すように、ＤＦＢ部とＤＢＲ部の波長関係が変化しても、常にＤＦＢ部の２つの主モードの一方の受けるフィードバック量が大きくなるので、発振モードを固定させることができる。

このように、前方ＤＢＲ部１３の高反射波長帯が、後方ＤＢＲ部の高反射波長帯に比べて長波側にずれている場合が、電流増加に従って反射率が増加して光出力が増加しやすいために好適である。但し、その逆であっても単一モード性の観点からは同様の効果が得られるので問題はない。また、高光出力を得るために、ＤＦＢ部には位相シフトを含まない構造が好適である。

本発明の構造を用いると、ＤＦＢ部とＤＢＲ部との波長関係が製造誤差や注入電流量変化・温度変化等によって変化しても、常に２つのＤＦＢ主モードの片方において高い利得が得られる。この結果、製造誤差の影響を受けず、広い温度範囲・広い動作電流範囲にわたって安定な単一モード発振する光源が得られる。このような特性は次世代の高速かつ低消費電力な通信用光源として好適である。

次に、図３乃至図９を参照して、本発明の実施例１のＤＲレーザを説明するが、まず、図３乃至図８を参照して本発明の実施例１のＤＲレーザの製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２１にレジストを塗布したのち、電子ビーム装置で回折格子パターンを露光し、現像することによってレジストパターン２２を形成する。次いで、レジストパターン２２をマスクとしてｎ型ＩｎＰ基板２１の露出部をドライエッチングして回折格子２３を形成する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２２を除去したのち、有機金属成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、厚さが１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２４及び厚さが６０ｎｍのｎ型ＩｎＰ層２５を順次堆積する。

引き続いて、図３（ｃ）に示すように、厚さが１６０ｎｍのＭＱＷ活性層２６及び厚さが１００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２７を堆積させる。ＭＱＷ活性層２６は、厚さが１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層と厚さが５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層を交互に、障壁層が１１層と井戸層が１０層になるように成長させる。この時、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層はバンド間遷移波長が１５５０ｎｍとなる組成とし、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層はバンド間遷移波長が１１００ｎｍとなる組成とする。

次いで、図４（ｄ）に示すように、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いてＳｉＯ_２膜を成膜し、フォトリソグラフィーによって形成したＤＦＢ部に対応するレジストのパターンをウエットエッチングでＳｉＯ_２膜に転写してＳｉＯ_２マスク２８を形成する。次いで、ＳｉＯ_２マスクを用いてエッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層２７及びＭＱＷ活性層２６の露出部をエッチング除去する。

次いで、図４（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２８をそのまま選択成長マスクとして、再び、ＭＯＶＰＥ法により前後のＤＢＲ部に厚さが１６０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２９及び厚さが１００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０を順次成長させる。なお、前方のＤＢＲ部の長さは２５μｍとし、後方のＤＢＲ部の長さは１２５μｍとする。

次いで、ＳｉＯ_２マスク２８を緩衝フッ酸溶液で除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さが１．４μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３１及び厚さが３００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を全面に成長させる。

次いで、図５（ｇ）に示すように、ＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜を形成したのち、フォトリソグラフィーによって形成したレジストのパターンをウエットエッチングによりＳｉＯ_２膜に転写して、ストライプ状パターンのＳｉＯ_２マスク３３を形成する。次いで、このＳｉＯ_２マスク３３をマスクとしてドライエッチングによりｎ型ＩｎＰ基板に達するまでメサエッチングを行う。この時のメサエッチングの深さは２．５μｍとし、ＤＦＢ部及び後方ＤＢＲ部の幅を１．２μｍとし、前方ＤＢＲ部の幅を１．６μｍとする。

次いで、図５（ｈ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３３をそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、メサの側面を半絶縁性ＩｎＰ埋込層３４で埋め込む。次いで、図５（ｉ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３３を緩衝フッ酸溶液で除去したのち、フォトリソグラフィーによりレジストパターン３５を形成し、ウエットエッチングにより前後のＤＢＲ領域上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を除去する。

次いで、図６（ｊ）に示すように、レジストパターン３５を除去したのち、ＣＶＤ法を用いて全面に厚さが５００ｎｍのＳｉＯ_２膜３６を成膜する。次いで、図６（ｋ）及び（ｋ′）に示すように、再び全面にフォトレジストを塗布してフォトリソグラフィーによりＤＦＢ領域３８に対応する開口部を有するレジストパターン３７を形成し、ＳｉＯ_２膜３６の露出部を除去する。

次いで、図７（ｌ）に示すように、真空蒸着法を用いて、全面にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜３９を堆積する。次いで、図７（ｍ）に示すように、レジストパターン３７を除去するリフトオフ工程によってＤＦＢ領域のみにＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜３９を残存させてｐ側電極４０とする。

次いで、図７（ｎ）に示すように、スパッタ法を用いて全面に厚さが２００ｎｍのめっきシード層となるＴｉＷ膜４１を形成する。次いで、図８（ｏ）に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストからなるめっきフレーム４２を形成し、電解めっき法によりＡｕ電極４３を形成する。なお、Ａｕ電極４３の厚さは１μｍとし、幅は５μｍとする。

次いで、図８（ｐ）及び（ｐ′）に示すように、めっきフレーム４２を除去したのち、Ａｕ電極４３をマスクとしてドライエッチングによりＴｉＷ膜４１の露出部を除去する。次いで、素子の厚さが１００μｍになるまで裏面からｎ型ＩｎＰ基板２１を研磨したのち、裏面全面にＡｕＧｅ／Ａｕ膜４４を蒸着し、続けてＡｕめっきによりｎ側電極４５を形成する。最後に、劈開や切断によってパターン毎に分離して素子化する。

図９は、本発明の実施例１のＤＲレーザの特性の説明図である。図９（ａ）は前方ＤＢＲ部の長さを５０μｍとし、後方ＤＢＲ部の長さを１００μｍとした場合の特性図であり、図９（ｂ）は実施例１のように前方ＤＢＲ部の長さを２５μｍとし、後方ＤＢＲ部の長さを１２５μｍとした場合の特性図である。

実施例１の構造では、回折格子の回折効率κはおよそ２００ｃｍ^−１となり、また、導波路の実効屈折率ｎ_ｒは約３．２５程度である。図９（ａ）に示すように、前方ＤＢＲ部の長さを５０μｍとし、後方ＤＢＲ部の長さを１００μｍとした場合には、前方ＤＢＲ部のピーク反射率は細い破線で示すように約６０％となり、後方ＤＢＲ部のピーク反射率は細い実線で示すように９５％になる。ここでは、反射ピーク波長λ（回折格子のブラッグ波長）が、前方ＤＢＲ部は１５５３ｎｍ、後方ＤＢＲは１５５０ｎｍとなるように、回折格子の周期Λ＝λ／２ｎ_ｒを設定している。その結果、前後のＤＢＲの実効反射率は、太い実線で示すように、長波長側にピークを有する非対称な反射スペクトルが得られる。これでもモードポッピングを抑制することは十分可能である。

一方、図９（ｂ）に示すように、前方ＤＢＲ部の長さを２５μｍとし、後方ＤＢＲ部の長さを１２５μｍとした場合には、前方ＤＢＲ部のピーク反射率は細い破線で示すように約２５％となり、後方ＤＢＲ部のピーク反射率は細い実線で示すように９８％になる。なお、ここでは、反射ピーク波長λが、前方ＤＢＲ部は１５５５ｎｍ、後方ＤＢＲは１５５０ｎｍとなるように、回折格子の周期Λ＝λ／２ｎ_ｒを設定している。その結果、前後のＤＢＲの実効反射率は、太い実線で示すように、１５５０ｎｍを中心として約５．５ｎｍの幅を持つなだらかな傾斜を有する非対称なスペクトルが得られる。

ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を持つＤＦＢレーザの発振波長は、１℃の温度変化に対して約０．９ｎｍ変化することが知られており、クーラーレス駆動の条件とされる２５℃から８５℃の温度範囲に対応するには、約５．４ｎｍの波長変化に対応する必要がある。本願の実施例１の設計では、上述のように反射スペクトルは約５．５ｎｍ幅のなだらかな傾斜を持つため、波長変化に対応し、２５℃から８５℃の温度範囲で安定に単一モード発振することが可能になる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例２のＤＲレーザを説明するが、この本発明の実施例２は、ストライプ形状が異なるだけで、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様である。図１０は、本発明の実施例２のＤＲレーザのストライプパターンの説明図であり、前方ＤＢＲ部を細く形成したものであり、その結果、前後の実効反射率のピーク波長は短波側にずれることになるが、モードポッピングを抑制する効果がある。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例３のＤＲレーザを説明するが、この本発明の実施例３も、ストライプ形状が異なるだけで、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様である。図１０は、本発明の実施例３のＤＲレーザのストライプパターンの説明図であり、前方ＤＢＲ部、ＤＦＢ部及び後方ＤＢＲ部の３領域のストライプ幅を全て異なる様にしたものであるが、モードポッピングを抑制する効果が得られる。

次に、図１２乃至図１４を参照して、本発明の実施例４のＤＲレーザを説明するが、前後のＤＢＲ部における光導波層の膜厚が互いに異なるだけ、他の基本的な構造は上記の実施例１と全く同様である。図１２は、本発明の実施例４のＤＲレーザの側面断面図であり、前方ＤＢＲ部の光導波層２９_２の厚さを後方ＤＢＲ部の光導波層２９_１の厚さより厚くしたものである。

図１３乃至図１４は、本発明の実施例４のＤＲレーザの製造工程の説明図であり、まず、上記の実施例１の図３（ｃ）までの工程と全く同様に、ｐ型ＩｎＰクラッド層２７までを成長させる。次いで、図１３（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２膜を成膜し、フォトリソグラフィーによって形成したレジストのパターンをウエットエッチングでＳｉＯ_２膜に転写して前方ＤＢＲ部及びＤＦＢ部を覆うＳｉＯ_２マスク２８_１を形成する。このＳｉＯ_２マスク２８_１をマスクとして、ｐ型ＩｎＰクラッド層２７及びＭＱＷ活性層２６の露出部を順次エッチング除去する。

次いで、図１４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２８_１をそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、厚さが１６０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２９_１及び厚さが１００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０_１を順次成長させる。

次いで、図１４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２８_１を緩衝フッ酸溶液で除去したのち、再び、ＳｉＯ_２膜を成膜し、ＤＦＢ部及び後方ＤＢＲ部を覆うＳｉＯ_２マスク２８_２を形成する。このＳｉＯ_２マスク２８_２をマスクとして、ｐ型ＩｎＰクラッド層２７及びＭＱＷ活性層２６の露出部を順次エッチング除去する。

次いで、図１４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２８_２をそのまま選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、厚さが１８０ｎｍＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層２９_２及び厚さが８０ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０_２を順次成長させる。以降は、再び、実施例１と全く同様の工程を行うことによって、図１２に示した構造が得られる。

この実施例４では、前方ＤＢＲ部の光導波層厚を後方ＤＢＲ部に対して厚く形成しているので、前方ＤＢＲ部の反射ピーク波長が後方ＤＢＲ部の反射ピーク波長より長波長となる。この構造では、層厚の違いで反射ピークをずらすので、導波路幅は全ての領域で同一であって構わない。但し、層厚の違いに加えて導波路幅の違いの効果を持たせても構わないので、導波路幅がそれぞれの領域で異なっていても構わない。また、この実施例４とは逆に、後方ＤＢＲ部の光導波層を厚くして、前方ＤＢＲ部の反射ピークを短波側にずらしても構わない。

次に、図１５を参照して、本発明の実施例５のＤＲレーザを説明するが、回折格子のピッチを前方ＤＢＲ部と後方ＤＢＲ部とで変えただけ、他の構造は上記の実施例１と全く同様である。図１５は、本発明の実施例５のＤＲレーザの側面断面図である。図に示すように、上述の図３（ａ）における電子ビーム装置による回折格子パターンの描画工程において、前方ＤＢＲ部の回折格子２３_２のピッチをＤＦＢ部及び後方ＤＢＲ部の回折格子２３_１のピッチより大きくしたものである。その結果、前方ＤＢＲ部の反射ピーク波長は後方ＤＢＲの反射ピークに対して長波側にずれることになる。或いは、逆に前方ＤＢＲ部の回折格子のピッチを後方ＤＢＲ部の回折格子のピッチより小さく形成しても構わない。

次に、図１６及び図１７を参照して、本発明の実施例６のＤＲレーザを説明するが、回折格子の深さを前方ＤＢＲ部と後方ＤＢＲ部とで変えただけ、他の構造は上記の実施例１と全く同様である。図１６は、本発明の実施例６のＤＲレーザの側面断面図であり、後方ＤＢＲ部の回折格子２３_３の深さを前方ＤＢＲ部の回折格子２３_１の深さより深くしたものである。

図１７は、本発明の実施例６のＤＲレーザの途中の製造工程の明図であり、まず、上述の図３（ａ）と同様にレジストパターン２２_１をマスクとして全体に回折格子２３_１を形成する。次いで、前方ＤＢＲ部のみレジストパターン２２_１と現像液の異なる新たなレジストパターン２２_２で覆ったのち、再び露出部をエッチングすることによって、ＤＦＢ部及び後方ＤＢＲ部の回折格子２３_３の深さをより深くする。

ここで、実施例１乃至実施例６を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次積層した分布帰還型発振部と、前記分布帰還型発振部の光軸方向の前方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した前方分布ブラッグ反射器部と前記分布帰還型発振部の光軸方向の後方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した後方分布ブラッグ反射器部とを有し、前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長と前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長とが互いに異なっていることを特徴とする半導体レーザ。
（付記２）前記前方分布ブラッグ反射器部及び前記後方分布ブラッグ反射器部の一方の回折格子の導波光に対する最大反射率が０．９以上であり、且つ、前記前方分布ブラッグ反射器部及び前記後方分布ブラッグ反射器部の他方の回折格子の導波光に対する最大反射率が０．８以下であることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記３）前記前方分布ブラッグ反射器部と前記後方分布ブラッグ反射器部とによる実効反射スペクトルが、長波長側で高い反射率を有する非対称なスペクトルであることを特徴とする付記１または付記２に記載の半導体レーザ。
（付記４）前記前方分布ブラッグ反射器部における光導波層の光導波方向の長さと、前記後方分布ブラッグ反射器部における光導波層の光導波方向の長さが互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記５）前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する結合係数と、前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する結合係数が互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記６）前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子のピッチと、前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子のピッチが互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記７）前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の深さと、前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の深さが互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記８）前記前方分布ブラッグ反射器部における光導波層の厚さと、前記後方分布ブラッグ反射器部における光導波層の厚さが互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記９）前記前方分布ブラッグ反射器部における光導波層の幅と、前記後方分布ブラッグ反射器部における光導波層の幅が互いに異なっていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。

１第１導電型半導体基板
２回折格子
３第１導電型半導体層
４活性層
５光導波層
６第２導電型半導体層
７，８ストライプ状メサ
９埋込層
１０，１１電極
１２ＤＦＢ部
１３前方ＤＢＲ部
１４後方ＤＢＲ部
２１ｎ型ＩｎＰ基板
２２，２２_１，２２_２レジストパターン
２３，２３_１，２３_２，２３_３回折格子
２４ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２５ｎ型ＩｎＰ層
２６ＭＱＷ活性層
２７ｐ型ＩｎＰクラッド層
２８，２８_１，２８_２ＳｉＯ_２マスク
２９，２９_１，２９_２光導波層
３０，３０_１，３０_２ｐ型ＩｎＰクラッド層
３１ｐ型ＩｎＰクラッド層
３２ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３３ＳｉＯ_２マスク
３４半絶縁性ＩｎＰ埋込層
３５レジストパターン
３６ＳｉＯ_２膜
３７レジストパターン
３８ＤＦＢ領域
３９Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜
４０ｐ側電極
４１ＴｉＷ膜
４２めっきフレーム
４３Ａｕ電極
４４ＡｕＧｅ／Ａｕ層
４５ｎ側電極
５１ｎ型基板
５２回折格子
５３回折格子層
５４活性層
５５光導波層
５６ｐ型クラッド層
５７ｐ側電極
５８ｎ側電極
５９，６０反射防止膜

Claims

第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層を順次積層した分布帰還型発振部と、
前記分布帰還型発振部の光軸方向の前方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した前方分布ブラッグ反射器部と
前記分布帰還型発振部の光軸方向の後方に配置され、第１導電型半導体層、光導波層及び第２導電型半導体層を順次積層した後方分布ブラッグ反射器部と
を有し、
前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長と前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する最大反射率とその最大反射率を有する波長とが互いに異なっていることを特徴とする半導体レーザ。
前記前方分布ブラッグ反射器部及び前記後方分布ブラッグ反射器部の一方の回折格子の導波光に対する最大反射率が０．９以上であり、且つ、前記前方分布ブラッグ反射器部及び前記後方分布ブラッグ反射器部の他方の回折格子の導波光に対する最大反射率が０．８以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記前方分布ブラッグ反射器部における光導波層の光導波方向の長さと、前記後方分布ブラッグ反射器部における光導波層の光導波方向の長さが互いに異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。
前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する結合係数と、前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子の導波光に対する結合係数が互いに異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
前記前方分布ブラッグ反射器部における回折格子のピッチと、前記後方分布ブラッグ反射器部における回折格子のピッチが互いに異なっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。