JP2553217B2

JP2553217B2 - レーザ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2553217B2
Application number: JP2101591A
Authority: JP
Inventors: 章雄幕田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1990-04-19
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: US5212712A; JPH042188A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、レーザ素子及びその製造方法に関するもの
で、特にレーザ活性層の実効屈折率に不連続部を有する
位相シフト型分布帰還型レーザ素子及びその製造方法に
係わる。

（従来の技術）光導波路内に周期的屈折率変化構造（回折格子）を持
つDFB−LD（分布帰還型レーザダイオード）は、長距離
大容量光通信等において既に必須のものとなっている。
このDFB−LDは、両端面に壁開面を用いた場合には、必
ずしも単一モードで発振しない。なぜなら、端面での回
折格子の位相が縦モードに影響を与えるからである。確
実に単一縦モードで発振させる方法としてレーザ共振器
中央近傍において回折格子の位相をπ（発振波長の位相
にしてπ/2）だけシフトさせたλ/4シフト型DFBレーザ
が提案されている（これについては、例えばElectronic
es Letters vol.20,NO24,1984,pp1008〜1010に記載さ
れている。）。また、レーザ共振器中央近傍において、
導波路の幅を変えて活性媒質の実効屈折率を変化させた
等価屈折率型λ/4シフト型DFBレーザが提案されてい
る。これは、実効屈折率を変化させた部分の前後で導波
光が位相の変化を経験し、等価的に回折格子をシフトさ
せるのと同様の効果を得ることによる（これについて
は、例えばIEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICE
S.VOL.QE−23,NO ６ JUNE 1987 pp804〜814に記載
されている。）。

回折格子をシフトさせるλ/4シフト型DFBレーザで
は、光波のフィードバック量を示す結合係数κが大きい
場合には、第８図（ａ）及び（ｂ）に示すように、共振
器内を往復する光が回折格子のシフト部Ａに集中しやす
い。これによって、軸方向ホールバーニングを引き起こ
し光出力が飽和しやすい等、レーザの性能を大きく損な
っていた（これについては、例えばIEEE JOURNAL OF
QUANTUM ELECTRONICES.VOL.24,NO 11,Novemver 19
88に記載されている。）。ここで、１はInP基板、２は
導波層、３は活性層、４はクラッド層、５はコンタクト
層、６は電極、７はAR膜をそれぞれ示している。逆に、
結合係数κが小さい場合には、第９図（ａ）及び（ｂ）
に示すように、共振器内を往復する光が回折格子の端面
Ｂに集中しやすい。これによって、閾値電流の上昇や隣
接モードとの抑圧比がとれない等、結合係数κの調整が
非常に難しくなっていた。

また、製造工程においても、回折格子をシフトさせる
方法として、ネガレジストとポジレジストとを用いる方
法（これについては、例えばElectronices Lerrers v
ol.20,NO24,1984,pp1008〜1010に記載されている。）
や、位相シフト膜を用いる方法（これについては、例え
ば電子情報通信学会研究報告 OQE86−150に記載されて
いる。）等の種々の方法が考案されているが、歩留りの
良い確実に方法というものは未だ存在しない。また、こ
れらの回折格子を直接シフトさせる方法は、回折格子の
位相シフト部で段差を生じさせたり、そのシフト部を境
に回折格子形状を異ならしめる等の問題があった。

一方、導波路の幅を変える位相シフト方法は、位相シ
フト領域への光の集中という点では多少緩和されるが、
現在では、通常の均一な導波路の幅の制御でさえ困難で
あるのに、位相シフト部の幅、形状等を制御することは
至難の技である。即ち、この方法により、位相シフト量
の正確な調整を行うのは困難である。また、出力光のフ
ァーフィールドパターンは、導波路の幅の変化部での放
射モードとの干渉のため、激しい凹凸を有することが多
かった。

ところで、導波路構造を変化させて、等価的に位相シ
フトを形成する方法としては、第８図又は第９図の分布
帰還型レーザ素子において、導波層２の厚さを変化させ
る方法が考え出されている（これについては、例えば特
開昭61−88584号公報に記載されている。）。

しかしながら、この導波層２の厚さを変化させる方法
には次に示すような欠点がある。即ち、基板１に位相シ
フトに対応する溝をつけ、次に成長する導波層２の厚さ
を変化させるとすると、基板１に形成した回折格子は、
従来のエッチング方法では平坦になってしまい、位相シ
フト領域中には回折格子が存在しなくなる。また、回折
格子の存在する部分と平坦な部分とでは、露出している
部分の結晶の方位が異なるために、次に成長する導波層
２の結晶性が異なるばかりか、同じ厚さに結晶成長せ
ず、活性層２に段差が生じていた。また、成長層の厚さ
の制御が難しく、所望の位相シフトを得ることが出来な
かった。このため、この構造は、とても実用的なものと
は言えなかった。

逆に、導波層２を成長してから回折格子を形成うる方
法が考え出されている。これは、層構造が決定されてい
るために、位相シフト量は制御し易い。しかし、この方
法では、例えば導波層２の厚さを変化させてから回折格
子を形成する場合、段差下部にはその上部に比べてフォ
トレジストが厚く塗布されるため、下部では、回折格子
の形状や深さが違ったり、或いは回折格子が全く形成さ
れなかったりした。このように、段差上部と下部の両方
に関して、回折格子の形状や深さの制御性が全くなかっ
た。

なお、コヒーレント光通信等に用いるため、狭スペク
トル線幅を得る方法として、共振器内に複数の位相シフ
ト構造を設ける方法が提案されている（これについて
は、例えばT.Kimura et.al.,Eletron.lett.vol 23,pp
1014,1987に記載されている。）。これを実現するた
めに、回折格子をシフトさせる方法を用いた場合には、
回折格子のシフト部でのホールバーニングのためにスペ
クトル線幅が計算値よりも広がってしまうという問題点
があった。

一方、厚さの変化している部分の結合係数κは、導波
モードの電界分布に影響されるため、他の領域と異なる
ことになる。厚さの異なる領域での回折格子形状、深さ
のコントロールは、このような電界分布の差による結合
係数κの変化を補償する上でも有用である。また、場合
によっては位相シフト領域での光の集中、逆に光分布の
落ち込みに対して光分布を平坦化させて軸方向ホールバ
ーニングを抑えるように位相シフト領域での結合係数κ
を調節することも必要である。しかし、これらを自在に
制御できる構造、製造方法共に未だ存在していない。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来は、回折格子の移送を不連続とする
位相シフト方法には、その製造プロセスの複雑さを原因
とする段差や、シフト部を境にした回折格子形状の非対
称、及び結合係数κ（回折格子の結合の強さ）を原因と
する大きな素子性能の制約があった。また、導波路の幅
を変化させる方法では、位相シフト領域付近の各半導体
層の形状や、その制御性に問題があり実用性に乏しかっ
た。さらに、導波層の厚さを変化させる構造では、位相
シフト領域での回折格子の形成に難点があった。つま
り、位相シフト領域と他の領域とで回折格子形状、深さ
を自由にコントロールできない欠点があった。また、導
波層、活性層に段差を生じるという重大な欠点があっ
た。

本発明は、上記欠点を解決すべくなされたものであ
り、位相シフト量が可変で、しかも位相シフト部への光
の集中を抑えて、共振器内で平坦な光の分布を得ること
の出来るレーザ素子及びその製造方法を提供することを
目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明のレーザ素子は、
導波層に形成された所望の周期的凹凸構造によって光帰
還を行うもので、前記導波層の少なくとも一部の厚さが
変化しており、かつ、その一部にも所望の周期的凹凸構
造を有するものである。

また、本発明のレーザ素子の製造方法は、まず、半導
体基板上に活性層及び導波層を順次形成した後、前記導
波層に所望の周期的凹凸構造を形成する。次に、前記導
波層の少なくとも一部を前記周期的凹凸構造の形状を制
御しながら所望の厚さにエッチングする。次に、前記導
波層上にクラッド層及びコンタクト層を順次形成すると
いうものである。

（作用）上記構成によれば、導波層の少なくとも一部の厚さが
変化しており、又その一部にも所望の周期的凹凸構造を
有している。即ち、その厚さを変化させた部分には位相
シフトの効果があるため、位相シフト量が可変で、しか
も位相シフト部への光の集中を抑えて、共振器内で平坦
な光の分布を得ることができる。

また、上記方法によれば、導波層の少なくとも一部
を、周期的凹凸構造の形状を制御しながら所望の厚さに
エッチングしている。即ち、導波層における段差の形成
と周期的凹凸構造の形成とを同時に行うことができる。
このため、従来の段差部での問題等の解決を図ることが
できる。

（実施例）以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について
詳細に説明する。なお、この説明において、全図にわた
り共通の部分には共通の参照符号を付することにする。

第１図は、本発明の第１の実施例に係わる位相シフト
型分布帰還素子について示すものである。ここで、11は
InP基板、12はGaInAsP活性層、13は光導波層、14はクラ
ッド層、15はコンタクト層、16は電極、17はAR膜をそれ
ぞれ示している。

即ち、この素子は、導波層（光導波路）13に所望の周
期的凹凸構造を有しており、この周期的凹凸構造によっ
て光帰還を行う。また、導波層13の一部の厚さが変化、
例えば共振器中央部の導波層13が他部よりも薄くなって
おり、その厚さの変化している部分には位相シフトの効
果がある。また、その厚さの変化している部分（位相シ
フト領域）における導波層13にも所望の深さ、形状を有
する回折格子が存在している。

第２図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施例に
係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示
すものである。

まず、同図（ａ）に示すように、InP基板11上にGaInA
sP活性層12及び導波層13を順次結晶成長させた後、レー
ザを用いた二光束干渉露光法で回折格子を形成する。次
に、同図（ｂ）に示すように、フォトレジスト18を用い
て共振器中央近傍の位相シフト領域のみを露出させる。
次に、同図（ｃ）に示すように、硫酸系エッチャントを
用いて所望の活性層の等価屈折率を得るだけの薄さにエ
ッチングする。ここで、硫酸系エッチャントを用いる理
由を次に述べる。導波層13上に回折格子を製作する場合
には、導波層13の厚さが薄い程、光の結合が大きくなり
ホールバーニングが発生し易くなる。そこで、導波層13
の厚さが薄い領域での光の結合を弱くするために、エッ
チング異方性の弱い硫酸系エッチャントを用いて回折格
子の凹凸を減じている。次に、同図（ｄ）に示すよう
に、クラッド層14を結晶成長させる。この時、クラッド
層14は、導波層13の位相シフト領域における段差に比べ
て十分に厚く結晶成長させるために、クラッド層14表面
でほぼ平坦になり、素子の電気的、力学的特性には何ら
影響を与えない。この後、コンタクト層15を結晶成長さ
せ、電極16を蒸着し、さらにはAR膜（図示せず）を両端
面に堆積して素子化する。なお、素子化した状態での共
振器長は、約300μｍである。

第３図は、本発明の第２の実施例に係わる位相シフト
型分布帰還素子について示すものである。

即ち、この素子は、前記第１の実施例とは逆に、共振
器中央部の導波層13が他部よりも厚くなっており、その
厚くなった部分に位相シフトの効果を持たせている。ま
た、その厚くなった部分（位相シフト領域）以外の部分
にも所望の深さ、形状を有する回折格子が存在してい
る。

このような構成でも、前記第１の実施例と同様の効果
を得ることができる。

第４図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第２の実施例に
係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示
すものである。

まず、同図（ａ）に示すように、InP基板11上にGaInA
sP活性層12及び導波層13を順次結晶成長させた後、レー
ザを用いた二光束干渉露光法で回折格子を形成する。こ
こで、位相シフト領域以外の導波層13は、エッチングに
より薄くなるのであるから、この導波層13はあらかじめ
厚めに形成しておくのがよい。次に、同図（ｂ）に示す
ように、フォトレジスト18を用いて位相シフト領域とな
る共振器中央近傍を被覆する。次に、同図（ｃ）に示す
ように、臭化水素系エッチャントを用いて位相シフト領
域以外の導波層13をエッチングし、所望の厚さにする。
ここで、エッチャントとして臭化水素系エッチャントを
用いる理由は、エッチングにより厚さを薄くする導波層
13の回折格子の形状を保護するためである。臭化水素系
エッチャントは、エッチング異方性が強く、エッチング
を行っても回折格子は比較的もとの形状が保たれる。次
に、同図（ｄ）に示すように、クラッド層14を結晶成長
させる。この図、クラッド層14は、導波層13の位相シフ
ト領域における段差に比べて十分に厚く結晶成長させる
ために、クラッド層14表面ではほぼ平坦になり、素子の
電気的、力学的特性には何ら影響を与えない。この後、
コンタクト層15を結晶成長させ、電極16を蒸着し、さら
にはAR膜（図示せず）を両端面に堆積して素子化する。

前記第１及び第２の実施例に示す構成によれば、導波
層13の一部所の厚さを変化させて位相シフト領域を形成
している。また、前記位相シフト領域にも回折格子が存
在し、しかもその領域における回折格子の深さ、形状等
を自由にコントロールすることができる。このため、位
相シフト量が可変で、しかも位相シフト部への光の集中
を抑えて、共振器内で平坦な光の分布を得ることができ
る。なお、回折格子の形状及び位相シフト領域の回折格
子の操作は、活性層、導波層を結晶成長させた後で行う
ため、活性層の結晶性や結晶界面には何ら影響を与えな
い。

また、前記第１及び第２の実施例に示すような方法に
より、位相シフト領域にも所望の深さ、形状を有する回
折格子を形成することができる。従来、段差部での問題
のため、この領域に回折格子が形成されている構造の例
はない。つまり、本発明では、段差の形成と回折格子の
形成とを同時に行うことで、即ち導波層13の少なくとも
一部を前記周期的凹凸構造の形状を制御しながら所望の
厚さにエッチングすることで、製作における段差部での
問題を解決している。また、これが実現できるエッチン
グの方法として、第１の実施例では、エッチング異方性
の弱いエッチャント（硫酸系エッチャント等）を用いて
いる。また、第２の実施例では、エッチング異方性の強
いエッチャント（臭化水素系エッチャント等）を用いて
いる。さらに、詳しく述べると、共振器内で位相シフト
を設けたい部分の導波層13、又はレーザ活性層に隣接す
る半導体層を、フォトレジスト等を用いて露出又は被覆
する。次に、これをエッチングし、位相シフト領域とそ
の他の領域とに段差を設ける。このフォトレジスト等を
用いて露出又は被覆した領域では、他の領域とは活性層
の実効屈折率が異なり波動の伝搬定数も異なる。このた
め、段差を設けた部分には、等価的に位相シフトの効果
が現れる。なお、第１の実施例では、位相シフト領域の
数十μｍにわたっては活性層12の光の閉じ込めが他の領
域よりも弱くなり、又数十μｍでシフトさせるので、第
５図（ａ）及び（ｂ）に示すように、共振器内で非常に
なだらかな光強度分布を持った位相シフト型DFB−LDが
実現できる。また、第２の実意例では、位相シフト領域
における活性層12の実効屈折率が変化するために位相シ
フト型のDFB−LDが実現できる。この場合、前記第１の
実施例に比べて、位相シフト領域における活性層12の光
閉じ込めが他の領域よりも強くなる。しかし、この位相
シフト領域の光の閉じ込めについては、前述したよう
に、回折格子形状、深さを変化させることにより、自由
に調節することが可能である。

このとき、位相シフト領域の実効屈折率をNeff1、他
の領域の実効屈折率をNeff2、位相シフト領域の長さを
Ｌ、発振波長をλ、位相シフト量をλ/nとすれば、位相
シフト量λ/nとシフト領域の長さＬとの間には λ/n＝｜（Neff1−Neff2）｜×Ｌ ……（１）の関係がある。

式（１）において、ｎ＝４とすれば、λ/4シフト型と
して必要な位相シフト領域の長さＬが決定される。Neff
1及びNeff2は、素子の型式のモデルを作り、計算により
求めることもできるし、均一な回折格子を用いた非シフ
ト型DFB−LDの発振波長から実験的に求めることもでき
る。

本発明のポイントとしては、均一に形成した回折格子
の一部の形状を、制御しながら所望の平均的な導波層の
深さ（0.12μｍ程度）まで自由にエッチングできる技
術、即ち導波層の厚さを変化させる部分にも所望の深
さ、形状有する回折格子が形成できる技術に負うところ
が大きい。

第６図は、本発明の第３の実施例に母わる位相シフト
型分布帰還素子について示すものである。

即ち、この素子は、1.2mm程度の共振器内に、前記第
１の実施例で示した位相シフト領域が複数箇所（例えば
３ヶ所）に設けられている。なお、前記第２の実施例で
示した位相シフト領域が複数箇所に設けられた構造でも
よいことは言うまでもない。

このような構成においても、前記第１又は第２の実施
例と同様の効果を得ることができる。

第７図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第３の実施例に
係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示
すものである。

まず、同図（ａ）に示すように、InP基板11上にGaInA
sP活性層12及び導波層13を順次結晶成長させた後、レー
ザを用いた二光束干渉露光法で回折格子を形成する。こ
の時、共振器軸方向全体にわたってホールバーニングを
抑えるために回折格子の凹凸の深さは浅めとするのがよ
い。次に、同図（ｂ）に示すように、位相シフト領域を
設ける個数と位置に応じて、導波層13上にフォトレジス
ト18を形成し、かつ、このフォトレジスト18をパターニ
ングする。次に、同図（ｃ）に示すように、例えば硫酸
系エッチャントを用いて位相シフト領域における導波層
13をエッチングし、所望の厚さにする。この時、位相シ
フト領域における格子形状がなくなることはない。次
に、同図（ｄ）に示すように、クラッド層14を結晶成長
させる。この時、クラッド層14は、導波層13の位相シフ
ト領域A₁〜A₃とその他の領域との段差に比べて十分に厚
く結晶成長させるために、クラッド層14表面でほぼ平坦
になり、素子の電気的、力学的特性には何ら影響を与え
ない。また、コンタクト層15を結晶成長させ、電極16を
蒸着し、さらにはAR膜（図示せず）を両端面に堆積して
素子化する。

このような構成によれば、複数箇所に位相シフト領域
A₁〜A₃を持った、共振器長約1.2μｍのDFB−LDを製造し
た結果、同じ箇所で回折格子をシフトさせたDFB−LDよ
りもスペクトル線幅の狭い素子を得ることができる。つ
まり、本発明による位相シフト構造は、軸方向ホールバ
ーニングを抑えるのに顕著な効果があるといえる。な
お、位相シフト領域は、その位置をいろいろと変化させ
て、スペクトル線幅が最も狭くなるような位置にした。
また、３箇所の位相シフト領域A₁〜A₃の位置は、共振器
中央部に対して非対称とした。

なお、前記第１乃至第３の実施例では、活性層にGaIn
AsPを用いたが、これに限られるものではない。例え
ば、GaAlAs等を用いることもできる。

［発明の効果］以上、説明したように、本発明の分布帰還型レーザ素
子及びその製造方法によれば、次のような効果を奏す
る。

本発明を用いて位相シフト型DFB−LDを製造した結
果、高速、高出力動作時にも安定した単一モードで動作
する素子が歩留りよく得られた。また、回折格子の深
さ、束ち結合係数κを変化させて素子を製造した結果、
比較的結合係数κの値に関係なく安定した単一モードで
動作する素子が歩留りよく得られた。ファーフィールド
パターンも均一な回折格子を用いたものと同程度のもの
が得られた。つまり、従来の回折格子の位相を直接変化
させる位相シフト型DFB−LD構造で劣化していた性能が
著しく改善されたのである。ファーフィールドパターン
の凹凸が少ない点から、活性層付近の幅を変化させる構
造に比べても優れた位相シフト構造であるといえる。こ
れは、位相シフト領域の境界で回折格子がなめらかで連
続的につながっているためであると思われる。このと
き、エッチングで薄くした位相シフト領域の導波層の厚
さは約400Å、位相シフト領域の長さＬは約45μｍであ
った。なお、本発明は特に光通信用DFBレーザ素子の特
性改選に多大な影響がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる位相シフト型分
布帰還素子を示す断面図、第２図は本発明の第１の実施
例に係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法を示す
断面図、第３図は本発明の第２の実施例に係わる位相シ
フト型分布帰還素子を示す断面図、第４図は本発明の第
２の実施例に係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方
法を示す断面図、第５図は本発明の第１の実施例に係わ
る位相シフト型分布帰還素子の共振器内の光強度分布に
ついて説明するための図、第６図は本発明の第３の実施
例に係わる位相シフト型分布帰還素子を示す断面図、第
７図は本発明の第３の実施例に係わる位相シフト型分布
帰還素子の製造方法を示す断面図、第８図及び第９図は
それぞれ従来の位相シフト型分布帰還素子について説明
するための図である。 11……InP基板、12……GaInAsP活性層、13……光導波
層、14……クラッド層、15……コンタクト層、16……電
極、17……AR膜、18……レジスト。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に形成される活性層
と、前記活性層上に形成され、少なくとも１箇所に位相
シフト領域を有する導波層と、前記導波層上に形成され
るクラッド層とを具備し、前記位相シフト領域は、前記導波層に形成される凹部で
あり、前記凹部を含む前記導波層の表面には周期的凹凸
構造を有する回折格子が形成され、前記凹部に形成され
る回折格子の凹凸は、前記凹部以外に形成される回折格
子の凹凸よりも小さいことを特徴とするレーザ素子。
【請求項２】基板と、前記基板上に形成される活性層
と、前記活性層上に形成され、少なくとも１箇所に位相
シフト領域を有する導波層と、前記導波層上に形成され
るクラッド層とを具備し、前記位相シフト領域は、前記導波層に形成される凸部で
あり、前記凸部を含む前記導波層の表面には周期的凹凸
構造を有する回折格子が形成され、前記凸部以外に形成
される回折格子の凹凸の大きさは、前記凸部に形成され
る回折格子の乙凸の大きさにほぼ等しいことを特徴とするレーザ素子。
【請求項３】前記位相シフト領域が１個所のみに存在す
る場合、前記位相シフト領域は、前記導波層の中央部に
配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレ
ーザ素子。
【請求項４】前記位相シフト領域が複数箇所に存在する
場合、前記位相シフト領域は、前記導波層の中央部に対
して非対称に配置されることを特徴とする請求項１又は
２に記載のレーザ素子。
【請求項５】基板上に活性層を形成する工程と、前記活
性層上に導波層を形成する工程と、前記導波層の表面に
周期的凹凸構造を有する回折格子を形成する工程と、エ
ッチング異方性の弱いエッチャントを用いて前記回折格
子の凹凸の大きさを減じつつ前記導波層の少なくとも１
箇所をエッチングし、前記導波層の少なくとも１個所に
位相シフト領域を形成する工程と、前記導波層上にクラ
ッド層を形成する工程とを具備することを特徴とするレ
ーザ素子の製造方法。
【請求項６】基板上に活性層を形成する工程と、前記活
性層上に導波層を形成する工程と、前記導波層の表面に
周期的凹凸構造を有する回折格子を形成する工程と、エ
ッチング異方性の強いエッチャントを用いて前記回折格
子の凹凸の大きさを保護しつつ前記導波層の少なくとも
１個所をエッチングし、前記導波層の少なくとも１個所
以外の部分に位相シフト領域を形成する工程と、前記導
波層上にクラッド層を形成する工程とを具備することを
特徴とするレーザ素子の製造方法。
【請求項７】前記エッチング異方性の弱いエッチャント
は、硫酸を含むエッチャントであることを特徴とする請
求項５に記載のレーザ素子の製造方法。
【請求項８】前記エッチング異方性の強いエッチャント
は、臭化水素を含むエッチャントであることを特徴とす
る請求項６に記載のレーザ素子の製造方法。