JPS58155788A - 半導体レ−ザ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発叩の分野 本発明は集積半導体レーザーの分野、特に分布型ブラッ
グ反射レーザーに係る。

先行技術 半導体レーザー構造において、レーザー条件を実現する
だめの帰還機構は、反射小鏡面の形をとる。これらの小
面は活性レーザー空胴周辺のあらかじめ決められたプレ
ーナ表面を、へき開又は研摩することにより生成する。

ごく最近では、レーザー空胴に隣接する光導波路内の屈
折率を周期的に変化させることにより、帰還が得られて
いる。そのような周期的な変化は、光導波路のコア又は
その付近の表面を波形にすることにより生じる。これら
の波形表面を用いるレーザーは、分布帰還レーザー又は
分布ブラッグ反射レーザーとよばれる。たとえば、エイ
チ・コゲルニク（Ｈ。

Ｋｏｇｅｌｎｉｋ　）らに１９７３年９月１８日に承認
された分布帰還レーザーに関する米国特許３．７６０，
２９２号及びニス・ワン（Ｓ、　Ｗａｎｇ　）“分布帰
還及び分布ブラッグ−反射レーザーの原理°“アイ・イ
ーイーイー、ジャーナル。

オフ。カンタム　エレクトロニクス（ＩＥＥＥＪ、　ｏ
ｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　）、第
Ｑ　Ｅ−１０巻、第４号、４１３−４２７頁（１９７４
）を参照のこと。

分布帰還レーザーは活性利得媒体の外とともに、内側に
も周期的波形をもつ。分布ブラッグ反射レーザーは、活
性利得媒体に隣接した受動媒体中にのみ、波形を含む。

そのような理由のため、分布ブラッグ反射レーザーの周
期的構造は、プレーナ小鏡面による非周波数選択性端面
反射とは違って、周波数選択性端面反射の機能を果す。

しかし、各ブラッグ反射器はポンピングされる活性媒体
外部の高損失受動導波路媒体内にあるから、周知の分布
ブラッグ反射レーザーの正味の利得は、活性媒体の利得
よシ小さい。

基本的な分布ブラッグ反射レーザー構造のいくつかの改
良については、先に述べたワンによる論文及びワイ、ス
エマッ（Ｙ、　Ｓｕｅｍａｔｓｕ　）らによるジャパニ
ーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（
Ｊａｐａｎ、　Ｊ、　ｏｆ　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　）、第１７巻、第９号、１５９９−１６０
３負（１９７８）及びエレクトロニック、レターズ（Ｅ
ｌｅｃｔ、　Ｌｅｔｔ、　）、第１６巻、第１２号、４
５５−４５９頁及び４５６−４５８頁（１９８０）で提
案されている。ワンの論文においては、構造は活性媒体
の受動導波路及び反射装置に対する活性媒体の突き合わ
せ接続結合を用いる。スエマッらは集積化された双導波
路構造を用い、それは活性媒体及びその下の受動導波路
及び反射器装置間で、位相結合が起ることを必要とする
。これら分布ブラッグ反射レーザー構造の両方において
、活性及び受動媒体は化合物の同じ類から選択された半
導体材料から成る。更に、受動導波路媒体において、半
導体材料はレーザー出力の周波数に対し、吸収性でなく
透明な特性を示す。これらの改良により先の分布ブラッ
グ反射レーザー構造に対し、これらの分布ブラッグ反射
レーザー−の微分量子効率が増す傾向がみられたが、そ
れらの受動（ポンピングされない）導波路媒体の損失は
著しく減少はしなかった。

発明の概要 本発明に従うと、活性半導体構造及びブラッグ反射器と
して働くよう構成された少くとも１個の受動導波路媒体
を含む光帰還手段から成り、受動媒体が誘電体材料で、
半導体構造とモノリシックに集積化された半導体レーザ
ーが実現される。

本発明によると、導波路の単位長描りの損失が低くなる
だけでなく、広温度範囲に渡り高い周波数安定性を達成
することが可能である。

シリコン誘電体導波路の組成は、本発明の異なる実施例
によって変えられる。導波路のクラッド層は二酸化シリ
コンに似たシリコン酸化物から成ってもよい。コア層は
窒化シリコン又はポリイミド被膜で製作できる。

各導波路はシングルモード伝搬を維持し、モード分布が
整合した活性媒体領域との界面と結合する突き合わせ接
続を用いるのが好ましい。レーザーの構造的な変形には
、−直線−Ｅの導波路、非直線性導波路又は導波路及び
小鏡面が含まれる。非直線性導波路はブリュースター窓
を通して、活性媒体に結合する。

導波路は活性領域の小鏡面とは反対側にある。

分布ブラッグ反射レーザーの一般的な物理的構造及び動
作を説明するために、本質的に理論的かつ実際的説明が
、多くの文献に述べられできた。必要な場合を除いて、
これらの具体例については、ここではほとんど注意を払
わない。従って、興味があれば以下の文献の少くともい
くつかを参照されたい。エイチ・コゲルニゲ（Ｈ，Ｋｏ
ｇｅｌｎｉｋ　）らに承認された米国特許第３，７６０
，２９２号、ニス・ワン（Ｓ、Ｗａｎｇ　）に承認され
た米国特許第３，８６８，５８９号、ニス・ワンらに承
認された米国特許第３．８８４，５４９号及び３，９７
０，９５９号及び先に引用したワンとスエマツの技術論
文である。

実施例の説明 第１図は分布ブラッグ反射レーザー１０の上面図を示す
。レーザー１０はシングルモード、ストライプ形状ダブ
ルへテロ構造レーザーであり、それは異なる媒体の３つ
の別々の領域、すなわち受動導波路媒体領域１１及び１
３と活性利得媒体領域１２を含む。金属接触１４は活性
領域１２のストライプ領域を、閾値レベル以上にポンピ
ングするために、電位源に接触させる手段となる。受動
導波路媒体領域１１はコア層２２、上部クラッド層２１
及び下部クラ−ラド層２３を有する二次元シングルモー
ド誘電体光導波路から成る（第２図）。受動導波路媒体
領域１３はまた、コア層２４、上部クラッド層２１及び
下部クラッド層２５を有する二次元シングルモード誘電
体光導波路から成る（第２図）。

少くとも電極１４下のストライプ領域においては、活性
領域１２はダブルへテロ構造ｐｎ接合を形成するために
、交互に異るＩ−Ｖ族宇導体材料の層から成る。誘電体
導波路及びダブルへテロ構造ｐｎ接合は、半導体基板層
（第２図、層１９）上に、それぞれ堆積及び成長する。

活性領域１２を両受動領域１１及び１３に光学的に接続
するために、モード分布整合突き合わせ接続結合が用い
られる。各活性−受動領域界面において、活性及び受動
領域の隣接する表面間に、反射防止被膜材料（図示され
ていない）の薄い層をはさむことにより、光パワー結合
が増す。

第１図において例が示されたブラッグ反射器が、両受動
導波路領域内の光エネルギーの伝搬方向に対し、本質的
に垂直に、各受動導波路領域（１１及び１３）内のコア
層（２２又は２４）又はその付近に配置される。各ブラ
ッグ反射器は具体的な導波路領域内の帰還機構として働
く波形表面から成る。波形表面を形成する波形は、各受
動媒体の伝達特性に本質的に時間的に一定で、空間的に
周期性の摂動を起す。各波形は所望の波長λにおける振
動を維持する光エネルギーに、帰還を起すのに十分な振
幅及び隣接波形の中心間隔（第２図Ａ）をもつ。ここで
、 で、λ０は光の自由空間波長及びｎ０７．け自由空間伝
搬定数により規格化された導波路の伝搬定数により決る
受動導波路領域１１又は１３中の実効屈折率である。上
で述べた条件により、後方ブラッグ散乱として知られる
現象が生じる。先に述べたワンの論文とともに、ダヴリ
ュ・ニゲ（Ｗ、　Ｎｇ　）らによる“集積光学のだめの
ホログラフィ−干渉リソグラフィ”アイ・イーイーイー
　トランスアクション・エレクトロン　デバイス（ＩＥ
ＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ
　）、第ＥＤ−２５巻、１１９３−１２００頁（１９７
８）及びエル、ジョンソン（Ｌ。

Ｊｏｈｎｓｏｎ　ｌ　　らによる“周期的表面波形の生
成”アプライド・オプティクス（Ａｐｐ　１−　Ｏｐ　
ｔ−）　、第１７巻、１１６５−１１８１頁（１９７８
）を、波形の寸法及び形状（正弦波、鋸歯状、三角形又
は長方形）に関する情報として参照されたい。ブラッグ
反射器を形成する波形は、図に示されているように、各
受動導波路の全長に渡って延ばしてもよく、あるいは導
波路の端部に配置することもできる。ブラッグ反射器の
位置は、全長に対するポンピングされた長さの比である
レーザーの規格化されたボンピンク長に影響を与える。

ある種の反射器位置はレーザーの正味の利得を下るが、
これらの位置は注入電流密度に対する高度の周波数安定
性をもたらす。各波形の数及び振幅により決る各ブラッ
グ反射器の長さ及び強度は、帰還機構の反射を起す。

第１図中に示された活性及び受動導波路は、単一縦方向
スドライブのように見える。第１図にみられるように、
導波路コア層２２及び２４は、その中の光エネルギー伝
搬の各中心軸に対し、−直線上にある。上で述べたレー
ザー構造の特性は、第２図を参照しながらより詳細に説
明する。

第２図は第１図に示されたモノリシック集積分布ブラッ
グ反射器レーザー１０の断面図である。上で述べたよう
に、レーザー１ｏは議論している３つの別々の領域、す
なわち受動領域１１及び１３と活性領域１２から成る。

各受動領域はその上に配置されたブラッグ反射器を有す
る多層誘電体導波路を含む。活性領域１２は金属接触１
４及び１５間に接続された電位源により、閾値レベル以
上に電気的にポンピングされた時、刺激光放射を発生す
ることができる半導体へテロ構造ｐｎ接合を含む。

活性領域１２中の■−ｖ族半導体へテロ構造は、金属ス
トライプ接触１４、上部クラッド層１６、活性コア層１
７、下部クラッド層１８、導波路基板層１９、基板層２
ｏ及び金属接触１５から成る。電極１４は活性領域１２
内のポンピングストライプ領域を規定する。層１９及び
２ｏは活性領域１２の縦方向境界、すなわち表面２６及
び、２１を越えて延びる。従って、領域１１から１３ま
での中の半導体材料は、メサ型とよばれる形状になる。

領域１１及び１３中の誘電体導波路は、導波路基板層１
９の表面２８とともに、メサの表面２６及び２７に接す
る。

受動領域１１及び１３内で、誘電体光導波路はシリコン
誘電体化合物を含む多層構造である。各導波路は半導体
へテロ構造基体に、モノリシックに集積化される。ブラ
ッグ反射器は時間一定として示されており１波形表面２
９及び３０に沿った空間的に周期的な波形であり、各導
波路コア層上又はその近くに配置される。各ブラッグ反
射器は対応する導波路コア層２２．２４の上部表面２１
１．３０の上に直接あるように示されているが、レーザ
ー１０又は１０′の別の実施例を製作することができ、
その場合ブラッグ反射器は上部クラッド層上又は下部導
波路クラッド層の下に置かれる。更に１図示されている
ように、ブラッグ反射器は各受動領域の全長に渡って延
びるが、レーザー１０又は１０′の別の実施例を製作す
ることができ、その場合各ブラッグ反射器は受動領域の
端部における全長の一部分に°延びる。

受動領域１１［”１３］内で、誘電体光導波路は上部ク
ラッド層２１（２１１、導波路コア層２２　（２４）、
ブラッグ反射器を形成する波形表面２９（３０）及び導
波路下部クラッド層２３（２５）を含む。導波路中の光
エネルギーの伝搬方向に垂直にみると、導波路コア層２
２はリブ導波路として知られ、以下でより詳細に述べる
Ｔ又は倒立Ｔ形で規定される。導波路コア層２２もまた
長方形平行六面体形をもつことができ、それはリブ導波
路の極端な場合として解析される。いずれの場合におい
ても、導波路はシングルモード伝搬を維持し、一方二次
元横方向閉じ込めをすることが重要である。更に、導波
路は活性領域１２中の半導体構造に突き合わせ接続結合
し、モード分布整合する。

導波路上部クラッド層２１及び下部クラッド層２３及び
２５はシリコン酸化物のようなシリコン誘電体化合物、
５ｔＯｘ（ｘ〜２）で、アモルファスであり二酸化シリ
コンに似ている。導波路コア層２２及び２４はポリイミ
ドのような重合材料かシリコン窒化物＆３Ｎ４　のよう
なシリコン誘電体化合物である。

■−ｖ族半導体へテロ構造デバイスの場合、たとえば分
布ブラッグ反射レーザー１０のように、デバイスのエピ
タキシャル成長は通常ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系又はＡ
ｌＧｍＡｓ／ＧａＡｓの（１００）基板上に行われる。

この基板の方向により、＜０１１＞軸が光エネルギー伝
搬の望ましい方向としての有用性が確実になる。

図に示された各レーザー（１０及び１０′）は、（１０
０）基板上に液相エピタキシーにより、基板層２０と以
下の順で、ｎ形導波路基板層１９、ｎ彫工部クラッド層
１８、ｎ形又はアンドープ活性層１７及びｐ形上部クラ
ッド層１６が成長される。各層の伝導形は各ｐ層がｎ層
に、各ｎ層がｐ層になるように逆転してもよい。更に、
ヘテロ構造基体の別の実施例においては、クラッド層１
６上に必要に応じてキャップ層を含んでもよい。第２図
に示された実施例は、半導体へテロ構造基体の製作から
、キャップ層の成長を省くことにより実現される。

ヘテロ構造用の半導体材料は、ｍ−ｖ族化合物のグルー
プから選択される。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系において
、二元の■−ｖ族化合物１ｎＰがクラッド層１６及び１
８、基板２０に用いられる。Ｉｎ　　Ｇａ　Ａｓ　Ｐ　
　は活性層１７及び導波１−ｙ　　ｙ　　ｘ　１−ｘ 路基板層１９として用いられ、その場合合金組成比Ｘ及
びｙは、特定のレーザー出力波長（λ）あるいはへテロ
構造のためのエネルギー禁制帯及び格子定数を生成する
ように選択される。Ｘ及びｙを選択する技術の説明につ
いては、アール嗜ムーン（Ｒ，Ｍｏｏｎ　）らによる“
合金組成の関数としてのＧａＩｎＡｓＰの禁制帯及び格
子定数”、ジャーナル、エレクトロン・マテリアルズ（
Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌｇ　）、第
３巻、６３５頁（１９７４）を参照のこと。

その説明において、−例として１．３μｍ　（０，９５
ｅＶ）の波長を生成するために、ｘ＝０．５２及びｙ二
０．２２が選択される。本発明はこれらの比が０，９５
μｍないし１．７μｍの範囲の波長を生成するように変
えられる時、等しく適用できることに注意することが重
要である。

１．５μｍ以上のレーザー出力波長を生成するための濃
度比の場合、ヘテロ構造の液相エピタキシャル成長中、
層１６及び１１間に四元のメルトバック防止層を成長さ
せることが必要である。そのようなメルトバック防止層
を成長させるためには、許容しうる結果を生成するため
に、エツチング露出時間をわずかに修正するように、以
下で述べる表面処理を必要とする。

第２図に示されたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系のへテロ構
造の場合、クラッド層１６及び１８は約１．５−３μｍ
の厚さで、活性層ＩＴ及び導波路基板層１９は約１００
０−３０００オングストロームの厚さ、基板２０は約７
５−１００μｍの厚さである。もちろん、説明を簡単か
つ明瞭にするため、第２図中の層の厚さは、必ずしも実
際の・比率では描かれていない。

ＭＧａＡｓ／ＧａＡａ系において、二元の１ｉ−ｖ族化
合物ＧａＡａ　　が基板２０として用いられる。

三元ｍ−ｖ族化合物Ａ／ＧａＡｓが層１６ないし１９と
して用いられる。クラッド層１６及び１８はＡｔＧａ　
　Ａｓ及び＃Ｇａ　　Ａｓ　　をそれぞｒ　　　１−ｒ
　　　　　　　　　　ｕ　　　１−ｕれ用い、活性層１
７は＃Ｇａ　　Ａｓを、導波路　　１−８ 基板層１９は＃Ｇａ　　Ａｓを用いる。クラッドｌ−ｗ 層１Ｂは基板層２０とは異なる材料組成であるから、層
１９は結晶成長から省いてもよい。

合金組成ｒ、ｓ、ｕ及びＷは特定のレーザー出力波長あ
るいはへテロ構造半導体基体用のエネルギー禁制帯及び
格子定数を生成するように選択される。一般に、組成比
８及びＷは比ｒ及びＵより小さく、また、対称とするた
めにｒ及びＵは等しく選ばれる。各種Ｎ　ＧａＡｓ層の
組成比選択技術の説明は、エイチ・クレツセル（Ｈ，Ｋ
ｒｅｓｓｅｌ　）らにより、６半導体レーザー及びヘテ
ロ接合ＬＥＤ”３５７−３６３頁（アカデミツク　プレ
ス：ニューヨーク１９７７　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅ
ｓａ　：　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　１９７７　）に述べられ
ている。

第２図に示されたＭＧａＡｓ／ＧａＡｓの層の厚さけ、
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系に関連して上で述べたものと
本質的に同一であるが、必要により設ける基板層１９が
０２ないし１．８μｍの範囲にあることは異る。

ヘテロ構造メサはフォトリソグラフィ・マスク技術及び
湿式化学エツチング技術により、領域１２中に形成され
る。方向選択性及び材料選択性エツチング剤が、この目
的に適しているＯケイ・フルヤ（Ｋ、　Ｆｕｒｕｙａ　
）ら、′集積光学のためのＩ　ｎＧａＡｇＰ／Ｉ　ｎＰ
中の化学エッチされた結晶小面”、エレクトロニク・レ
ターズ（Ｅｌｅｃｔ、　Ｌｅｔｔ、　）、第１７巻、５
８２−５８３頁（１９８１）及びエル・エイ・コールト
レン（Ｌ、　Ａ、　Ｃｏ１ｄｒｅｎ　）ら“エツチング
停止結晶面ヲ用イｆｃ　ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ集積光
学デバイス用のエッチされた鏡、溝及び表面”プロシー
ディングオブ・トビカル　ミニティング・オン・インテ
グレーテッド・アンド・ガイデッドＱｐｔｉｃｓ）、論
文ＷＢ１（１９８２）を参照のこと。上で引用した文献
に述べられているエツチング剤及び技術は、結晶学的平
面に、滑らかで鏡面状の小面を露出するのに有用である
。（０１１）に沿った光エネルギー伝搬方向の場合、小
鏡面として好ましい二つの表面は、たとえば（０１１）
面に対応する表面２６と（０１１）に対応する表面２７
である。

ヘテロ構造メサの小鏡面を露出することに加え、誘電体
導波路用の基板層として働くように、本質的に平坦なプ
レーナ表面を露出することが重要である。この面は第２
図において、層１９の表面２８として示されている。

半導体へテロ構造系を用いるにもかかわらず、表面２８
の滑らかさ及び平坦さは、その上への誘電体光導波路の
その後の製作に重要である。以下で明らかになるように
、表面２８の清らかさ及び平坦さは、誘電体光導波路の
壁の滑らかさ及び平坦さに影響を与える。

洗れた壁を有する導波路の場合、過剰の散乱損失が生じ
る。導波路壁の滑らかさは、約５波長の長さに渡り、所
望の光波長より小さな許容度で制御すべきであると一般
にみなされている。ディー・マーカス（Ｄ、　Ｍａｒｃ
ｕａｅ　）、ベル・システム　テクニカル・ジャーナル
（ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　）、第４８巻Ａ３１８７頁以後（１９６９）
及びジェイ・イー・ボニル（Ｊ、　Ｅ、Ｇｏａｌｌ　）
　ら“光レジストマスクを用いだ光導波路のイオン照射
製作”、アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐ
ｌ。

Ｐｈｙａ、　Ｌｅｔｔ、　）、第２１巻７２−７３頁（
１９７２）を参照のこと。導波路壁の形は表面２８の形
によシ直接決るので、表面２８及び導波路基板層１９の
滑らかさの許容しつる制御が、半導体のへテロ構造結晶
のエピタキシャル成長中必要とされる。

上で述べた技術を用いて表面２６．２７及び２８が十分
露出された後、界面反射にょシ生じるファプリーペロー
動作を避ケるため、および活性領域１２と受動導波路領
域１１及び１３間の適度の結合を確実にするために、蒸
着プロセス技術に上り、少くとも表面２６及び２１は反
射防止材料の薄膜で被覆される。

反射防止薄膜による被覆は、それぞれ領域１２（活性）
及び１１．１３中の活性及び受動導波路の実効的屈折率
の幾何平均に等しい屈折率ｎ　を示す。すなわち、 ＆ｒ ｎ　　−（ｎ　＊ｎ　＊）１／２（１）ａｒ　　　　　
　　　Ａ　　　　Ｐ ここで、ｎＡ＊は活性領域１２中の導波路の実効的屈折
率、ｎ＊は受動領域１１又は受動領域１３のいずれかの
中の導波路の実効的屈折率である。各実効的屈折率は自
由空間の伝搬定数で規格化された実際の導波路の伝搬定
数てより与えられる。反射防止被膜の厚さう。

は、次式で与えられる。

ここで、λ０は自由空間での光波長である。

反射防止被膜を形成するためにＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
系中の表面２６及び２７上に蒸着するのに適した材料は
、Ｔａ２０５及び７″４ｏ５のような金属酸化物である
。

受動領域１１及び１３はモード分布整合突き合わせ接合
で活性領域１２に結合された二次元シングルモード誘電
体光導波路を含む。

各導波路はコア層より小さな屈折率を有する媒体により
本質的に囲まれた誘電体材料の長い導波路コア層から成
る。リブ導波路構造に見られるように、導波路コア層２
２及び２４は各コアの周囲に低屈折率を生成するため、
従って二次元閉じ込めのために、誘電体材料により完全
に囲む必要はない。むしろ各コア層中のストライプ領域
を囲む実効的な屈折率のみが、対応するコア層のストラ
イプ領域の実効的な屈折率よシ低いことが必要である。

従って、リブ導波路構造は二次元シングルモード光閉じ
込めを起させるのに十分である。

リブ導波路の特性については、エフ・ケイ・ラインハル
ト（Ｆ、　Ｋ、　Ｒｅ１ｎｈａｒｔ　）らＫより“〃Ｇ
ａ１−ｘＡ　ｓ層上のエピタキシャルＧａＡａの陽極酸
化により形成されたリブ導波路の伝送特性”アプライド
・フィジックス・レターズ（Ａｐ　ｐ　１゜Ｐｈｙｓ、
　Ｌｅｔｔ、　）　、第２４巻、２７０−２７２頁（１
９７４）に述べられている。

■−■族半導体へテロ構造層上への誘電体導波路の製作
については、ケイ・フル’ｒｙ（Ｋ。

Ｆｕｒｕｙａ　）ら°新しい堆積／スピン導波路相互接
続（ＤＳＷＩ　）−半導体集積光学の技術”プロシーテ
イング　オブ　トビカル・ミーティング・オブ・インテ
グレーテッド・アンド・ガイデッド−ウェーブ・オプテ
イクス（Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　Ｔｏｐｉｃａｌ　Ｍｔｇ、
　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎｄＧｕｉｄｅｄ　
−Ｗａｖｅ　０ｐｔｉｃｓ　）、ＦＤＰ−８（１９８２
）に述べられている。

導波路基板層１９の表面２８上への誘電体光導波路の形
成は、表面２８上にのみ導波路下部クラッド２３及び２
５を形成するために、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ、ｘ〜
２）のような誘電体材料の制御された方向性堆積から始
る。

導波路下部クラッド層２３及び２５を形成するために選
択された誘電体材料は、導波路コア層２２及び２４より
低い屈折率を示す。誘電体材料の堆積は、高度に制御す
る必要がある。その目的は導波路下部クラッド層誘電体
材料が、表面２６又は２７、特に半導体層１７及び１８
間の界面上の表面２６又は２７に付着するのを防止する
ことである。

層１９上へのＳｉＯｘの制御された方向性堆積のために
、二つの低温技術が開発された。一つの技術は酸素雰囲
気中でのシリコンモノオキサイドＳｉＯの熱堆積を含む
。もう一つは真空中での二酸化シリコン５ｔ０２の電子
ビーム堆積を含む。

熱堆積技術において、半導体基体は約２．ＯＸ　１０　
　’ｍｂａｒの酸素（０２）雰囲気内に置かれる。

Ｓ４０源を蒸発させるために、タンタルフィラメントに
制御して電流を流す。＆０源の蒸発速度を制御し、層１
９の表面２８上への５ｔＯｘの堆積速度を制御するのは
、この電流である。

上で述べたように、＆ＯＸの堆積はＳｉＯ及び３ｉ０２
の粒子が本質的に衝突なしの雰囲気内にあり、（′１ｏ
　ａ）面すなわち表面２８とそれに平行な他の面にのみ
付着するように、方向性のあるものである。導波路下部
クラッド層２３及び２５用の制御された方向性の堆積を
行う堆積速度の例は、１秒肖り約５オングストローム又
は０．０３μｍ／ｍｉｎである。層２３及び２５中の５
ｉ０２に対するＳｔＯの比率を変えるために、０２雰囲
気を変えることができる。もちろん、０２雰囲気のその
ような変化は、層２３及び２５の屈折率に影響を与え、
Ｓ４．Ｏは１．９０の屈折率を、＆０２は１．４６の屈
折率をもつようになる。上で示した０２雰囲気の例によ
ると、層２３及び２５の化学量論的組成はＳｉＯｘ　（
ｘ〜２）で、Ｓもｏ２に似た＆０及び５ｔ０２の不均一
な組成は、１．５０の屈折率をもつ。

上で述べた第２の堆積技術は、真空中での８４０２源の
電子ビーム蒸発を含む。この技術に有用な真空の例は、
約１０　　ｔｏｒｒである。この技術において、半導体
基体は５４０２源を含むるつぼとともに、排気された容
器内に置かれる。十分なパワーをもつ電子ビームが、源
の上に焦点を合わされ１．！９４０２を蒸発させる。ビ
ームのパワーは堆積速度を制御するため、注意深く制御
され、−古臭空圧は５ｃ０２の流れが表面２８　（（１
００）面）に平行な露出された表面にのみ向う方向とな
るように、制御される。

この堆積プロセス全体を通じて、半導体基体は室温にあ
る。従って、層１９及び２３又は２５間の界面に生じる
結合は、不完全な化学結合である。

導波路下部クラッド層２３及び２５は半導体へテロ構造
基体の層１８には隣接するが、層１８の表面２６及び２
７には、それぞれ完全には接しない。層２３及び２５の
上部表面は、層２３及び２５が勾配をもつ表面２６及び
２７付近の狭い領域を除いて、導波路基板の表面と同じ
平坦さ及び滑らかさ、すなわち同一平面性をもつ。勾配
をもつこの狭い領域は、表面２６又は２７から０３μｍ
以上は延ひない。

層２３及び２５は誘電体光導波路の下部クラッド層とし
て働く。一般に、層２３及び２５はそれぞれ層１８とほ
ぼ同じ厚さをもつ。

導波路を通してしだいに減衰する層１９への結合による
放射損を防止するため、層２３及び２５は少くともほぼ
１μｍ１好ましくは２．０μｍの厚さを持つことが望ま
しい。層２３及び２５の厚さもまた後に形成される受動
導波路コア層の、活性コア層１７に対する位置を決る。

層２３及び２５は半導体コア層１７から隣接する各受動
光導波路コア層（層２２及び２４）への伝送係数を最大
にするため、すなわち層１７と誘電体導波路間のモード
分布整合を最大にするため、十分厚くすべきである。モ
ード分布整合については、以下で詳細に述べる。

導波路コア層２２及び２４はそれぞれ層２３及び２５と
層２６及び２７の露出した表面上に形成される。層２２
及び２４は層２３及び２５の屈折率より高い屈折率を有
する誘電体材料から成る。導波路層２２及び２４は受動
導波路のコア層として働く。そのような場合、層２２及
び２４用に選択された誘電体材料は、その中を伝搬させ
る光の波長又は複数の波長に対し、光学的に透明である
ことが望ましい。

本発明の一実施例において、ビラリン（イー、アイ、デ
ュポン・ド・ヌマ・アンド・カンパニ（Ｅ、　１．　Ｄ
ｕｐｏｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐ
ａｎｙの商品名）ポリイミド被膜のような有機ポリイミ
ド被膜材料が、誘電体導波路コア層２２及び２４の形成
に用いられる。ダブリュ・ニドワード（Ｗ、　Ｅｄｗａ
ｒｄａ　）に１９６５年４月２０日承認された米国特許
第３，１７９，６１４号及び３．１７９，６３４号も参
照のこと。ビラリンポリイミド被膜は約１．７の屈折率
を有し、１００パーケントイミド化した後、０．８５な
いし１．８μｍの範囲の光波に対し透明である。

誘電体導波路コア層２２及び２４は、ビラリンポリイミ
ド被膜を用いた以下の工程を実施することにより形成さ
れる。層２２及び４４の層２３及び２５の表面２６及び
２７と露出した表面に対する固着性を増すため、材料を
処理する。固着増進剤の一例は、イー・アイ・デュポン
・ド・ヌマ・アンド・カンパニ（Ｅ、　１．　Ｄｕｐｏ
ｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏ、ｕｒｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｎ
ｙ　）により、ＶＭ−６５１の製品名で売られているも
のである。次に、ポリイミド被膜が半導体及び誘電体基
体に形成される。ポリイミド被膜中に存在する気泡の除
去が、次に半導体メサ及び誘電体基体を短時間真空容器
中に置くことにより行われる。この時点で、ポリイミド
被膜形成層２２及び２４は少くとも表面２６及び２７、
層２３及び２５と完全に接触する。続いて、モノリシッ
クに集積化された構造が、室温で回転台又はスピンナ上
に置かれ、真空及び３０００ないし７０００　ｒｐｍの
範囲の速度で回転することにより、適切に保たれる。回
転速度及びポリイミド被膜の粘着性が、＜１００＞方向
の層２２及び２４の厚さを決る。層２２又は２４として
のポリイミド被膜の厚さの例は、約０．３ないし１．２
μｍである。

層２２及び２４がそれぞれ層２３及び２５上にスピン被
膜された後、完全な焼きなまし前に、ポリイミド被膜は
たとえば１３０℃で約５分間のように、１００パーセン
トまで達しないイミド化を起すように薄膜をベーキング
することにより、部分的に焼きなましされる。不完全な
焼きなましをしたポリイミドはある種の溶液に可溶で、
従ってフォトリングラフィ技術により整形又はパターン
形成できる。

不完全な焼きなましをしたコア層２２及び２４のパター
ン形成は、誘一体導波路のコア層の縦方向ストライプ及
び横方向幅（＜０１１＞方向）を生じるように、ＡＺ１
３５０Ｊのような標準的なフォトレジストを用いて行わ
れる。次に、層２２及び２４の選択された部分が、パタ
ーン形成後焼きなまし前に、たとえば上に述べたりブ波
形構造を形成するために、ＡＺ３０３現像液又は酸素プ
ラズマを用いたエツチングにより、完全にあるいは部分
的に除去される。

ブラッグ反射器を形成する周期的波形は、これら層の完
全な焼きなまし前に、導波路コア層２２及び２４上に刻
まれるかあるいはエツチングされる。干渉又はホログラ
フィ製作技術については、上で引用したニゲ（Ｎｇ）ら
及びジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ　）らの文献、１９７
２年９月５日にイー・ニー・チャンドロス（Ｅ。

Ａ、　Ｃｈａｎｄｒｏｓｓ　）らに承認された米国特許
第３．６８９．２６４号、ケイ・ペニントン（Ｋ。

Ｐｅｎｉｎｇｔｏｎ　）らによる“光導波路回路網製作
のだめのホログラフィ技術”と題する論文、アイ・ビー
・エム、テクニカル　ディスクロシュア、プリテン（Ｉ
ＢＭ　Ｔｅｃｈ、　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ互ｌリエ）第
１４巻、第５号、１４９３−１４９４（１９７１）Ｋ述
べられている。これらの技術を用いることにより、ブラ
ッグ反射器の周期と位置を調整することが可能である。

次に、層２２及び２４の残ったエッチされていない部分
が、十分に焼きなまされる。スピンポリイミド被膜の焼
きなましは、１００パーセントのイミド化を可能にする
のに十分な時間及び温度で、モノリシックに集積化され
た構造をベーキングすることによ如、実現される。−例
において、焼きなましは２００℃で約２時間ベーキング
することにより達成された。

クラッド層２１はコア層２２及び２４上の各受動導波路
領域内に形成される誘電体材料の第３の層である１層２
１の屈折率は各コア層の適当な光閉じ込めを実現するた
めに、層２２及び２４の屈折率より小さい。更に、クラ
ッド層２１はそれが接する分布ブラッグ反射レーザー１
０の部分を不活性化する。堆積又はスピン被覆は、層２
１を製作する別の技術である。実施上の一例として、酸
素雰囲気中のシリコンモノオキサイド５ｔＯＯ熱堆積が
、コア層２２及び２４上のクラッド層２１として、５＝
ｏｘ（ｘ〜２）層を堆積させるために用いられる。熱堆
積技術については、クラッド層２３及び２５の製作に関
連して、上で述べた。

上で述べたように、ポリイミド／シリコン酸化膜導波路
の場合、受動導波路の実効的屈し１．７の範囲にあるこ
とに注意すべきである。

第３図はブリュースター窓を通して活性領域１２′に突
き合わせ接続結合された受動領域１１′及び１３’中の
非線形誘電体光導波路を有する分布ブラッグ反射レーザ
ー１０′を示す。導波路基板層１９′は金属ストライプ
電極１４′下のへテロ構造メサ、コア層２２′と２４′
及びクラッド層２１′が示されている誘電体導波路を支
持する。ブリュースター角ＱＢは次のように定義される
。

ここで、ｎ、＊及びｎ＊はそれぞれ受動及び活Ａ 性領域の実効的屈折率である。

第４図は第２図に示される分布ブラッグ反射レーザーの
別の実施例を示す。第４図のレーザー構造は光源として
動作する。この構造は受動領域１１及び活性領域１２に
関しては第２図のそれと同一であるが、活性領域１２０
表面が反射防止膜で被覆されないことが異なる。従って
、表面２７は光周波見損を維持するために、光エネルギ
ーの十分な帰還を起すだめの反射器又は帰還機構として
働く。やはり、表面２６及び２７は本質的にプレーナ面
で、相互に平行で、活性領域１２の相対する側を占める
ことに注意することが重要である。

第４図に示されるレーザーの製作は、レーザー１０と同
様の方式で行えばよい、更に、第２図に示されるレーザ
ー１０は、縦方向の軸に沿った必要な長さの２倍に延び
る活性・領域１２を有するように構成してもよい。表面
２６（第２図）に平行な面上の活性領域１２の中央の点
で、レーザーをへき関すると、第４図に示される形の２
個のレーザーができる。

上で述べたような分布ブラッグ反射レーザーの場合、受
動導波路の単位長当シの損失は、０、５　ｄＢ／、、程
度であり、−男手導体導波路分布ブラッグ反射レーザー
は、単位長当り最善でも５．０　ｄＢ／ｍｉ＋の損失を
示すことがわかった。

最後に、ここで述べた製作技術から明らかになった利点
は、レーザーが室温又は室温付近で製作できることであ
る。従って、モノリシックな集積化が半導体材料の結晶
特性を乱すことはない。そのため、ここで述べた技術に
従い製作されたデバイスは、高温で製作された他のレー
ザーより、信頼性と寿命が改善された。また、本発明で
は受動導波路の形成に余分の結晶成長工程がないため、
余分の結晶成長を必要とするプロセスより歩’ｔｉｉｖ
が増す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う直線状突き合わせ接続結合誘電体
導波路を含む分布ブラッグ反射レーザーの上面図、 第２図は切断面２−２でみた第１図の分布ブラッグ反射
レーザーの断面図、 第３図は本発明に従う非直線状突き合わせ接続結合誘電
体導波路を含む分布ブラッグ反射レーザーの上面図、 第４図は単一の受動誘電体導波路のみを含む本発明に従
う分布ブラッグ反射レーザーの断面図である゛。 〔主要部分の符号の説明〕 受動体導波路媒体・・・ｆｔ、１３ 半導体レーザー・・・１０ クラッド層・・・２１．２３．２５ コア層・・・２２．２４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性半導体構造及び光帰還手段から成る半導体レー
   ザーにおいて、 ブラッグ反射器として働くように構成された少くとも１
   個の受動導波路媒体を含み、該受動媒体は誘電体材料で
   あり、半導体構造とモノリシックに集積化されることを
   特徴とする半導体レーザー。 ２、特許請求の範囲第１項記載のレーザーにおいて、 受動媒体は誘電体材料のクラッド層間にはさまれた誘電
   体材料のコア層を含むことを特徴とする半導体レーザー
   。 ３、特許請求の範囲第２項記載のレーザーにおいて、 クラッド層はシリコン酸化物ＳｉＯｘで、Ｘは約２に等
   しいことを特徴とする半導体レーザー。 ４、特許請求の範囲第２項又は第３項記載のレーザーに
   おいて、 コア層はポリイミドであることを特徴とする半導体レー
   ザー。 ５、特許請求の範囲第２項又は第３項記載のレーザーに
   おいて、 コア層は窒化シリコンであることを特徴とする半導体レ
   ーザー。