JP3745985B2 - 複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザに関し、更に詳細には、単一モード性に優れ、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等の単一モード発振に対する乱れ現象が生じない、しかも製品歩留りの高い構成を有する複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子（以下、ＤＦＢレーザと言う）は、複素屈折率の実部または／及び虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子と言う）を共振器内部に有し、回折格子の作用によって特定の波長の光にだけ帰還がかかるように半導体レーザ素子である。
ＤＦＢレーザは、回折格子の作用により波長選択性に優れ、しかも、高速動作性が良好なので、光通信、光情報処理等の分野で用いられる光デバイスの光源として多用されている。
ＤＦＢレーザは、屈折率結合型ＤＦＢレーザ、利得結合型ＤＦＢレーザ及び複素結合型ＤＦＢレーザの３種類に大別される。
【０００３】
屈折率結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に屈折率を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。
そして、屈折率結合型ＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長を挟んだ２つのモードのしきい値利得の差が小さいために、この２つのモードで発振しがちになり、単一モード発振を持続させることが難しいという弱点を有する。
【０００４】
利得結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の虚部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に利得を変化させる、又は周期的に損失を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。
利得結合型ＤＦＢレーザは、原理的には、ブラック波長での発振が持続するので、利得結合型構造を採用することにより単一モード性に優れた製品の製品歩留まりを改善できるという利点を有するものの、複素屈折率の虚部の周期的変化の振幅を十分大きくすることが困難であるために、十分に大きな結合係数を得難いという問題を有する。
複素結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部及び虚部の双方が周期的に変動しているタイプの半導体レーザ素子である。
【０００５】
回折格子の形成に当たっては、通常、共振器領域の特定の化合物半導体層に周期的な溝を形成し、形成した溝をその特定の化合物半導体層とは異なる材料で埋め込むことにより、化合物半導体層と埋め込み層と交互に周期的に備える回折格子を形成している。以下、特定の化合物半導体層で形成された溝壁を回折格子の格子層と言い、化合物半導体層と異なる材料で溝を埋め込んだ材料層を埋め込み層と言う。
回折格子の格子層と埋め込み層との間で、屈折率、正確には複素屈折率の実部が相互に異なるようにすることにより、屈折率結合型ＤＦＢレーザが構成される。また、利得が相互に異なるようにすることにより、つまり複素屈折率の虚部が異なるようにすることにより、利得結合型ＤＦＢレーザが構成される。
【０００６】
複素結合型のＤＦＢレーザは、複素屈折率の実部及び虚部の双方が周期的に変動しているタイプであって、屈折率の実部と虚部の周期性の態様からイン−フェイズ（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）型とアンチ−フェイズ（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ）型とに分類される。
イン−フェイズ型とは回折格子の複素屈折率の実部が大きい部分で複素屈折率の虚部も大きくした（つまり、利得を大きくした）構造を言い、一方、アンチ−フェイズ型とは回折格子の複素屈折率の実部が大きい部分で複素屈折率の虚部が小さくなっている構造である。
【０００７】
これらの２つの型は、それぞれ、特徴的発振スペクトルを示し、イン−フェイズ型では、ブラッグ波長の極く近傍の長波側のモードで発振が起こり易く、アンチ−フェイズ型ではブラッグ波長の極く近傍の短波側のモードで発振が起こり易い。
イン−フェイズ型は、回折格子の格子層の複素屈折率の実部が埋め込み層の複素屈折率の実部より小さく、かつ、格子層の利得が埋め込み層の利得より小さい、つまり格子層の複素屈折率の虚部が埋め込み層の虚部より小さい。
一方、アンチ−フェイズ型は、回折格子の格子層の複素屈折率の実部が埋め込み層の複素屈折率の実部より大きく、また格子層の利得が埋め込み層の利得より小さい、つまり格子層の複素屈折率の虚部が埋め込み層の虚部より小さい。
【０００８】
例えば回折格子として発振波長を吸収するＩｎＧａＡｓ層を格子層とし、ＩｎＰ層を埋め込み層とする吸収性回折格子を備えた、１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の複素結合型ＤＦＢレーザが提案されている。
本複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子５０は、図６に示すように、屈折率の比較的大きな吸収層（ＩｎＧａＡｓ）５２と、吸収層５２の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい下部層（ＩｎＰ）５４とを有する格子層５６と、屈折率が下部層５６と同じ材料で格子層５６と格子層５６との間を埋め込む埋め込み層（ＩｎＰ）５８とを備えていて、アンチ−フェイズ型構造となっている。図６中、６０はクラッド層である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した吸収性回折格子を備えた従来の複素結合型ＤＦＢレーザには、以下の問題があった。
つまり、回折格子の格子層を形成し、発振波長を吸収して周期的な損失を与えるＩｎＧａＡｓ層の屈折率が、格子層の周囲の埋め込み層を構成するＩｎＰより大きいため、アンチ−フェイズ型となり、ブラッグ波長の短波側で発振しやすいため、高電流注入下で安定した単一モード動作が得られ難く、多モード発振化や、モードホッピングといった単一モード発振に対する乱れ現象が起こり易いことである。
【００１０】
そこで、前述の複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子のＩｎＰ層からなる埋め込み層に代えて、ＩｎＧａＡｓ吸収格子層の周囲をＩｎＰより屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰで埋め込み、複素屈折率の実部の周期構造をなくすことによって、純粋な利得結合型ＤＦＢレーザを実現でき、ブラッグ波長での発振が可能になるとする提案が成されている。
つまり、複素屈折率の実部による分布帰還の強さを表す結合係数Kiがゼロ（０）になる一方、複素屈折率の虚部による分布帰還の強さκg は有限の値を示すように構成されている。
【００１１】
しかし、上述した吸収性回折格子の格子層の周囲を屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰで埋め込んで形成した、純粋な利得結合型のＤＦＢレーザでは、複素屈折率の虚部の周期構造のみによって分布帰還を行おうとするため、分布帰還の度合いが弱く、多モード発振、しきい値電流の上昇、及び発光効率の低下といった問題が生じていた。
【００１２】
光通信、光情報処理の分野では、益々、大容量のデータを高速で授受する通信方式が要求されているので、光デバイスの光源として要求される半導体レーザ装置でも、単一モード性に優れた信頼性の高いＤＦＢレーザが求められている。
そこで、本発明の目的は、単一モード性に優れ、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等の単一モード性に対する乱れ現象が起こり難く、しかも製作に際し、製品歩留りが高くなる構造を備えたＤＦＢレーザを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、吸収性回折格子を備えた複素結合型のＤＦＢレーザは、上述のようにブラッグ波長より短波長で発振するという問題があるものの、利得結合型のＤＦＢレーザに比べて、製作が容易で製品歩留りも良好であるという利点を重視し、吸収性回折格子を備えた従来の複素結合型のＤＦＢレーザを改良する研究を行った。
そして、吸収性回折格子を備えた、イン−フェイズ型の複素結合型ＤＦＢレーザを構成することにより、ブラッグ波長の長波側のモードで発振が起こり易くして、特に高電流注入下において単一モード性を安定させることを着想し、本発明を発明するに到った。
【００１４】
上記目的を達成するためには、上述の知見に基づいて、本発明に係る複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子は、回折格子を共振器内部に備えた複素結合型の分布帰還型レーザ素子において、
回折格子が、共振器の発振波長の光を吸収する吸収層を有する格子層と、格子層の等価屈折率より高い等価屈折率を有し、かつ共振器の発振波長より所定長だけ短波長のバンドギャップ波長を有する材料で格子層の周囲を埋め込んだ埋め込み層とを交互に備えて、屈折率及び利得が周期的に変化するように構成された吸収性回折格子であることを特徴としている。
【００１５】
バンドギャップ波長とは、波長に換算したバンドギャップエネルギー、つまりバンドギャップ波長λｇ（μｍ）＝１．２４／Ｅｇ（ｅＶ）を言う。ここで、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。
また、所定長だけバンドギャップ波長を共振器のバンドギャップ波長より短波長側に設定する際、埋め込み層が発振波長を吸収しないようになるために、埋め込み層のバンドギャップ波長を発振波長より１００ｎｍ程度短波側に設定することが必要である。
これにより、複素結合型のＤＦＢレーザがイン−フェイズ型の構造として構成され、かつ、複素屈折率の実部による分布帰還の強さを表す結合係数Kiが、従来のようにゼロ（０）でなく有限の値になることにより、吸収性回折格子でありながらブラッグ波長の長波側のモードで発振が起こり易くなる。
また、単一モード性が安定して、高注入電流下でも多モード発振やモードホッピングといった現象が起こり難く、高出力で安定した動作が可能なＤＦＢレーザを実現することができる。
【００１６】
本発明は、共振器を構成する化合物半導体層の組成、及び回折格子を構成する吸収層、格子層、埋め込み層の組成には制約はない。また、格子層及び埋め込み層が２層以上の積層構造でも良い。
埋め込み層の等価屈折率を格子層の等価屈折率より高くするやり方には制約はなく、例えば、回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層とを有する層厚ｄ（＝ｔ1 ＋ｔ2 ）の積層膜であり、埋め込み層が、屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、
で表される式が成立するように、格子層を形成する際のエッチングの深さ、及び埋め込み層の屈折率を設定する。
【００１７】
更には、回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層と、吸収層の上に下部層と同じ材料で設けられた層厚（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）の上部層とを有する層厚ｄの３層構造でも良い。その際には、埋め込み層が、一層以上の化合物半導体層で形成され、かつ等価屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、ｄ×（埋め込み層の等価屈折率）＞ｔ1 ×（吸収層の屈折率）＋ｔ 2 ×（下部層の屈折率）＋（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）×（上部層の屈折率）
で表される式が成立する。好適には、共振器の一方の端面に反射防止膜を、他方の端面に高反射率膜を設ける。これにより、ＤＦＢレーザの高出力化を容易にすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子（以下、簡単にＤＦＢレーザと言う）の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す部分断面斜視図、図２は本実施形態例のＤＦＢレーザの図１の線Ｉ−Ｉでの断面図、及び図３は回折格子の断面図である。
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０は、吸収性回折格子を備えた、発振波長が１５５０ｎｍの複素結合型のＤＦＢレーザであって、図１及び図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４、バンドギャップが波長に換算して約１５３０ｎｍのＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１８、回折格子２０、回折格子２０を埋め込んだＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込み層２２、及びｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａからなる積層構造を備えている。
【００１９】
積層構造のうちｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ層２２、回折格子２０、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、及びｎ型ＩｎＰバッファ層１４の上部は、活性層幅が約１．５μｍ程度になるようなストライプ状メサ構造にエッチング加工されている。
また、メサ構造の側部は、電流ブロッキング構造を構成するｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２８で埋め込まれている。
【００２０】
回折格子２０は、図２及び図３に示すように、吸収層として設けられた膜厚（ｔ）が２０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層２０ａと、吸収層２０ａの下の下部層として設けられた層厚（ｄ−ｔ）が４０ｎｍのｐ型ＩｎＰ層２０ｂとからなる高さ（ｄ）が６０ｎｍの格子層２０ｃと、格子層２０ｃを埋め込んだＩｎＧａＡｓＰ層２２とから構成されている。下部層を構成するｐ型ＩｎＰ層２０ｂは、スペーサ層１８の上部をエッチングして形成されている。
格子層２０ｃのピッチｐ、つまり回折格子２０の周期Λは２４０ｎｍで、格子層２０ｃの幅ａは６０ｎｍである。従って、（ａ／Λ）×１００で表されるデューティ（Duty）比は２５％である。
【００２１】
本実施形態例では、埋め込み層（ＩｎＧａＡｓＰ）２２の組成を調整して、埋め込み層（ＩｎＧａＡｓＰ層）２２のバンドギャップ波長（波長換算のバンドギャップ）が発振波長（１５５０ｎｍ）より１００ｎｍ程度短波側になるように設定し、発振波長の吸収損失が埋め込み層２２で生じないようにしている。
具体的には、埋め込み層２２のＩｎＧａＡｓＰの屈折率ｎInGaAsPが、ｎInGaAsP＝３．４６になるように調整されている。
【００２２】
以上の構成によって、本実施形態例の回折格子２０では、屈折率及び利得が周期的に変化する吸収性回折格子として構成されている。
また、回折格子２０では、図２及び図３のＡ−Ａ'断面及びＢ−Ｂ'断面で、両断面での光の閉じ込め分布が等しいとするならば、格子層２０ｃの周囲のＢ−Ｂ'断面の等価屈折率、即ち埋め込み層２２の等価屈折率が、Ａ−Ａ'断面の等価屈折率、即ち格子層２０ｃの等価屈折率より大きいという次の式の条件が成立しているので、イン−フェイズ型構造が実現している。
ｔ・ｎInGaAs＋（ｄ−ｔ）・ｎInP ＜ｄ・ｎInGaAsP ・・・・・・（１）
ここで、ｎInGaAsP は埋め込み層のＩｎＧａＡｓＰの屈折率であって、ｎInGaAsP ＝３．４６、ｎInGaAsは吸収層のＩｎＧａＡｓの屈折率であって、ｎInGaAs＝３．５４、ｎInP はＩｎＰの屈折率であって、ｎInP ＝３．１７、ｔは吸収層（ＩｎＧａＡｓ）の層厚であって、ｔ＝２０ｎｍ、ｄは格子層の層厚であって、ｄ＝６０ｎｍである。
尚、吸収層２０ａ上に、更に下部層２０ｂと同じ材料の上部層を設け、３層構造の格子層を形成しても良い。
【００２３】
回折格子２０で、格子層２０ｃの周囲のＢ−Ｂ'断面の等価屈折率、即ち埋め込み層２２の等価屈折率が、Ａ−Ａ'断面の等価屈折率、即ち格子層２０ｃの等価屈折率より大きいという関係は、図７に示すように、図示される。
図７で、右下がりの曲線（１）は、格子層２０ｃの高さ又は上面からの深さ（ｄ、図３参照）と等価格子層２０ｃの断面Ａ−Ａ′の等価屈折率との関係を示し、横線（２）、（３）及び（４）は、それぞれ、埋め込み層２２の等価屈折率ｎInGaAsPが３．４６、３．４３、及び３．４１であることを示す。つまり、図７は、埋め込み層２２の等価屈折率ｎInGaAsPが小さくなるほど、格子層２０ｃの深さ（ｄ）を深くすることが必要であることを示している。
本実施形態例では、ｎInGaAsPが３．４６であって、格子層２０ｃの深さ（ｄ）が図７の曲線（１）と横線（２）の交点である約２５ｎｍ以上である限り、上の（１）式が成立する。
【００２４】
メサ構造のｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ上及びｎ型ＩｎＰ層２８上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層の約２μｍ厚の再成長層２４及び金属電極とのコンタクトをとるために高ドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層３０が設けられている。
また、ｐ型キャップ層３０上には、ｐ側電極３２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面には、ｎ側電極３４としてＡｕＧｅＮｉ膜が形成されている。
以上の構造を備えたウエハを劈開によりバー化し、バーの一方の端面にＡＲ膜（反射防止膜）が、他方の端面にＨＲ膜（高反射率膜）がコーティングにより設けてあって、これによりレーザ出力が前端面より効率よく取り出されるため、高出力化を図ることができる。
その後、チップ化され、更に、キャンパッケージのステムにボンディングされて、複素結合型のＤＦＢレーザ製品となっている。
【００２５】
次に、図４及び図５を参照して、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の作製方法を説明する。図４（ａ）から（ｃ）及び図５（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用いて成長温度６００℃で、図４（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ型ＩｎＰスペーサ層１８、膜厚２０ｎｍのＩｎＧａＡｓ吸収層２０ａをエピタキシャル成長させ、積層体を形成する。活性層１６のバンドギャップ波長は、約１５３０ｎｍである。
【００２６】
続いて、電子ビーム描画装置等を使って形成した所定パターンのエッチングマスク（図示せず）を使ってドライエッチング法により、ＩｎＧａＡｓ吸収層２０ａを貫通して、更に４０ｎｍの深さまでＩｎＰスペーサ層１８をエッチングし、図４（ｂ）に示すように、高さ６０ｎｍの格子層２０ａと、深さ６０ｎｍの溝４２を形成する。また、回折格子のｄｕｔｙ比は２５％程度とする。
【００２７】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置にてＩｎＧａＡｓＰ層２２の埋め込み再成長を行い、溝４２を埋め込む。
この際、埋め込むＩｎＧａＡｓＰ層２２のバンドギャップを波長に換算して発振波長より１００ｎｍ程度短波側にすることにより、発振波長の吸収損失が埋め込み層２２で生じないようにする。本実施形態例では、埋め込むＩｎＧａＡｓＰの屈折率は、１．５５μｍの発振波長に対してｎInGaAsP＝３．４６とする。
更に、上部クラッド層としてｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａを成膜する。
【００２８】
次いで、プラズマＣＶＤ装置を用いて基板全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、続いてフォトリソグラフィ処理とＲＩＥによって、図５（ｄ）に示すように、ＳｉＮｘ膜を幅４μｍのストライプ状に加工して、ＳｉＮｘマスク４４形成する。尚、図５（ｄ）は、図４（ｃ）の線II−IIで紙面に直交する断面を示している。
【００２９】
ＳｉＮｘマスク４４をエッチングマスクとしてｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ、埋め込み層２２、回折格子２０、活性層１６、及び下部クラッド層（ｎ型ＩｎＰバッファ層）１４をエッチングして、図５（ｅ）に示すように、活性層幅が約１．５μｍ程度となるように調整したストライプ状メサ構造を形成する。
続いて、ＳｉＮｘエッチングマスク４４を選択成長マスクとして使い、ストライプ状メサ構造を埋め込むようにして、ｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２８を成長させ、キャリアブロック層を形成する。
【００３０】
次いで、図５（ｆ）に示すように、ＳｉＮｘマスク４４を除去した後、ｎ型ＩｎＰ層２８及びｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ上に層厚約２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２４を再成長させ、更に、電極との良好なコンタクトをとるためにｐ型ドーパントを高ドープしたＩｎＧａＡｓキャップ層３０を成長させる。
【００３１】
ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨して基板厚が１２０μｍ程度になるように基板の厚さを調整し、ｐ側電極３２としてキャップ層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属多層膜を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面にはｎ側電極３４としてＡｕＧｅＮｉ金属膜を形成する。
以上の工程を経たウエハを劈開によりバー化し、コーティング法によりバーの一方の端面にＡＲ膜、他方の端面にＨＲ膜を成膜する。その後、チップ化し、キャンパッケージのステムにボンディングすることにより、製品のＤＦＢレーザを作製することができる。
【００３２】
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の評価試験
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０と同じ構成のＤＦＢレーザをＤＦＢレーザ素子として上述の方法に従って１００個を作製した。
そして、１００個のＤＦＢレーザ素子を動作させたところ、９割以上のＤＦＢレーザ素子が良好な単一モード発振を行い、また、それらのＤＦＢレーザ素子では４５〜５０ｄＢという大きな値の副モード抑圧比が得られた。また、しきい値電流は、９ｍＡ程度と低かった。
ＤＦＢレーザ素子のうち８０個以上の素子では、図８（ａ）に示すように、ブラッグ波長（ストップバンド（ＳＢ））の長波長側での発振が見られ、そのうちの殆どのＤＦＢレーザ素子では、しきい値電流の５０倍までの高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等といった不安定な動作は起こらなかった。
【００３３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０との性能比較のために、回折格子２０の格子層２０ｃの周囲をＩｎＧａＡｓＰに代えてＩｎＰで埋め込んだことを除いて、実施形態例のＤＦＢレーザ１０と同じ構成を備えた１００個のＤＦＢレーザを従来例ＤＦＢレーザとして作製した。
上述のＤＦＢレーザ素子と同様にして従来例ＤＦＢレーザを評価した。従来例ＤＦＢレーザも、良好な単一モード発振で動作し、副モード抑圧比としては４５〜５０ｄＢという大きな値が得られたものの、従来例ＤＦＢレーザの１００個のうち、その大部分が、図８（ｂ）に示すように、ブラッグ波長（ストップバンド（ＳＢ））の短波長側で発振した。また、しきい値電流の１０倍の高注入電流値下で、短波長側で発振した従来例ＤＦＢレーザのうちの４０個は、多モード発振あるいはモードホッピングといった現象が生じることが確認された。
尚、しきい値電流は９ｍＡ程度と低かった。
【００３４】
以上の評価試験から、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０は、従来例ＤＦＢレーザよりも単一モード性に優れ、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の構成を適用することにより、良好な単一モード性を有する製品を高い歩留まりで作製できることが判る。これは、発振波長をブラッブ波長より長波側に設定したことによる効果である。
また、ＤＦＢレーザ１０は、しきい値電流が９ｍＡ程度と低く、しかもしきい値電流の５０倍の高注入電流値下でも、多モード発振あるいはモードホッピングといった現象が生じない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、共振器の発振波長を吸収する吸収層を有する格子層と、格子層の等価屈折率より高い等価屈折率を有し、かつ共振器の発振波長より所定長だけ短波長のバンドギャップ波長を有する材料で格子層の周囲を埋め込んだ埋め込み層とを備える吸収性回折格子を形成して、屈折率及び利得が周期的に変化するように構成することにより、ブラッグ波長の長波長側で発振し、かつ良好な単一モード性を示し、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピングといった現象が生じ難い、複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子を実現している。
そして、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ素子の構成を適用することにより、良好な単一モード性を有する分布帰還型半導体レーザ素子製品を高い歩留まりで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す部分断面斜視図である。
【図２】実施形態例のＤＦＢレーザの図１の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
【図３】回折格子の断面図である。
【図４】図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
【図５】図５（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図４（ｃ）に続いて、実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
【図６】従来のＤＦＢレーザの回折格子の断面図である。
【図７】格子層の深さと、格子層及び埋め込み層の等価屈折率との関係を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、実施形態例のＤＦＢレーザ及び従来のＤＦＢレーザの発振波長とストップバンド（ＳＢ）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ 実施形態例のＤＦＢレーザ
１２ ｎ型ＩｎＰ基板
１４ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１６ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１８ ｐ型ＩｎＰスペーサ層
２０ 回折格子
２０ａ ＩｎＧａＡｓ層
２０ｂ ＩｎＰ層
２０ｃ 格子層
２２ ＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込み層
２４Ａ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２４ 再成長ｐ型ＩｎＰクラッド層
２６ ｐ型ＩｎＰ層
２８ ｎ型ＩｎＰ層
３０ ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
３２ ｐ側電極
３４ ｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザに関し、更に詳細には、単一モード性に優れ、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等の単一モード発振に対する乱れ現象が生じない、しかも製品歩留りの高い構成を有する複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子（以下、ＤＦＢレーザと言う）は、複素屈折率の実部または／及び虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子と言う）を共振器内部に有し、回折格子の作用によって特定の波長の光にだけ帰還がかかるように半導体レーザ素子である。
ＤＦＢレーザは、回折格子の作用により波長選択性に優れ、しかも、高速動作性が良好なので、光通信、光情報処理等の分野で用いられる光デバイスの光源として多用されている。
ＤＦＢレーザは、屈折率結合型ＤＦＢレーザ、利得結合型ＤＦＢレーザ及び複素結合型ＤＦＢレーザの３種類に大別される。
【０００３】
屈折率結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に屈折率を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。
そして、屈折率結合型ＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長を挟んだ２つのモードのしきい値利得の差が小さいために、この２つのモードで発振しがちになり、単一モード発振を持続させることが難しいという弱点を有する。
【０００４】
利得結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の虚部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に利得を変化させる、又は周期的に損失を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。
利得結合型ＤＦＢレーザは、原理的には、ブラック波長での発振が持続するので、利得結合型構造を採用することにより単一モード性に優れた製品の製品歩留まりを改善できるという利点を有するものの、複素屈折率の虚部の周期的変化の振幅を十分大きくすることが困難であるために、十分に大きな結合係数を得難いという問題を有する。
複素結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部及び虚部の双方が周期的に変動しているタイプの半導体レーザ素子である。
【０００５】
回折格子の形成に当たっては、通常、共振器領域の特定の化合物半導体層に周期的な溝を形成し、形成した溝をその特定の化合物半導体層とは異なる材料で埋め込むことにより、化合物半導体層と埋め込み層と交互に周期的に備える回折格子を形成している。以下、特定の化合物半導体層で形成された溝壁を回折格子の格子層と言い、化合物半導体層と異なる材料で溝を埋め込んだ材料層を埋め込み層と言う。
回折格子の格子層と埋め込み層との間で、屈折率、正確には複素屈折率の実部が相互に異なるようにすることにより、屈折率結合型ＤＦＢレーザが構成される。また、利得が相互に異なるようにすることにより、つまり複素屈折率の虚部が異なるようにすることにより、利得結合型ＤＦＢレーザが構成される。
【０００６】
複素結合型のＤＦＢレーザは、複素屈折率の実部及び虚部の双方が周期的に変動しているタイプであって、屈折率の実部と虚部の周期性の態様からイン−フェイズ（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）型とアンチ−フェイズ（ａｎｔｉ−ｐｈａｓｅ）型とに分類される。
イン−フェイズ型とは回折格子の複素屈折率の実部が大きい部分で複素屈折率の虚部も大きくした（つまり、利得を大きくした）構造を言い、一方、アンチ−フェイズ型とは回折格子の複素屈折率の実部が大きい部分で複素屈折率の虚部が小さくなっている構造である。
【０００７】
これらの２つの型は、それぞれ、特徴的発振スペクトルを示し、イン−フェイズ型では、ブラッグ波長の極く近傍の長波側のモードで発振が起こり易く、アンチ−フェイズ型ではブラッグ波長の極く近傍の短波側のモードで発振が起こり易い。
イン−フェイズ型は、回折格子の格子層の複素屈折率の実部が埋め込み層の複素屈折率の実部より小さく、かつ、格子層の利得が埋め込み層の利得より小さい、つまり格子層の複素屈折率の虚部が埋め込み層の虚部より小さい。
一方、アンチ−フェイズ型は、回折格子の格子層の複素屈折率の実部が埋め込み層の複素屈折率の実部より大きく、また格子層の利得が埋め込み層の利得より小さい、つまり格子層の複素屈折率の虚部が埋め込み層の虚部より小さい。
【０００８】
例えば回折格子として発振波長を吸収するＩｎＧａＡｓ層を格子層とし、ＩｎＰ層を埋め込み層とする吸収性回折格子を備えた、１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の複素結合型ＤＦＢレーザが提案されている。
本複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子５０は、図６に示すように、屈折率の比較的大きな吸収層（ＩｎＧａＡｓ）５２と、吸収層５２の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい下部層（ＩｎＰ）５４とを有する格子層５６と、屈折率が下部層５６と同じ材料で格子層５６と格子層５６との間を埋め込む埋め込み層（ＩｎＰ）５８とを備えていて、アンチ−フェイズ型構造となっている。図６中、６０はクラッド層である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した吸収性回折格子を備えた従来の複素結合型ＤＦＢレーザには、以下の問題があった。
つまり、回折格子の格子層を形成し、発振波長を吸収して周期的な損失を与えるＩｎＧａＡｓ層の屈折率が、格子層の周囲の埋め込み層を構成するＩｎＰより大きいため、アンチ−フェイズ型となり、ブラッグ波長の短波側で発振しやすいため、高電流注入下で安定した単一モード動作が得られ難く、多モード発振化や、モードホッピングといった単一モード発振に対する乱れ現象が起こり易いことである。
【００１０】
そこで、前述の複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子のＩｎＰ層からなる埋め込み層に代えて、ＩｎＧａＡｓ吸収格子層の周囲をＩｎＰより屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰで埋め込み、複素屈折率の実部の周期構造をなくすことによって、純粋な利得結合型ＤＦＢレーザを実現でき、ブラッグ波長での発振が可能になるとする提案が成されている。
つまり、複素屈折率の実部による分布帰還の強さを表す結合係数Kiがゼロ（０）になる一方、複素屈折率の虚部による分布帰還の強さκg は有限の値を示すように構成されている。
【００１１】
しかし、上述した吸収性回折格子の格子層の周囲を屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰで埋め込んで形成した、純粋な利得結合型のＤＦＢレーザでは、複素屈折率の虚部の周期構造のみによって分布帰還を行おうとするため、分布帰還の度合いが弱く、多モード発振、しきい値電流の上昇、及び発光効率の低下といった問題が生じていた。
【００１２】
光通信、光情報処理の分野では、益々、大容量のデータを高速で授受する通信方式が要求されているので、光デバイスの光源として要求される半導体レーザ装置でも、単一モード性に優れた信頼性の高いＤＦＢレーザが求められている。
そこで、本発明の目的は、単一モード性に優れ、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等の単一モード性に対する乱れ現象が起こり難く、しかも製作に際し、製品歩留りが高くなる構造を備えたＤＦＢレーザを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、吸収性回折格子を備えた複素結合型のＤＦＢレーザは、上述のようにブラッグ波長より短波長で発振するという問題があるものの、利得結合型のＤＦＢレーザに比べて、製作が容易で製品歩留りも良好であるという利点を重視し、吸収性回折格子を備えた従来の複素結合型のＤＦＢレーザを改良する研究を行った。
そして、吸収性回折格子を備えた、イン−フェイズ型の複素結合型ＤＦＢレーザを構成することにより、ブラッグ波長の長波側のモードで発振が起こり易くして、特に高電流注入下において単一モード性を安定させることを着想し、本発明を発明するに到った。
【００１４】
上記目的を達成するためには、上述の知見に基づいて、本発明に係る複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子は、回折格子を共振器内部に備えた複素結合型の分布帰還型レーザ素子において、
回折格子が、共振器の発振波長の光を吸収する吸収層を有する格子層と、格子層の等価屈折率より高い等価屈折率を有し、かつ共振器の発振波長より所定長だけ短波長のバンドギャップ波長を有する材料で格子層の周囲を埋め込んだ埋め込み層とを交互に備えて、屈折率及び利得が周期的に変化するように構成された吸収性回折格子であることを特徴としている。
【００１５】
バンドギャップ波長とは、波長に換算したバンドギャップエネルギー、つまりバンドギャップ波長λｇ（μｍ）＝１．２４／Ｅｇ（ｅＶ）を言う。ここで、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。
また、所定長だけバンドギャップ波長を共振器のバンドギャップ波長より短波長側に設定する際、埋め込み層が発振波長を吸収しないようになるために、埋め込み層のバンドギャップ波長を発振波長より１００ｎｍ程度短波側に設定することが必要である。
これにより、複素結合型のＤＦＢレーザがイン−フェイズ型の構造として構成され、かつ、複素屈折率の実部による分布帰還の強さを表す結合係数Kiが、従来のようにゼロ（０）でなく有限の値になることにより、吸収性回折格子でありながらブラッグ波長の長波側のモードで発振が起こり易くなる。
また、単一モード性が安定して、高注入電流下でも多モード発振やモードホッピングといった現象が起こり難く、高出力で安定した動作が可能なＤＦＢレーザを実現することができる。
【００１６】
本発明は、共振器を構成する化合物半導体層の組成、及び回折格子を構成する吸収層、格子層、埋め込み層の組成には制約はない。また、格子層及び埋め込み層が２層以上の積層構造でも良い。
埋め込み層の等価屈折率を格子層の等価屈折率より高くするやり方には制約はなく、例えば、回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層とを有する層厚ｄ（＝ｔ1 ＋ｔ2 ）の積層膜であり、埋め込み層が、屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、
【００１７】
更には、回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層と、吸収層の上に下部層と同じ材料で設けられた層厚（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）の上部層とを有する層厚ｄの３層構造でも良い。その際には、埋め込み層が、一層以上の化合物半導体層で形成され、かつ等価屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、ｄ×（埋め込み層の等価屈折率）＞ｔ1 ×（吸収層の屈折率）＋ｔ 2 ×（下部層の屈折率）＋（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）×（上部層の屈折率）
で表される式が成立する。好適には、共振器の一方の端面に反射防止膜を、他方の端面に高反射率膜を設ける。これにより、ＤＦＢレーザの高出力化を容易にすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子（以下、簡単にＤＦＢレーザと言う）の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す部分断面斜視図、図２は本実施形態例のＤＦＢレーザの図１の線Ｉ−Ｉでの断面図、及び図３は回折格子の断面図である。
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０は、吸収性回折格子を備えた、発振波長が１５５０ｎｍの複素結合型のＤＦＢレーザであって、図１及び図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４、バンドギャップが波長に換算して約１５３０ｎｍのＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１８、回折格子２０、回折格子２０を埋め込んだＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込み層２２、及びｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａからなる積層構造を備えている。
【００１９】
積層構造のうちｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ層２２、回折格子２０、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、及びｎ型ＩｎＰバッファ層１４の上部は、活性層幅が約１．５μｍ程度になるようなストライプ状メサ構造にエッチング加工されている。
また、メサ構造の側部は、電流ブロッキング構造を構成するｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２８で埋め込まれている。
【００２０】
回折格子２０は、図２及び図３に示すように、吸収層として設けられた膜厚（ｔ）が２０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ層２０ａと、吸収層２０ａの下の下部層として設けられた層厚（ｄ−ｔ）が４０ｎｍのｐ型ＩｎＰ層２０ｂとからなる高さ（ｄ）が６０ｎｍの格子層２０ｃと、格子層２０ｃを埋め込んだＩｎＧａＡｓＰ層２２とから構成されている。下部層を構成するｐ型ＩｎＰ層２０ｂは、スペーサ層１８の上部をエッチングして形成されている。
格子層２０ｃのピッチｐ、つまり回折格子２０の周期Λは２４０ｎｍで、格子層２０ｃの幅ａは６０ｎｍである。従って、（ａ／Λ）×１００で表されるデューティ（Duty）比は２５％である。
【００２１】
本実施形態例では、埋め込み層（ＩｎＧａＡｓＰ）２２の組成を調整して、埋め込み層（ＩｎＧａＡｓＰ層）２２のバンドギャップ波長（波長換算のバンドギャップ）が発振波長（１５５０ｎｍ）より１００ｎｍ程度短波側になるように設定し、発振波長の吸収損失が埋め込み層２２で生じないようにしている。
具体的には、埋め込み層２２のＩｎＧａＡｓＰの屈折率ｎInGaAsPが、ｎInGaAsP＝３．４６になるように調整されている。
【００２２】
以上の構成によって、本実施形態例の回折格子２０では、屈折率及び利得が周期的に変化する吸収性回折格子として構成されている。
また、回折格子２０では、図２及び図３のＡ−Ａ'断面及びＢ−Ｂ'断面で、両断面での光の閉じ込め分布が等しいとするならば、格子層２０ｃの周囲のＢ−Ｂ'断面の等価屈折率、即ち埋め込み層２２の等価屈折率が、Ａ−Ａ'断面の等価屈折率、即ち格子層２０ｃの等価屈折率より大きいという次の式の条件が成立しているので、イン−フェイズ型構造が実現している。
ｔ・ｎInGaAs＋（ｄ−ｔ）・ｎInP ＜ｄ・ｎInGaAsP ・・・・・・（１）
ここで、ｎInGaAsP は埋め込み層のＩｎＧａＡｓＰの屈折率であって、ｎInGaAsP ＝３．４６、ｎInGaAsは吸収層のＩｎＧａＡｓの屈折率であって、ｎInGaAs＝３．５４、ｎInP はＩｎＰの屈折率であって、ｎInP ＝３．１７、ｔは吸収層（ＩｎＧａＡｓ）の層厚であって、ｔ＝２０ｎｍ、ｄは格子層の層厚であって、ｄ＝６０ｎｍである。
尚、吸収層２０ａ上に、更に下部層２０ｂと同じ材料の上部層を設け、３層構造の格子層を形成しても良い。
【００２３】
回折格子２０で、格子層２０ｃの周囲のＢ−Ｂ'断面の等価屈折率、即ち埋め込み層２２の等価屈折率が、Ａ−Ａ'断面の等価屈折率、即ち格子層２０ｃの等価屈折率より大きいという関係は、図７に示すように、図示される。
図７で、右下がりの曲線（１）は、格子層２０ｃの高さ又は上面からの深さ（ｄ、図３参照）と等価格子層２０ｃの断面Ａ−Ａ′の等価屈折率との関係を示し、横線（２）、（３）及び（４）は、それぞれ、埋め込み層２２の等価屈折率ｎInGaAsPが３．４６、３．４３、及び３．４１であることを示す。つまり、図７は、埋め込み層２２の等価屈折率ｎInGaAsPが小さくなるほど、格子層２０ｃの深さ（ｄ）を深くすることが必要であることを示している。
本実施形態例では、ｎInGaAsPが３．４６であって、格子層２０ｃの深さ（ｄ）が図７の曲線（１）と横線（２）の交点である約２５ｎｍ以上である限り、上の（１）式が成立する。
【００２４】
メサ構造のｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ上及びｎ型ＩｎＰ層２８上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層の約２μｍ厚の再成長層２４及び金属電極とのコンタクトをとるために高ドープしたｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層３０が設けられている。
また、ｐ型キャップ層３０上には、ｐ側電極３２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面には、ｎ側電極３４としてＡｕＧｅＮｉ膜が形成されている。
以上の構造を備えたウエハを劈開によりバー化し、バーの一方の端面にＡＲ膜（反射防止膜）が、他方の端面にＨＲ膜（高反射率膜）がコーティングにより設けてあって、これによりレーザ出力が前端面より効率よく取り出されるため、高出力化を図ることができる。
その後、チップ化され、更に、キャンパッケージのステムにボンディングされて、複素結合型のＤＦＢレーザ製品となっている。
【００２５】
次に、図４及び図５を参照して、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の作製方法を説明する。図４（ａ）から（ｃ）及び図５（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用いて成長温度６００℃で、図４（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ型ＩｎＰスペーサ層１８、膜厚２０ｎｍのＩｎＧａＡｓ吸収層２０ａをエピタキシャル成長させ、積層体を形成する。活性層１６のバンドギャップ波長は、約１５３０ｎｍである。
【００２６】
続いて、電子ビーム描画装置等を使って形成した所定パターンのエッチングマスク（図示せず）を使ってドライエッチング法により、ＩｎＧａＡｓ吸収層２０ａを貫通して、更に４０ｎｍの深さまでＩｎＰスペーサ層１８をエッチングし、図４（ｂ）に示すように、高さ６０ｎｍの格子層２０ａと、深さ６０ｎｍの溝４２を形成する。また、回折格子のｄｕｔｙ比は２５％程度とする。
【００２７】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置にてＩｎＧａＡｓＰ層２２の埋め込み再成長を行い、溝４２を埋め込む。
この際、埋め込むＩｎＧａＡｓＰ層２２のバンドギャップを波長に換算して発振波長より１００ｎｍ程度短波側にすることにより、発振波長の吸収損失が埋め込み層２２で生じないようにする。本実施形態例では、埋め込むＩｎＧａＡｓＰの屈折率は、１．５５μｍの発振波長に対してｎInGaAsP＝３．４６とする。
更に、上部クラッド層としてｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａを成膜する。
【００２８】
次いで、プラズマＣＶＤ装置を用いて基板全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、続いてフォトリソグラフィ処理とＲＩＥによって、図５（ｄ）に示すように、ＳｉＮｘ膜を幅４μｍのストライプ状に加工して、ＳｉＮｘマスク４４形成する。尚、図５（ｄ）は、図４（ｃ）の線II−IIで紙面に直交する断面を示している。
【００２９】
ＳｉＮｘマスク４４をエッチングマスクとしてｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ、埋め込み層２２、回折格子２０、活性層１６、及び下部クラッド層（ｎ型ＩｎＰバッファ層）１４をエッチングして、図５（ｅ）に示すように、活性層幅が約１．５μｍ程度となるように調整したストライプ状メサ構造を形成する。
続いて、ＳｉＮｘエッチングマスク４４を選択成長マスクとして使い、ストライプ状メサ構造を埋め込むようにして、ｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２８を成長させ、キャリアブロック層を形成する。
【００３０】
次いで、図５（ｆ）に示すように、ＳｉＮｘマスク４４を除去した後、ｎ型ＩｎＰ層２８及びｐ型ＩｎＰクラッド層２４Ａ上に層厚約２μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２４を再成長させ、更に、電極との良好なコンタクトをとるためにｐ型ドーパントを高ドープしたＩｎＧａＡｓキャップ層３０を成長させる。
【００３１】
ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨して基板厚が１２０μｍ程度になるように基板の厚さを調整し、ｐ側電極３２としてキャップ層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属多層膜を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１２の裏面にはｎ側電極３４としてＡｕＧｅＮｉ金属膜を形成する。
以上の工程を経たウエハを劈開によりバー化し、コーティング法によりバーの一方の端面にＡＲ膜、他方の端面にＨＲ膜を成膜する。その後、チップ化し、キャンパッケージのステムにボンディングすることにより、製品のＤＦＢレーザを作製することができる。
【００３２】
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の評価試験
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０と同じ構成のＤＦＢレーザをＤＦＢレーザ素子として上述の方法に従って１００個を作製した。
そして、１００個のＤＦＢレーザ素子を動作させたところ、９割以上のＤＦＢレーザ素子が良好な単一モード発振を行い、また、それらのＤＦＢレーザ素子では４５〜５０ｄＢという大きな値の副モード抑圧比が得られた。また、しきい値電流は、９ｍＡ程度と低かった。
ＤＦＢレーザ素子のうち８０個以上の素子では、図８（ａ）に示すように、ブラッグ波長（ストップバンド（ＳＢ））の長波長側での発振が見られ、そのうちの殆どのＤＦＢレーザ素子では、しきい値電流の５０倍までの高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピング等といった不安定な動作は起こらなかった。
【００３３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ１０との性能比較のために、回折格子２０の格子層２０ｃの周囲をＩｎＧａＡｓＰに代えてＩｎＰで埋め込んだことを除いて、実施形態例のＤＦＢレーザ１０と同じ構成を備えた１００個のＤＦＢレーザを従来例ＤＦＢレーザとして作製した。
上述のＤＦＢレーザ素子と同様にして従来例ＤＦＢレーザを評価した。従来例ＤＦＢレーザも、良好な単一モード発振で動作し、副モード抑圧比としては４５〜５０ｄＢという大きな値が得られたものの、従来例ＤＦＢレーザの１００個のうち、その大部分が、図８（ｂ）に示すように、ブラッグ波長（ストップバンド（ＳＢ））の短波長側で発振した。また、しきい値電流の１０倍の高注入電流値下で、短波長側で発振した従来例ＤＦＢレーザのうちの４０個は、多モード発振あるいはモードホッピングといった現象が生じることが確認された。
尚、しきい値電流は９ｍＡ程度と低かった。
【００３４】
以上の評価試験から、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０は、従来例ＤＦＢレーザよりも単一モード性に優れ、本実施形態例のＤＦＢレーザ１０の構成を適用することにより、良好な単一モード性を有する製品を高い歩留まりで作製できることが判る。これは、発振波長をブラッブ波長より長波側に設定したことによる効果である。
また、ＤＦＢレーザ１０は、しきい値電流が９ｍＡ程度と低く、しかもしきい値電流の５０倍の高注入電流値下でも、多モード発振あるいはモードホッピングといった現象が生じない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、共振器の発振波長を吸収する吸収層を有する格子層と、格子層の等価屈折率より高い等価屈折率を有し、かつ共振器の発振波長より所定長だけ短波長のバンドギャップ波長を有する材料で格子層の周囲を埋め込んだ埋め込み層とを備える吸収性回折格子を形成して、屈折率及び利得が周期的に変化するように構成することにより、ブラッグ波長の長波長側で発振し、かつ良好な単一モード性を示し、高電流注入下でも、多モード発振やモードホッピングといった現象が生じ難い、複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子を実現している。
そして、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ素子の構成を適用することにより、良好な単一モード性を有する分布帰還型半導体レーザ素子製品を高い歩留まりで作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す部分断面斜視図である。
【図２】実施形態例のＤＦＢレーザの図１の線Ｉ−Ｉでの断面図である。
【図３】回折格子の断面図である。
【図４】図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
【図５】図５（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図４（ｃ）に続いて、実施形態例のＤＦＢレーザを作製する際の工程毎の断面図である。
【図６】従来のＤＦＢレーザの回折格子の断面図である。
【図７】格子層の深さと、格子層及び埋め込み層の等価屈折率との関係を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、実施形態例のＤＦＢレーザ及び従来のＤＦＢレーザの発振波長とストップバンド（ＳＢ）との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ 実施形態例のＤＦＢレーザ
１２ ｎ型ＩｎＰ基板
１４ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１６ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１８ ｐ型ＩｎＰスペーサ層
２０ 回折格子
２０ａ ＩｎＧａＡｓ層
２０ｂ ＩｎＰ層
２０ｃ 格子層
２２ ＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込み層
２４Ａ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２４ 再成長ｐ型ＩｎＰクラッド層
２６ ｐ型ＩｎＰ層
２８ ｎ型ＩｎＰ層
３０ ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
３２ ｐ側電極
３４ ｎ側電極
Claims (4)
- 回折格子を共振器内部に備えた複素結合型の分布帰還型レーザ素子において、
回折格子が、共振器の発振波長の光を吸収する吸収層を有する格子層と、格子層の等価屈折率より高い等価屈折率を有し、かつ活性層のバンドギャップ波長より所定長だけ短波長のバンドギャップ波長を有する材料で格子層の周囲を埋め込んだ埋め込み層とを交互に備えて、屈折率及び利得が周期的に変化するように構成された吸収性回折格子であることを特徴とする複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層とを有する層厚ｄ（＝ｔ1＋ｔ2 ）の積層膜であり、
埋め込み層が、一層以上の化合物半導体層で形成され、かつ等価屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、
ｄ×（埋め込み層の等価屈折率）＞ｔ1 ×（吸収層の屈折率）＋（ｄ−ｔ1 ）×（下部層の屈折率）
で表される式が成立することを特徴とする請求項１に記載の複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 回折格子の格子層が、層厚ｔ1 の吸収層と、吸収層の下に設けられ、屈折率が吸収層より小さい層厚ｔ2 の下部層と、吸収層の上に下部層と同じ材料で設けられた層厚（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）の上部層とを有する層厚ｄの積層膜であり、
埋め込み層が、一層以上の化合物半導体層で形成され、かつ等価屈折率が吸収層の屈折率より小さく、下部層の屈折率より大きな材料からなる層であって、層の膜厚と屈折率との間で、
ｄ×（埋め込み層の等価屈折率）＞ｔ1 ×（吸収層の屈折率）＋ｔ 2 ×（下部層の屈折率）＋（ｄ−ｔ1 −ｔ2 ）×（上部層の屈折率）
で表される式が成立することを特徴とする請求項１に記載の複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 共振器の一方の端面に反射防止膜が、他方の端面に高反射率膜が設けられていることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子。
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