JP3714430B2 - 分布帰還型半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一波長でレーザ発振する分布帰還型半導体レーザ装置（ＤＦＢ−ＬＤ：Ｄistributed Ｆeed Ｂack Ｌaser Ｄiode）に関し、特に利得の周期分布によって分布帰還をもたらせる機構を有する利得結合分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ：Ｇain−Ｃoupled ＤＦＢ−ＬＤ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ装置（以下、ＤＦＢ−ＬＤともいう。）は、誘導放出光を発生する活性層を含み、かつ該誘導放出光の導波方向にて該誘導放出光に対する屈折率や利得等が周期的に変動した素子構造を有し、該誘導放出光が該屈折率や利得などの周期的な変動により光分布帰還を受けて唯一の波長でレーザ発振が生ずるよう構成したものである。
【０００３】
ここで、上記ＤＦＢ−ＬＤのうちの、屈折率の周期的な変動によって、いわゆる屈折率結合によって分布帰還が生じるものを屈折率結合分布帰還型半導体レーザ装置（ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤ：Ｉndex−Ｃoupled ＤＦＢ−ＬＤ）と呼び、利得の周期的な変動によって、いわゆる利得結合によって分布帰還が生じるものを利得結合分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ：Ｇain−Ｃoupled）と呼び、両者を区別する。
【０００４】
ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは、ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤと比較して、単一波長でレーザ発振が格段に起こりやすいことが、例えば、Journal of Applied Physics，１９７２年，第４３巻，２３２７頁（参考文献１）に示されている。
【０００５】
また、実用上重要な点として、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは、強い戻り光にも雑音を発生しないといった、ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤには見られない優れた特徴を有している。
【０００６】
また、半導体レーザの高出力化，高効率化を図るのに重要な半導体レーザ素子の出射端面の反射率の設定については、ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは実質的に端面反射率を無くさなければならないのに対し、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは任意の値に設定することができ、端面反射に関する設定の自由度が大きく、レーザ素子の構造の最適化に有利である。
【０００７】
このように様々な優れた特性を発揮するＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤは、光計測装置、高速光伝送装置、光記録装置等における単一波長光源として実用上大変有用なものである。
【０００８】
ところで、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを実現するためには、半導体レーザ素子の内部に利得を周期的に変化させる構造を導入する必要があり、大別して２つの方法がある。
【０００９】
第１の方法は、活性層の形状や物性、さらには活性層への注入電流の密度等を周期的に変化させた構造（利得性回折格子）をレーザ素子内部に形成し、活性層自体をその利得が周期的に変化した構造とするというものである。また、第２の方法は、均一な利得を発生する活性層の近傍に光を吸収する領域を周期的に配置した構造（吸収性回折格子）を形成し、この構造により実効的に利得の摂動が生じるようにするというものである。ここで述べた後者の構造に関しては、特公平６−７６２４号公報に基本となる構造が開示されており、以下図面を用いて簡単に説明する。
【００１０】
図９は、上記公報に開示されているＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である。図において、９００は、誘導放出光を発生する、アンドープのｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層９０５を有するＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤで、このＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ９００は、該活性層９０５近傍に誘導放出光の導波方向に沿って光吸収領域が周期的に配置され、これによって実効的に利得の周期的摂動が生じる素子構造となっている。
【００１１】
すなわち、上記レーザ装置９００を構成するｐ−ＧａＡｓ基板９０１上には、ストライプ状の開口９０２ａを有するｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９０２が形成されている。また、該電流狭窄層９０２及びその開口９０２ａ内に露出する基板表面上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９０４が形成されており、該電流狭窄層９０２の開口９０２ａ部分が電流狭窄溝９０３となっている。
【００１２】
さらに、上記クラッド層９０４上には、アンドープのｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層９０５が形成されており、該活性層９０５上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層９０６を介してｎ−ＧａＡｓ光吸収層９０７が形成されている。この光吸収層９０７は、その厚さが上記ストライプ状開口９０２ａの長手方向に沿ってその厚さが周期的に変化した構造となっている。
【００１３】
この光吸収層９０７上には、上面が平坦なｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９０８が形成され、該クラッド層９０８の表面はｎ−ＧａＡｓキャップ層９０９により覆われている。
【００１４】
そして、上記ｐ−ＧａＡｓ基板９０１の裏面にはｐ電極９１０ａが形成され、上記ｎ−ＧａＡｓキャップ層９０９の表面にはｎ電極９１０ｂが形成されている。
【００１５】
次に製造方法について説明する。
まず、ｐ−ＧａＡｓ基板９０１上にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９０２を液相成長法により結晶成長し、その後、該電流狭窄層９０２及び基板９０１の表面領域を選択的にエッチングして電流狭窄溝９０３を形成する。
【００１６】
次に、上記電流狭窄層９０２及び電流狭窄溝９０３上全面に、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９０４をその表面が平坦となるよう液相成長法により結晶成長し、続いて、ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層９０５、ｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層９０６、及びｎ−ＧａＡｓ光吸収層９０７を液相成長法により順次結晶成長する。
【００１７】
その後、二光束干渉露光法とウエットエッチングにより光吸収層９０７を選択的にエッチングして、周期２４００オングストロームの回折格子を光吸収層９０７の表面部分に形成する。
【００１８】
次に、光吸収層９０７上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９０８及びｎ−ＧａＡｓキャップ層９０９を順次結晶成長する。その後基板の裏面側、及び結晶成長層の表面側にそれぞれｐ電極９１０ａ及びｎ電極９１０ｂを付けて、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ９００を完成する。
【００１９】
このような構成のＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ９００では、回折格子が形成された光吸収層９０７によって、活性層で発生する誘導放出光の利得の、実効的な周期的変化が生ずることとなる。これにより誘導放出光の利得結合が生じて単一波長でのレーザ発振が生ずる。
【００２０】
ところが、上記ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ９００の構造においても、ＧａＡｓ光吸収層９０７とＡｌＧａＡｓクラッド層９０８との屈折率が異なるため、屈折率の周期変化に伴う誘導放出光の屈折率結合が利得結合と同時に発生し、利得結合に基づく優れた特性が弱められるという問題があった。
【００２１】
なお、このように誘導放出光の屈折率結合と利得結合とが混在したＤＦＢ−ＬＤは、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ（Ｐartial ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）と呼ばれ、また、誘導放出光の利得結合のみにより誘導放出光の分布帰還が生じる純粋なＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤは、真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ（Ｐure ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）と呼ばれ、両者は区別される。
【００２２】
また、特開平５−２９７０５号公報には、上記のようなＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおける利得結合と屈折率結合との混在により、利得結合によるレーザ発振の優れた特性が弱められるという問題に対する対策を施した分布帰還型半導体レーザ装置が開示されている。
【００２３】
この公報に記載の分布帰還型半導体レーザ装置は、屈折率の周期変化を打ち消す構造を導入したものであり、以下図１０を用いてその主要部の構成を説明する。
【００２４】
図１０（ａ）は、活性層近傍に形成された吸収性回折格子の構造を示している。この構造では、活性層で発生される誘導放出光に対して透明な下側の透明層１３上に、光吸収層１１が導波方向に沿って一定間隔で繰り返し配置されており、該透明層１３の、隣接する光吸収層１１間に対応する表面部分には、溝部１３ａが形成されている。そして、上記光吸収層１１及び下側の透明層１３の溝部１３ａ上には、上記誘導放出光に対して透明な上側の透明層１２が形成されている。
【００２５】
そして、ここでは、上側の透明層１２の屈折率を下側の透明層１３の屈折率より大きくし、光吸収層１３の屈折率を該上側の透明層１２の屈折率より大きくしている。
【００２６】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ’線部分での屈折率分布、及びＢ−Ｂ’線部分での屈折率分布を示している。この図１０（ｂ）に示すように、上記光吸収層１１が周期的に並ぶ方向では、Ａ−Ａ’線部分での屈折率の高低変化の位相と、Ｂ−Ｂ’線部分での屈折率の高低変化の位相とが逆転している。ここで、光吸収層１１及び下側の透明層１３と上側の透明層１２との界面の形状を精密に調整することによって、全体として屈折率の周期変化分がキャンセルされた吸収性回折格子を実現することができ、純粋に利得結合による分布帰還だけが生ずる真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を得ることができる。
【００２７】
また、特開平４−１５５９８７号公報には、上記吸収性回折格子における屈折率の周期変化分をキャンセルする構造を、利得性回折格子に適用したレーザ装置が開示されており、このレーザ装置は、屈折率の周期変動の位相が逆転した領域を近接配置して、全体として屈折率の周期変化分がキャンセルされた利得性回折格子を備えている。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
まず、上述した従来の部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの素子構造では、ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤのものと比較して単一波長でレーザ発振する素子が得られる割合（歩留まり）が格段に良くなるものの、誘導放出光の高速での直接変調を行った時には、波長の不連続なシフト（モードホップ）現象や複数の波長の同時発振（マルチモード化）が生じるという問題があり、このような問題は実用上の障害となっていた。
【００２９】
また、従来の屈折率の周期変化を打ち消した構造の真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおいても、回折格子の形状，深さ等がわずかにずれるだけで、図１０（ａ）に示すＡ−Ａ’部分とＢ−Ｂ’部分との間で屈折率の周期変化のバランスが大きく崩れてしまい、屈折率の周期変化を完全にキャンセルすることが困難となるという問題があった。
【００３０】
言い換えると、屈折率の周期変化をうまくキャンセルする構造を作るには非常に高い加工精度と再現性が要求され、作製は非常に困難であるということである。例えば、ＤＦＢ−ＬＤの回折格子は、ピッチ１００〜４００ｎｍといった極めて小さい格子（凸凹形状）を多数必要とするものであり、このような多数の凸凹形状をこれらが狙い通りの形状になるよう処理条件を制御して形成することは非常に難しい。
【００３１】
このように真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを作ろうとしても、実際に作製されるレーザ素子は、誘導放出光の分布帰還における屈折率結合の成分を完全に打ち消すことが実現不可能であることから、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤになってしまい、事実上、優れた真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを作製するのは不可能に近い。
【００３２】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、屈折率結合による分布帰還と利得結合による分布帰還とが混在する素子構造においても、誘導放出光の高速変調を行った時にも発振波長を単一波長に保持することができる分布帰還型半導体レーザ装置及びその製造方法を得ることを目的とする。
【００３３】
また、本発明は、上記分布帰還型半導体レーザ装置における回折格子を形成するためのマスクパターンの形成に適した露光方法を得ることを目的とする。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
本発明の分布帰還型半導体レーザ装置は、誘導放出光を発生する活性層を含み、かつ該誘導放出光の導波方向にて該誘導放出光に対する屈折率及び利得が同一の単一周期でもって周期的に変動した、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を備え、該誘導放出光が該屈折率及び利得の周期的な変動により光分布帰還を受けてレーザ発振が生ずるよう構成した分布帰還型半導体レーザ装置であって、該素子構造は、その屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を有し、前記誘導放出光の導波経路における屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相あるいは逆位相の関係となっており、前記位相の不連続部での位相シフト量は、該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相である場合には、π［ｒａｄ］より大きくかつ２π［ｒａｄ］より小さい範囲内に設定され、該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが逆位相である場合には、０［ｒａｄ］より大きくかつπ［ｒａｄ］より小さい範囲内に設定されていることを特徴とする。
【００３９】
前記位相の不連続部での位相シフト量Ωは、前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとに基づいて、該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相である場合には、下記（１），（２），（３）式の関係を満たし、
Ω［ｒａｄ］ ＝π＋５．７Ｒ−２．６Ｒ² ・・・（１）
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2 ・・・（２）
０＜Ｒ＜１ ・・・（３）
前記屈折率変動の位相と利得変動の位相とが逆位相である場合には、上記（２），（３）式及び下記（４）式の関係を満たすよう
Ω［ｒａｄ］ ＝π−５．７Ｒ＋２．６Ｒ² ・・・（４）
設定されていてもよい。
【００４０】
前記位相の不連続部での位相シフト量は、前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとが、下記の２つの関係式
３≦Ｒ＜１
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
を満たすよう設定されていてもよい。
【００４１】
前記素子構造を、その両レーザ出射端面で実質的な光反射が生じないよう構成し、前記位相の不連続部での位相シフト量を、前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとが、下記の２つの関係式
０＜Ｒ＜０．３
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
を満たすよう設定してもよい。
【００４９】
以下、本発明の作用について説明する。
【００５０】
この発明（請求項１，３）においては、活性層からの誘導放出光に対する屈折率及び利得が、誘導放出光の導波方向にて同一の単一周期でもって周期的に変動した、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を備え、該素子構造を、該屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を有するものとしたから、光分布帰還を受ける誘導放出光のうちの唯一の波長を有するものだけが位相が揃ってレーザ発振に至るようになる。これによりレーザ素子における安定な単一波長での発振を可能とできる。
【００５１】
つまり、屈折率分布及び利得分布の両方が存在する素子構造のレーザ装置（部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）では、誘導放出光に対する屈折率及び利得が周期的に変動した構造（つまり回折格子部分）に位相シフトがない場合、ブラッグ波長での反射波の位相がそろわず、ブラッグ波長での発振が生じず、レーザ発振が不安定となる。これに対し、上記回折格子部分に位相シフト部が存在している場合には、光分布帰還を受ける誘導放出光のうち、ブラッグ波長に相当する波長を有するものだけが位相が揃ってレーザ発振に至るようになる。
【００５２】
また、上記位相シフト量を、０［ｒａｄ］より大きくかつπ［ｒａｄ］より小さい範囲、またはπ［ｒａｄ］より大きくかつ２π［ｒａｄ］より小さい範囲にしているので、位相シフト量の調整により、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおける副モード抑圧比，つまり最も出力が大きな発振波長（主モード）と、２番目に出力が大きな発振波長（副モード）との出力の差を最大にすることができ、これにより誘導放出光の高速での直接変調を行った時にも発振波長を単一波長に保持することができる。
【００５３】
この発明（請求項２，３）においては、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造における利得の周期的な変動を、該誘導放出光の吸収によるものとし、該素子構造に、その屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を設けているので、吸収性回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ装置を、安定な単一波長での発振が可能なものとできる。
【００５４】
この発明（請求項４）においては、請求項１ないし３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、前記位相の不連続部での位相シフト量Ωを、前記屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相である場合には、下記（１），（２），（３）式の関係を概ね満たし、
Ω［ｒａｄ］ ＝π＋５．７Ｒ−２．６Ｒ² ・・・（１）
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
（κ_i：屈折率結合定数、κ_g：利得結合定数） ・・・（２）
０＜Ｒ＜１ ・・・（３）
前記屈折率変動の位相と利得変動の位相とが逆位相である場合には、上記（２），（３）式及び下記（４）式の関係を概ね満たすよう
Ω［ｒａｄ］ ＝π−５．７Ｒ＋２．６Ｒ² ・・・（４）
設定するので、分布帰還型半導体レーザ装置を、その屈折率結合定数と利得結合定数との比率に応じて、安定なレーザ発振が可能な最適な素子構造とできる。
【００５５】
この発明（請求項５）においては、上記請求項１ないし４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、前記位相の不連続部での位相シフト量を、
前記屈折率結合定数κ_iと前記利得結合定数κ_gとが、
下記の２つの関係式
０．３≦Ｒ＜１
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
を満たすよう設定したので、素子端面の反射率に拘わらず、高速での直接変調の際にも安定なレーザ発振を保持することができる。
【００５６】
この発明（請求項６）において、請求項１ないし４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、前記位相の不連続部での位相シフト量を、
前記屈折率結合定数κ_iと前記利得結合定数κ_gとが、
下記の２つの関係式
０＜Ｒ＜０．３
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
を満たすよう設定したので、素子両端面での反射率を小さく、実質的には端面反射率を零にするすることにより、高速での直接変調の際にも安定なレーザ発振を保持することができる。
【００５７】
この発明（請求項７）においては、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を形成する工程では、誘導放出光に対する屈折率及び利得の周期的な変動を発生させるための、位相の不連続部を有する回折格子を形成し、該位相の不連続部での位相シフト量を、最も出力が大きな発振波長と２番目に出力が大きな発振波長との間での出力の差である副モード抑圧比が最大となるよう設定するので、誘導放出光の高速での直接変調を行った時にも発振波長を単一波長に保持することができる部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを、再現性よく製造することができる。
【００５８】
この発明（請求項８）は、上記請求項７記載の分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法において、該位相の不連続部での位相シフト量を、該屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数と、該利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数との比率から決まる前記副モード抑圧比の最大値に基づいて設定するので、その屈折率結合定数と利得結合定数との比率に応じた、安定なレーザ発振が可能な最適な素子構造を得ることができる。
【００５９】
この発明（請求項９）においては、２光束干渉露光により、位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを感光性材料層の複数の領域に形成する方法において、該感光性材料層上に、干渉縞を形成するためのプリズムを配置し、プリズムとして、該第１及び第２の側面の少なくとも一方の面に、該感光性材料層の各領域に対応する段差部が形成され、該段差部の両側の側面部分を通過した露光光が、光軸と垂直な面内で位相がずれたものとなるプリズムを用いるので、感光性材料層における位相シフト部の形成位置を、精度よくしかも再現性よく決めることができる。
【００６０】
この発明（請求項１０）においては、上記請求項９記載の露光方法を用いて、半導体ウエハの表面に塗布されたホトレジスト膜の、各チップ領域に対応する部分に、位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを形成する際、前記プリズムを、その少なくとも一方の側面に形成された１つまたは隣接する複数の段差部が、各チップ領域の列に対応するよう該ホトレジスト膜上に配置するようにしたので、１つのプリズムを用いて、該ホトレジスト膜の、各チップ領域に対応する部分に、１つまたは複数の位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを簡単に形成することができる。
【００６１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施形態１による分布帰還型半導体レーザ装置を説明するための図である。図において、１００は本実施形態１の部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤであり、誘導放出光を発生する、アンドープのｕｎ−Ａｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ活性層１０３を有し、該活性層１０３近傍に誘導放出光の導波方向に沿って周期的に配置された光吸収領域１０６によって実効的に利得の周期的摂動が生じる素子構造となっている。
【００６２】
すなわち、上記レーザ装置１００を構成するｎ−ＧａＡｓ基板１０１上には、層厚１μｍのｎ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ下クラッド層１０２が形成されている。また、該下クラッド層１０２上には、層厚０．０８μｍのアンドープのｕｎ−Ａｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ活性層１０３が形成されており、該活性層１０３上には、層厚０．２μｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア層１０４を介して層厚０．０５８μｍのｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１ガイド層１０５が形成されている。
【００６３】
該第１ガイド層１０５の表面部分は、凸凹形状を誘導放出光の導波方向に沿って一定周期で繰り返し配列した構造となっており、該構造における上記導波方向における中央部は位相が不連続な部分１００ａとなっている。そして、該第１ガイド層１０５の凸部上には、厚さ０．０１２μｍのｎ−ＧａＡｓ光吸収層１０６が配置されている。ここで光吸収層１０６を構成するＧａＡｓは、活性層１０３を構成するＡ１_0.13Ｇａ_0.87Ａｓよりも禁制帯輻が小さいことから、上記光吸収層１０６は、活性層で発生される誘導放出光の吸収体として機能する。従って、上記導波方向における中央部が位相の不連続な部分１００ａとなっている光吸収層の周期的な配列により、吸収性回折格子が構成されている。
【００６４】
また、該第１ガイド層１０５及び光吸収層１０６上には、表面が平坦な層厚０．０３０μｍのｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第２ガイド層１０８が形成されており、該第２ガイド層１０８を構成するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓは、上記光吸収層１０６を構成するＧａＡｓとは屈折率が異なっている。従って、本実施形態１のレーザ装置は、屈折率の周期的な分布も利得の周期的な分布とともに存在する、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤとなっている。
【００６５】
そして、該第２ガイド層１０８の中央部分には選択的に導波方向に沿って、層厚０．８μｍのストライプ状ｐ−Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ上クラッド層１０９が形成されており、該上クラッド層１０９の表面上には、層厚０．５μｍのｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１０が形成されている。ここで、上クラッド層１０９及びコンタクト層１１０の幅（上記ストライプの幅方向の寸法）は３μｍとなっている。
【００６６】
上記上クラッド層１０９及びコンタクト層１１０の、導波方向と平行な側面から上記第２ガイド層１０８の表面にまたがる領域には、窒化珪素からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜１１１が形成されており、該絶縁膜１１１の表面及びコンタクト層１０９の表面上にはｐ電極１１２が形成されている。また基板１０１の裏面には、ｎ電極１１３が形成されている。
【００６７】
次に、製造方法について図２ないし図４を用いて説明する。
図２（ａ）〜図２（ｅ）は上記半導体レーザ装置の製造方法を主要工程順に示す断面図であり、各工程での図１のII−II線部分の断面構造を示している。図３は、上記半導体レーザ装置における回折格子を形成するためのレジストマスクの形成工程を説明するための図であり、図３（ａ）は、ウエハ上での各半導体レーザ装置の形成領域（チップ領域）を示し、図３（ｂ）は、上記ウエハ上に形成したホトレジストを露光する工程を示している。なお、図３では、説明の都合上、ウエハ上には１２個のチップ領域が設定されているとする。図４（ａ）及び（ｂ）は、上記露光により各チップ領域上のホトレジスト膜に形成された露光パターンを示す斜視図及び断面図である。
【００６８】
まず、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ：Ｍetal−Ｏrganic Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）を用いた第１回目の結晶成長を行って、３インチ径のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に半導体レーザ装置を構成する複数の半導体層を形成する。
【００６９】
この第１回目の結晶成長では、上記基板上にｎ−Ａ１_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ下クラッド層１０２が１μｍの厚さに、ｕｎ−Ａｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ活性層１０３が０．０８μｍの厚さに、ｐ−Ａ１_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア属１０４が０．２μｍの厚さに成長され、さらにｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１ガイド属１０５が０．０５８μｍ厚さに、ｎ−ＧａＡｓ層１０６が０．０１２μｍの厚さに形成される（図２（ａ））。
【００７０】
続いて、図３（ｂ）に示すように、第１回目の結晶成長によりその表面上に複数の半導体層を成長した状態の基板（ウエハ）２０１を露光用処理台２００上に載置し、希釈したポジ型ホトレジストを、該基板２０１の表面、つまりｎ−ＧａＡｓ層１０６の表面上に約５０ｎｍの厚さに塗布してホトレジスト膜２０２を形成し（図２（ｂ））、その後、一方の側面２０３ａに第１〜第４の段差２０５ａ₁〜２０５ａ₄が設けられた直方体プリズム２０３をキシレン２０４を介して、上記ホトレジスト膜２０２が塗布された基板２０１上に置く。ここで、プリズム２０３と基板表面のホトレジスト膜２０２との間にキシレン２０４を介在させているのは、プリズム２０３底面での露光光の反射を抑えるためである。
【００７１】
また、上記プリズム２０３の側面２０３ａに形成された第１〜第４の段差２０５ａ₁〜２０５ａ₄は、ウエハ２０１上にマトリクス状に配置されているチップ領域２０１ａの各列２０１ａ₁〜２０１ａ₄に対応している。ここで、最上位置の第１の段差２０５ａ₁より上側の側面領域２０３ａ₁が最も外側に位置し、第１，第２の段差２０５ａ₁，２０５ａ₂間の側面領域２０３ａ₂は上記側面領域２０３ａ₁より内側に位置し、第２，第３の段差２０５ａ₂，２０５ａ₃間の側面領域２０３ａ₃は上記側面領域２０３ａ₂より内側に位置している。また、第３，第４の段差２０５ａ₃，２０５ａ₄間の側面領域２０３ａ₄は上記側面領域２０３ａ₃より内側に位置し、最下位置の第４の段差２０５ａ₄より下側の側面領域２０３ａ₅は、側面領域２０３ａ₄よりさらに内側に位置している。
【００７２】
そして、Ａｒガスレーザ（波長３５１．１ｎｍ）の平行光２０６をプリズムの、段差が設けられた側面２０３ａを通してホトレジスト膜２０２に照射し、Ａｒガスレーザ（波長３５１．１ｎｍ）の平行光２０７を、プリズムの、段差が設けられていない側面２０３ｂを通してホトレジスト膜２０２に照射すると、ホトレジスト膜２０２には、２つの平行光２０６及び２０７が作る干渉縞に対応した露光パターンが形成される。この露光後のホトレジスト膜２０２を適切な現像液により現像して、ピッチ１２０ｎｍの回折格子状のレジストマスク２０２ｂを形成する（図２（ｃ））。
【００７３】
ここで、回折格子状のレジストマスク２０２ｂを作製する際に、一方の側面２０３ａに上記のように段差２０５ａ₁〜２０５ａ₄が設けられたプリズム２０３を用いることにより、このプリズムの各側面領域２０３ａ₁〜２０３ａ₅を通過する光は、光路長の差に基づいて一定量づつ位相がずれることとなる。
【００７４】
このため、上記プリズム２０３の側面２０３ａを通過した、光軸と垂直な面内で位相がずれた部分を有する平行光２０６と、上記プリズムの側面２０３ｂを通過した、光軸と垂直な面内では位相が揃っている平行光２０７とにより、ホトレジスト２０２の表面上に形成される干渉縞は、ウエハ２０１上の各列２０１ａ₁〜２０１ａ₄のチップ領域２０１ａの中央位置ｐ₁〜ｐ₄に位相の不連続部を有するものとなる。
【００７５】
図４（ａ）は、１つのチップ領域２０１ａにおけるホトレジスト膜２０２の立体的な露光パターン２０２ａを示しており、この立体的な露光パターン２０２ａは、基板表面上に線状凸凹形状を一定の周期でもって繰り返し配列した形状となっており、しかもこの露光パターン２０２ａのチップ領域２０１ａの中央部分には、該形状の繰返し変化における位相の不連続部（位相シフト部）２０２ａ₀が位置している。この位相シフト部２０２ａ₀での位相シフト量Ωは、図４（ｂ）に示すように上記プリズム２０３の側面２０３ａに設けられた段差の高さによって、０〜２πの範囲内で任意に設定することができる。
【００７６】
このようにして作製した回折格子状のレジストマスク２０２ｂを用いて、塩酸，過酸化水素水，及び純水の混合液によるウエットエッチングを、上記第１回目の結晶成長で作製した光吸収層１０６の表面に施して、該光吸収層１０６を、これが該レジストマスク２０２ｂの立体的な形状に対応した形状となるようパターニングして、位相シフト部１００ａを有する吸収性回折格子１０７を形成する（図２（ｄ））。
【００７７】
次に、上記回折格子１０７が形成されている、第１回目の結晶成長層の表面上に、第２回目の結晶成長を行って複数の半導体層を形成する。この２回目の結晶成長では、光吸収層１０６及び第１ガイド層１０５上に、表面が平坦になるようｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第２ガイド層１０８が０．０３０μｍの厚さに形成され、さらにその上にｐ−Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ上クラッド層１０９が０．８μｍの厚さに形成され、最後にｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１０が０．５μｍに形成される（図２（ｅ））。
【００７８】
次に、ホトリソグラフィーとウエットエッチングを用いて、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層１０９を選択的にエッチングして、誘導放出光の導波方向と平行な幅３μｍのストライプ状部分を形成する。これによりリッジ型の光導波構造を作製する。
【００７９】
このように光導波構造を作製した後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜１１１を約０．３μｍの厚さに形成し、その後、リッジ頂上の絶縁膜だけを除去する。
【００８０】
そして、基板１０１をその裏面に研磨処理を施して厚さ約１００μｍにまで薄層化し、基板の表面側にｐ電極１１２を、基板の裏面にｎ電極１１３を真空蒸着により形成する。その後、基板を、リッジ部と位相シフト部とが素子の中央に来るように３００μｍ×３００μｍ角のチップ状に劈開により分割して、レーザ装置を完成する。
【００８１】
ここでは、レーザ光の出射端面には、特別なコーティングを施していない。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ混晶では、混晶比ｘが小さい方が禁制帯幅が小さくかつ屈折率が大きくなることから、上記の構造の回折格子１０７では、光吸収領域１０６により利得が小さく抑えられる部分が屈折率の高い部分に一致する構造であり、屈折率変動における位相と利得変動における位相とが逆位相となっている。
【００８２】
上記の構造の素子について、分布帰還の程度を示すパラメータである結合定数（以下「κ」と略す）を測定したところ、屈折率結合による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数（κ_i）は６０［ｃｍ^-1］、利得結合による分布帰還の程度を示す利得結合定数（κ_g）は２０［ｃｍ^-1］であった。
【００８３】
また、作製された素子は、屈折率結合と利得結合とが混在する部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤであった。なお、上記結合係数κに関しては、Ｔhe Ｂell Ｓystem Ｔechnical Ｊournal １９６９年，第４８巻，２９０９貢(参考文献２)に詳しく解説されている。
【００８４】
次に、作用効果について説明する。
【００８５】
上記のような吸収性回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ装置として、０〜２π［ｒａｄ］の範囲で異なる位相シフト量を有するサンプル素子を複数作製し、各サンプル素子にＤＣ電流を注入し、片側の端面からの数ｍＷの出力にてレーザ光を出射させ、各位相シフト量に対する副モード抑圧比（ＳＭＳＲ：Ｓide Ｍode Ｓuppression Ｒatio）、つまり最も出力が大きな発振波長（主モード）と次に出力が大きな発振波長（副モード）との出力の差を測定した。
【００８６】
図５（ａ）は、サンプル素子の位相シフト量Ωと、該個々の位相シフト量に対するＳＭＳＲの平均値との相関関係を示しており、ＳＭＳＲについては最大値を１．０とした相対値を用いて示している。
【００８７】
この図５（ａ）から、位相シフトが全くない回折格子を有するサンプル素子でも、利得結合の効果により２０ｄＢ以上の十分に大きなＳＭＳＲが得られたが、位相シフト量を約π／２［ｒａｄ］とすることにより、より大きなＳＭＳＲが得られて発振波長の単一性が向上することが分かる。
【００８８】
例えば、位相シフト量がπ／４［ｒａｄ］である位相シフト部を導入したサンプル素子でも、ＳＭＳＲは向上するが、このサンプル素子では、高速で直接変調を行った場合には波長の不連続な飛びが生じたり複数の波長が出現したりすることとなり、位相シフト量がπ／２［ｒａｄ］である位相シフト部を導入したサンプル素子だけが最も安定して単一波長で発振した。
【００８９】
つまり、本件の発明者は、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに最適な位相シフトを導入することにより単一波長での発振が非常に安定することを新たに見い出した。また、これらの素子は単一波長での発振特性に優れているのみならず、強い戻り光下でも雑音が生じず、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに特有の優れた特性が観察された。
【００９０】
また、図１に示す半導体レーザ装置の構造において、第１ガイド層１０５，光吸収層１０６，第２ガイド層１０８の組成や層厚を変更して素子を作製すると、様々な屈折率結合定数κ_iと利得結合定数κ_gとの組み合わせを有する素子を作製することができる。この際、屈折率変化と利得変化とが位相のそろったものとなっている素子構造、あるいは屈折率変化と利得変化とが位相が逆転したものとなっている素子構造を実現することができる。
【００９１】
例えば、レーザ素子における利得結合の程度を、下記の式で定義されるＲ値で表すと、
Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2，０≦Ｒ≦１
Ｒ＝０の素子はＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤであり、Ｒが０＜Ｒ＜１の範囲である素子は、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤであり、Ｒ＝１の素子は真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤであるということになる。
【００９２】
そこで、屈折率結合定数κ_iと利得結合定数κ_gとの組み合わせ及び位相シフト量を変えたサンプル素子を複数作製し、各サンプル素子のＳＭＳＲを測定した。ここでは、サンプル素子は、その光出射端面に無反射コーティングを施して両端面の反射率を１％以下に抑え、レーザ出射端面での光の反射が実質的に無い状態とした。
【００９３】
図５（ｂ）は、このような端面反射のないレーザ素子構造についての、最もＳＭＳＲが大きくなる最適な回折格子の位相シフト量ΩとＲ値との相関関係を示しており、各点は、作製したサンプル素子のＲ値に対する最適位相シフト量を示している。
【００９４】
ここで、本件の発明者は、０＜Ｒ＜１である部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに対しては、その利得結合の程度（つまりＲ値）によって最適な位相シフト量Ωが存在することを図５（ｂ）の結果から新たに見い出すことができた。
【００９５】
さらに、屈折率変動と利得変動との位相が一致している素子構造では、π＜０＜２πの範囲内に最適な位相シフト量Ωがあり、屈折率変動と利得変動の位相が反転している素子構造では、０＜Ω＜πの範囲内に最適な位相シフト量Ωが存在することも新たに見い出した。
【００９６】
図５（ｂ）に示す各点を結ぶ曲線を簡単な２次式で近似し、上記最適位相シフト量とＲ値との関係を一般化すると、屈折率と利得の周期変動の位相が一致している素子構造では、上記最適位相シフト量とＲ値関係は、下記（Ａ）式により概ね表される。
【００９７】
Ω［ｒａｄ］＝π＋５．７Ｒ−２．６Ｒ² ・・・（Ａ）
また、屈折率と利得の周期変動の位相が反転している素子構造では、上記最適位相シフト量とＲ値との関係は、下記（Ｂ）式により概ね表される。
【００９８】
Ω［ｒａｄ］＝π−５．７Ｒ＋２．６Ｒ² ・・・（Ｂ）
また、図５（ｂ）から、屈折率分布及び利得分布の両方が存在する素子構造のレーザ装置（部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）では、位相シフト量が、０［ｒａｄ］より大きくかつπ［ｒａｄ］より小さい範囲、またはπ［ｒａｄ］より大きくかつ２π［ｒａｄ］より小さい範囲にて、言い換えると実質的の位相シフト量Ωがπ以外の値をとる時に、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおける副モード抑圧比を最大にすることが可能であることがわかる。
【００９９】
さらに、図５（ｃ）は、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに位相シフト回折格子を導入した素子における端面反射率の影響を示している。
【０１００】
利得結合性が弱い素子（Ｒ＜０．３）では、両端面反射率が小さくないと高速での変調時に波長の不安定性が見られた。それに対し、利得結合性が強い素子（Ｒ≧０．３）では、端面の反射率を低くしなくても高速変調で波長が安定であった。また、これらの素子は単一波長特性に優れているのみならず、強い戻り光下でも雑音が生じず、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに特有の優れた特性が観察された。
【０１０１】
つまり、真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤは事実上作製困難であるのに対し、本発明の部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤに最適な位相シフト部を有する回折格子を導入したレーザ素子は、現実的に作製可能なものであり、真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの有する様々な長所を最も効果的に発揮できるものである。特にＲ≧０．３である素子は、端面コートの有無の制約を受けない点でより優れた素子であると言える。
【０１０２】
また、この実施形態１では、２光束干渉露光法により、半導体ウエハの表面に塗布されたホトレジスト膜の、各チップ領域に対応する部分に、位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを形成する際、第１及び第２の側面の少なくとも一方の面に該ホトレジスト膜の各チップ領域に対応する段差部が形成されたプリズムを、ホトレジスト膜上に載置し、該プリズムの両側面を通して露光光をホトレジスト膜に照射するようにしているので、一方の露光光をホトレジスト膜上に直接照射し、他方の露光光を、ホトレジスト膜の上方位置に配置した位相板を通過させてホトレジスト膜に照射する方法等と比べて、位相シフト部の形成位置を、精度よくしかも再現性よく決めることができる。
【０１０３】
なお、上記実施形態１では、上記部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤとして、位相シフト部が１つである回折格子１０７を有するものを示したが、回折格子は位相シフト部を複数有するものでもよい。
【０１０４】
図６には、上記実施形態１の変形例として、位相シフト部を複数有する部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ６００を示している。なお、図中、図１と同一符号は実施形態１の部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ１００と同一のものを示している。
【０１０５】
そして、この部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ６００は、位相シフト部６００ａが３箇所に形成された吸収性回折格子６０７を有している。
【０１０６】
このようなＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ６００においても、各位相シフト部での位相シフト量を、素子全体として上記（Ａ）式または（Ｂ）式を満たすよう設定することにより、ＳＭＳＲを最大値に設定することができ、誘導放出光の直接変調を行った時にも、発振波長を単一波長に保持することができる。
【０１０７】
（実施形態２）
図７は本発明の実施形態２によるＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である。
図において、７００は本実施形態２の部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤであり、この部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ７００は、誘導放出光を発生する、アンドープのｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０３を有し、該活性層７０３の表面領域に誘導放出光の導波方向に沿って凸凹形状が周期的に形成され、これによって実効的に利得の周期的摂動が生じる素子構造となっている。ここで、上記活性層７０３の表面領域には、その複数の凸凹形状からなる利得性回折格子７０４が形成されており、該回折格子７０４は、位相シフト部７００ａを有している。
【０１０８】
すなわち、上記レーザ装置７００を構成するｎ−ＩｎＰ基板７０１上には、層厚１．０μｍのｎ−ＩｎＰ下クラッド層７０２が形成されている。また、該下クラッド層７０２上には、層厚０．１μｍのアンドープのｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０３が形成されており、該活性層７０３の表面上には、中央にストライプ状凸部７０５ａを有するｐ−ＩｎＰ上クラッド層７０５が形成されている。
【０１０９】
該上クラッド層７０５のストライプ状凸部７０５ａの表面上には、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７０６が形成されている。
【０１１０】
上記上クラッド層７０５のストライプ状凸部７０５ａ及びコンタクト層７０６の、導波方向と平行な側面から上記上クラッド層７０５の両側表面にまたがる領域には、窒化珪素からなる厚さ０．３μｍの絶縁膜７０７が形成されており、該絶縁膜７０７の表面及びコンタクト層７０６の表面上にはｐ電極７０９が形成されている。また基板７０１の裏面には、ｎ電極７０８が形成されている。
【０１１１】
次に製造方法について説明する。
まず、ＭＯ−ＣＶＤを用いた第１回目の結晶成長により、ｎ−ＩｎＰ基板７０１上にｎ−ＩｎＰ下クラッド層７０２を１．０μｍの厚さに、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）活性層７０３を０．１μｍの厚さに順次形成する。
【０１１２】
続いて、成長層の最上層である活性層７０３上に、電子ビーム露光用のネガ型レジストを約１００ｎｍの厚さに塗布してホトレジスト膜を形成した後、位相シフト部を有するピッチ２４０ｎｍの回折格子のパターンを電子ビーム露光装置により該ホトレジスト膜に直接描画する。このようにして露光されたホトレジスト膜を適切な現像液により現像すると、図４に示すものと同様の回折格子状のレジストマスクが形成される。
【０１１３】
引き続いてウェットエッチングにより第１回目の結晶成長で作製した活性層７０３を部分的にエッチング除去し、さらに該ホトレジスト膜を除去する。これにより、該活性層７０３の表面に複数のＶ溝が形成されて回折格子７０４が作製される。
【０１１４】
次に、第２回目のエピタキシャル成長により、該活性層７０３上に、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層７０５を１μｍの厚さに、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７０６を０．５μｍの厚さに順次形成する。
【０１１５】
次に、ホトリソグラフィーとウエットエッチングを用いて、コンタクト層７０６と上クラッド層７０５を、幅２μｍのストライプ状部分が残るよう選択的に除去し、リッジ型光導波構造を作製する。ここで、該ストライプ状の光導波構造は、回折格子と直交する方向に平行となるよう形成されている。
【０１１６】
そして、該光導波構造を作製した後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により酸化珪素の絶縁膜７０７を約０．３μｍの厚さに形成し、その後、該絶縁膜のリッジ頂上の部分だけを除去する。最後に基板７０１をその裏面側に研削処理を施して厚さ約１００μｍにまで薄層化し、その後、基板の表面側にｐ電極７０９を、基板の裏面にｎ電極７０８を真空蒸着により形成する。
【０１１７】
そして、リッジ部７０５ａと位相シフト部７００ａとが素子の中央に来るように基板を２５０μｍ×２５０μｍ角のチップ状に劈開により分割して、素子を完成する。
【０１１８】
なお、図７では図示していないが、該レーザ素子の両端のレーザ光出射端面の一方には、反射率９０％の高反射膜が、その他方には１０％の低反射膜がコーティングされている。
【０１１９】
上記の構造の回折格子では、屈折率が高い部分の利得が大きくなる構造であり、誘導放出光の導波方向における屈折率の変動と利得の変動とが同位相となっており、この素子のκを測定したところ、屈折率結合係数κ_iは３５［ｃｍ^-1］、利得結合係数κ_gは２０［ｃｍ^-1］であり、これは上記Ｒの値に換算すると、Ｒ＝０．５に相当している。
【０１２０】
次に作用効果について説明する。
上記のような利得性回折格子７０４を有する部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤとして、０〜２π［ｒａｄ］の範囲で異なる位相シフト量を有するサンプル素子を複数作製し、各サンプル素子にＤＣ電流を注入し、片側の端面からの数ｍＷの出力にてレーザ光を出射させ、各位相シフト量に対する副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を測定した。
【０１２１】
図８は、サンプル素子の位相シフト量Ωと、各位相シフト量に対するＳＭＳＲの平均値との相関関係を示しており、ＳＭＳＲについては最大値を１．０とした相対値を用いて示している。
【０１２２】
この図８から、位相シフトが全くない場合でも利得結合の効果により２５［ｄＢ］以上の十分に大きなＳＭＳＲが得られたが、約５．３［ｒａｄ］の位相シフトを導入することにより、より大きなＳＭＳＲが得られて単一波長発振特性が向上することが分かる。
【０１２３】
上記サンプル素子について高速での直接変調を行った場合、５．３〔ｒａｄ］の位相シフトを導入した素子だけが、波長の不連続なホップ現象が生じたり複数の波長が出現したりすることがなく、最も安定して単一波長で発振した。
【０１２４】
また、図５（ｂ）に示したＲと位相シフト量Ωの関係は、周期的に配置された光吸収層からなる光吸収型回折格子を有する構造のみならず、図７に示す活性層の利得そのものを周期的に変化させた利得性回折格子を有する素子構造にも当てはまるものである。
【０１２５】
なお、半導体レーザを構成する材料系は上記実施形態で示したものに限定されるものではなく、ＩＩＩ族元素としてＡｌ，Ｇａ，Ｉｎを、Ｖ族元素としてＰ，Ａｓ，Ｎを含む半導体材料系、また、ＩＩ族元素としてＺｎ，Ｍｇ，Ｃｄを、ＶＩ元素としてＳ，Ｓｅ，Ｔｅを含む半導体材料系からなる半導体レーザに対しても本発明を適用することができることは言うまでもない。
【０１２６】
さらに、回折格子の作製方法や位相シフト部の作製方法も、上記実施形態で示したものに限定されるものではない。例えば、特にＤＦＢ−ＬＤを光集積回路のモノリシック光源として利用する場合には、電子ビーム露光法によって、位相シフト部を有する回折格子状レジストマスクを直接描画する手法が有効である。
【０１２７】
また、位相シフト部を回折格子の構造も、上記実施形態１やその変形例で示した、素子中央部に位相シフト部を１つ有するものや、位相シフト部を複数有するマルチシフト型のものに限らず、位相が徐々にシフトするクレーデッドシフト型のものや、ストライプ状の屈折率導波路の幅を変えることによって実効的な位相シフトを実現するストライプ幅シフト型のものなど、ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤに対して公知となっている様々な、位相シフト部を有する回折格子の構造を用いることができる。
【０１２８】
さらに、レーザ素子の端面反射率は、公知である様々な材料を用いた薄膜のコーティングにより制御可能であり、また、上述したようにＲ値が小さい素子に対しては、上記実施形態で示した、薄膜による無反射コーティングにより端面反射率を低くした構造の他に、端面を粗面にしたもの、端面を斜めにカットしたもの、端面部分に窓構造を採用したものなど、公知である様々な端面構造を、位相シフト部を有する回折格子に組み合わせることができる。
【０１２９】
また、ストライプ状の導波路の構造や作製方法は、上記各実施形態で挙げたリッジ導波路型の構造及びその作製方法の他に、電極ストライプ型、埋め込みへテロ型（ＢＨ：Ｂuried Ｈeterostructure）などの様々な導波構造及びその作製方法を用いることができる。
【０１３０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明（請求項１，３）に係る分布帰還型半導体レーザ装置によれば、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を、該屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を有するものとしたので、光分布帰還を受ける誘導放出光のうちの唯一の波長を有するものだけが位相が揃ってレーザ発振するようになり、これによりレーザ素子における高速での直接変調時にも安定な単一波長での発振を可能とできる効果がある。
【０１３１】
また、上記位相シフト量を、０［ｒａｄ］より大きくかつπ［ｒａｄ］より小さい範囲、またはπ［ｒａｄ］より大きくかつ２π［ｒａｄ］より小さい範囲にしているので、位相シフト量の調整により、部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおける副モード抑圧比を最大にして、誘導放出光の高速での直接変調を行った時にも発振波長を単一波長に保持することができる効果がある。
【０１３２】
この発明（請求項２，３）に係る分布帰還型半導体レーザ装置によれば、光吸収性回折格子の構造に、屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を設けているので、安定な単一波長での発振が可能な光吸収性回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ装置を得ることができる。
【０１３３】
この発明（請求項４）によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、前記位相の不連続部での位相シフト量Ωを、屈折率結合定数κ_i及び利得結合定数κ_gをパラメータとする所定の関係式を満たすよう設定するので、分布帰還型半導体レーザ装置を、その屈折率結合定数と利得結合定数との比率に応じて、安定なレーザ発振が可能な最適な素子構造とできる。
【０１３４】
この発明（請求項５）によれば、上記請求項１ないし４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、素子構造を、利得結合性が所定値以上に強い構造としたので、素子端面の反射率に拘わらず、高速変調での安定なレーザ発振を実現できる。
【０１３５】
この発明（請求項６）によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置において、素子構造を、利得結合性が所定値以上に弱い構造としているので、素子両端面での反射率を小さく、実質的には端面反射率を零にすることにより、高速変調での安定なレーザ発振を実現できる。
【０１３６】
つまり、上記本発明によれば、容易に作製することができ、しかも単一波長での発振が安定した、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの様々な特徴を最も効果的に発揮できる部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの素子構造を提供することができる。
【０１３７】
この発明（請求項７）に係る分布帰還型半導体レーザ装置によれば、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を形成する工程では、誘導放出光に対する屈折率及び利得の周期的な変動を発生させるための、位相の不連続部を有する回折格子を形成し、該位相の不連続部での位相シフト量を副モード抑圧比が最大となるよう設定するので、誘導放出光の高速変調を行った時にも発振波長を単一波長に保持することができる部分ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを、再現性よく製造することができる効果がある。
【０１３８】
また、該位相の不連続部での位相シフト量を、該屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数と、該利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数との比率から決まる前記副モード抑圧比の最大値に基づいて設定することにより、その屈折率結合定数と利得結合定数との比率に応じた、安定なレーザ発振が可能な最適な素子構造を得ることができる。
【０１３９】
また、２光束干渉露光により、位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを感光性材料層の複数の領域に形成する際、該感光性材料層上に、干渉縞を形成するためのプリズムを配置し、プリズムとして、該第１及び第２の側面の少なくとも一方の面に、該感光性材料層の各領域に対応する段差部が形成され、該段差部の両側の側面部分を通過した露光光が、光軸と垂直な面内で位相がずれたものとなるプリズムを用いることにより、感光性材料層における位相シフト部の形成位置を、精度よくしかも再現性よく決めることができる効果がある。
【０１４０】
また、半導体ウエハの表面に塗布されたホトレジスト膜の、各チップ領域に対応する部分に、位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを形成する際、前記プリズムを、その少なくとも一方の側面に形成された１つまたは隣接する複数の段差部が、各チップ領域の列に対応するよう該ホトレジスト膜上に配置するようにすれば、１つのプリズムを用いて、該ホトレジスト膜の、各チップ領域に対応する部分に、１つまたは複数の位相シフト部を有する回折格子状露光パターンを簡単に形成することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｅ）は上記半導体レーザ装置の製造方法を主要工程順に示す断面図であり、各工程での図１のII−II線部分の断面構造を示している。
【図３】上記実施形態１の半導体レーザ装置を構成する、位相シフト部を有する回折格子の作製プロセスを説明するための図であり、図３（ａ）は、ウエハ上での各半導体レーザ装置の形成領域（チップ領域）を示し、図３（ｂ）は、上記ウエハ上に形成したホトレジスト膜を露光する工程を示している。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、上記露光により各チップ領域上のホトレジスト膜に形成された露光パターンを示す斜視図及び断面図である。
【図５】図５（ａ）は上記実施形態１のＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおけるＳＭＳＲと位相シフト量Ωとの関係を示す図、図５（ｂ）は、上記実施形態１のＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおけるＲ値と最適位相シフト量Ωとの関係を示す図、図５（ｃ）は、上記実施形態１実施ののＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおける端面反射率と単一波長発振特性との関係を示す図である。
【図６】上記実施形態１の変形例による分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態２による分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造を示す斜視図である。
【図８】上記実施形態２のＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおけるＳＭＳＲと位相シフト量Ωとの関係を示す図である。
【図９】特公平６−７６２４号公報に開示されているＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す斜視図である。
【図１０】特開平５−２９７０５号公報に記載の分布帰還型半導体レーザ装置（真性ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）の主要部の構成を説明するための図であり、図１０（ａ）は、活性層近傍に形成された吸収性回折格子の構造を示し、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ’線部分での屈折率分布、及びＢ−Ｂ’線部分での屈折率分布を示している。
【符号の説明】
１００，６００，７００ 分布帰還型半導体レーザ装置（ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤ）
１００ａ，６００ａ，７００ａ 位相シフト部
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
１０３ ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
１０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
１０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層
１０６ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１０７，６０７ 回折格子
１０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２ガイド層
１０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
１１０ ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層
１１１，７０７ 窒化硅素絶縁膜
１１２，７０９ ｐ型用電極
１ｌ３，７０８ ｎ型用電極
２０１ 基板
２０２ ホトレジスト膜
２０３ プリズム
２０４ キシレン
２０５ａ₁〜２０５ａ₄ 段差部
２０６，２０７ 平行光線
７０ｌ ｎ−ＩｎＰ基板
７０２ ｎ−ＩｎＰ下クラッド層
７０３ ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
７０４ 回折格子
７０５ ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
７０６ ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層

Claims (4)

1. 誘導放出光を発生する活性層を含み、かつ該誘導放出光の導波方向にて該誘導放出光に対する屈折率及び利得とが同一の単一周期でもって周期的に変動した、屈折率分布及び利得分布を有する素子構造を備え、該誘導放出光が該屈折率及び利得の周期的な変動により光分布帰還を受けてレーザ発振が生ずるよう構成した分布帰還型半導体レーザ装置であって、
   該素子構造は、その屈折率及び利得の周期的な変動における位相の不連続部を有し、
   前記誘導放出光の導波経路における屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相あるいは逆位相の関係となっており、
   前記位相の不連続部での位相シフト量は、該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相である場合には、π［ｒａｄ］より大きくかつ２π［ｒａｄ］より小さい範囲内に設定され、該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが逆位相である場合には、０［ｒａｄ］より大きくかつπ［ｒａｄ］より小さい範囲内に設定されていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。
2. 前記位相の不連続部での位相シフト量Ωは、
   前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとに基づいて、
   該屈折率変動の位相と利得変動の位相とが同位相である場合には、下記（１），（２），（３）式の関係を満たし、
   Ω［ｒａｄ］ ＝π＋５．７Ｒ−２．６Ｒ² ・・・（１）
   Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2 ・・・（２）
   ０＜Ｒ＜１ ・・・（３）
   前記屈折率変動の位相と利得変動の位相とが逆位相である場合には、上記（２），（３）式及び下記（４）式の関係を満たすよう設定されている、請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
   Ω［ｒａｄ］ ＝π−５．７Ｒ＋２．６Ｒ² ・・・（４）
3. 前記位相の不連続部での位相シフト量は、
   前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとが、下記の２つの関係式
   ３≦Ｒ＜１
   Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
   を満たすよう設定したものである、請求項１または２に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
4. 前記素子構造を、その両レーザ出射端面で実質的な光反射が生じないよう構成し、
   前記位相の不連続部での位相シフト量を、前記屈折率分布による分布帰還の程度を示す屈折率結合定数κ_iと、前記利得分布による分布帰還の程度を示す利得結合定数κ_gとが、下記の２つの関係式
   ０＜Ｒ＜０．３
   Ｒ＝κ_g／（κ_g ²＋κ_i ²）^1/2
   を満たすよう設定した、請求項１または２に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。

Images