JP6807643B2 - 分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子に関する。
従来、半導体レーザ素子として、ファブリ・ペロー共振器を用いたファブリ・ペロー型レーザ素子（ＦＰレーザ素子）が知られている。このＦＰレーザ素子は、発振モードの安定性が低いため、改良した半導体レーザ素子として、ＤＦＢ半導体レ−ザ素子が提案されている。ＤＦＢ半導体レ−ザ素子では、共振器内部に回折格子が設けられており、この回折格子によって選択される波長成分のレーザ光が増幅される。
特許文献１に記載のＤＦＢ半導体レ−ザ素子は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する活性層において、厚みの異なる井戸層間に障壁層を配置しており、これらの層は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。
特許文献２に記載のＩｎＧａＡｓＰ系のＤＦＢ半導体レ−ザ素子においては、動作温度を変えると、半導体のバンドギャップエネルギ−の温度依存性から利得ピ−クが変動し、半導体の屈折率の温度依存性からブラッグ波長が変動する問題が指摘されている。そこで、特許文献２においては、異なる厚みの量子井戸層を交互に配置し、それぞれの厚みの量子井戸層群に対応した複数の利得スペクトルを設定することで、光学利得ピーク波長の温度依存性を低減させている。
特許文献３に記載のＩｎＧａＡｓＰ系のＤＦＢ半導体レ−ザ素子においても、同様に、複数の量子井戸層の膜厚を変化させ、回折格子に近づくほど、これらの井戸層の膜厚を大きくして、発光波長を長くしており、光学利得ピーク波長の温度依存性を低減させている。
特開平９−２８３８３７号公報 特許第２６４７０１８号公報 特開平７−２４９８２９号公報
K. Sakai, et al., "Coupled-WaveTheory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization," IEEEJ. Quantum Electon. 46, pp.788-795 (2010). K. Hirose, et al., "Watt-classhigh-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers," Nature Photon.8, pp. 406-411 (2014).
しかしながら、産業界では、従来からの複数の量子井戸層を有するＤＦＢ半導体レ−ザ素子を、更に小型化することが期待されている。すなわち、ＤＦＢ半導体レ−ザ素子の共振器長を短くすることで、素子サイズを小さくすることができるが、単純に共振器長Ｌを小さくした場合、共振器内に均一にモードが分布しなくなり、十分な強度の発光が確保できなくなる。通常の1次元ＤＦＢ半導体レーザでは、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬ≒１〜３程度に設定すると、共振器内に均一にモードを分布させることが出来ることが知られている。そのため、共振器の小型化には結合係数κの増大が必要となる。結合係数κは回折格子部の光閉じ込め係数Γｇに比例するため、光閉じ込め係数Γｇを増加させることで、発光強度を適切な値に維持できると考えられる。このとき、ＤＦＢ半導体レ−ザ素子の回折格子層近傍の屈折率を活性層よりも高く設定すれば、相対的に光閉じ込め係数Γｇが高くなる。しかしながら、光電界強度分布のピーク位置は、活性層から、回折格子層の位置に近くなる。したがって、光電界強度分布における変化が急峻な領域内に、活性層が位置し、温度変化等による光電界強度分布の変化に対して、光出力が不安定となる。
したがって、ＤＦＢ半導体レ−ザ素子を小型化する場合には、従来の方法では、温度依存性が大きなままである。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ＤＦＢ半導体レ−ザ素子を小型化した場合において、温度依存性を小さくできる分布帰還型レーザ素子を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子は、厚さの異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層と、前記活性層と光学的に結合し、２次元周期構造を有するフォトニック結晶を構成する回折格子層と、前記活性層及び前記回折格子層を挟む一対のクラッド層であって、これらのクラッド層の一方に設けられた電極の開口からレーザ光が出射する該クラッド層と、を備えた面発光型の分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記クラッド層に挟まれる領域をコア層と規定したとき、前記回折格子層は、前記コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、前記活性層よりも前記回折格子層側に光電界強度のピークが位置し、前記活性層は前記回折格子層から離間し、前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の厚みは、前記回折格子層から離れるほど、厚くなることを特徴とする。
なお、コア層の平均屈折率（または平均誘電率）は、より具体的には、例えば、コア層内の層に、Ｐ型のクラッド層の方から順番を付けて、１，２、・・・、ｍ（ｍは自然数）とした場合、これらの順番の層に対して、それぞれ以下のようにパラメータを設定する。
・誘電率：ε１、ε２、・・・εｍ
・屈折率：Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｍ
・膜厚：Ｗ１、Ｗ２、・・・Ｗｍ
このとき、平均誘電率（屈折率の二乗）εａｖｅは、各層の誘電率の体積当たりの平均となり、次式で表わす。
Figure 0006807643
この平均誘電率の平方根を取ることで、平均屈折率Ｎａｖｅを下記の式で定める。
Figure 0006807643
すなわち、本発明では、回折格子層の屈折率を高めることにより、光閉じ込め係数Γを高めると共に、これによって生じる不具合、すなわち、回折格子層からの距離が離れるほどに、井戸層の厚みを大きくし、活性層内の位置に伴って、光電界強度が急激に低下する点を補う構成とした。
すなわち、井戸層の厚みは、回折格子層から離れるほど、厚くなるので、各井戸層内におけるそれぞれの光閉じ込め係数Γqwが均一化し、各波長の井戸層に対応する利得スペクトルが安定化する。複数の井戸層に対応して、異なるピーク波長を有する安定した利得スペクトルが、発生するため、温度変化が生じても、いずれかの利得スペクトルと、回折格子層の選択する波長（エネルギーバンド端波長）を含む選択スペクトルが一致し、これらのスペクトルの重なりによって生じる発光スペクトルの温度依存性も小さくすることができる。
また、第２の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記回折格子層と前記井戸層の間に、前記コア層を伝播する光に対するモード等価屈折率よりも屈折率の高い層を１層以上含むことを特徴とする。
第３の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、前記回折格子層から離れるほど、小さくなる、ことを特徴とする。
第４の分布帰還型半導体レーザ素子においては、Ｎを自然数とし、複数の前記井戸層のうち、前記回折格子層に近い方から数えてＮ番目の井戸層の厚みをｄ（Ｎ）とし、前記Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数Γ（Ｎ）とした場合、Γ（Ｎ）の相対的な変化が１０％以下であることを特徴とする。
分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記回折格子層が１次元の場合、回折格子層の結合係数κが以下の関係式：２０ｃｍ−１≦κ≦１０００ｃｍ−１を満たすことができる。
上記の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記回折格子層が２次元の回折格子層である。
第５の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記回折格子層は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなり、基本層と、前記基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、を備え、前記異屈折率領域は、前記基本層に垂直な方向から見た平面視において、０度と１８０度の角度位置を結ぶ横線と、９０度と２７０度の角度位置を結ぶ縦線とからなる正方格子の格子点位置に配置され、前記回折格子層は２次元の正方格子回折格子層を構成し、９０度方向への結合係数κ１と、１８０度方向への結合係数κ３とは、以下の関係式：１００ｃｍ−１≦κ１≦５０００ｃｍ−１、５０ｃｍ−１≦κ３≦５０００ｃｍ−１を満たし、厚みの方向に単一モードのレーザ光が発生することを特徴とする。
第６の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記活性層は、前記井戸層間に障壁層を備えており、前記障壁層のバンドギャップエネルギーは、前記クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定され、前記井戸層のバンドギャップエネルギーは、前記障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定されることを特徴とする。
第７の分布帰還型半導体レーザ素子においては、前記活性層と前記回折格子層との間に、これらの間のキャリアの移動を抑制するキャリア障壁層を備えることを特徴とする。
第８の分布帰還型半導体レーザ素子においては、材料の異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層と、前記活性層と光学的に結合し、２次元周期構造を有するフォトニック結晶を構成する回折格子層と、前記活性層及び前記回折格子層を挟む一対のクラッド層であって、これらのクラッド層の一方に設けられた電極の開口からレーザ光が出射する当該クラッド層と、を備えた面発光型の分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記クラッド層に挟まれる領域をコア層と規定したとき、前記回折格子層は、前記コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、前記活性層よりも前記回折格子層側に光電界強度のピークが位置し、前記活性層は前記回折格子層から離間し、前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、前記回折格子層から離れるほど、小さくなることを特徴とする。
本発明のＤＦＢ半導体レーザ素子によれば、小型化した場合においても、温度依存性を小さくすることができる。
ＤＦＢ半導体レーザ素子の斜視図である。 回折格子層の斜視図である。 Ｚ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ａ）と、活性層近傍のＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるエネルギーバンド図（Ａ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるＺ軸方向位置と屈折率ｎとの関係を示すグラフ（Ａ）、Ｚ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ｂ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｃ）である。 別の屈折率分布構造を有するＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるＺ軸方向位置と屈折率ｎとの関係を示すグラフ（Ａ）、（Ｂ）である。 井戸層の深さを変えたＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるエネルギーバンド図（Ａ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。 ４つの井戸層を備えたＤＦＢ半導体レーザ素子におけるＺ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ａ）と、活性層近傍のＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。 別の構造のＤＦＢ半導体レーザ素子のＸＺ断面構造を示す図（Ａ）、回折格子層の平面構造を示す図（Ｂ）である。 別の構造のＤＦＢ半導体レーザ素子のＸＺ断面構造を示す図（Ａ）、回折格子層の平面構造を示す図（Ｂ）である。 別の構造のＤＦＢ半導体レーザ素子のＸＺ断面構造を示す図（Ａ）と、回折格子層の平面構造を示す図（Ｂ）である。 低温時におけるスペクトルのグラフ（Ａ）と、高温時におけるスペクトルのグラフ（Ｂ）である。 各半導体層の物性を示す図表である。 規格化導波路幅Vと規格化伝搬定数bの分散曲線を示す図である。
以下、実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（１）端面出射型ＤＦＢ半導体レーザ素子
図１は、ＤＦＢ半導体レーザ素子１００の斜視図である。なお、ＸＹＺ三次元直交座標系を設定し、ＤＦＢ半導体レーザ素子１００の厚み方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な２軸をＸ軸及びＹ軸に設定する。レーザ光が、端面から出射する場合は、レーザ光の出射方向は、Ｙ軸に平行となるように設定されている。
このＤＦＢ半導体レーザ素子１００を製造する場合、第１導電型（Ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板１上に、第１導電型（Ｎ型）のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層２、ＡｌＧａＡｓからなる下部光ガイド層３、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ，井戸層ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる上部光ガイド層５、ＧａＡｓからなる回折格子層６（屈折率変調層）を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、結晶成長させる。
次に、回折格子層６の表面に、微細加工技術を用いて、一次元のストライプ構造を形成する。このとき、格子周期Λは、１次の回折格子に対応して、その光学長が、レーザ光の半波長分の長さ（Λ＝λ／２）となるように設定する（図２参照）。すなわち、回折格子層６は、元々、形成された基本層６Ａ（ＧａＡｓ）が、微細加工技術を用いて、ストライプ状に加工され、これらのストライプの隙間内に、基本層６Ａとは異なる屈折率を有する材料、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる異屈折率領域６Ｂを、ＭＯＣＶＤ法により、ストライプ状に埋め込んで成長させたものである。共振器長の方向であるＹ軸に垂直な方向（Ｘ軸方向）に各ストライプが延びている。なお、発光波長としては、例えば、９４０、９８０、１０６０ｎｍ帯などのレーザ光とすることができる。また、高次の回折を利用する場合は、前記格子周期Λの整数倍となるように設定してもよい。
続いて、回折格子層６上に、第２導電型（Ｐ型）のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７、第２導電型（Ｐ型）のＧａＡｓコンタクト層８をＭＯＣＶＤ法により、結晶成長させる。なお、回折格子層６内における異屈折率領域６Ｂの形成工程に連続して上部クラッド層７を形成してもよい。なお、回折格子層６内の異屈折率領域６Ｂとして、空気や不活性ガスを用いることもでき、真空とすることもできる。
上部クラッド層７の幅方向両端の領域は、結晶成長時に成長を制限するようにマスクを設けるか、或いは、結晶成長後にエッチングすることによって、除去される。また、コンタクト層８は、共振器長方向であるＸ軸方向に沿った長細い領域のみが残るように、フォトリソグラフィ技術を用いて、Ｙ軸方向の両側の領域が除去される。これにより、クラッド層７及びコンタクト層８からなるメサ型のストライプ構造が形成される。
続いて、ストライプ構造の露出表面を覆うように、絶縁膜９を形成する。共振器に対応するコンタクト層８上の絶縁膜９をエッチングにより除去して、コンタクト層８を露出させ、コンタクト層８に接するように、上部電極Ｅ２を形成する。一方、半導体基板１の下面上に、下部電極Ｅ１を設ける。下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２の形成法には、蒸着法やスパッタ法を用いることができる。
なお、活性層４と回折格子層６との間に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により、キャリア障壁層ＣＢを形成することができる。キャリア障壁層ＣＢは、活性層４と回折格子層６と間のキャリアの移動を抑制する。本例では、キャリア障壁層ＣＢは、ＡｌＧａＡｓからなり、上部光ガイド層５内に設けられている。キャリア障壁層ＣＢのバンドギャップエネルギーは、上部光ガイド層５よりも大きい。
その後、メサストライプの向きをＹ軸とすると、Ｙ軸方向に間隔１〜３ｍｍ程度の長さに半導体レーザ素子となるチップになるように、化合物半導体基板を劈開し、劈開した端面（光出射面：ＸＺ面）に、図示しない反射防止膜を形成し、光出射面に対向する面に、図示しない高反射膜を形成する。
次に、この半導体レーザ素子の上部に位置する電極Ｅ２を、サブマウント上にハンダ材を用いてマウントし、続いて、サブマウントをベースにハンダ材を用いてダイボンドする。両者のハンダ材にはＩｎ，Ａｕ／Ｓｎなどを用いることができる。そして、下部に位置する電極Ｅ１をＡｕワイヤなどのワイヤボンドによりベース電極と接続することで、電流駆動することができる。以上の工程で、半導体レーザ素子ユニットが形成される。
ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体においては、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーが１．４７ｅＶ，ＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーが２．１６ｅＶであるところ、Ａｌの組成比Ｘを増加させることで、バンドギャップエネルギーが大きくなる。
ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおける各層のＡｌの組成比Ｘは、バンドギャップエネルギーの順番と同一である。また、原子半径の大きなＩｎを結晶構造中に含む場合、バンドギャップエネルギーは小さくなる。Ａｌの組成比Ｘが最も小さいのは、ＧａＡｓからなる半導体基板１及びコンタクト層８であり、Ｘ＝０であるが、若干のＡｌを含んでいてもよい。また、バンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓにＩｎを含んだ方が更に小さくなり、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層のバンドギャップエネルギーが最も小さい。次に、活性層４における障壁層、光ガイド層（下部光ガイド層３及び上部光ガイド層５）、キャリア障壁層ＣＢ、クラッド層（下部クラッド層２及び上部クラッド層７）の順番に、Ａｌ組成比が大きくなる。
なお、一般に、Ａｌ組成比Ｘが増加する、又は、Ｉｎ組成比が減少して、バンドギャップエネルギーが大きくなると、材料の誘電率ε及び屈折率ｎが低下する。レーザ光を層方向に閉じ込めるためには、屈折率ｎを増加させることが好まく、換言すれば、Ａｌの組成比Ｘを下げることが好ましい。回折格子層６においては、基本層はＧａＡｓまたは若干のＡｌを含む材料からなり、コア層の平均屈折率より高い屈折率の領域を含むため、光電界は回折格子層６側に偏る。なお、屈折率は、特に、説明がない限り、波長９８０ｎｍの光に対する屈折率である。
各層の材料は、図１３に示す通りであり、厚みの欄は、好適範囲を示し、括弧内は具体例の値を示している。なお、詳説すると、以下の通りである。
半導体基板１はＧａＡｓからなり、厚みは１５０μｍ、導電型はＮ型、不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。好適な、厚みは、８０μｍ以上３５０μｍ以下、不純物濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
下部クラッド層２は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．７、厚みは、２μｍ、導電型はＮ型、不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．３以上、厚みは１μｍ以上３μｍ以下、不純物濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
下部光ガイド層３は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．１、厚みは、１５０ｎｍ、導電型はＩ型、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．１以上障壁層の組成以下、厚みは、０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。
なお、Ｉ型は不純物濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下のものであることとする。
活性層４における障壁層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．１、厚みは、１０ｎｍ、導電型はＩ型である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．３以上下部クラッド層の組成以下、厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。厚み１０ｎｍ以下では井戸層の相互の量子準位が結合し、複雑な準位形成が起きるため、１０ｎｍ以上離間するとよい。
活性層４における井戸層は、ＩｎＹＧａ１−ＹＡｓからなり、Ｉｎの組成比Ｙは０．１９、厚みは、１０ｎｍ、導電型はＩ型である。好適な、Ｉｎの組成比Ｙは０．１以上０．２５以下、厚みは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。
上部光ガイド層５は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．１、厚みは、１０ｎｍ、導電型はＩ型、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．１以上障壁層の組成以下、厚みは、０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。
る。
キャリア障壁層ＣＢは、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．４、厚みは２５ｎｍ、導電型はＩ型、不純物濃度は１×１０１６以下ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．３以上クラッド層の組成以下、厚みは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。
回折格子層６の基本層６Ａは、ＧａＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０、厚みは、３００ｎｍ、導電型はＩ型、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０以上０．３以下、厚みは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。
回折格子層６の異屈折率領域６Ｂは、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．４、厚みは２００ｎｍ、導電型はＩ型またはＰ型、Ｐ型の場合の不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは３０％以上、厚みは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３以下である。
上部クラッド層７は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０．４、厚みは、２μｍ、導電型はＰ型、不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０．３以上、厚みは、１μｍ以上３μｍ以下、不純物濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である。
コンタクト層８は、ＧａＡｓからなり、Ａｌの組成比Ｘは０、厚みは、２００ｎｍ、導電型はＰ型、不純物濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。好適な、Ａｌの組成比Ｘは０、厚みは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、不純物濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下である。
絶縁膜９には、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）又は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などを用いることができる。
また、下部電極Ｅ１の材料は、半導体基板１の材料が、第１の導電型（Ｎ型）であるため、これとオーミック接触が可能な材料、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕなどの材料を用いることができる。
上部電極Ｅ２の材料は、コンタクト層の材料が、第２の導電型（Ｐ型）であるため、これとオーミック接触が可能な材料、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、又は、Ｃｒ／Ａｕなどの材料を用いることができる。
なお、上述の構造において、活性層４および回折格子層６を含む構成であれば、材料系、膜厚、層は、様々な構成が可能である。また、半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層の成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることが好ましい。上述の結晶成長においては、最初に、半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、ＡｌＧａＡｓを用いた半導体レーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ３（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）などを用いることが出来る。必要に応じて基板表面を被覆する絶縁膜の形成は、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法を用いて形成すればよい。
すなわち、上述の半導体レーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、下部光ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）の活性層４、上部光ガイド層（ＡａＧａＡｓ）５、キャリア障壁層（ＡｌＧａＡｓ）ＣＢ、回折格子層の基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。
次に、レジストを回折格子層の基本層６Ａ上に塗布し、レジスト上に電子ビーム描画装置で1次元又は２次元の微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に回折格子となる１次元又は２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００〜３００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストを除去する。次に、異屈折率領域（ＡｌＧａＡｓ）６Ｂ，上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤ法で形成し、適当な電極材料を蒸着法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法等で形成することができる。なお、電子ビーム描画において、レジストマスクの代わりにＳｉＮやＳｉＯなどのハードマスクを介在させても良い。
また、キャリア障壁層ＣＢは、これを省略することもでき、また、その位置は、上部光ガイド層５内における適当な位置に変更することができる。
図３は、半導体レーザ素子内におけるＺ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ａ）と、活性層近傍のＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。
このとき、活性層４を構成する多重量子井戸構造は、少なくとも２種類以上、本例では３種類の異なる幅を有する井戸層４Ｂを有している。なお、幅の異なる井戸層４Ｂの数は、４つ以上であってもよい。活性層４は、井戸層４Ｂと、井戸層４Ｂに隣接する障壁層４Ａとを備えている。離間した井戸層４Ｂ間の量子準位同士の結合を避けるため、井戸層間の障壁層の幅は、１０ｎｍ以上ある。
また、光電界強度Ｉのピーク位置は、活性層４よりも、回折格子層６の近くに位置している。回折格子層６に近づくに従って、井戸層４Ｂの厚みは薄くなっている。換言すれば、井戸層４Ｂの厚みは、回折格子層６から離れるほど、厚くなっている。井戸層４Ｂの厚みは、回折格子層６から離れるほど、厚くなるので、各井戸層内におけるそれぞれの光閉じ込め係数が均一化し、各波長の井戸層４Ｂに対応する利得スペクトルが安定化する。複数の井戸層４Ｂに対応して、異なるピーク波長を有する安定した利得スペクトルが、発生するため、温度変化が生じても、いずれかの利得スペクトルと、回折格子層６の選択する波長（エネルギーバンド端波長）を含む選択スペクトルが一致し、これらのスペクトルの重なりによって生じる発光スペクトルの温度依存性も小さくすることができる。
図１２は、低温時における模式的なスペクトルのグラフ（Ａ）と、高温時における模式的なスペクトルのグラフ（Ｂ）である。例えば、上記の如く、３つの井戸層４Ｂが存在する場合、井戸層４Ｂのバンドギャップに応じた利得スペクトルの光が発生する。
Ｎを自然数とし、複数の井戸層４Ｂのうち、回折格子層６に近い方から数えてＮ番目の井戸層の厚みをｄ（Ｎ）とする。井戸層４Ｂが３層の場合は、Ｎ＝１，Ｎ＝２、Ｎ＝３であり、それぞれの井戸層からバンド端発光の利得スペクトルが得られる。井戸層４Ｂで発生した光は、回折格子層６に光学的に結合しており、回折格子層６の特性によって特定の選択スペクトルの部分の光が共振し、それによって増幅される。
低温においては、図１２の（Ａ）に示すように、Ｎ＝３（回折格子層から最も遠い位置の井戸層）と、選択スペクトルが重なっているものとすると、この選択スペクトルのレーザ光が得られ、半導体レーザ素子内において、例えば、図３（Ａ）に示したような光電界強度Ｉの分布が得られる。
また、高温（＝低温時の温度＋４０℃とする）においては、図１２の（Ｂ）に示すように、Ｎ＝２（３つのうちの真中の井戸層）と、選択スペクトルが一番大きく重なっているものとすると、この選択スペクトルのレーザ光が得られ、半導体レーザ素子内において、例えば、図３（Ａ）に示したような光電界強度Ｉの分布が得られる。
なお、本例の波長λの移動に関して、利得ピーク波長は、０．３ｎｍ／Ｋで移動し、バンド端波長は０．０７ｎｍ／Ｋで増加する。
ＤＦＢ半導体レーザ素子内の光電界強度Ｉは、コンタクト層８の上部露出表面の位置をＺ（μｍ）＝０μｍとした場合、光電界強度Ｉの最大値を１となるように規格化した場合、活性層４内では、最小二乗法を用いて求められる２次関数で近似することができる。実施例１のＮ番目の井戸層の厚み方向に沿った位置をＤ（Ｎ）、厚みｄ（Ｎ）をとした場合の一例を示す。Ａｌ組成０．４のＡｌＧａＡｓ障壁層内に、Ｉｎ組成０．１９のＩｎＧａＡｓの量子井戸層１０ｎｍを形成すると中心波長は９７８ｎｍ程度となる。このとき、量子井戸層の膜厚を９ｎｍ、１１ｎｍとすると中心波長はそれぞれ９６７ｎｍ、９８７ｎｍと計算され、量子井戸層の膜厚の変化１ｎｍに対しておよそ１０ｎｍ程度の中心波長の変化が生じる。そこで、前記３種類の量子井戸を設ければ、中心波長２０ｎｍ程度の範囲に分布させることが可能となる。このときの配置例（配置例（Ａ）とする）は以下の通りである。
ｄ（１）＝９ｎｍ
Ｄ（１）＝２４４５ｎｍ
ｄ（２）＝１０ｎｍ
Ｄ（２）＝２４９０ｎｍ
ｄ（３）＝１１ｎｍ
Ｄ（３）＝２５１５ｎｍ
このように配置することで、各量子井戸層の光閉じ込め係数を０．０１５５に揃えることが出来る。
井戸層の数が増えた場合、厚みｄ（Ｎ）及び距離Ｄ（Ｎ）は、活性層内の光強度分布Ｉを１次式または、２次式で表わすことが出来、この積分値が等しくなるように設定することで、各量子井戸層の光と閉じ込め係数を揃えることができる。
この関係を満たす場合、発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
また、均一なモード分布を実現出来るとされるκＬ≒１〜３程度の関係から、共振器長を数十〜数百μｍとするためには、一例として２０μｍ〜５００μｍを想定すると、回折格子の結合係数κは、以下の関係式を満たすことが好ましい。
２０ｃｍ−１≦κ≦１０００ｃｍ−１
２次元ＤＦＢ構造では、非特許文献１によると、例えば正方格子型２次元回折格子において、均一なモード分布を得るために、結合係数１．６６＜κ１Ｌ＜１３．２９、０．５＜κ３Ｌ＜４．０の範囲内に設定しており、Ｌ＝１００μｍとすると、１６６ｃｍ−１＜κ１＜１３２９ｃｍ−１，５０ｃｍ−１＜κ３＜４００ｃｍ−１となる。
一方、非特許文献２では、Ｌ＝２００μｍの構造に対して、高次モード間の結合を非特許文献１より２倍程度高くした構造を実現しており、結合係数はさらに高い値とすることでワット級の出力を実現している。以上より、数十〜数百μｍの領域で均一な２次元共振を実現するために、下記の関係式を満たすことが望ましい。
（κ１及びκ３の条件）
・１００ｃｍ−１≦κ１≦５０００ｃｍ−１
・５０ｃｍ−１≦κ３≦５０００ｃｍ−１
このとき、高効率で安定した発振を実現する１次元および２次元ＤＦＢ構造を実現出来、数百μｍ以下の小型化に適した構造を提供することができる。
（例１）また、厚み３００ｎｍの回折格子層６における基本層６Ａ（ＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．５２、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．２５とし、Ｚ軸方向から見た平面視において、異屈折率領域６Ｂの面積の全体面積に対する割合（フィリングファクター：ＦＦ）を５０％とした、上部クラッド層７（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．２５とし、下部クラッド層２（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．１１とし、各１０ｎｍの厚みの３つの井戸層と障壁層を有する活性層４及び上下の光ガイド層の厚みの合計を２００ｎｍとした場合、電磁界コア層の平均屈折率は３．４３８となるが、回折格子層６Ａの基本層の屈折率は３．５２となり、電磁界モードは回折格子層に偏る。なお、後述のＶパラメータは、２．４９３であり、厚み方向のモード数が１つとなるためのＶパラメータのカットオフ値は３．７６１であるため、単一モード発振が保証される。
ＤＦＢ半導体レーザ素子内の光電界強度Ｉは、コンタクト層８の上部露出表面の位置をＺ（μｍ）＝０μｍとした場合、光電界強度Ｉの最大値を１となるように規格化した場合、活性層４内では、最小二乗法を用いて求められる以下の２次関数で近似することができる。
−８．７６６Ｚ２＋４１．３４３Ｚ−４７．７７１＝０
この式を利用して、回折格子層６からエピ厚方向に沿って井戸層厚を９、１０、１１ｎｍと順次厚く設定し直す。量子井戸層の開始位置を（上述の配置例（Ａ））の設定に配置することで、各量子井戸層の光閉じ込め係数０．０１５５程度に揃えることが出来る。
この場合、発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
また、ＤＦＢ半導体レーザ素子内の光電界強度分布のピーク位置は、回折格子層６の重心からの距離が、Ｎ＝１番目の井戸層の重心から距離よりも近くであることが好ましい。
活性層内の光強度は一例として２次関数で近似出来、下記の関係式で表わされる。
Ｉ（Ｚ）＝ＡＺ２＋ＢＺ＋Ｃ
このとき、Ｎ番目の井戸層の開始位置をＺＮ、幅をｄＮとすると、Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数Γ（Ｎ）の一例は、以下の関係式を満たす。
Γ（Ｎ）＝（ＡＺＮ ２＋ＢＺＮ＋Ｃ)ｄＮ ２＋（ＡＺ＋Ｂ／２）ｄＮ＋ＡｄＮ／３
Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数をそろえるように、井戸層の位置および幅を定めると良い。このとき、回折格子層６側に光強度分布が偏っているため、活性層内では回折格子層６から離れるほど、光強度分布は減少する傾向にある。そのため、量子井戸層の幅は、回折格子層６から離れるほど厚くする
上述の条件を満たすことにより、発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
また、活性層４と回折格子層６との間に、これらの間のキャリアの移動を抑制するキャリア障壁層ＣＢを備えている。キャリア障壁層ＣＢは、上部光ガイド層よりも、バンドギャップエネルギーが大きく、上部クラッド層よりも小さいことが好適である。
上述のように、複数の井戸層の利得ピーク波長を、例えば、１０ｎｍ程度ずつ長波長にずらして配置することで、温度変化に伴う利得の変化を抑制することが可能となり、広い温度範囲で動作することが期待される。このとき、長波長の利得スペクトルを有する井戸層では、同じ井戸層材料を用いる場合には、井戸層厚を厚くした。これにより、光閉じ込め係数が変化するため、配置によっては、広い温度範囲で均一なゲインが得られないこともある。一般的には、回折格子層の屈折率が高いため、回折格子層に電界が偏る傾向があるが、膜厚の厚い長波長の井戸層ほど屈折率変調層から離して配置することで、井戸層厚の差による光閉じ込め係数のばらつきを抑制でき、広い温度範囲で均一な利得を得ることができる。
（例２） なお、上述の効果は、材料の異なる複数の井戸層４Ｂを有する多重量子井戸構造からなる活性層４と、活性層４と光学的に結合した回折格子層６と、活性層４及び回折格子層６を挟む一対のクラッド層とを備えた上述のＤＦＢ半導体レーザにおいて、回折格子層６がコア層の平均屈折率よりも高い屈折率の層を含み、井戸層４Ｂの材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、回折格子層６から離れるほど、小さくなることとしても、実現することができる。
一般的にバンドギャップエネルギーは屈折率と逆の相関があり、バンドギャップエネルギーが低くなるほど、屈折率は高くなる傾向がある。このため、回折格子層６から離れた井戸層の屈折率を高めることで、光閉じ込め係数を揃える作用がある。
上述の条件を満たすことにより、発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
図４は、ＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるエネルギーバンド図（Ａ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。
図（Ａ）には、伝導帯の下端エネルギーＥｃと、価電子帯の上端エネルギーＥｖが示されている。下部クラッド層２と上部クラッド層７から注入されたキャリアは活性層４内部に注入されると、活性層４内の量子井戸層で発光再結合により光を発する。このとき、キャリア障壁層ＣＢのエネルギー障壁により、低バンドギャップエネルギーの回折格子層６へ漏れる電子を抑制し、有効に発光層近傍に閉じ込めることができる。
図５は、ＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるＺ軸方向位置と屈折率ｎとの関係を示すグラフ（Ａ）、Ｚ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ｂ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｃ）である。
屈折率ｎは、伝導帯の下端エネルギーＥｃ準位とは、逆の相関がある。屈折率が高いほど、光が閉じ込まりやすく、屈折率の高い回折格子層６近傍に光電界強度のピークが分布する。活性層４で発生した光は、回折格子層６内に光学的に結合し、特定の波長、波数ベクトルの光波が選択される。このとき、各層厚や回折格子の寸法により規定されるＶパラメータを、単一モード条件を満たすように設定することで、単一モード発振を得ることが出来る。
なお、下部クラッド層２の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅ２１又はＥ２２は、上部クラッド層７の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅ２３と同一であってもよいし、異なっていてもよい。エネルギー準位Ｅ２２を採用して、下部クラッド層２の屈折率を、上部クラッド層７よりも小さくしてもよい。この場合には、活性層に対して、上部クラッド層側に光電界分布が偏るため、活性層４に対して、回折格子層６側に光電界が偏るという効果がある。
なお、回折格子層６の基本層の材料屈折率はコア層の平均屈折率よりも高いため、回折格子層６に光電界が偏る。
なお、屈折率分布としては、様々な例が考えられる。
図６は、別の屈折率分布構造を有するＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるＺ軸方向位置と屈折率ｎとの関係を示すグラフ（Ａ）、（Ｂ）である。
図（Ａ）は、回折格子層６の構造が、上述のように、基本層６Ａ（ＧａＡｓ）と、異屈折率領域（ＡｌＧａＡｓ）からなる場合の屈折率分布の一例を示している。
図（Ｂ）は、回折格子層６の構造が、基本層６Ａ（ＧａＡｓ）と、異屈折率領域（空気）からなる場合の屈折率分布の一例を示している。厚み３００ｎｍの回折格子層６における基本層６Ａ（ＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．５２、異屈折率領域６Ｂ（空気）の屈折率ｎを１とし、Ｚ軸方向から見た平面視において、異屈折率領域６Ｂの面積の全体面積に対する割合（フィリングファクター：ＦＦ）を１５％とした点を除いて、図１３の場合と、条件は同一である。なお、後述のＶパラメータは、２．３１４であり、厚み方向のモード数が１つとなるためのＶパラメータのカットオフ値は３．８１１である。
回折格子層６の基本層の屈折率は３．５２となり、コア層の平均屈折率ｎｅｆｆ＝３．３９１よりも大きくなるため光電界は回折格子層に偏る。
ＤＦＢ半導体レーザ素子内の光電界強度Ｉは、コンタクト層８の上部露出表面の位置をＺ（μｍ）＝０μｍとした場合、光電界強度Ｉの最大値を１となるように規格化した場合、活性層４内では、最小二乗法を用いて求められる以下の２次関数で近似することができる。
−１３．３２４Ｚ２＋６４．４２３Ｚ−７６．８７５＝０
したがって、この場合においても、回折格子層６から離れるにしたがって量子井戸層厚を９、１０、１１ｎｍと厚くし、上記の積分値を揃えるように配置することで発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
（例３）なお、図２における回折格子層６の上下を反転させた場合、異屈折率領域６Ｂの上部に基本層６Ａが位置することになる。この場合、埋め込む異屈折率領域６Ｂを、上記と同様にＡｌＧａＡｓとし、その他の条件は、図１３の場合と同一である。
なお、厚み３００ｎｍの回折格子層６における基本層６Ａ（ＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．５２、異屈折率領域６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．２５とし、Ｚ軸方向から見た平面視において、異屈折率領域６Ｂの面積の全体面積に対する割合（フィリングファクター：ＦＦ）を５０％、上部クラッド層７（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．２５とし、下部クラッド層２（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率ｎを３．１１とし、各１０ｎｍの厚みの３つの井戸層と障壁層を有する活性層４及び上下の光ガイド層の厚みの合計は２００ｎｍである。なお、後述のＶパラメータは、２．４９３であり、厚み方向のモード数が１つとなるためのＶパラメータのカットオフ値は３．７６１である。このとき、コア層の平均屈折率は３．４３８となり、回折格子層６の基本層の屈折率より低いため光電界は回折格子層６に偏る。
ＤＦＢ半導体レーザ素子内の光電界強度Ｉは、コンタクト層８の上部露出表面の位置をＺ（μｍ）＝０μｍとした場合、光電界強度Ｉの最大値を１となるように規格化した場合、活性層４内では、最小二乗法を用いて求められる以下の２次関数で近似することができる。
−１０．０９６Ｚ２＋４８．２９２Ｚ−５６．８４７＝０
したがって、回折格子層６から離れるにしたがって量子井戸層厚を９、１０、１１ｎｍと厚くし、上記の積分値を揃えるように配置することで発光スペクトルの温度依存性を小さくすることができる。
図７は、井戸層の深さを変えたＤＦＢ半導体レーザ素子内におけるエネルギーバンド図（Ａ）と、ＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。
すなわち、図７の例は、図４に示した構造において、各井戸層４Ｂの井戸の深さを変更したものであり、その他の点は、同一である。井戸層４ＢにおけるＩｎの組成比を変えると、バンドギャップエネルギーが変わる。Ｉｎの組成比を増加すれば、バンドギャップエネルギーＥｇは小さくなり、減少すれば、バンドギャップエネルギーＥｇは大きくなる。ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは１．４７ｅＶであり、ＩｎＡｓのバンドギャップエネルギーは０．３６ｅＶであるため、ＩｎＧａＡｓのエネルギーバンドギャップは、これらの間の値を取りうる。
また、ＧａＡｓの屈折率は、おおむね波長９００ｎｍにおいて３．６、ＩｎＡｓの屈折率は３．７程度である。なお、ＡｌＡｓの屈折率は、おおむね波長９００ｎｍにおいて３．０である。
なお、図７の構造の場合、井戸層４Ｂのバンドギャップエネルギーは、回折格子層６から離れるほど、小さくなっており（Ｉｎの組成比が大きい）、ポテンシャル井戸が深くなっている。この場合、バンドギャップエネルギーが低くなるほど、屈折率は高くなる傾向があるため、回折格子層６から離れた井戸層の屈折率を高めることで、光閉じ込め係数を揃える作用がある。
図８は、４つの井戸層を備えたＤＦＢ半導体レーザ素子におけるＺ軸方向位置と光電界強度Ｉの関係を示すグラフ（Ａ）と、活性層近傍のＸＺ断面構造を示す図（Ｂ）である。
すなわち、図３に示した構造においては、３つの井戸層４Ｂを備えた活性層を示したが、図８の例は、井戸層４Ｂの数を４つにしたものであり、その他の点は同一である。井戸層４Ｂの数は、４つ以上であってもよい。この場合、各井戸層４Ｂからの発光スペクトルの数が増えるので、温度変化に対する発光スペクトルの変化を、より小さくすることが可能である。
（２）面発光型ＤＦＢ半導体レーザ素子
図９は、別の構造のＤＦＢ半導体レーザ素子のＸＺ断面構造を示す図（Ａ）と、回折格子層の平面構造を示す図（Ｂ）である。
上述の端面発光型のＤＦＢ半導体レーザ素子とは、回折格子層６の平面構造と、上部におけるメサストライプ構造の形成が無い点のみが異なり、その他の点は、同一である。回折格子層６の断面構造及び活性層４の構造は、上述のものを採用することができる。
このＤＦＢ半導体レーザ素子１００を製造する場合、第１導電型（Ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板１上に、第１導電型（Ｎ型）のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層２、ＡｌＧａＡｓからなる下部光ガイド層３、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ，井戸層ＩｎＧａＡｓ）からなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる上部光ガイド層５、必要に応じてキャリア障壁層ＣＢ、続いて、ＧａＡｓからなる回折格子層６（屈折率変調層）を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、結晶成長させる。
次に、回折格子層６の表面に、微細加工技術を用いて、一次元のストライプ構造を形成する。このとき、図９の（Ｂ）に示すように、格子周期Λは、２次の回折格子に対応して、その光学長が、レーザ光の１波長分の長さ（Λ＝λ）となるように設定する。すなわち、回折格子層６は、元々、形成された基本層６Ａ（ＧａＡｓ）が、フォトリソグラフィ技術を用いて、ストライプ状に加工され、これらのストライプの隙間内に、基本層６Ａとは異なる屈折率を有する材料、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる異屈折率領域６Ｂを、ＭＯＣＶＤ法により、ストライプ状に埋め込んで成長させたものである。共振器長の方向に（Ｙ軸方向）に各ストライプが延びており、異屈折率領域６Ｂの厚みは、基本層６Ａよりよりも小さく設定されているが、これらは同一の厚みであってもよい。なお、発光波長としては、例えば、９４０、９８０、１０６０ｎｍ帯などのレーザ光とすることができる。
なお、ストライプの延びる方向は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すようにＸ軸方向であっても、ＸＹ面内の任意の方向でも良い。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）において示される半導体レーザ素子は、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）における半導体レーザ素子の回折格子層６をＺ軸を中心として９０°回転させたものであり、その他の点は、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）における半導体レーザ素子と同一である。
続いて、回折格子層６上に、第２導電型（Ｐ型）のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７、第２導電型（Ｐ型）のＧａＡｓコンタクト層８をＭＯＣＶＤ法により、結晶成長させる。なお、回折格子層６内における異屈折率領域６Ｂの形成工程に連続して上部クラッド層７を形成してもよい。なお、回折格子層６内の異屈折率領域６Ｂとして、空気や不活性ガスを用いることもでき、真空とすることもできる。
続いて、半導体基板１の下面上に、ＳｉＮｘ等からなる反射防止膜１１を形成し、反射防止膜１１をフォトリソグラフィ技術によってパターニングして、一部分を除去し、この除去された部分に、Ｚ軸方向から見た平面視における中央領域が開口した下部電極Ｅ１を形成する。下部電極Ｅ１は、半導体基板１に物理的及び電気的に接続され、開口形状を有している。したがって、活性層近傍で発生したレーザ光は、回折格子層６によって波長が選択され、下部電極Ｅ１の開口内を通って、Ｚ軸方向に出力される。
また、コンタクト層８は、中央領域のみが残るように、フォトリソグラフィ技術によるパターニング用いて、周辺部分がエッチングされる。コンタクト層８の露出表面を覆うように、保護用の絶縁膜９が形成される。コンタクト層８上の絶縁膜９をエッチングにより除去して、コンタクト層８を露出させ、コンタクト層８に接するように、上部電極Ｅ２を形成する。下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２の形成法には、蒸着法やスパッタ法を用いることができる。
活性層４と回折格子層６との間に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により、キャリア障壁層ＣＢを形成することができる。キャリア障壁層ＣＢは、活性層４と回折格子層６と間のキャリアの移動を抑制する。本例では、キャリア障壁層ＣＢは、ＡｌＧａＡｓからなり、上部光ガイド層５内に設けられている。キャリア障壁層ＣＢのバンドギャップエネルギーは、上部光ガイド層５よりも大きく、上部クラッド層７よりも小さい。
その後、Ｙ軸方向に間隔１〜３ｍｍ程度の長さに半導体レーザ素子となるチップになるように、化合物半導体基板を劈開する。
次に、この半導体レーザ素子の上部電極Ｅ２を、サブマウント上にハンダ材を用いてマウントし、続いて、サブマウントを、ベースにハンダ材を用いてダイボンドする。両者のハンダ材にはＩｎ，Ａｕ／Ｓｎなどを用いることができる。そして、下部開口電極Ｅ１をＡｕワイヤなどのワイヤボンドによりベース電極と接続することで、電流駆動することができる。以上の工程で、半導体レーザ素子ユニットが形成される。
なお、各化合物半導体層の材料、不純物濃度、厚み等は、図１〜図１０を用いて説明したものと同一である。
（３）ＤＦＢフォトニック結晶半導体レーザ素子
図１１は、別の構造のＤＦＢ半導体レーザ素子のＸＺ断面構造を示す図（Ａ）と、回折格子層の平面構造を示す図（Ｂ）である。
図１１に示すＤＦＢ半導体レーザ素子は、図９あるいは図１０に示したものと、回折格子層６の二次元パターンのみが異なり、その他の構成は、同一である。本例の回折格子層６は、２次元正方格子の格子点位置に異屈折率領域６Ｂを配置しており、この回折格子層６は所謂フォトニック結晶を構成し、ＤＦＢ半導体レーザ素子はフォトニック結晶レーザ（ＰＣＳＥＬ）をなしており、Ｚ軸方向に出力が得られる。異屈折率領域６Ｂの平面形状は、直角二等辺三角形であるが、他の三角形形状や、４角形以上の多角形や円形の形状を採用することも可能である。格子間隔Λは、２次の回折格子に対応して、光学長がレーザ光の１波長と対応するように設定できる（Λ＝ｎｅｆｆ×λ，ｎｅｆｆ：等価屈折率）。好適にはΛ＝２９０ｎｍとすることで、波長λ＝９８０ｎｍ程度のレーザ光が得られる。
以上、説明したように、上述のＤＦＢ半導体レーザ素子において、回折格子の結合係数κは非常に高く設定され、回折効率が高くなる。この場合、複数の波長を発生する多重量子井戸構造の領域において、位置に伴う電界強度の変化率が高くなって、発光スペクトルが温度に依存しやすくなる。そこで、各井戸層において、光電界強度（光閉じ込め係数）を揃えた構造とすることで、各波長の井戸層に対応する利得スペクトル強度を均一化し、温度変化に伴う安定性を高めることとした。
なお、ＤＦＢ半導体レーザ素子においては、κＬは、回折効率を表す指標として用いることができる。κは結合効率、Ｌは共振器長を表わし、Ｌは典型的には数百μｍ〜数ｍｍのオーダーとなり、κは典型的には数ｃｍ−１〜数十ｃｍ−１となる。κＬを１〜３程度に設定すると（１≦κＬ≦３）、従来の構造においても、共振器内部の光電界のモードを均一化することができ、安定した発振が期待できる。
しかしながら、本願のように、回折効率を高くしたＤＦＢ半導体レーザ素子においては、κを数十〜百ｃｍ−１以上とすることで、省スペース化することも可能となる。このように高いκ（例：２０ｃｍ−１≦κ≦１０００ｃｍ−１）を実現するためには、回折格子を含む層の光電界強度（光閉じ込め係数Γg）を大きくする必要があり、回折格子層内部または回折格子層近傍に電界強度のピークが位置する必要がある。
一方、十分な光学利得を得るためには、量子井戸層に内在する光電界強度（光閉じ込め係数Γqw）も高く保つ必要があり、回折格子層と量子井戸層の距離は数百nm以下である必要がある。このとき、多波長の多重量子井戸層が電界強度の変化が急峻となる領域に重なる。この結果、上記のように、各層の光電界強度（光閉じ込め係数Γqw1，Γqw2，…）を揃えた構造でないと、各波長の井戸層に対応する利得スペクトル強度にムラが生じ、温度変化に伴い、安定して機能しなくなる。そのため、上述の実施形態では、回折格子層から離れた井戸層厚ほど厚い構造が採用されている。
また、２次元周期構造を有するフォトニック結晶レーザでは、結合係数κを数百〜数千ｃｍ−１のオーダーまで高くすることで、面内モードが安定化することが実験的に分かっている。上述の（κ１及びκ３の条件）に記載のように、正方格子配置のフォトニック結晶においては、９０度方向への結合係数κ１、１００ｃｍ−１≦κ１≦５０００ｃｍ−１、１８０度方向への結合係数κ３、５０ｃｍ−１≦κ３≦５０００ｃｍ−１程度に設定される。そのため、上記の多波長の多重量子井戸層での電界強度の変化はより急峻となり、回折格子層から離れた井戸層厚ほど厚い構造は、更に、発光スペクトルの安定化に対して、有利に働く。
以上、実施形態に係るＤＦＢ半導体レーザ素子について説明したが、上述の構造においては、厚みの方向に単一モードのレーザ光が発生している。図１１の構造のように、レーザ光が２次元の拡がりを有する場合、基本０次モードと高次１次モードのレーザ光が競合し、フォトニックバンドの反公差点で発振する可能性がある。すなわち、例えば、異屈折率領域６Ｂの位置が、三角格子の格子点上にある場合、六角形状のビームが発生することがある。単一モード発振では、このようなビームパターンの発生を抑制するため、活性層と回折格子層の屈折率、膜厚は、特定の範囲に制限して、単一モード発振をさせることが好ましい。
また、回折格子層側に光電界強度のピーク位置が寄るため、回折格子層から離れるに伴い、活性層の光電界強度は、徐々に小さくなる。井戸層がＮの位置における光電界強度Ｉ（Ｎ）と、各井戸層における厚み方向の積分（光閉じ込め係数Γ（Ｎ）＝∫Ｉ（Ｎ）ｄｚ：ＴＥモード）を、ほぼ一定となるようにすることができる。すなわち、Γ（Ｎ）＝定数Ｃ±誤差Δであり、誤差Δ＝Ｃ×１０％に設定することができる。
すなわち、Ｎを自然数とし、複数の井戸層のうち、回折格子層に近い方から数えてＮ番目の井戸層の厚みをｄ（Ｎ）とし、Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数をΓ（Ｎ）とした場合、Γ（Ｎ）の相対的な変化が１０％以下である。
なお、上述の実施形態においては、量子井戸層において、２つ以上の井戸層幅（厚み）を有するとき、井戸層幅に応じて利得スペクトルのピーク波長は変化し、近赤外領域で半値全幅略１０ｎｍ程度の波長幅を有する利得スペクトルを複数重ねることができるため、単一の井戸幅の構造に比べて量子井戸の利得スペクトルの波長幅を拡大し、ブロードな利得スペクトルを得ることができる。このため、温度変化に伴う利得スペクトルの変化に対して、利得スペクトル強度の変化を抑制できる。
層の厚み方向において、単一モードのレーザ光が発生するため、高次モードの競合を抑制でき、高効率で線形性の良い発振特性が得られる。また、２次元回折格子において高次モード発振すると、バンドの反公差点を介した特異なビームパターンが現れるが、単一モード発振ではこれを抑制することができる。
更に、回折格子層と近接する活性層では、光電界分布を１次または２次関数で近似することができる。この光電界分布の積分値（光閉じ込め係数）が等しくなるように井戸層を配置することで、各量子井戸における回折の寄与が等しくすることができる。このため、温度変化に伴う回折効果の変動を抑制することができる。
なお、単一モードを発生させるための条件は、文献「共立出版 著 國分泰雄 「光波工学」p144」において知られており、規格化導波路幅Vと規格化伝搬定数bの分散曲線（図１４）から求めることができる。
すなわち、例えば、一対のクラッド層間に、回折格子層と活性層が挟まれる構造の場合、回折格子層と活性層をコア層と仮定して、これらの層構造を３層スラブ導波路構造で近似することができる。このとき、基本モードのみが存在するような屈折率、膜厚は、下記の手法により計算することができる。
このような導波構造内に存在する電磁界分布はMaxwellの波動方程式を境界条件の元で数値的に解くことにより、計算することができる。このとき、等価的な非対称３層スラブ導波路構造で、各層に番号ｉを付けておき、それぞれの層の厚みをｗ（ｉ）、誘電率をε（ｉ）とすると、各層の等価誘電率εEqは、εEq＝Σ（ｗ（ｉ）ε（ｉ））／Σｗ（ｉ）で得ることができる。Σの加算対象は、i＝１から最後の番号の層までである。
また、３層非対称スラブ導波路におけるモード数は、以下の式に示すVパラメータおよび規格化伝搬定数bにより特徴付けられる。
Ｖ＝ｋ０ｎ１ｄ（２Δ）０．５、ｂ＝（（β／ｋ０）２−ｎ２ ２）／（ｎ１ ２−ｎ２ ２）。
但し、ｋ０は真空中の波数、ｎ１は下部クラッド層の屈折率、ｄはコア層の膜厚、Δは非屈折率差、βは伝播定数、ｎ２は上部クラッド層の屈折率である。
また、３層非対称スラブ導波路のＶパラメータは、規格化伝搬定数ｂに対して、以下の式（＊）の固有値方程式を満たす値をとる。
Ｖ＝１／（１−ｂ）０．５[tan-1χ２（ｂ／（１−ｂ））０．５＋tan-1χ３（（ｂ＋ａ’）／（１−ｂ））０．５＋Ｋπ]
ａ’は非対称パラメータであり、Ｋは任意の正の整数、ｉ番目の層（ｉ＝１、ｉ＝２、ｉ＝３）の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３の場合、以下の通りである。ｉ＝１は下部クラッド層、ｉ＝２はクラッド層間のコア層で近似された層、ｉ＝３は上部クラッド層を示す。
ａ’＝（ｎ２ ２−ｎ３ ２）／（ｎ１ ２−ｎ２ ２）
また、χｉはｉ番目の層のＴＥモードとＴＭモードに依存する定数であり、ｉ番目の層の屈折率ｎｉの場合、以下の値を満たす。
χｉ＝１（ＴＥモード時）、
χｉ＝（ｎ１／ｎi）２（ＴＭモード時）である。
なお、上述の例１の構造について、波長λ＝９８０ｎｍとして計算を行うと、屈折率は、ｎ１＝３．４４、ｎ２＝３．２６、ｎ３＝３．１１となり、ＴＥモードについて、上記Ｖパラメータの式（＊）を満たすＶとｂの関係をプロットすると図１４となる。このとき、点線で囲ったＶの範囲では、ｂは１つの解のみとなり、単一モード発振する。この関係から、単一モード発振する回折格子層と活性層の屈折率、膜厚を定めることができる。上述の（例１）においては、Ｖ＝２．１３４となり、１次モードの現れるＶ＝３．１７６よりも小さいため、単一モード発振する。
以上、実施形態に係るＤＦＢ半導体レーザ素子について説明したが、構成材料や導電型は様々な変形が可能である。量子井戸層のバンドギャップエネルギーは、材料組成又は歪み等により、調整可能であるが、各井戸層のバンドギャップエネルギーは、上述のように、同一であってもよいし、異なることとしてもよい。また、第１導電型としてＰ型、第２導電型としてＮ型を採用しているが、こられは逆であっても、同様の機能を奏する。また、光ガイド層は場合によって省略することも可能である。
以上、説明したように、上述の分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子は、厚さの異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層４と、活性層４と光学的に結合した回折格子層６と、活性層４及び回折格子層６を挟む一対のクラッド層２，７とを備え、クラッド層２，７に挟まれる領域をコア層と規定したとき、回折格子層６は、コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、井戸層の厚みは、回折格子層６から離れるほど厚くなる。
なお、コア層の平均屈折率（または平均誘電率）は、より具体的には、例えば、コア層内の層に、Ｐ型のクラッド層の方から順番を付けて、１，２、・・・、ｍ（ｍは自然数）とした場合、これらの順番の層に対して、それぞれ以下のようにパラメータを設定する。
・誘電率：ε１、ε２、・・・εｍ
・屈折率：Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｍ
・膜厚：Ｗ１、Ｗ２、・・・Ｗｍ
このとき、平均誘電率（屈折率の二乗）εａｖｅは、各層の誘電率の体積当たりの平均となり、次式で表わす。
Figure 0006807643
この平均誘電率の平方根を取ることで、平均屈折率Ｎａｖｅを下記の式で定める。
Figure 0006807643
上述の実施形態においては、回折格子層６の屈折率を高めることにより、光閉じ込め係数Γを高めると共に、これによって生じる不具合、すなわち、回折格子層６からの距離が離れるほどに、井戸層の厚みを大きくし、活性層内の位置に伴って、光電界強度が急激に低下する点を補う構成とした。
すなわち、井戸層の厚みは、回折格子層６から離れるほど、厚くなるので、各井戸層内におけるそれぞれの光閉じ込め係数Γqwが均一化し、各波長の井戸層に対応する利得スペクトルが安定化する。複数の井戸層に対応して、異なるピーク波長を有する安定した利得スペクトルが、発生するため、温度変化が生じても、いずれかの利得スペクトルと、回折格子層の選択する波長（エネルギーバンド端波長）を含む選択スペクトルが一致し、これらのスペクトルの重なりによって生じる発光スペクトルの温度依存性も小さくすることができる。
なお、クラッド層に挟まれる領域をコア層と規定したとき、上述の分布帰還型半導体レーザ素子においては、回折格子層６と井戸層４Ｂの間に、コア層を伝播する光に対するモード等価屈折率よりも屈折率の高い層を１層以上含んでいる。本例の場合、回折格子層と井戸層との間には、この条件を満たす活性層の障壁層が少なくとも１層介在している。
井戸層の数が、２層以上である場合には、結合に必要なキャリアを十分に井戸層内に保持することができ、また、設計の自由度も向上する。
上述の実施形態においては、Ｎを自然数とし、複数の井戸層のうち、回折格子層６に近い方から数えてＮ番目の井戸層の厚みをｄ（Ｎ）とし、Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数Γ（Ｎ）とした場合、Γ（Ｎ）の相対的な変化が１０％以下であることとした。この場合、急激な厚み変化がないので、発光がさらに安定する。
回折格子層６が１次元の場合、異屈折領域が直線上に沿って整列配置されている場合、回折格子層６の結合係数κが以下の関係式：２０ｃｍ−１≦κ≦１０００ｃｍ−１を満たすことが好ましい。
また、上述の実施形態において、回折格子層６が２次元の回折格子層である例も示した。
このような２次元回折格子層においては、回折格子層は、基本層と、基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域とを備えており、また、異屈折率領域は、基本層に垂直な方向から見た平面視において、０度と１８０度の角度位置を結ぶ横線（複数）と、９０度と２７０度の角度位置を結ぶ縦線（複数）とからなる正方格子の格子点位置に配置され、回折格子層は２次元の正方格子回折格子層を構成し、９０度方向への結合係数κ１と、１８０度方向への結合係数κ３とは、以下の関係式：１００ｃｍ−１≦κ１≦５０００ｃｍ−１、５０ｃｍ−１≦κ３≦５０００ｃｍ−１を満たすことが好ましい。このような構造は、小型化に適しており、また、高効率で安定した発振を実現することができる。
また、量子井戸活性層においては、活性層４は、井戸層間に障壁層を備えており、障壁層のバンドギャップエネルギーは、少なくとも一方、又は、双方のクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定され、井戸層のバンドギャップエネルギーは、障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定されている。井戸層内にキャリアを効率的に閉じ込めることができる。
また、上述の実施形態においては、活性層４と回折格子層６との間に、これらの間のキャリアの移動を抑制するキャリア障壁層ＣＢを備えている例を示した。キャリア障壁層ＣＢにより、低バンドギャップエネルギーの回折格子層６へ漏れる電子を抑制し、このキャリアを有効に発光層近傍に閉じ込めることができる。
以上、説明したように、上述の分布帰還型半導体レーザ素子は、材料の異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層４と、活性層４と光学的に結合した回折格子層６と、活性層４及び回折格子層６を挟む一対のクラッド層２，７と、を備え、クラッド層２，７に挟まれる領域をコア層と規定したとき、回折格子層６は、コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、井戸層の材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、回折格子層６から離れるほど、小さくなることを特徴とする。
４Ｂ…井戸層、４…活性層、６…回折格子層、２…下部クラッド層、７…上部クラッド層。

Claims (8)

  1. 厚さの異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層と、
    前記活性層と光学的に結合し、２次元周期構造を有するフォトニック結晶を構成する回折格子層と、
    前記活性層及び前記回折格子層を挟む一対のクラッド層であって、これらのクラッド層の一方に設けられた電極の開口からレーザ光が出射する該クラッド層と、
    を備えた面発光型の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
    前記クラッド層に挟まれる領域をコア層と規定したとき、
    前記回折格子層は、前記コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、前記活性層よりも前記回折格子層側に光電界強度のピークが位置し、
    前記活性層は前記回折格子層から離間し、前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の厚みは、前記回折格子層から離れるほど、厚くなる、
    ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
  2. 前記回折格子層と前記井戸層の間に、前記コア層を伝播する光に対するモード等価屈折率よりも屈折率の高い層を１層以上含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  3. 前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、前記回折格子層から離れるほど、小さくなる、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  4. Ｎを自然数とし、
    複数の前記井戸層のうち、前記回折格子層に近い方から数えてＮ番目の井戸層の厚みをｄ（Ｎ）とし、前記Ｎ番目の井戸層の光閉じ込め係数をΓ（Ｎ）とした場合、Γ（Ｎ）の相対的な変化が１０％以下である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  5. 前記回折格子層は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなり、
    基本層と、
    前記基本層とは屈折率の異なる複数の異屈折率領域と、
    を備え、
    前記異屈折率領域は、前記基本層に垂直な方向から見た平面視において、０度と１８０度の角度位置を結ぶ横線と、９０度と２７０度の角度位置を結ぶ縦線とからなる正方格子の格子点位置に配置され、前記回折格子層は２次元の正方格子回折格子層を構成し、
    ９０度方向への結合係数κ１と、
    １８０度方向への結合係数κ３とは、
    以下の関係式：
    １００ｃｍ−１≦κ１≦５０００ｃｍ−１
    ５０ｃｍ−１≦κ３≦５０００ｃｍ−１
    を満たし、
    厚みの方向に単一モードのレーザ光が発生する、
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  6. 前記活性層は、前記井戸層間に障壁層を備えており、
    前記障壁層のバンドギャップエネルギーは、前記クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定され、
    前記井戸層のバンドギャップエネルギーは、前記障壁層のバンドギャップエネルギーよりも低く設定される、
    ことを特徴とする請求項５に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  7. 前記活性層と前記回折格子層との間に、これらの間のキャリアの移動を抑制するキャリア障壁層を備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  8. 材料の異なる複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなる活性層と、
    前記活性層と光学的に結合し、２次元周期構造を有するフォトニック結晶を構成する回折格子層と、
    前記活性層及び前記回折格子層を挟む一対のクラッド層であって、これらのクラッド層の一方に設けられた電極の開口からレーザ光が出射する当該クラッド層と、
    を備えた面発光型の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
    前記クラッド層に挟まれる領域をコア層と規定したとき、
    前記回折格子層は、前記コア層の平均屈折率よりも屈折率の高い層を含み、前記活性層よりも前記回折格子層側に光電界強度のピークが位置し、
    前記活性層は前記回折格子層から離間し、前記井戸層の数は３層以上であり、これらの井戸層の材料で規定されるバンドギャップエネルギーは、前記回折格子層から離れるほど、小さくなる、
    ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
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