JP5834910B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。

近年、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及び大容量化への取り組みが活発化している。なかでも、４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光ファイバ伝送システム、及び、アンクールドで２５Ｇｂ／ｓ以上の直接変調が可能な半導体レーザが求められている。このような半導体レーザは、例えば２５ギガビットをＬＡＮ（local area network）−ＷＤＭ（wavelength division multiplexing）で４波束ねた１００ギガビット・イーサネット（登録商標）向けである。そして、このような半導体レーザとして、分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザが期待されている。

基本的に、半導体レーザにおいては、活性層の体積が小さくなるほど、緩和振動周波数の値が大きくなり、直接変調可能なビット・レートが上昇する。例えば、前端面に反射防止膜を設け、後端面に反射率が９０％程度の高反射膜を設けたＤＦＢレーザにおいて、共振器長を１００μｍと短くすることで、室温にて４０Ｇｂ／ｓの変調が可能となることが発表されている。しかしながら、単に共振器長を短く設計しただけでは、良好な単一縦モード発振が得られるＤＦＢレーザを高い歩留まりで製造することは困難である。

そこで、単一縦モード発振歩留まりの向上を目的として、電流を注入しない分布反射鏡を具備したＤＦＢレーザが提案されている。このＤＦＢレーザでは、分布反射鏡に活性領域の回折格子と同じ周期で位相が同期した回折格子が装荷され、分布反射鏡が活性領域への光帰還を行う。また、回折格子にλ／４位相シフト部が設けられている。

しかしながら、上記のような分布反射鏡を備えた従来のＤＦＢレーザでは、安定した動作の実現が困難なことがある。

特公平７−７０７８５号公報 特開２００２−３５３５５９号公報 特許第３１４９９７９号公報 特開平７−２８３４７３号公報 特開平５−９０７１５号公報

本発明の目的は、安定した動作の実現が可能な半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。

半導体レーザの一態様には、回折格子を装荷した活性領域と、互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域と、前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器と、が含まれている。前記二つの導波路のうち一方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致し、他方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期とは異なる。前記回折格子型方向性結合器の周期は、前記二つの導波路の活性層の等価屈折率のうち大きい方をｎｅｑ ₂ 、小さい方をｎｅｑ ₁ 、活性層の等価屈折率がｎｅｑ ₂ の導波路の共振波長をλ ₂ としたとき、λ ₂ ／（ｎｅｑ ₂ −ｎｅｑ ₁ ）である。

半導体レーザの製造方法の一態様では、基板上方に回折格子を装荷した活性領域を形成し、前記基板上方に、互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域を形成し、前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器を形成する。前記二つの導波路のうち一方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致し、他方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期とは異なる。前記回折格子型方向性結合器の周期は、前記二つの導波路の活性層の等価屈折率のうち大きい方をｎｅｑ ₂ 、小さい方をｎｅｑ ₁ 、活性層の等価屈折率がｎｅｑ ₂ の導波路の共振波長をλ ₂ としたとき、λ ₂ ／（ｎｅｑ ₂ −ｎｅｑ ₁ ）である。

上記の半導体レーザ等によれば、活性領域と分布反射鏡領域との間の回折格子型方向性結合器の作用により、安定した動作を実現することができる。

参考例の構造を示す断面図である。 参考例の特性の調査の結果を示す図である。 プラズマ効果に伴う変化を示す図である。 単一縦モード発振歩留まりの変化を示す図である。 電流注入に伴う変化を示す図である。 仮の構造のもんだ点を示す図である。 他の仮の構造の問題点を示す図である。 第１の実施形態に係る半導体レーザの構造を示す図である。 第１の実施形態における主モードの変化を示す図である。 ＧＡＤＣの共振強度と発振波長との関係を示す図である。 第１の実施形態の作用を示す図である。 第１の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１１に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１２に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１３に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１４に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１５に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１６に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１７に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１８に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図１９に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２０に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２１に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 第１の実施形態の変形例の構造を示す図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザの構造を示す図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２５に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２６に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２７に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２８に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図２９に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３０に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３１に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３２に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３３に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３４に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３５に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 第２の実施形態の変形例の構造を示す図である。 第３の実施形態に係る半導体レーザの構造を示す図である。 第３の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図３９に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４０に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４１に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４２に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４３に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４４に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４５に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４６に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４７に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４８に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図４９に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５０に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５１に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５２に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５３に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５４に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 図５５に引き続き、半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。 第３の実施形態の変形例の構造を示す図である。 第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す図である。

本願発明者は、従来の技術において、単一縦モード発振歩留まりの劣化の原因を究明すべく、図１に示す参考例の半導体レーザを作製し、その特性について鋭意検討を行った。

この半導体レーザは、活性領域１０１２及び分布反射鏡領域１０１３に区画されており、活性領域１０１２及び分布反射鏡領域１０１３のいずれにおいても、基板１００１の表面に回折格子１００２が形成されている。但し、活性領域１０１２内には、回折格子１００２のλ／４位相シフト部１００２ｓが含まれている。λ／４位相シフト部１００２ｓは、導光方向のほぼ中心に位置する。そして、回折格子１００２を覆うようにバッファ層１００３が形成され、バッファ層１００３上に、活性領域１０１２内では活性層１００４が形成され、分布反射鏡領域１０１３では光ガイド層１００５が形成されている。更に、活性層１００４及び光ガイド層１００５上にクラッド層１００６が形成され、活性領域１０１２内では、クラッド層１００６上にコンタクト層１００７及びｐ電極１００８が形成されている。また、活性領域１０１２側の端面に反射防止膜１０１０が形成され、分布反射鏡領域１０１３側の端面に反射防止膜１０１１が形成されている。

そして、上記のような半導体レーザの特性を調査した結果、図２に示す結果が得られた。この結果から、この結果、以下のような事項が判明した。

第一に、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、しきい値近傍で、以下のような原因でモード跳びが生じることが判明した。先ず、活性領域１０１２への電流注入に伴ってプラズマ効果により活性領域１０１２の屈折率が低下し、活性領域１０１２内での管内波長が短波化する。このため、主モード（ブラッグモード）の導波光の位相が活性領域１０１２内で屈折率変動がない場合に比べて余分に廻ることになる。この変化を図３に示す。図３（ａ）及び（ｂ）は電流注入前の状態を示しており、図３（ｃ）及び（ｄ）は電流注入後の状態を示している。そして、上記のように位相が余分に廻るようになると、図３（ｄ）中の一点鎖線で示すように、主モード１０１４（ブラッグモード）がストップバンド内で長波側へと相対的にドリフト（シフト）するため、主モード１０１４の発振しきい値が上昇し、かつ副モードの発振しきい値が低下する。この結果、図３（ｄ）中の二点鎖線で示すように、短波側の副モードへとモード跳びが発生する。また、図４に示すように、モード競合が発生して単一縦モード発振歩留まりが劣化するという解析結果も得られた。

第二に、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように、駆動電流を増加していくと、以下のような原因でモード跳びが生じることも判明した。先ず、駆動電流が適切な範囲にある場合には活性領域１０１２の屈折率が安定しているのに対し、活性領域１０１２への電流注入を継続すると、活性領域１０１２の温度が上昇する。このため、活性領域１０１２のブラッグ波長が長波側にシフトする。その一方で、分布反射鏡領域１０１３には電流が注入されないため、その反射波長帯域は変化しない。この結果、ブラッグ波長が分布反射鏡領域１０１３の有効反射帯域から外れてしまう。この変化を図５に示す。図５（ａ）及び（ｂ）は活性領域１０１２の温度上昇前の状態を示しており、図５（ｃ）及び（ｄ）は活性領域１０１２の温度上昇後の状態を示している。そして、上記のようにブラッグ波長が有効反射帯域から外れるようになると、つまり、主モード１０１５（ブラッグモード）の発振しきい値が増大して分布反射鏡領域１０１３の反射スペクトル１０１６の有効反射帯域から外れるようになると、その一方で、活性領域１０１２のストップバンドの短波側の副モード１０１７が反射スペクトル１０１６の有効反射帯域に侵入してくる。この結果、発振しきい値が低下してマルチモード発振が生じてしまう。

従って、単一縦モード発振歩留まりの向上のためには、活性領域１０１２への電流注入に伴う活性領域１０１２の屈折率の低下が生じたとしても、副モードの発振しきい値が低下して発振に至らないようにすることが考えられる。また、活性領域１０１２への電流注入に伴う活性領域１０１２の温度上昇による活性領域１０１２のブラッグ波長の長波化が生じても分布反射鏡領域１０１３の有効反射帯域から外れないようにする、すなわち分布反射鏡領域１０１３の有効反射帯域を拡大することも考えられる。一般的に、分布反射鏡領域１０１３の有効反射帯域はほぼ分布反射鏡領域１０１３の長さに反比例するため、分布反射鏡領域１０１３の長さを短くすれば有効反射帯域は拡大する。しかし、分布反射鏡領域１０１３の長さを短くすると、例えば半分にすると、反射率が半分以下に低下するため、図６に示すように、反射スペクトル１０１６が、低く広い反射スペクトル１０１８に変化し、半導体レーザの発振しきい値の上昇を招く。これを補うために、分布反射鏡領域１０１３内の回折格子１００２の結合係数を２倍程度に増大させることも考えられるが、この場合には、図７に示すように、バッファ層１００３、光ガイド層１００５及びクラッド層１００６の結晶成長時に多数の欠陥が発生し、欠陥増加領域１００９が生じてしまう。この結果、半導体レーザの特性が劣化してしまう。

また、Ｙ分岐導波路と周期が相違する複数の回折格子とを組み合わせることも考えられるが、この構造では、複数の回折格子の間で共振波長の間隔が広い場合には、これら複数の回折格子の共振波長の間の波長に関しては反射の谷間となり、十分な反射率が得られない。また、共振波長の間隔が狭い場合には、比較的高い反射率を得ることは可能であるが、反射帯域が狭く、広い反射帯域を確保するためには、多種の共振波長を有する回折格子が必要となるため、半導体レーザが大きくなってしまう。

本願発明者は、これらの知見に基づいて更に鋭意検討を行った結果、以下に示す実施形態に想到した。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図８は、第１の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。

第１の実施形態に係る半導体レーザは、図８に示すように、活性領域１２１、回折格子結合型方向性結合器（ＧＡＤＣ：grating-assisted directional coupler）領域１２４、分布反射鏡領域１２２及び前端面側分布反射鏡領域１２３に区画されている。また、導光方向において、出力端面側から順に、前端面側分布反射鏡領域１２３、活性領域１２１、ＧＡＤＣ領域１２４、分布反射鏡領域１２２が並んで配列している。例えば、前端面側分布反射鏡領域１２３の長さは２５μｍ、活性領域１２１の長さは１００μｍ、ＧＡＤＣ領域１２４の長さは１００μｍ、分布反射鏡領域１２２の長さは２００μｍである。つまり、前端面側分布反射鏡領域１２３は分布反射鏡領域１２２よりも短い。そして、この半導体レーザには、前端面側分布反射鏡領域１２３、活性領域１２１、ＧＡＤＣ領域１２４及び分布反射鏡領域１２２にわたって連続する主導波路１５１が含まれ、更に、主導波路１５１から離間して配置された副導波路１５２も含まれている。そして、ＧＡＤＣ領域１２４に設けられたＧＡＤＣ１５３により、主導波路１５１と副導波路１５２とが互いに光学的に結合されている。副導波路１５２が１０ｎｍ程度、活性領域１２１内まで延在していてもよい。

主導波路１５１のうちで活性領域１２１、前端面側分布反射鏡領域１２３又はＧＡＤＣ領域１２４に位置する部分には、例えば、周期が１９９．５０５ｎｍの回折格子１３２が設けられており、活性領域１２１の回折格子１３２には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当）のλ／４位相シフト部１３３が含まれている。また、主導波路１５１のうちで分布反射鏡領域１２２に位置する部分には、活性領域１２１、前端面側分布反射鏡領域１２３又はＧＡＤＣ領域１２４に位置する部分と同じ周期の短周期回折格子１３１ａが設けられている。つまり、主導波路１５１には、λ／４位相シフト部１３３を除き、周期Λ₁が、例えば１９９．５０５ｎｍと一定の回折格子が設けられている。一方、副導波路１５２には、主導波路１５１のものよりも周期が長い長周期回折格子１３１ｂが設けられている。長周期回折格子１３１ｂの周期Λ₂は、例えば１９９．８８６ｎｍである。また、回折格子１３２、短周期回折格子１３１ａ及び長周期回折格子１３１ｂの深さは、例えば１００ｎｍである。本実施形態では、主導波路１５１の幅が１μｍ、副導波路１５２の幅が３μｍであり、このため、主導波路１５１に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₁は副導波路１５２に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₂と相違している。そして、ＧＡＤＣ１５３の周期Λ_GADCは「λ₂／（ｎｅｑ₂−ｎｅｑ₁）」となっている。

このような第１の実施形態に係る半導体レーザでは、主導波路１５１の共振波長λ₁は「２ｎｅｑ₁Λ₁」となり、副導波路１５２の共振波長λ₂は「２ｎｅｑ₂Λ₂」となる。そして、半導体レーザの動作時には、以下のようにしてレーザ光が発せられる。

先ず、発振直後においては、図９Ａ（ａ）及び図９Ｂ（ａ）に示すように、その時点の波長で共振波長を有する主導波路１５１を導波する際に主に反射を受ける。この結果、図１０（ａ）に示すように、光は、主として、主モード１６１の発振波長を反射スペクトル１６２の有効反射帯域に備えた主導波路１５１を導波する際に反射を受ける。その後、活性領域１２１（ＤＦＢレーザ部）への注入電流の増加に伴って活性領域１２１の屈折率が増加し発振波長が長波化すると、ＧＡＤＣ１５３と共振し、図９Ａ（ｂ）及び図９Ｂ（ｂ）に示すように、その時点の波長で共振波長を有する副導波路１５２を導波する際に積極的に反射を受けるようになり、活性領域１２１へとフィードバックを行う。つまり、図１０（ｂ）に示すように、光は、主として、主モード１６１の発振波長を反射スペクトル１６３の有効反射帯域に備えた副導波路１５２を導波する際に反射を受ける。このようにして、分布反射鏡領域１２２は活性領域１２１で発生し入力してきた光を活性領域１２１に向けて反射する。図１０中の一点鎖線は活性領域１２１から分布反射鏡領域１２２に向かう光を示し、破線は分布反射鏡領域１２２で反射された光を示す。

従って、本実施形態によれば、広い動作電流の範囲で単一モード発振を維持することができる。また、活性領域１２１への電流注入に伴って活性領域１２１の温度が上昇し、活性領域１２１のブラッグ波長の長波化が生じても、主モード１６１を分布反射鏡領域１２２の有効反射帯域内に維持することができる。すなわち、マルチモード発振及びモード跳びを抑制し良好な単一縦モード発振を維持することが可能となる。また、しきい値までのプラズマ効果による位相周りをキャンセルすることもできる。このため、発振モードがストップバンド内で長波側にシフトすることなく、良好な単一縦モード発振を維持することが可能となる。

なお、反射スペクトル１６２と反射スペクトル１６３との関係は特に限定されないが、反射スペクトル１６２の長波側の反射率が５０％となる波長と、反射スペクトル１６３の短波側の反射率が５０％となる波長とが互いに一致していることが好ましい。これは、主モード１６１の波長が、主導波路１５１の共振波長λ₁又は副導波路１５２の共振波長λ₂とは一致せず、これらの間の波長となっている場合に、主導波路１５１及び副導波路１５２の双方から十分な反射光を得るためである。このような構成となっていれば、例えば、主モード１６１の波長が共振波長λ₁及び共振波長λ₂の平均値となっている場合であっても、図９Ａ（ｃ）、図９Ｂ（ｃ）及び図１０（ｃ）に示すように、主導波路１５１及び副導波路１５２から約半分ずつの反射光を得ることができ、主モード１６１の波長が共振波長λ₁又は共振波長λ₂と一致しているときと同等のフィードバックを得ることができる。なお、反射スペクトル１６２の長波側の反射率が５０％となる波長と、反射スペクトル１６３の短波側の反射率が５０％となる波長とが完全に一致している必要はなく、若干のマージンを考慮して、大凡、反射スペクトル１６２の長波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長と、反射スペクトル１６３の短波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長とが互いに一致していることが好ましい。これら反射スペクトル１６２及び１６３の重なりが小さい場合には、主モード１６１の波長が共振波長λ₁及び共振波長λ₂の間の波長となっているときに、十分な反射率を得にくい。一方、これら反射スペクトル１６２及び１６３の重なりが大きい場合には、十分な反射率を得やすいが、広い反射帯域を得にくくなる。

このように、本実施形態によれば、発振波長がドリフトしても常にほぼ一定の反射率が得られるようになる。

なお、上述のような効果はＧＡＤＣ１５３が用いられているからこそ得られるのであって、仮に、Ｙ分岐導波路が用いられているだけである場合には、このような効果は得られない。これは、反射光のフィードバックがどちらか一方の反射帯域からしか得られないためである。

次に、第１の実施形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。図１１〜図２２は、第１の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を工程順に示す斜視図である。

先ず、図１１に示すように、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、電子ビーム露光法により電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン株式会社製 ＺＥＰ５２０）を用いて、回折格子マスク１０２を形成する。このとき、回折格子マスク１０２には、短周期回折格子１３１ａ用の回折格子パターン１０２ａ、長周期回折格子１３１ｂ用の回折格子パターン１０２ｂ、及び回折格子１３２用の回折格子パターン１０２ｃを含ませる。また、回折格子パターン１０２ｃには、λ／４位相シフト部１３３に対応するλ／４位相シフト部１０２ｓを含ませる。なお、ＧＡＤＣ領域１２４では、ｎ−ＩｎＰ基板１０１が露出するようにする。

次いで、図１２に示すように、回折格子マスク１０２をエッチングマスクとし、エタン及び水素の混合ガスを用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）により、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の表面に、回折格子１３２、短周期回折格子１３１ａ及び長周期回折格子１３１ｂを形成する。つまり、回折格子マスク１０２の回折格子パターン１０２ａ〜１０２ｃをｎ−ＩｎＰ基板１０１に転写する。

その後、図１３に示すように、回折格子マスク１０２を除去する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層１０３、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ層１０４、量子井戸活性層１０５、及びｐ型不純物がドープされたｐ−ＩｎＰクラッド層１０６を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：metal-organic vapor phase epitaxy）法により形成する。例えば、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層１０３の組成波長は１．２５μｍ、厚さは１２０ｎｍとし、ｎ−ＩｎＰ層１０４の厚さは２０ｎｍとし、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６の厚さは２５０ｎｍとする。また、量子井戸活性層１０５には、例えば、１５層のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層及びその間に介在するアンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層が含まれる。例えば、量子井戸層の厚さは６ｎｍ、圧縮歪量は１．２％とし、バリア層の組成波長は１．０５μｍ、厚さは１０ｎｍとする。また、量子井戸活性層１０５には、これら量子井戸層及びバリア層を上下から挟み込むアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：separated confinement heterostructure）層も含まれる。例えば、ＳＣＨ層の組成波長は１．０５μｍ、厚さは２０ｎｍとする。そして、このような量子井戸活性層１０５の発光波長は１３１０ｎｍである。

次いで、図１４に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６上に、活性領域１２１を覆い、前端面側分布反射鏡領域１２３、ＧＡＤＣ領域１２４及び分布反射鏡領域１２２を露出するマスク１０７を形成する。マスク１０７としては、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。

その後、図１５に示すように、マスク１０７をエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６及び量子井戸活性層１０５をエッチングして、ｎ−ＩｎＰ層１０４の表面を露出する。

続いて、図１６に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ層１０４上に、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９を形成する。このとき、マスク１０７が選択成長マスクとして機能するため、ＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びＩｎＰ層１０９はｎ−ＩｎＰ層１０４上のみに成長する。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８の組成波長は１．１５μｍ、厚さは２５０ｎｍとし、ＩｎＰ層１０９の厚さは２５０ｎｍとする。

次いで、図１７に示すように、マスク１０７を除去する。その後、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０６及びＩｎＰ層１０９上に、Ｚｎをドープしたｐ型のｐ−ＩｎＰクラッド層１１０、及びＺｎをドープしたｐ型のｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１を形成する。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０の厚さは２．５μｍとし、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１の厚さは３００ｎｍとする。

続いて、図１８に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１上に、主導波路１５１を形成する予定の領域を覆う被覆部１１２ａ、及び副導波路１５２を形成する予定の領域を覆う被覆部１１２ｂを備えたマスク１１２を形成する。マスク１１２の形成では、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を被覆部１１２ａ及び１１２ｂとしてストライプ状に形成する。また、例えば、被覆部１１２ａの幅は１μｍ、被覆部１１２ｂの幅は３μｍとし、被覆部１１２ａ及び１１２ｂの間隔は１．５μｍとする。被覆部１１２ａ及び１１２ｂには、ＧＡＤＣ１５３を形成するためのパターンも含める。例えば、ＧＡＤＣ１５３を形成するためのパターンとしては、周期が３７．５μｍ、凹凸の大きさが０．６μｍのパターンを形成する。

次いで、図１９に示すように、マスク１１２をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上の化合物半導体層をエッチングする。このとき、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の表面も０．７μｍ程度、掘り込むようにする。この結果、被覆部１１２ａ下方のメサ構造１４１ａ、及び被覆部１１２ｂ下方のメサ構造１４１ｂがストライプ状に形成される。

その後、図２０に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に電流狭窄層１１３を形成する。電流狭窄層１１３としては、例えばＦｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰ層を形成する。このとき、マスク１１２が選択成長マスクとして機能するため、電流狭窄層１１３はｎ−ＩｎＰ基板１０１上のみに成長する。

続いて、図２１に示すように、マスク１１２を除去する。マスク１１２は、例えばふっ酸で除去することができる。次いで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１のうちで、活性領域１２１に含まれる部分を残し、他の部分をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する。

その後、図２２に示すように、全面にパッシベーション膜１１４を形成する。パッシベーション膜１１４としては、例えばＳｉＯ₂膜を形成する。続いて、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１を露出する開口部をパッシベーション膜１１４に形成し、この開口部を介してｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１１と接するｐ電極１１５をパッシベーション膜１１４上に形成する。更に、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の裏面にｎ電極１１６を形成する。次いで、前端面側分布反射鏡領域１２３側の端面に反射防止膜１１７を形成し、分布反射鏡領域１２２側の端面に反射防止膜１１８を形成する。

このようにして、第１の実施形態に係る光半導体素子（半導体レーザ）を製造することができる。

なお、図２３に示すように、前端面側分布反射鏡領域１２３が設けられていなくてもよい。前端面側分布反射鏡領域１２３が設けられた構造と設けられていない構造とを比較すると、前者には、フィードバックが増加し、発振しきい値が低下し、高速動作が可能となるという利点があり、後者には、高い光出力が得られるという利点がある。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図２４は、第２の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。

第２の実施形態に係る半導体レーザは、図２４に示すように、活性領域２２１、ＧＡＤＣ領域２２４及び分布反射鏡領域２２２に区画されている。また、導光方向において、出力端面側から順に、活性領域２２１、ＧＡＤＣ領域２２４、分布反射鏡領域２２２が並んで配列している。例えば、活性領域２２１の長さは１５０μｍ、ＧＡＤＣ領域１２４の長さは１００μｍ、分布反射鏡領域２２２の長さは２００μｍである。そして、この半導体レーザには、活性領域２２１、ＧＡＤＣ領域１２４及び分布反射鏡領域２２２にわたって連続する主導波路２５１が含まれ、更に、主導波路２５１から離間して配置された副導波路２５２も含まれている。そして、ＧＡＤＣ領域２２４に設けられたＧＡＤＣ２５３により、主導波路２５１と副導波路２５２とが互いに光学的に結合されている。

主導波路２５１のうちで活性領域２２１に位置する部分には、例えば、周期Λ₁が２３６．０５５ｎｍの回折格子２３２が設けられている。また、主導波路２５１のうちで分布反射鏡領域２２２に位置する部分には、活性領域２２１に位置する部分よりも周期が長い長周期回折格子２３１ｂが設けられている。長周期回折格子２３１ｂの周期Λ₂は、例えば２３６．４３６ｎｍである。一方、副導波路２５２には、主導波路２５１のうちで活性領域２２１に位置する部分と同じ周期の短周期回折格子２３１ａが設けられている。また、回折格子２３２、短周期回折格子２３１ａ及び長周期回折格子２３１ｂの深さは、例えば１００ｎｍである。本実施形態では、主導波路２５１の幅が１．５μｍ、副導波路２５２の幅が４μｍであり、このため、主導波路２５１に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₁は副導波路２５２に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₂と相違している。そして、ＧＡＤＣ２５３の周期Λ_GADCは「λ₂／（ｎｅｑ₂−ｎｅｑ₁）」となっている。

このような第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、第２の実施形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。図２５〜図３６は、第２の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を工程順に示す斜視図である。

先ず、図２５に示すように、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、電子ビーム露光法により電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン株式会社製 ＺＥＰ５２０）を用いて、回折格子マスク２０２を形成する。このとき、回折格子マスク２０２には、短周期回折格子２３１ａ用の回折格子パターン２０２ａ、長周期回折格子２３１ｂ用の回折格子パターン２０２ｂ、及び回折格子２３２用の回折格子パターン２０２ｃを含ませる。なお、ＧＡＤＣ領域２２４では、ｎ−ＩｎＰ基板２０１が露出するようにする。

次いで、図２６に示すように、回折格子マスク２０２をエッチングマスクとし、エタン及び水素の混合ガスを用いたＲＩＥにより、ｎ−ＩｎＰ基板２０１の表面に、回折格子２３２、短周期回折格子２３１ａ及び長周期回折格子２３１ｂを形成する。つまり、回折格子マスク２０２の回折格子パターン２０２ａ〜２０２ｃをｎ−ＩｎＰ基板２０１に転写する。

その後、図２７に示すように、回折格子マスク２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃを除去する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層２０３、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ層２０４、量子井戸活性層２０５、及びｐ型不純物がドープされたｐ−ＩｎＰクラッド層２０６をＭＯＶＰＥ法により形成する。例えば、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層２０３の組成波長は１．３０μｍ、厚さは１２０ｎｍとし、ｎ−ＩｎＰ層２０４の厚さは２０ｎｍとし、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６の厚さは２５０ｎｍとする。また、量子井戸活性層２０５には、例えば、１５層のアンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層及びその間に介在するアンドープＧａＩｎＡｓＰバリア層が含まれる。例えば、量子井戸層の厚さは５．１ｎｍ、圧縮歪量は１．２％とし、バリア層の組成波長は１．２０μｍ、厚さは１０ｎｍとする。また、量子井戸活性層２０５には、これら量子井戸層及びバリア層を上下から挟み込むアンドープＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ層も含まれる。例えば、ＳＣＨ層の組成波長は１．１５μｍ、厚さは２０ｎｍとする。そして、このような量子井戸活性層２０５の発光波長は１５５０ｎｍである。

次いで、図２８に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６上に、活性領域２２１を覆い、ＧＡＤＣ領域１２４及び分布反射鏡領域２２２を露出するマスク２０７を形成する。マスク２０７としては、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。

その後、図２９に示すように、マスク２０７をエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６及び量子井戸活性層２０５をエッチングして、ｎ−ＩｎＰ層２０４の表面を露出する。

続いて、図３０に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ層２０４上に、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９を形成する。このとき、マスク２０７が選択成長マスクとして機能するため、ＧａＩｎＡｓＰ層２０８及びＩｎＰ層２０９はｎ−ＩｎＰ層２０４上のみに成長する。例えば、ＧａＩｎＡｓＰ層２０８の組成波長は１．２５μｍ、厚さは２３０ｎｍとし、ＩｎＰ層２０９の厚さは２５０ｎｍとする。

次いで、図３１に示すように、マスク２０７を除去する。その後、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６及びＩｎＰ層２０９上に、Ｚｎをドープしたｐ型のｐ−ＩｎＰクラッド層２１０、及びＺｎをドープしたｐ型のｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１を形成する。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２１０の厚さは２．５μｍとし、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１の厚さは３００ｎｍとする。

続いて、図３２に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１上に、主導波路２５１を形成する予定の領域を覆う被覆部２１２ａ、及び副導波路２５２を形成する予定の領域を覆う被覆部２１２ｂを備えたマスク２１２を形成する。マスク２１２の形成では、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を被覆部２１２ａ及び２１２ｂとしてストライプ状に形成する。また、例えば、被覆部２１２ａの幅は１．５μｍ、被覆部２１２ｂの幅は４μｍとし、被覆部２１２ａ及び２１２ｂの間隔は１．８μｍとする。被覆部２１２ａ及び２１２ｂには、ＧＡＤＣ２５３を形成するためのパターンも含める。例えば、ＧＡＤＣ２５３を形成するためのパターンとしては、周期が４２．５μｍ、凹凸の大きさが０．６μｍのパターンを形成する。

次いで、図３３に示すように、マスク２１２をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上の化合物半導体層をエッチングする。このとき、ｎ−ＩｎＰ基板２０１の表面も０．７μｍ程度、掘り込むようにする。この結果、被覆部２１２ａ下方のメサ構造２４１ａ、及び被覆部２１２ｂ下方のメサ構造２４１ｂがストライプ状に形成される。

その後、図３４に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に電流狭窄層２１３を形成する。電流狭窄層２１３としては、例えばＦｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰ層を形成する。このとき、マスク２１２が選択成長マスクとして機能するため、電流狭窄層２１３はｎ−ＩｎＰ基板２０１上のみに成長する。

続いて、図３５に示すように、マスク２１２を除去する。マスク２１２ａ及び２１２ｂは、例えばふっ酸で除去することができる。次いで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１のうちで、活性領域２２１に含まれる部分を残し、他の部分をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する。

その後、図３６に示すように、全面にパッシベーション膜２１４を形成する。パッシベーション膜２１４としては、例えばＳｉＯ₂膜を形成する。続いて、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１を露出する開口部をパッシベーション膜２１４に形成し、この開口部を介してｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１１と接するｐ電極２１５をパッシベーション膜１１４上に形成する。更に、ｎ−ＩｎＰ基板２０１の裏面にｎ電極２１６を形成する。次いで、活性領域２２１側の端面に反射防止膜２１７を形成し、分布反射鏡領域２２２側の端面に反射防止膜２１８を形成する。

このようにして、第２の実施形態に係る光半導体素子（半導体レーザ）を製造することができる。

なお、図３７に示すように、第１の実施形態と同様に、前端面側分布反射鏡領域２２３が設けられていてもよい。前端面側分布反射鏡領域２２３が設けられた構造と設けられていない構造とを比較すると、前者には、フィードバックが増加し、発振しきい値が低下し、高速動作が可能となるという利点があり、後者には、高い光出力が得られるという利点がある。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図３８は、第３の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。

第３の実施形態に係る半導体レーザは、図３８に示すように、活性領域３２１、ＧＡＤＣ領域３２４、分布反射鏡領域３２２及び前端面側分布反射鏡領域３２３に区画されている。また、導光方向において、出力端面側から順に、前端面側分布反射鏡領域３２３、活性領域３２１、ＧＡＤＣ領域３２４、分布反射鏡領域３２２が並んで配列している。例えば、前端面側分布反射鏡領域３２３の長さは２５μｍ、活性領域３２１の長さは１００μｍ、ＧＡＤＣ領域１２４の長さは１００μｍ、分布反射鏡領域３２２の長さは２００μｍである。つまり、前端面側分布反射鏡領域３２３は分布反射鏡領域３２２よりも短い。そして、この半導体レーザには、前端面側分布反射鏡領域３２３、活性領域３２１及び分布反射鏡領域３２２にわたって連続する主導波路３５１が含まれ、更に、主導波路３５１から離間して配置された副導波路３５２も含まれている。そして、ＧＡＤＣ領域３２４に設けられたＧＡＤＣ３５３により、主導波路３５１と副導波路３５２とが互いに光学的に結合されている。第１の実施形態及び第２の実施形態では、副導波路１５２又は２５２が主導波路１５１又は２５１と同一面内に位置しているのに対し、第３の実施形態では、副導波路３５２が主導波路３５１の上方に位置している。

主導波路３５１のうちで活性領域３２１、前端面側分布反射鏡領域３２３又はＧＡＤＣ領域３２４に位置する部分には、例えば、周期が１９９．５０５ｎｍの回折格子３３２が設けられており、活性領域３２１の回折格子３３２には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当）のλ／４位相シフト部３３３が含まれている。また、主導波路３５１のうちで分布反射鏡領域３２２に位置する部分には、活性領域３２１、前端面側分布反射鏡領域３２３又はＧＡＤＣ領域３２４に位置する部分と同じ周期の短周期回折格子３３１ａが設けられている。つまり、主導波路３５１には、λ／４位相シフト部３３３を除き、周期Λ₁が、例えば１９９．５０５ｎｍと一定の回折格子が設けられている。一方、副導波路３５２には、主導波路３５１のものよりも周期が長い長周期回折格子３３１ｂが設けられている。長周期回折格子３３１ｂの周期Λ₂は、例えば１９９．８８６ｎｍである。また、回折格子３３２、短周期回折格子３３１ａ及び長周期回折格子３３１ｂの深さは、例えば１００ｎｍである。本実施形態では、詳細は後述するが、主導波路３５１に含まれる化合物半導体層と副導波路３５２に含まれる化合物半導体層とが相違しており、このため、主導波路３５１に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₁は副導波路３５２に含まれる活性層の等価屈折率ｎｅｑ₂と相違している。そして、ＧＡＤＣ３５３の周期Λ_GADCは「λ₂／（ｎｅｑ₂−ｎｅｑ₁）」となっている。

このような第３の実施形態によっても第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、第３の実施形態に係る光半導体素子（半導体レーザ）の製造方法について説明する。図３９〜図５６は、第３の実施形態に係る光半導体素子の製造方法を工程順に示す斜視図である。

先ず、図３９に示すように、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ基板３０１上に、電子ビーム露光法により電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン株式会社製 ＺＥＰ５２０）を用いて、回折格子マスク３０２を形成する。このとき、回折格子マスク３０２には、短周期回折格子３３１ａ用の回折格子パターン３０２ａ、及び回折格子３３２用の回折格子パターン３０２ｃを含ませる。また、回折格子パターン３０２ｃには、λ／４位相シフト部３３３に対応するλ／４位相シフト部３０２ｓを含ませる。

次いで、図４０に示すように、回折格子マスク３０２をエッチングマスクとし、エタン及び水素の混合ガスを用いたＲＩＥにより、ｎ−ＩｎＰ基板３０１の表面に、回折格子３３２及び短周期回折格子３３１ａを形成する。つまり、回折格子マスク３０２の回折格子パターン３０２ａ及び３０２ｃをｎ−ＩｎＰ基板３０１に転写する。

その後、図４１に示すように、回折格子マスク３０２を除去する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３０３、ｎ型不純物がドープされたｎ−ＩｎＰ層３０４、量子井戸活性層３０５、及びｐ型不純物がドープされたｐ−ＩｎＰクラッド層３０６をＭＯＶＰＥ法により形成する。例えば、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３０３の組成波長は１．２５μｍ、厚さは１２０ｎｍとし、ｎ−ＩｎＰ層３０４の厚さは２０ｎｍとし、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６の厚さは２５０ｎｍとする。また、量子井戸活性層３０５には、例えば、１５層のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層及びその間に介在するアンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層が含まれる。例えば、量子井戸層の厚さは６ｎｍ、圧縮歪量は１．２％とし、バリア層の組成波長は１．０５μｍ、厚さは１０ｎｍとする。また、量子井戸活性層３０５には、これら量子井戸層及びバリア層を上下から挟み込むアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ ＳＣＨ層も含まれる。例えば、ＳＣＨ層の組成波長は１．０５μｍ、厚さは２０ｎｍとする。そして、このような量子井戸活性層３０５の発光波長は１３１０ｎｍである。

次いで、図４２に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６上に、活性領域３２１を覆い、前端面側分布反射鏡領域３２３、ＧＡＤＣ領域３２４及び分布反射鏡領域３２２を露出するマスク３０７を形成する。マスク３０７としては、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。

その後、図４３に示すように、マスク３０７をエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６及び量子井戸活性層３０５をエッチングして、ｎ−ＩｎＰ層３０４の表面を露出する。

続いて、図４４に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ層３０４上に、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層３０８及びアンドープＩｎＰ層３０９を形成する。このとき、マスク３０７が選択成長マスクとして機能するため、ＡｌＧａＩｎＡｓ層３０８及びＩｎＰ層３０９はｎ−ＩｎＰ層３０４上のみに成長する。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ層３０８の組成波長は１．１５μｍ、厚さは２５０ｎｍとし、ＩｎＰ層３０９の厚さは２５０ｎｍとする。

次いで、図４５に示すように、マスク３０７を除去する。その後、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６及びＩｎＰ層３０９上に、ｐ型不純物がドープされたｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０を形成する。例えば、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０の組成波長は１．２５μｍ、厚さは１２０ｎｍとする。

その後、図４６に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０上に、活性領域３２１及び前端面側分布反射鏡領域３２３を露出し、ＧＡＤＣ領域３２４及び分布反射鏡領域３２２を覆うマスク３１１を形成する。マスク３１１としては、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。

続いて、図４７に示すように、マスク３１１をエッチングマスクとして、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０をエッチングして、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６及びＩｎＰ層３０９の表面を露出する。

次いで、図４８に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０６及びＩｎＰ層３０９上に、ｐ型不純物がドープされたｐ−ＩｎＰ層３１２を形成する。このとき、マスク３１１が選択成長マスクとして機能するため、ｐ−ＩｎＰ層３１２はｐ−ＩｎＰクラッド層３０６及びＩｎＰ層３０９上のみに成長する。例えば、ｐ−ＩｎＰ層３１２の厚さは１２０ｎｍとする。

その後、図４９に示すように、マスク３１１を除去する。続いて、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０及びｐ−ＩｎＰ層３１２上に、電子ビーム露光法により電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン株式会社製 ＺＥＰ５２０）を用いて、回折格子マスク３１３を形成する。このとき、回折格子マスク３１３には、長周期回折格子３３１ｂ用の回折格子パターン３１３ａ、ＧＡＤＣ３５３用の回折格子パターン３１３ｂ、並びに活性領域３２１及び前端面側分布反射鏡領域３２３を覆う被覆部３１３ｃを含ませる。

続いて、図５０に示すように、回折格子マスク３１３をエッチングマスクとし、エタン及び水素の混合ガスを用いたＲＩＥにより、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０の表面に、長周期回折格子３３１ｂ及びＧＡＤＣ１５３を形成する。つまり、回折格子マスク３１３の回折格子パターン３１３ａ及び３１３ｂをｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０及びｐ−ＩｎＰ層３１２に転写する。

次いで、図５１に示すように、回折格子マスク３１３を除去する。その後、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３１０及びｐ−ＩｎＰ層３１２上に、Ｚｎをドープしたｐ型のｐ−ＩｎＰクラッド層３１４、及びＺｎをドープしたｐ型のｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５を形成する。例えば、ｐ−ＩｎＰクラッド層３１４の厚さは２．５μｍとし、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５の厚さは３００ｎｍとする。

続いて、図５２に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５上に、主導波路３５１及び副導波路３５２を形成する予定の領域を覆うマスク３１６をストライプ状に形成する。マスク３１６としては、例えば、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィにより厚さが４００ｎｍ、幅が１．５μｍのＳｉＯ₂膜を形成する。

次いで、図５３に示すように、マスク３１６をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、ｎ−ＩｎＰ基板３０１上の化合物半導体層をエッチングする。このとき、ｎ−ＩｎＰ基板３０１の表面も０．７μｍ程度、掘り込むようにする。この結果、マスク３１６下方のメサ構造３４１がストライプ状に形成される。

その後、図５４に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰ基板３０１上に電流狭窄層３１７を形成する。電流狭窄層３１７としては、例えばＦｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰ層を形成する。このとき、マスク３１６が選択成長マスクとして機能するため、電流狭窄層３１７はｎ−ＩｎＰ基板３０１上のみに成長する。

続いて、図５５に示すように、マスク３１６を除去する。マスク３１６は、例えばふっ酸で除去することができる。次いで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５のうちで、活性領域３２１に含まれる部分を残し、他の部分をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する。

その後、図５６に示すように、全面にパッシベーション膜３１８を形成する。パッシベーション膜３１８としては、例えばＳｉＯ₂膜を形成する。続いて、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５を露出する開口部をパッシベーション膜３１８に形成し、この開口部を介してｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３１５と接するｐ電極３１９をパッシベーション膜３１８上に形成する。更に、ｎ−ＩｎＰ基板３０１の裏面にｎ電極３２０を形成する。次いで、前端面側分布反射鏡領域３２３側の端面に反射防止膜３４２を形成し、分布反射鏡領域３２２側の端面に反射防止膜３４３を形成する。

このようにして、第３の実施形態に係る光半導体素子（半導体レーザ）を製造することができる。

なお、図５７に示すように、前端面側分布反射鏡領域３２３が設けられていなくてもよい。前端面側分布反射鏡領域３２３が設けられた構造と設けられていない構造とを比較すると、前者には、フィードバックが増加し、発振しきい値が低下し、高速動作が可能となるという利点があり、後者には、高い光出力が得られるという利点がある。

本願発明者が、これら実施形態の半導体レーザの特性について検証を行ったところ、いずれの実施形態においても、発振しきい値でのモード跳びが生じず、少なくとも１５０ｍＡの駆動電流までではモード跳びが生じず、安定して単一縦モード動作が得られた。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態のいずれかの半導体レーザを含む光半導体モジュールに関する。図５８は、第４の実施形態に係る光半導体モジュールの構成を示す図である。

本実施形態に係る光半導体モジュールでは、図５８に示すように、第１〜第３の実施形態のいずれかの半導体レーザ４３１が、一対のリードピン４３６及び一対のリードピン４３７を有する同軸型のパッケージ４３３に搭載されている。また、バックモニタ用の受光素子４３２が、半導体レーザ４３１の後端面側に設置されている。一対のリードピン４３６は半導体レーザ４３１に接続され、一対のリードピン４３７は受光素子４３２に接続されている。そして、リードピン（端子）４３６は、半導体レーザ４３１を駆動する電気信号源に接続される。一方、リードピン４３７は、半導体レーザ４３１の出力を監視するモニタ装置に接続される。また、半導体レーザ４３１の前端面から出射されたレーザ光４３１Ｌを集光して、光ファイバに入射させるレンズ４３５が、キャップ４３４に設けられている。ここで、レンズ４３５は、半導体レーザ４３１が出射する信号光を出力する光出力ポートとして機能する。

なお、半導体レーザを構成する材料は上記のものに限定されない。例えば、第１の実施形態及び第３の実施形態では、量子井戸活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体が用いられ、第２の実施形態ではＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体が用いられているが、第１の実施形態及び第３の実施形態においてＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体が用いられてもよく、第２の実施形態においてＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体が用いられてもよい。また、活性層に量子井戸に代えてバルク型の半導体が用いられてもよい。また、各半導体の導電型が上記の実施形態と逆導電型となっていてもよい。例えば、ｐ型の導電性基板が用いられ、各化合物半導体層の導電型が逆導電型となっていてもよい。更に、基板として、半絶縁性の基板、例えばシリコン基板が用いられ、貼り合わせの方法で作製してもよい。

また、上記の実施形態では半絶縁性材料を用いた電流狭窄構造が採用されているが、いずれにおいても、ｐｎｐｎサイリスタ構造の電流狭窄構造が採用されてもよい。更に、上記の実施形態では埋め込み型の導波路が用いられているが、リッジ型導波路等の他の構造の導波路が用いられてもよい。

また、上記の実施形態では表面回折格子が採用されているが、埋め込み型の回折格子が採用されてもよい。更に、上記の実施形態では活性層に対して基板側に回折格子が装荷されているが、基板と反対側に回折格子が装荷されていてもよい。また、位相シフト部の位置は活性領域の中央に限られるものではなく、活性領域内であれば設計の範囲内で活性領域の中央以外の位置に配置することも可能である。そして、上記の実施形態では活性領域と分布反射鏡領域との間で結合係数の値は同じであるが、これらが互いに相違していてもよい。位相シフト部による位相シフト量はλ／４に限定されず、設計の範囲内で任意の値で構わない。また、第２の実施形態のように位相シフト部がなくてもよい。

また、上記の実施形態では、分布反射鏡領域内の回折格子のうちで、周期が活性領域内の回折格子の周期と相違するものが、活性領域内の回折格子の周期よりも長周期の回折格子であるが、回折格子の結合係数及び分布反射鏡領域、並びに主導波路及び副導波路の伝搬定数の組み合わせによっては、短周期の回折格子であってもよい。分布反射鏡領域の反射帯域は回折格子の結合係数及び分布反射鏡領域に依存し、かつその反射スペクトルの中心波長は主導波路及び副導波路の伝搬定数によって決定される。このため、回折格子の結合係数及び分布反射鏡領域、並びに主導波路及び副導波路の伝搬定数の組み合わせによっては、短周期の回折格子の方が、２つの反射スペクトルの有効な重ね合わせの実現に好ましいことがある。

また、第３の実施形態において、副導波路が主導波路よりも基板側に位置していてもよい。また、第２の実施形態と同様に、主導波路に設けられた回折格子のうちで分布反射鏡領域に位置する部分の周期が活性領域に位置する部分よりも長く、かつ副導波路に設けられた回折格子の周期が主導波路に設けられた回折格子のうちで活性領域に位置する部分の周期とほぼ同等となっていてもよい。

また、上記の実施形態では、ＧＡＤＣが副導波路側に形成されているが、ＧＡＤＣが主導波路側に形成されていてもよい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
回折格子を装荷した活性領域と、
互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域と、
前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器と、
を有することを特徴とする半導体レーザ。

（付記２）
前記二つの導波路の間では、一方の導波路の反射スペクトルの長波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長と、他方の導波路の反射スペクトルの短波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長とが互いに一致してい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）
前記複二つの導波路が基板の表面に関して互いに同一の面内に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の半導体レーザ。

（付記４）
前記二つの導波路が基板の表面に関して垂直方向に位置することを特徴とする付記１又は２に記載の半導体レーザ。

（付記５）
両端面に形成された反射防止膜を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記６）
前記活性領域を基準として前記分布反射鏡領域とは逆側に設けられ、前記分布反射鏡領域よりも短い前端面側分布反射鏡領域を有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記７）
前記二つの導波路の一方が前記活性領域の導波路と連続し、
当該一方の導波路の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致していることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記８）
前記二つの導波路の一方が前記活性領域の導波路と連続し、
他方の導波路の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致していることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記９）
前記活性領域及び前記分布反射鏡領域は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体又はＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体の活性層を有することを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記１０）
前記活性領域は、位相シフト部を有することを特徴とする付記１乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記１１）
基板上方に回折格子を装荷した活性領域を形成する工程と、
前記基板上方に、互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域を形成する工程と、
前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。

（付記１２）
前記二つの導波路の間では、一方の導波路の反射スペクトルの長波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長と、他方の導波路の反射スペクトルの短波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長とを互いに一致させることを特徴とする付記１１に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１３）
前記二つの導波路を前記基板の表面に関して互いに同一の面内に位置させることを特徴とする付記１１又は１２に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１４）
前記二つの導波路を前記基板の表面に関して垂直方向に位置させることを特徴とする付記１１又は１２に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１５）
両端面に反射防止膜を形成する工程を有することを特徴とする付記１１乃至１４のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１６）
前記活性領域を基準として前記分布反射鏡領域とは逆側に、前記分布反射鏡領域よりも短い前端面側分布反射鏡領域を形成する工程を有することを特徴とする付記１１乃至１５のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１７）
前記二つの導波路の一方を前記活性領域の導波路と連続させ、
当該一方の導波路の回折格子の周期を前記活性領域の導波路の周期と一致させることを特徴とする付記１１乃至１６のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１８）
前記二つの導波路の一方を前記活性領域の導波路と連続させ、
他方の導波路の回折格子の周期を前記活性領域の導波路の周期と一致させることを特徴とする付記１１乃至１６のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記１９）
前記活性領域を形成する工程及び前記分布反射鏡領域を形成する工程は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体又はＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体の活性層を形成する工程を有することを特徴とする付記１１乃至１８のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

（付記２０）
前記活性領域を形成する工程は、位相シフト部を形成する工程を有することを特徴とする付記１１乃至１９のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。

１２１、２２１、３２１：活性領域
１２２、２２２、３２２：分布反射鏡領域
１２３、２２３、３２３：前端面反射鏡領域
１２４、２２４、３２４：回折格子結合型方向性結合器（ＧＡＤＣ）領域
１３１ａ、２３１ａ、３３１ａ：短周期回折格子
１３１ｂ、２３１ｂ、３３１ｂ：長周期回折格子
１３２、２３２、３３２：回折格子
１３３、３３３：λ／４位相シフト部
１５１、２５１、３５１：主導波路
１５２、２５２、３５２：副導波路
１５３、２５３、３５３：ＧＡＤＣ

Claims (10)

1. 回折格子を装荷した活性領域と、
   互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域と、
   前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器と、
   を有し、
   前記二つの導波路のうち一方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致し、他方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期とは異なり、
   前記回折格子型方向性結合器の周期は、前記二つの導波路の活性層の等価屈折率のうち大きい方をｎｅｑ ₂ 、小さい方をｎｅｑ ₁ 、活性層の等価屈折率がｎｅｑ ₂ の導波路の共振波長をλ ₂ としたとき、λ ₂ ／（ｎｅｑ ₂ −ｎｅｑ ₁ ）であることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記二つの導波路の間では、一方の導波路の反射スペクトルの長波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長と、他方の導波路の反射スペクトルの短波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長とが互いに一致していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記二つの導波路が基板の表面に関して互いに同一の面内に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
4. 前記二つの導波路が基板の表面に関して垂直方向に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
5. 両端面に形成された反射防止膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
6. 前記活性領域を基準として前記分布反射鏡領域とは逆側に設けられ、前記分布反射鏡領域よりも短い前端面側分布反射鏡領域を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
7. 前記二つの導波路のうち前記活性領域の導波路の周期と一致する周期の回折格子を備えた導波路が前記活性領域の導波路と連続し、
   他方の導波路の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期より長いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
8. 前記二つの導波路のうち前記活性領域の導波路の周期とは異なる周期の回折格子を備えた導波路が前記活性領域の導波路と連続し、
   当該導波路の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期より長いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
9. 基板上方に回折格子を装荷した活性領域を形成する工程と、
   前記基板上方に、互いに周期が異なる回折格子を備えた二つの導波路を含み、前記活性領域で発生し入力してきた光を前記活性領域に向けて反射する分布反射鏡領域を形成する工程と、
   前記活性領域と前記分布反射鏡領域との間に設けられ、前記二つの導波路と前記活性領域内の導波路とを結合する回折格子型方向性結合器を形成する工程と、
   を有し、
   前記二つの導波路のうち一方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期と一致し、他方の回折格子の周期が前記活性領域の導波路の周期とは異なり、
   前記回折格子型方向性結合器の周期は、前記二つの導波路の活性層の等価屈折率のうち大きい方をｎｅｑ ₂ 、小さい方をｎｅｑ ₁ 、活性層の等価屈折率がｎｅｑ ₂ の導波路の共振波長をλ ₂ としたとき、λ ₂ ／（ｎｅｑ ₂ −ｎｅｑ ₁ ）であることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
10. 前記二つの導波路の間では、一方の導波路の反射スペクトルの長波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長と、他方の導波路の反射スペクトルの短波側の反射率が４０％〜６０％の範囲内にある波長とを互いに一致させることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザの製造方法。

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