JPH08255949A

JPH08255949A - 集積型半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH08255949A
Application number: JP8007807A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Okamoto; 和也岡本; Atsushi Yamada; 篤志山田; Kunio Tada; 邦雄多田; Yoshiaki Nakano; 義明中野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体レーザからの光を高効率で光導波路に
結合させ、高効率で伝搬させることができる集積型半導
体レーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】集積型半導体レーザー装置は、基板２１
と、光を発振させるための活性層２６と、光を伝搬させ
るためのコア層２３と、活性層２６とコア層２３との間
に配置された第１及び第２のクラッド層２４、２５とを
少なくとも備えている。コア層２３は、活性層２６を伝
搬する光のエバネッセント波領域内に配置されている。
第２クラッド層２５のキャリア濃度は、第１クラッド層
２４のキャリア濃度よりも高濃度である。活性層２６か
ら出た光は、エバネッセント結合によりコア層２３に結
合して伝搬される。この時、第１クラッド層２４のキャ
リア濃度が低いため、エバネッセント光の大部分はキャ
リアによって吸収されることなく伝搬できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積型半導体レーザー
装置、特に、光ファイバ通信や光計測等に用いられる集
積型半導体レーザー装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光素子の集積化は、システムの小型化、
高信頼化、低電力化、高性能化、低価格化など様々な点
で、光ファイバ通信ネットワーク及び光計測システムの
光化に大きく寄与することができる。これまで実用化に
向けて報告されている技術としては、石英系ガラス導波
路、若しくはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）基板を
用いた導波路型光集積素子がある。しかしながら、これ
らの素子はレーザ等の光源及び受光素子は外部素子を用
いた、所謂、ハイブリッド集積型であり、システムの完
全な光化とは一線を画するものである。

【０００３】この問題点を克服するものとして、化合物
半導体基板を用いた導波路型光集積素子も報告されてい
る。この場合、レーザ等の光素子と導波路間の光接続が
最も重要な技術の一つであり、代表的な方法としては図
１３（ａ）〜（ｃ）に示す３種がある。第１は、結晶成
長により素子間の端面を直接接続する突き合わせ結合方
式（図１３（ａ））である。この方法では、レーザ活性
層２００１から出射された光は、突き合わされた端面２
００３から導波路層２００２に入射する。

【０００４】第２は、位相整合結合方式（図１３
（ｂ））である。図１３（ｂ）に示す構造の場合、導波
光は、レーザ活性層２００１と導波路層２００２との間
を周期的に往復するため、レーザの活性層長を完全結合
長に合わせることによりレーザ発振光を導波路に１００
％結合させることが可能となる。第３は、エバネッセン
ト結合方式（図１３（ｃ））である。本方式の場合、そ
の形状は、上記の位相整合方式（図１３（ｂ））と類似
しているが、レーザ活性層２００１と導波路層２００２
の両者が十分に近接しており、合わせて２モード導波路
となっているところが本質的に異なる。２モードの光が
干渉し、光がレーザ活性層２００１と導波路層２００２
を行き来するので、レーザの活性層長を完全結合長に合
わせることによりレーザ発振光を導波路に結合させるこ
とができる。

【０００５】図１４は、図１３（ａ）の突き合わせ結合
方式を用いた一報告例であり、コヒーレント光通信用の
ヘテロダイン受信用モノリシック光集積回路（光ＩＣ）
を示す斜視図である。ここでは、ＩｎＰ系半導体を基板
２０１２として用いることで、光源（ＤＦＢレーザ）２
０１３、受光素子２０１４はもとより、方向性結合器型
３ｄＢカプラー２０１６といった光素子も集積一体化さ
れている。これらは、突合せ結合部２０１５によって結
合され、光は突合せ結合部２０１５を通って結合された
素子へと進む。

【０００６】しかしながら、図１４に示したようなヘテ
ロダイン受信用モノリシック光ＩＣにおいては、製造す
るために最低３回もの結晶成長が要求される。また、レ
ーザ活性層−導波路層及び導波路層−受光素子間の光接
続に突き合わせ結合方式を採用しているため、これらの
素子間の接続を高精度に再現性良く、かつ、簡便に作製
することは至難であった。また、突き合わせ結合におい
て必要とされる選択成長のためのＳｉＯ₂マスク形状、
結合部の平滑化、結晶成長条件等の最適化が極めて難し
く、これらの要素が素子の歩留まりを低下させていた。
さらに最近では、ＳｉＯ₂マスクと有機金属気相成長
（ＭＯＶＰＥ）法との組み合わせにより、結晶成長の特
性を活かしたアライメントが不要で高効率な突き合わせ
結合法も報告されている（Ｍ．Ａｏｋｉｅｔａ
ｌ．：ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏ
ｌ．Ｌｅｔｔ．４８（１９９２）５８０）。しかし、こ
の場合、結晶の面方位を利用しているため様々な導波路
レイアウトのすべてに対応することは困難であり、その
用途は実質的に制限される。

【０００７】一方、上述した位相整合方式及びエバネッ
セント結合方式については、特公昭５６−３８０７５号
公報において、末松氏らにより開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この特公昭５６−３８
０７５号公報に開示された発明では、上述したように導
波路層がレーザ領域と共存しているため、レーザクラッ
ド層の低抵抗化のために導波路自体も不純物ドーピング
することが必要とされる。従って、不純物ドーピングさ
れた導波路においては、自由キャリアの光吸収により、
導波路の伝搬損失が大きく、光集積回路としての良好な
特性は期待できなかった。

【０００９】また、位相整合方式においては、完全結合
長とレーザ共振器長との整合を得るうえで結晶成長層の
化合物組成に制限が生じるという問題もあった。本発明
は、半導体レーザの光を高効率で光導波路に結合させ、
高効率で伝搬させることができる簡単な構成の集積型半
導体レーザを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のうち請求項１記
載の発明は、光を発振させる活性層と、この活性層で発
振した光を伝搬させるコア層と、前記活性層と前記コア
層との間であって前記コア層に近接して配置された第１
のクラッド層と、前記活性層と前記第１のクラッド層と
の間に配置された第２のクラッド層と、前記活性層に電
流を流す一対の電極とを備え、前記コア層は前記活性層
を伝搬する光のエバネッセント波領域内に入るように近
接して配置され、前記第２のクラッド層のキャリア濃度
は前記第１のクラッド層のキャリア濃度より高濃度であ
ることを特徴とする集積型半導体レーザー装置である。

【００１１】コア層を伝搬する光のエバネッセント波の
大部分は、キャリア濃度が低い第１のクラッド層を伝搬
する。従って、キャリアによって吸収されるエバネッセ
ント波の割合が小さくなるので、低損失で光を伝搬させ
ことができる。請求項２記載の発明は、活性層とコア層
との距離を２μｍ以内とすることを特徴とする。活性層
とコア層とが近接しているので、活性層で発振した光が
十分にコア層に伝搬する。

【００１２】請求項３記載の発明は、第２のクラッド層
のキャリア濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3
の範囲とすることを特徴とする。第２のクラッド層のキ
ャリア濃度を第１のクラッド層のキャリア濃度より高濃
度にすることができるので、コア層を伝搬する光のエバ
ネッセント波の大部分は、キャリア濃度が低い第１のク
ラッド層を伝搬する。

【００１３】請求項４記載の発明は、一対の電極のうち
第１の電極が第２のクラッド層の一部に配置されている
ことを特徴とする。第１の電極が基板の上面側に配置さ
れることになるので、第１及び第２の電極の配線を取り
付ける作業及び配線の引回しを基板の上面側のみで行な
うことができ、他の部品との集積化が容易になる。請求
項５記載の発明は、第２のクラッド層のうち第１の電極
が配置されている部分に不純物拡散領域が形成されてい
ることを特徴とする。不純物拡散領域を形成することに
より、導電性を向上させることができる。

【００１４】請求項６記載の発明は、第２のクラッド層
と共に活性層を挟むように配置された第３のクラッド層
と、前記活性層と共に前記第３のクラッド層を挟むよう
に配置された一対の電極のうちの第２の電極とをさらに
備え、第１の電極と第２の電極とは互いに横方向に配置
されていることを特徴とする。第１の電極が基板の上面
側に配置されることになるので、第１及び第２の電極の
配線を取り付ける作業及び配線の引回しを基板の上面側
のみで行なうことができ、他の部品との集積化が容易に
なる。

【００１５】請求項７記載の発明は、活性層の端面がこ
の活性層を伝搬する光の進行方向に垂直なミラー状に形
成されていることを特徴とする。これにより、ファブリ
ーペロ型のレーザを構成することができる。請求項８記
載の発明は、光を発振させる活性層と、この活性層で発
振した光を伝搬させるコア層と、前記活性層と前記コア
層との間であって前記コア層に近接して配置された第１
のクラッド層と、前記活性層と前記第１のクラッド層と
の間に配置された第２のクラッド層と、前記第２のクラ
ッド層の一部に配置された第１の電極と、前記第２のク
ラッド層と共に前記活性層を挟むように配置された第３
のクラッド層と、前記活性層と共に前記第３のクラッド
層を挟むように配置された第２の電極と、前記活性層と
前記第３のクラッド層との間に配置された回折格子形成
層とを備え、前記コア層は前記活性層を伝搬する光のエ
バネッセント波領域内に入るように近接して配置され、
前記第２のクラッド層のキャリア濃度は前記第１のクラ
ッド層のキャリア濃度より高濃度であり、第１の電極と
第２の電極とは互いに横方向に配置されていることを特
徴とする集積型半導体レーザー装置である。

【００１６】周期的な回折格子を備えたＤＦＢ型レーザ
が得られ、発振波長を狭線幅にし、温度による波長変動
を抑制することができる。請求項９記載の発明は、活性
層の端面がこの活性層を伝搬する光の進行方向に非垂直
に形成されていることを特徴とする。これにより、活性
層の端面によって共振器構造が形成されファブリーペロ
モードで発振するのを抑制する。

【００１７】請求項１０記載の発明は、光を発振させる
活性層と、この活性層で発振した光を伝搬させるコア層
と、前記活性層と前記コア層との間であって前記コア層
に近接して配置された第１のクラッド層と、前記活性層
と前記第１のクラッド層との間に配置された第２のクラ
ッド層と、前記活性層に電流を流す一対の電極と、前記
コア層を伝搬する光のエバネッセント波領域内に配置さ
れた周期的に利得変化を有する層と、を備え、前記コア
層は前記活性層を伝搬する光のエバネッセント波領域内
に入るように近接して配置され、前記第２のクラッド層
のキャリア濃度は前記第１のクラッド層のキャリア濃度
より高濃度であることを特徴とする集積型半導体レーザ
ー装置である。

【００１８】利得結合型レーザに本発明を適用すること
ができ、劈開端面反射が存在する場合においても単色性
に優れ、かつ高い副モード抑圧比が得られる。請求項１
１記載の発明は前記活性層と前記第２のクラッド層との
間にパターン形成層を更に備えることを特徴とする。請
求項１２記載の発明は、請求項１、８又は１０記載の集
積型半導体レーザー装置における第２のクラッド層のう
ち、活性層が形成されていない領域が導波路形状に加工
されていることを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による集積型半導体
レーザの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各
図中、同一符号は同一又は相当部分を示し、重複する説
明は省略する。［実施形態１］図１は、本発明の実施形態１による集積
型半導体レーザー装置を示す平面図であり、図２〜図４
は図１に示した集積型半導体レーザー装置の断面図であ
る。なお、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｉ）〜（ｋ）
は、図１のＡ−Ａ′線に沿った断面図、図２（ｅ）〜
（ｈ）、図３（ｌ）〜（ｎ）は、図１のＢ−Ｂ′線に沿
った断面図、図４は図１のＣ−Ｃ′線に沿った断面図で
ある。

【００２０】これらの図において、基板２１上には、半
導体レーザ１１とＹ字型に分岐した導波路１２とが形成
されている。具体的には、図３（ｋ）に示すように、基
板２１上に導波路１２を備え、この導波路１２上に半導
体レーザ１１が形成されている。導波路１２の形状は、
半導体レーザ１１の下部では平板型導波路、それ以外の
部分では、図３（ｎ）に示すように、クラッドが導波路
形状に加工された装荷型単一モード導波路である。ま
た、半導体レーザ１１は、エッチングミラーで構成され
るファブリーペロ型のレーザである。半導体レーザ１１
と導波路１２とは、エバネッセント結合をするように構
成されている。

【００２１】ここで、基板２１としては、ｎ−ＧａＡｓ
基板を用い、光の進行方向が〈−１１０〉方向（但し−
１は、１にオーバーラインを付したものを表す）になる
ように結晶方向を定めている。また、導波路１２は、基
板２１側から順に下部クラッド層２２、コア層２３、上
部第１クラッド層２４、上部第２クラッド層２５の４層
が積層されることによって構成されている。下部クラッ
ド層２２は、厚さ２．０μｍ程度のノンドープのＡｌ_x
Ｇａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．３）層、コア層２３は、厚さ
０．４５μｍのノンドープのＡｌ_xＧａ₁ _-XＡｓ（ｘ＝
０．１６５）層である。また、上部第１クラッド層２４
は、厚さ０．３μｍのノンドープ（ｎ型キャリア濃度：
１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）のＡｌ_xＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．
３５）層である。上部第２クラッド層２５は、厚さ０．
３μｍのｎ^-ドープ（ｎ型キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3) のＡｌ_xＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．３５）層である。
上部第２クラッド層２５のキャリア濃度は、好適には１
×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲である。

【００２２】このように、上部第２クラッド層２５は、
導波路１２の構成の中で唯一ドープされた材料からなっ
ており、上部第２クラッド層２５は、半導体レーザ１１
のｐｉｎ構造のｎ型層を兼用している。また、図３
（ｎ）に示すように、半導体レーザ１１の下部以外の部
分において、上部第１クラッド層２４と上部第２クラッ
ド層２５は、幅４μｍのＹ字型に分岐した導波路の形状
に加工されている。

【００２３】半導体レーザ１１は、導波路１２と兼用の
上部第２クラッド層２５と、この上に順に積層された
（レーザ）活性層２６、レーザバリア層２７、レーザガ
イド層２８、レーザクラッド層２９、レーザキャップ層
３０の各層と、第１の電極５０１及び第２の電極７０１
と、不純物拡散領域であるｎ型の不純物ドーピング領域
３０１とにより構成されている。但し、レーザバリア層
２７及びレーザガイド層２８は、備えていなくとも何ら
問題はない。

【００２４】レーザ活性層２６、レーザバリア層２７、
レーザガイド層２８、レーザクラッド層２９及びレーザ
キャップ層３０は、上部第２クラッド層２５上の一部の
レーザメサ領域８１（図１）のみに配置されている。ま
た、レーザクラッド層２９及びレーザキャップ層３０
は、注入電流狭窄のためのレーザストライプ部８２の形
状に加工されている。ｎ型の不純物ドーピング領域３０
１は、上部第２クラッド層２５上であって、レーザメサ
領域８１に隣接する位置に設けられている。

【００２５】レーザ活性層２６は、厚さ０．１μｍのノ
ンドープのＧａＡｓ層である。レーザバリア層２７は、
厚さ０．１μｍのＡｌ_xＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．３０）
層、レーザガイド層２８は、厚さ０．１５μｍのＡｌ_x
Ｇａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．０７）層からなり、これらはと
もに、ｐ^-ドープ（ｐ型キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ
^-3)である。レーザクラッド層２９は、厚さ０．７μｍ
のｐ^-ドープ（ｐ型キャリア濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3)
のＡｌ_xＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０．３５）層である。レーザ
キャップ層３０は、厚さ０．３μｍのｐ⁺ドープ（ｐ型
キャリア濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3) のＧａＡｓ層であ
る。

【００２６】ｎ型の不純物ドーピング領域３０１は、Ｓ
ｎを拡散した領域であり、深さ約０．３μｍ以下で、表
面部のｎ型キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3 である。
なお、第１の電極５０１及び第２の電極７０１の部分を
除いて、半導体レーザ１１及び導波路１２の表面は、絶
縁のために酸化膜８６とポリイミド６０１とによって覆
われている。

【００２７】上述の構成においては、半導体レーザ１１
のレーザ活性層２６で生じた光のエバネッセント波領域
の内側に、導波路のコア層２３が位置するように、第１
クラッド層２４及び第２クラッド層２５の厚さが定めら
れている。レーザ活性層２６とコア層２３との距離は、
好適には２μｍ以内である。また、半導体レーザ１１及
び導波路１２の結合長Ｌ、すなわち共振器長は、数値計
算によって定めた。具体的には、図５に示すように、結
合長を変化させた場合の導波路１２と半導体レーザ１１
とにおける光強度を求め、半導体レーザ１１の光が、導
波路１２にほぼ１００％モード移行する結合長Ｌ＝３０
３．１μｍを、本実施形態の半導体レーザ１１と導波路
１２の結合長とした。なお、図において、曲線Ａは半導
体レーザ１１における光強度を示し、曲線Ｂは導波路１
２における光強度をそれぞれ示す。図５において、導波
路１２の光強度のピーク値が、Ｌ＝３０３．１μｍに近
づくにつれ、指数関数的に大きくなっているのは、半導
体レーザ１１及び導波路１２の双方に利得の効果を考慮
しているためである。

【００２８】つぎに、本実施形態１における集積型半導
体レーザー装置の動作について説明する。半導体レーザ
１１は、ｐｉｎ構造のレーザである。第２の電極７０１
から第１の電極５０１へ向かって電流を流すと、電流は
レーザストライプ部８２からレーザ活性層２６を流れ、
さらに、第２クラッド層２５を基板２１面に平行な方向
に流れ、不純物ドーピング領域３０１を通って、第１の
電極５０１に達する。これにより、レーザ活性層２６か
ら光が生じ、光は、レーザストライプ部８２の長手方向
（Ｚ軸方向）に、共振器内を往復してレーザ光が発生す
る。

【００２９】この時、半導体レーザ１１の下に位置する
導波路１２のコア層２３は、上述したように、レーザ活
性層２６を進行する光のエバネッセント波領域内に入る
ように近接して配置されているため、レーザ活性層２６
とコア層２３とをまたぐように２つのモードが生じる。
この２つのモードが干渉することで、光パワーがレーザ
活性層２６とコア層２３との間を行き来する。本実施形
態では、結合長Ｌを図５のように定めているため、半導
体レーザ１１の共振器の端部で、光は、ほぼ１００％導
波路１２に移行している。

【００３０】このように、エバネッセント結合により、
レーザ１１下部の平板型の導波路１２に光が移行し、導
波路１２のうちレーザストライプ部８２の下部に位置す
る部分に光が進行する。移行した光は、導波路１２の装
荷型に加工された部分に入射して伝搬し、分岐点８７で
２方向に分かれさらに伝搬する。導波路１２は、上述し
たように、ノンドープの上部第１クラッド層２４と、ｎ
型にドープされた上部第２クラッド層２５とを備えてい
る。ここで、ノンドープの上部第１クラッド層２４がコ
ア層２３側に配置されているので、導波路１２を伝搬す
る光の大部分は、キャリア濃度が低いコア層２３と上部
第１クラッド層２４とを伝搬する。従って、導波路１２
を伝搬する光のうち、キャリアによって吸収される割合
は非常に小さい。すなわち、導波路１２は、キャリアの
光吸収による損失が非常に小さく、低損失に光を伝搬す
ることができる。

【００３１】また、ｎ型側の第１の電極５０１を、ｐ型
側の第２の電極７０１と同じく基板２１の上面側に配置
しているため、第１の電極５０１及び第２の電極７０１
の配線を取り付ける作業並びに配線の引き回しを、基板
２１の上面側のみで行うことができる。すなわち、他の
回路部品と共に電気回路基板等に搭載する場合等に、基
板２１の裏面側から配線を引き出す必要がなく、上面だ
けで配線が可能であるので、他の部品との集積化が容易
になる。

【００３２】次に、本実施形態１における集積型半導体
レーザ装置の製造方法を図２〜図５に基づいて説明す
る。（１）まず、図４に示すように、ｎ−ＧａＡｓの基板２
１上に、下部クラッド層（ノンドープ）２２、コア層
（ノンドープ）２３、上部第１クラッド層（ノンドー
プ）２４、上部第２クラッド層（ｎ^-ドープ）２５、レ
ーザ活性層（ノンドープ）２６、レーザバリア層（ｐ^-
ドープ）２７、レーザガイド層（ｐ^-ドープ）２８、レ
ーザクラッド層（ｐ^-ドープ）２９、レーザキャップ層
（ｐ⁺ドープ）３０の９層を順に成長させる。（２）次に、図２（ａ）及び（ｅ）に示すように、半導
体レーザ１１の注入電流狭窄のためのレーザストライプ
部８２のエッチング、及びレーザメサ領域８１のエッチ
ングを行う。レーザストライプ部８２のエッチング時
に、同時に、共振器のミラーの形成も行われるため、こ
こでは、ドライエッチング法の一つであるＲＩＥ（Ｒｅ
ａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を適用した。
使用したガスは、ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂系混合ガスであり、エ
ッチング圧力は、２５ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出力は０．３５
Ｗ／ｃｍ²である。これにより、エッチング速度３８オ
ングストローム／ｓｅｃ．に精密制御され、ミラーとし
て用いられる垂直端面の形成が可能である。勿論、Ｃｌ
₂系ガスによるＲＩＢＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ
ＢｅａｍＥｔｃｈｉｎｇ）を用いた場合には、さらに高
精度な端面形成が可能である。なお、その他のエッチン
グ工程においては、同様のドライエッチング若しくはＧ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系においてエッチング選択性の少
ないＨ₃ＰＯ₄−Ｈ₂Ｏ₂−Ｈ ₂Ｏ系ウエットエッチングを
行っても問題はない。（３）次に、図２（ｃ）、（ｇ）に示すように、第１の
電極５０１と上部第２クラッド層２５とのコンタクト抵
抗低減のためのｎ型不純物ドーピング領域３０１を形成
する。発明者らは、不純物ドーピングにおいては、既に
開示した“シリカ薄膜を用いた開管式拡散法”（Ｋ．Ｏ
ｋａｍｏｔｏｅｔａｌ．：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆ１ｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｙｍ
ｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｅｍｉ
ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ，ｐｐ．５
２５（１９９４），ＥＬＳＥＶＩＥＲＳＣＩＥＮＣＥ
Ｂ．Ｖ．）を用い、急速拡散（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ
ＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）法を適用した。
これにより、８５０℃、１０分の熱処理により表面濃度
Ｃｓ：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、拡散深さＸｊ：０．３μｍ程
度のＳｎの不純物ドーピング領域を形成した。（４）その後、図３（ｋ）、（ｎ）のように、装荷型の
導波路１２を形成するために、上部第１クラッド層２４
及び上部第２クラッド層２５を図１に示す形状にエッチ
ングする。（５）さらに、素子表面全体に、酸化膜（ＳｉＯ₂膜）
８６をプラズマＣＶＤ法等により形成し、コンタクトホ
ール９５並びにｎ型の第１の電極５０１であるＡｕ−Ｇ
ｅを真空蒸着し、所望の第１の電極５０１の形状にパタ
ーニングする（図２（ｄ）、（ｈ））。（６）デバイスの平坦化及びエッチング端部の終端のた
めに、ポリイミド６０１を素子表面全体にコートし、所
望の条件でキュアしてイミド化を終えた後、ＣＦ ₄／Ｏ₂
系ガスを用いたプラズマエッチングによるエッチバック
を行い、レーザ最表層部上面を露出させ、かつ、露出し
た酸化膜８６を緩衝フッ酸によりエッチオフし、レーザ
キャップ層３０を露出させる（図３（ｉ）、（ｌ））。（７）露出したレーザキャップ層３０上に、ｐ型の第２
の電極７０１としてＡｕ−Ｚｎを蒸着し、第２の電極７
０１の形状にパターニングする（図３（ｊ）、
（ｍ））。（８）最後にＣＦ₄／Ｏ₂系ガスを用いたプラズマエッチ
ングを行い、ｎ型の接地電極５０１を露呈させ、素子は
完成する（図３（ｋ）、（ｎ））。

【００３３】このように、上述の実施形態における集積
型半導体レーザ装置の製造方法は、成長工程が１回のみ
であるため、作業効率が非常によく、歩留まりも高いと
いう利点がある。［実施形態２］次に、本発明の実施形態２による集積型
半導体レーザ装置について説明する。

【００３４】図６は、本発明の実施形態２による集積型
半導体レーザ装置を示す平面図であり、図７は図６に示
した集積型半導体レーザー装置のＣ−Ｃ′線に沿った断
面図である。これらの図において、基板２１上には、半
導体レーザ１１とＹ字型に分岐した導波路１２とが形成
されている。具体的には、図３（ｋ）に示すように、基
板２１上に導波路１２を備え、この導波路１２の上に半
導体レーザ１１が形成されている。

【００３５】実施形態１で述べた集積型半導体レーザー
装置は、ファブリーペロ型のレーザであるが、図６に示
す集積型半導体レーザー装置は、発振波長を狭線幅に
し、かつ、温度による波長変動を抑制することを主たる
目的としたＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄ
ｂａｃｋ）型レーザである。導波路１２の形状は、半導
体レーザ１１の下部では平板型導波路、それ以外の部分
では、図３（ｎ）に示すように、クラッドが導波路形状
に加工された装荷型単一モード導波路である。半導体レ
ーザ１１と導波路１２とは、エバネッセント結合するよ
うに構成されている。

【００３６】導波路１２の詳細な構成については、実施
形態１と同様であるので、説明を省略する。半導体レー
ザ１１は、ＤＦＢレーザであるため、周期的な回折格子
を備えている。図６の集積型半導体レーザでは、レーザ
ストライプ部８２の下部に位置するレーザガイド層２８
が回折格子９３の形状に加工してあり、回折格子形成層
を構成する（図７（ｃ））。

【００３７】また、レーザメサ領域８１の端面９４は、
光の進行方向に垂直なエッチングミラーではなく、光の
進行方向に垂直な方向から７度傾けた端面が形成されて
いる。これは、この端面９４によって共振器構造が形成
されファブリーペロモードで発振するのを抑制するため
である。半導体レーザ１１の他の構成は、実施形態１と
同様であるので、説明を省略する。

【００３８】つぎに、本実施形態２における集積型半導
体レーザ装置の動作について説明する。半導体レーザ１
１は、ＤＦＢレーザである。第２の電極７０１から第１
の電極５０１へ向かって電流を流すと、電流はレーザス
トライプ部８２からレーザ活性層２６を流れ、さらに、
第２クラッド層２５を基板２１面に平行な方向に流れ、
不純物ドーピング領域３０１を通って、第１の電極５０
１に達する。これにより、レーザ活性層２６から光が生
じる。光は回折格子９３によって、レーザストライプ部
８２の長手方向（Ｚ軸方向）に分布帰還しながら往復し
て進行する。この光は、シングルモードでスペクトル幅
が狭く、波長変動も小さい。

【００３９】この時、半導体レーザ１１の下に位置する
導波路１２のコア層２３は、実施形態１で説明したよう
に、レーザ活性層２６を進行する光のエバネッセント波
領域内に入るように近接して配置されているため、レー
ザ活性層２６とコア層２３とをまたぐように、２つのモ
ードが生じる。この２つのモードが干渉することで、光
パワーがレーザ活性層２６とコア層２３との間を行き来
する。本実施形態では、結合長Ｌを最適値に設定し、レ
ーザ１１の端部で、光は、ほぼ１００％導波路１２に移
行している。このように、エバネッセント結合により、
レーザ１１の下部の平板型の導波路１２に光が移行し、
導波路１２のうちレーザストライプ部８２の下部に位置
する部分に光が進行する。移行した光は、導波路１２の
装荷型に加工された部分に入射して伝搬し、分岐点８７
で２方向に分かれ、さらに伝搬する。

【００４０】導波路１２は、実施形態１で述べたよう
に、ノンドープの上部第１クラッド層２４と、ｎ型にド
ープされた上部第２クラッド層２５とを備えている。こ
こで、ノンドープの上部第１クラッド層２４が、コア層
２３側に配置されているので、導波路１２を伝搬する光
の大部分は、キャリア濃度が低いコア層２３と上部第１
クラッド層２４とを伝搬する。従って、導波路１２を伝
搬する光のうち、キャリアによって吸収される割合は非
常に小さい。すなわち、導波路１２は、キャリアの光吸
収による損失が非常に小さいため、半導体レーザ１１が
発光したスペクトル幅が狭い光を低損失に伝搬すること
ができる。

【００４１】また、ｎ型側の電極５０１を、ｐ型側の第
２の電極７０１と同じく、基板２１の上面側に配置して
いるため、実施形態１と同じく、配線の作業効率及び引
き回しがよく、他の部品との集積化も容易になる。次
に、本実施形態２における集積型半導体レーザ装置の製
造方法を図２、図３、図７に基づいて説明する。（１）まず、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓの
基板２１上に、下部クラッド層（ノンドープ）２２、コ
ア層（ノンドープ）２３、上部第１クラッド層（ノンド
ープ）２４、上部第２クラッド層（ｎ￣ドープ）２５、
レーザ活性層（ノンドープ）２６、レーザバリア層（ｐ
￣ドープ）２７、レーザガイド層（ｐ￣ドープ）２８
を、１回目成長によって成長させる。

【００４２】次に、アライメントマーク９１、９２を形
成する（図７（ｂ））。アライメントマーク９１は、Ｓ
ｉＯ₂膜からなる十字線型のマークである。アライメン
トマーク９２は、図８（ａ）に示すような形状を凹凸に
よって形成したものである。なお、図８（ｂ）は、図８
（ａ）のＡ部拡大図である。本実施形態では、レーザガ
イド層２８の表面のうち、図８の斜線部（図８（ｂ））
に相当する部分を窪ませることによって、アライメント
マーク９２を形成した。具体的には、中央に線幅２μｍ
の十字線を持つ十字架状の主マーク１００１と、この主
マーク１００１の周囲に２μｍラインアンドスペースの
横ラインと縦ラインからなる４本の副マーク１００２と
を形成する。特に副マーク１００２の少なくとも１本は
１ｍｍ程度以上に長く形成する。なお、アライメントマ
ーク９２の作製は、通常の光リソグラフィーとエッチン
グにより行なった。もちろん、光リソグラフィーの代わ
りに電子線描画を用いてもよい。

【００４３】つぎに、レーザガイド層２８に回折格子９
３を形成する（図７（ｃ））。回折格子形成には、一般
的な２光束干渉露光法若しくは電子線描画法が考えられ
るが、ここでは後者を用いて発明者らが開発した、ネガ
型化学増幅型レジストを用いて１次オーダーの周期性回
折格子（周期０．０６μｍ）を形成してある（例えば、
Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏｅｔａｌ；ＡｎｎｕａｌＲｅ
ｐｏｒｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａ
ｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｕｎｉｖ．ｏｆＴｏ
ｋｙｏ５３（１９９４）１０５）。同手法の場合は、
ネガ型故に、所望の位置に所望のパターニングが可能で
あると共に、化学増幅作用を活かした高速描画が可能で
ある。また、耐プラズマエッチング特性も良好である。

【００４４】電子線を描画する位置を定めるためのアラ
イメントは、アライメントマーク９２を用い、レーザガ
イド層２８表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって
観察しながら行う。図８の形状のアライメントマーク９
２は、周期的なラインアンドスペースを有する副マーク
１００２の段差エッジから、ＳＥＭ観察時に多くの２次
電子が多く発生し、ＳＥＭ像は低倍率においても、高い
コントラストを持つ像となる。

【００４５】従って、操作者は、低倍率のＳＥＭ像観察
で、広い試料基板内から副マーク１００２の存在を容易
に見つけることができる。操作者は、副マーク１００２
位置を見い出した上で、副マーク１００２の形状から主
マーク１００１の位置を容易に探し出すことができる。
そして、高倍率で主マーク１００１を観察し、十字線の
交点をマーク基準位置として、回折格子９３形成のため
に電子線を照射する位置を決定し、電子線描画装置に入
力する。以上のように、図８に示したアライメントマー
クを用いることにより、極めて容易かつ高精度に電子線
描画位置のマニュアルアライメントを実行することがで
きる。この電子線描画によって回折格子９３を形成す
る。

【００４６】その後、２回目成長を液相エピタキシャル
成長（ＬＰＥ）若しくは有機金属気相成長法により行
い、レーザクラッド層（ｐ￣ドープ）２９、レーザキャ
ップ層（ｐ⁺ドープ）３０を形成する（図７（ｄ））。
この成長により、回折格子領域を完全に埋め込む。この
時、アライメントマーク９２も埋め込まれるが、ＳｉＯ
₂のアライメントマーク９１上には結晶が成長しないた
め、２回目成長後もアライメントマーク９１を上面部か
ら観察することができる。（２）次に、図２（ａ）及び（ｅ）に示すように、半導
体レーザ１１の注入電流狭窄のためのレーザストライプ
部８２のエッチング、及びレーザメサ領域８１のエッチ
ングを行う。エッチングの工程のうちレジストの露光工
程は、アライメントマーク９１を用いて、フォトマスク
のアライメントを行う。レーザストライプ部８２のエッ
チング時に、同時に、レーザメサ領域８１の７度傾斜し
た端面９４の形成も行われるため、ここでは、ドライエ
ッチング法の一つであるＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩ
ｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を適用した。使用するガスは、
ＢＣｌ₃／Ｃｌ₂系混合ガスであり、エッチング圧力は、
２５ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出力は０．３５Ｗ／ｃｍ²であ
る。これにより、エッチング速度３８オングストローム
／ｓｅｃ．に精密制御され、７度傾斜した端面の形成が
可能である。

【００４７】この後は、実施形態１の製造工程（３）以
下と同様にプロセスを進行させ、図６に示した集積型半
導体レーザ装置を製造する。なお、アライメントマーク
９２としては、図９、図１０、図１１に示した形状のマ
ークを用いることもできる。この場合にも、図８のアラ
イメントマークと同様に、ＳＥＭ像において容易にアラ
イメントマーク９２の位置を見出すことができる。図９
は、中央に線幅２μｍの十字線を持つ十字架状の主マー
ク１００３と、その周囲に２μｍラインアンドスペース
状のラインからなる４本の副マーク１００４からなる。
図１０は、図９と似た形状のアライメントマークを示す
が、副マーク１００５が全て一方向のラインアンドスペ
ースとしたことである。図１１のアライメントマーク
は、中央に配置された縦横の長さが８μｍの星型の主マ
ーク１００６と、その周囲に配置された１辺３μｍの矩
形のパターンを周期６μｍで配置した副マーク１００７
からなる。

【００４８】上述した図６の集積型半導体レーザの製造
方法は、２回の成長プロセスによって、ＤＦＢレーザを
製造することができるため、作業効率及び歩留まりが非
常に高い。また、複数の段差を一定の方向に配列したア
ライメントマーク９２を用いることにより、電子線描画
プロセスの際に、電子線を照射する位置をＳＥＭ像から
容易に定めることができる。従って、高精度に回折格子
９３を形成することができる。

【００４９】なお、上述した２つの実施形態では、最も
簡明なＹ−分岐導波路と集積した半導体レーザの例を示
したが、他の光素子（例えば、位相変調器等）を集積す
る場合においても、導波路のレイアウトを変更するだけ
で、そのまま上述の構造及び製造方法を適用できる。さ
らに、実施形態２では、半導体レーザの端面９４を７度
傾斜させる代わりに、反射防止膜を端面に形成すること
も可能である。［実施形態３］図１２は、本発明の実施形態３による集
積型半導体レーザー装置を示す要部断面図であり、装置
全体の構成は、実施形態２における図６と基本的に同一
である。実施形態２では、ＤＦＢレーザの光帰還が屈折
率の周期的変化を通じて行なわれる、いわゆる屈折率結
合型レーザについて述べたが、本実施形態では、利得の
周期的変化を用いた利得結合型レーザについて述べる。

【００５０】利得結合型レーザには様々な構造があるが
（例えばＹ．Ｌｕｏｅｔａｌ．：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．５６（１９９０）１６２０）、いずれの
構造にも本発明によるレーザ装置の集積レーザ部を適用
できる。図において、レーザ領域には、上層から順にコ
ンタクト層１００、第３のクラッド層１０１、活性層１
０２、バッファ層１０３、パターン形成層１０４、第２
のクラッド層１０５、及び第１のクラッド層１０６が形
成されている。

【００５１】図に示すように、活性層１０２自体に周期
的な凹凸が形成されているため、導波光が活性層１０２
から得る利得の大きさも周期的に変化する。従って、利
得結合が生ずることになる。活性層１０２の凹凸により
同時に発生する屈折率結合成分は、その直下にバッファ
層１０３を介して形成されているパターン形成層１０４
が位相を反転した透明な回折格子となるため、条件が整
えば相殺され得る。

【００５２】尚、実施形態３では周期的に利得変化を有
する層を形成するために活性層１０２に周期的な凹凸を
設けたが、他にも周期的に光吸収率変化を有する層を設
けることによっても同様に周期的に利得変化を設けるこ
とができる。このような利得結合型レーザに本発明を適
用した場合には、劈開端面反射が存在する場合において
も単色性に優れ、かつ高い副モード抑圧比（ｓｉｄｅ
ｍｏｄｅｓｕｐｒｅｓｓｉｏｎｒａｔｉｏ）が得ら
れる。従って、様々なデバイスからの反射戻り光に対す
る耐性に優れた集積型半導体レーザー装置の構築が可能
となる。

【００５３】

【発明の効果】上述のように、本発明の集積型半導体レ
ーザ装置は、コア層を活性層を伝搬する光のエバネッセ
ント波領域内に入るように近接して配置し、第２のクラ
ッド層のキャリア濃度を第１のクラッド層のキャリア濃
度より高濃度としたので、コア層を伝搬する光のエバネ
ッセント波の大部分は、キャリア濃度が低い第１のクラ
ッド層を伝搬する。従って、キャリアによって吸収され
るエバネッセント波の割合を抑え、低損失で光を伝搬さ
せことができるという効果を奏する。

【００５４】また、本発明はファブリーペロ型のレーザ
だけではなく、周期的な回折格子を備えたＤＦＢ型レー
ザにも適用することができるので、発振波長を狭線幅に
して温度による波長変動を抑制することができる。さら
に、本発明は利得結合型レーザにも適用することがで
き、劈開端面反射が存在する場合においても単色性に優
れ、かつ高い副モード抑圧比が得られるという効果も奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による集積型半導体レーザ
ー装置を示す平面図である。

【図２】図１に示した集積型半導体レーザー装置の断面
図である。

【図３】図１に示した集積型半導体レーザー装置の断面
図である。

【図４】図１に示した集積型半導体レーザー装置の断面
図である。

【図５】図１し示した集積型半導体レーザー装置におけ
る光強度と結合長との関係を示す線図である。

【図６】本発明の実施形態２による集積型半導体レーザ
ー装置を示す平面図である。

【図７】図６に示した集積型半導体レーザー装置の断面
図である。

【図８】アライメントマークの形状を示す平面図であ
る。

【図９】アライメントマークの形状を示す平面図であ
る。

【図１０】アライメントマークの形状を示す平面図であ
る。

【図１１】アライメントマークの形状を示す平面図であ
る。

【図１２】本発明の実施形態３による集積型半導体レー
ザー装置を示す要部断面図である。

【図１３】従来のレーザ活性層と導波路層との結合方式
を示す説明図である。

【図１４】従来の光集積素子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１…半導体レーザ、１２…導波路、２１…基板、２２
…下部クラッド層、２３…コア層、２４…上部第１クラ
ッド層、２５…上部第２クラッド層、２６…レーザ活性
層、２７…レーザバリア層、２８…レーザガイド層、２
９…レーザクラッド層、３０…レーザキャップ層、８１
…レーザメサ領域、８２…レーザストライプ部、８６…
酸化膜、９１…（光リソグラフ用）アライメントマー
ク、９２…（電子線描画用）アライメントマーク、９３
…回折格子、９４…端面、１００…コンタクト層、１０
１…第３のクラッド層、１０２…活性層、１０３…バッ
ファ層、１０４…パターン形成層、１０５…第２のクラ
ッド層、１０６…第１のクラッド層、３０１…不純物ド
ーピング領域、５０１…第１の電極、６０１…ポリイミ
ド、７０１…第２の電極、１００１、１００３、１００
６…主マーク、１００２、１００５…副マーク、２００
１…レーザ活性層、２００２…導波路層、２０１２…基
板、２０１５…突合せ結合部、２０１６…カプラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発振させる活性層と、この活性層で発振した光を伝搬させるコア層と、前記活性層と前記コア層との間であって前記コア層に近
接して配置された第１のクラッド層と、前記活性層と前記第１のクラッド層との間に配置された
第２のクラッド層と、前記活性層に電流を流す一対の電極とを備え、前記コア層は前記活性層を伝搬する光のエバネッセント
波領域内に入るように近接して配置され、前記第２のク
ラッド層のキャリア濃度は前記第１のクラッド層のキャ
リア濃度より高濃度であることを特徴とする集積型半導
体レーザー装置。
【請求項２】活性層とコア層との距離は、２μｍ以内
であることを特徴とする請求項１記載の集積型半導体レ
ーザー装置。
【請求項３】第２のクラッド層のキャリア濃度は、１
×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲であることを
特徴とする請求項１記載の集積型半導体レーザー装置。
【請求項４】一対の電極のうち第１の電極は、第２の
クラッド層の一部に配置されていることを特徴とする請
求項１記載の集積型半導体レーザー装置。
【請求項５】第２のクラッド層のうち第１の電極が配
置されている部分には、不純物拡散領域が形成されてい
ることを特徴とする請求項４記載の集積型半導体レーザ
ー装置。
【請求項６】第２のクラッド層と共に活性層を挟むよ
うに配置された第３のクラッド層と、前記活性層と共に
前記第３のクラッド層を挟むように配置された一対の電
極のうちの第２の電極とをさらに備え、第１の電極と第
２の電極とは互いに横方向に配置されていることを特徴
とする請求項４記載の集積型半導体レーザー装置。
【請求項７】活性層の端面は、この活性層を伝搬する
光の進行方向に垂直なミラー状に形成されていることを
特徴とする請求項１記載の集積型半導体レーザー装置。
【請求項８】光を発振させる活性層と、この活性層で発振した光を伝搬させるコア層と、前記活性層と前記コア層との間であって前記コア層に近
接して配置された第１のクラッド層と、前記活性層と前記第１のクラッド層との間に配置された
第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層の一部に配置された第１の電極
と、前記第２のクラッド層と共に前記活性層を挟むように配
置された第３のクラッド層と、前記活性層と共に前記第３のクラッド層を挟むように配
置された第２の電極と、前記活性層と前記第３のクラッド層との間に配置された
回折格子形成層とを備え、前記コア層は前記活性層を伝搬する光のエバネッセント
波領域内に入るように近接して配置され、前記第２のク
ラッド層のキャリア濃度は前記第１のクラッド層のキャ
リア濃度より高濃度であり、第１の電極と第２の電極と
は互いに横方向に配置されていることを特徴とする集積
型半導体レーザー装置。
【請求項９】活性層の端面は、この活性層を伝搬する
光の進行方向に非垂直に形成されていることを特徴とす
る請求項８記載の集積型半導体レーザー装置。
【請求項１０】光を発振させる活性層と、この活性層で発振した光を伝搬させるコア層と、前記活性層と前記コア層との間であって前記コア層に近
接して配置された第１のクラッド層と、前記活性層と前記第１のクラッド層との間に配置された
第２のクラッド層と、前記活性層に電流を流す一対の電極と、前記コア層を伝搬する光のエバネッセント波領域内に配
置された周期的に利得変化を有する層と、を備え、前記コア層は前記活性層を伝搬する光のエバネッセント
波領域内に入るように近接して配置され、前記第２のク
ラッド層のキャリア濃度は前記第１のクラッド層のキャ
リア濃度より高濃度であることを特徴とする集積型半導
体レーザー装置。
【請求項１１】前記活性層と前記第２のクラッド層と
の間にパターン形成層を更に備えることを特徴とする請
求項１０記載の集積型半導体レーザ。
【請求項１２】前記第２のクラッド層のうち、活性層
が形成されていない領域は、導波路形状に加工されてい
ることを特徴とする請求項１、８又は１０項記載の集積
型半導体レーザー装置。