JPWO2003073570A1 - 量子ナノ構造半導体レーザ、及び量子ナノ構造アレイ - Google Patents
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Abstract
発振させるレーザ光の光進行方向Ｉｓに対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向Ｉｓに沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板の当該Ｖ溝のそれぞれの上に、ＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線（１１）を形成する。これら複数の量子細線（１１）を、互いにはレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向Ｉｓに沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域とする。これにより、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方を、従来提供されているものに比し、より満足し得る量子ナノ構造半導体レーザを提供する。
Description
技術分野
本発明は、特に分布帰還（ＤＦＢ）半導体レーザに適用するに効果的な量子ナノ構造半導体レーザ、及び各種光機能素子に有意に応用できる量子ナノ構造アレイの改良に関する。
背景技術
半導体レーザにおいて、導波路の進行方向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レーザは、発振波長を厳密に制御することが可能な点で、またファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を持つ。
こうした分布帰還半導体レーザに関し、まず問題となるのがその製造工程の簡素化である。初期の頃は、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層および上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを形成した後、別途な工程により第二回目の結晶成長を行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を形成していた（例えば文献１：Ｐ．Ｋ．Ｙｏｒｋ，Ｊ．Ｃ．Ｃｏｎｎｏｌｌｙ他、「ＭＯＣＶＤ ｒｅｇｒｏｗｔｈ ｏｖｅｒ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌｏｎｇ−ｌｉｖｅｄ ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｌａｓｅｒｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １２４（１９９２）７０９−７１５）。
さらに，こうした基本的工程群に加えて、横方向の閉じこめ効果を得るためには、光導波路に沿ったストライプを二酸化シリコン等をマスクにしてエッチング等により形成し、第三回目の成長により、その側面を埋め込むと共に電流ブロック層を形成し、次いで、選択成長に使用した二酸化シリコンマスクを除去して第四回目の成長を行うことで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化を行っていた。
このような、多数回のリソグラフィおよび結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるために、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因ともなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、将来的にもそのまま継続的に適用できる手法とはなり得ない。
一方、活性領域に量子細線や量子ドットを用いた量子ナノ構造半導体レーザでは、当初想定されていた量子効果以外にも種々大きな長所があることが判明した。例えば量子ドットでは特に、ドットの周りはバンドギャップの広い材料で囲まれているので、デバイス形状に拘わりなくキャリアをドット内に閉じ込め得るし、結晶成長条件を変更するのみで、製造コストの増加を招かず、機能の追加を狙うこともできる。このような長所は、これから本格的な「ファイバー・トゥ・ホーム（ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｈｏｍｅ）」の時代に入るに際し、そこで用いられる半導体レーザ等を構築する上で極めて有利である可能性を示している。
そこで本発明者等は、これまでにも量子細線の製造工程等に関し、段階的にそれまでとは別途な手法を模索してきた。一般的に少し特性上の観点から言えば、活性層として量子細線のようにバンドギャップの狭い材料を電子のド・ブロイ波長に相当する数ｎｍの寸法でクラッド層となるバンドギャップの広い材料中に埋め込んだ量子ナノ構造は、特定のエネルギ準位に電子系の状態密度が集中するために高性能な光デバイスの実現に適している。従って、製造工程の問題をクリアするにしても、このような構造を実現することをも目的とした方が合理的である。つまり、均一かつ高密度に量子細線を特定の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実現することができる。
一方で、光を半導体導波路に閉じこめるためには、上下のクラッド層を、少なくとも０．５〜１μｍ程度の厚さには形成する必要がある。そこで基板上にグレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面においてグレーティングを満足な形状に保持できれば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることになる。
こうした観点から、本発明者等はまず、文献２（Ｘｕｅ−Ｌｕｎ Ｗａｎｇ他，「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｕｎｉｆｏｒｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｉｒｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｂｙ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ Ｖ−ｇｒｏｏｖｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １７１（１９９７）３４１−３４８）にて、（１００）方位の化合物半導体基板に（１−１０）方向にストライプパタンを形成し、ウェットエッチングによりＶ溝を形成した後、その上に表面原子移動の少ないＡｌを組成に含んだＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓを成長することにより、Ｖ溝状のプロファイルを保持したクラッド層を形成してから、表面原子移動の大きいＧａあるいはＩｎを含むＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓを供給することで、三日月状の量子細線を形成する手法を提案した。このとき、斜面を互いに交錯する（１１１）Ａ面とすることができれば、化合物半導体の混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することにより、成長厚さ方向に１μｍ以上、当該Ｖ溝形状を良好に保ちながら成長することが可能になる。
これは、成長速度の速い（１００）面に対して比較的結晶成長速度の遅い（１１１）Ａ面が、ちょうど結晶面の傾き角θに対してｓｉｎθの成長速度を持つとき、定常的なプロファイルを保つことが可能になるためである。一般に特定の面の成長速度は、その面の化学的な活性度と周囲からの原料元素の拡散に依存し、温度が高い程、結晶面方位による異方性が消滅し、成長速度が均一になる傾向にある。一方低温になると、（１１１）Ａ面等の不活性な結晶方位においては成長速度が低下するので、基板温度を調節することにより、一定の周期での繰り返し構造の形成が可能になる。
しかし、この提案では、繰返し周期、すなわちＶ溝の並設間隔（ピッチ）は、ミクロン・オーダに留まっていた。特性の満足な分布帰還半導体レーザを得る場合等には、この間隔は粗過ぎ、サブミクロン・オーダにする必要がある。ところが、基板表面に付着したＧａ原子の拡散距離に対し、より短い周期を持つサブミクロングレーティングの場合、特定の結晶成長プロファイルを保ちながら成長することは一般には困難とされ、実際、当初は無理であった。
その後、本発明者の実験、研究の結果、なんとかある程度の厚さ迄であるならば、基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ層の表面においてもＶ溝の断面形状を良好に保つのに成功はした。
これは、文献３（Ｃ．Ｓ．Ｓｏｎ，Ｔ．Ｇ．Ｋｉｍ，Ｘ．Ｌ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｏｇｕｒａ，“Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｖ−ｇｒｏｏｖｅ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ ｏｎ ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，Ｎｏ．１／４，ｐｐ．２０１−２０７（Ｄｅｃ．２０００））にて開示されている。
しかるに、例えば、ＧａＡｓ基板の表面上に形成されたグレーティングのプロファイルが、その上に形成されるＡｌＧａＡｓ層のどの程度の膜厚まで保持できるかを見るには、１００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ層と１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層とを交互に積層してみると判断し易い。上記の文献３でも、表面に０．３８μｍピッチでＶ溝を形成したＧａＡｓ基板上に、相対的には厚い１００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ層と、相対的に薄い１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層とを交互に複数層、積層して見た場合が示され、その結果、積層厚にして基板表面からおおよそ１μｍ程度までは、基板のＶ溝形状を略々良好に保っていることが認められた。このＶ溝の底の部分に平行に、断面にして三日月形にＧａＡｓ量子細線が形成される。しかし、まだこの文献開示時点での技術では、１μｍを超える積層高さに至ると、著しくＶ溝形状は損なわれた。
もちろん、実際に分布帰還半導体レーザ等を作成するときにはクラッド層としてのＡｌＧａＡｓ層は一層で良く、ＧａＡｓ量子細線もまた上下方向には一つまたは幾つかであって良いが、上の方に行ってもＶ溝形状が崩れていない程、下の方のＶ溝形状は良好であり、その中に形成される量子細線の断面形状も良好だということが言え、このことは、単一層として任意の膜厚に形成されるＡｌＧａＡｓクラッド層の上面においても良好なグレーティング形状を保持可能なことを証し、その上に形成される量子細線も良好なものが得られるであろうことを意味している。さらに、量子細線でなくて、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該活性層の厚みや幅がＶ溝グレーティングの周期に対応して幾何的に変調していたり、凸凹しておらず、かなり均一で平らな面状（シート状）の活性層であっても、その下のグレーティング構造が精度良く再現されているならば、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に分布帰還型半導体レーザの活性層等として極めて有効に利用できる。ここでは簡単のため、まずは量子細線についてのみ説明して行く。
より高い積層厚まで良好なＶ溝形状を保つべく、その後における本発明者のさらなる研究、実験により、上記文献３に開示された技術は向上し、少なくとも１μｍ越え、望ましくは１．５μｍに迫るか、これを越えるクラッド層厚としても、その表面においてＶ溝形状が良好に保たれているような条件を提示するに成功し、これは既に出願した特願２０００−４０４６４５（特開２００２−２０４０３３）として開示されている。
この文献中では、基本的な構成として、（１００）ＧａＡｓ基板上の［０１−１］方向に伸びるＶ溝をＧａＡｓ基板の表面に複数個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が（１１１）Ａ面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去処理をした後もＶ溝の角度が８０度以下となるようにした後、６８０℃から７２０℃の範囲内で熱クリーニングしてＧａＡｓ基板表面上に同材質であるＧａＡｓバッファ層を形成している。こうした処理を施すことで、熱クリーニングにより鈍ったＶ溝間の頂部の鈍りを回復させることができ、その上に成長温度６７０℃から６８５℃の範囲内で、Ａｌ組成比が０．３から０．６のＡｌＧａＡｓ層、または、Ｉｎ組成比が０．０５から０．３のＩｎＡｌＡｓ層をクラッド層として成長させて、さらに、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓを供給している。
また、量子細線ないしは量子井戸層を形成する部分の上にも、クラッド層を形成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比より小さなＡｌ組成比のＡｌＧａＡｓガイド層、またはクラッド層を形成するＩｎＡｌＡｓ層のＩｎ組成比よりも小さなＩｎ組成比のＩｎＡｌＡｓガイド層を形成し、その上にさらに上側クラッド層としてＡｌ組成比が０．３から０．６のＡｌＧａＡｓ層、またはＩｎ組成比が０．０５から０．３のＩｎＡｌＡｓ層を成長させることが、この発明を利用した素子を製造する上で実際には望ましいともしている。
この手法により、体の積層構造の高さ方向では１μｍを十分に越え、１．５μｍに至る程度まで、Ｖ溝断面形状は良好に保ち得た。もちろん、このような高さにまでＶ溝形状を維持できることは、結局、より下の方の量子細線の形状、及びそもそものＶ溝形状も極めて良好であることを証明しており、実際、これを例えば分布帰還半導体レーザの活性層内の埋め込み量子細線として用いて見た所、十二分な特性が得られた。つまり、こうした多層膜の繰り返し積層構造の構築実験からして、単一クラッド層としてＡｌＧａＡｓ層を上記の厚さ範囲まで成長させても、その表面におけるグレーティング形状は基板グレーティングに整合し、十分良好に保てることが、この既出願発明により証明されたのである。当然、その上に形成される量子細線の形状、特性も良好になる。もちろん、この上限厚さ未満のＡｌＧａＡｓクラッド層ではより好結果が期待される。
このように、量子細線自体については、本発明者らの努力により相当に優秀なものを提供できる環境になってきた。その製造方法も簡素であり、一回の選択成長により、高密度多重量子細線をデバイス構造の所望の位置に良好な形状、特性をもって形成し得るようになった。しかし、このような優秀な量子細線構造もその応用において発展がなければ、真に産業界に貢献したことにはならない。実際に使用されるのは応用デバイスだからである。
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、特に益々の需要が期待される量子ナノ構造半導体レーザにおいて、これも常に改善が望まれている、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方をより満足し得るものを提供せんとする。もっとも、同様の趣旨において、量子ナノ構造半導体レーザに限らず、各種変調器や増幅器その他、種々の光機能素子に発展させ得る、周期的に配置された有限長量子細線ないし量子ドットを用いた量子ナノ構造アレイの提供も内在的な目的としている。
発明の開示
本発明では、上記目的を達成するため、まず、第一の発明として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板にはＶ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること、を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。これにより、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方を、従来提供されているものに比し、より満足し得る量子ナノ構造半導体レーザを提供できる。
もっとも、複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
材質的に望ましい構成も提案でき、上記のＶ溝は、ＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線は、この有限長のＶ溝上に成長させられたＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓから作製された有限長のものであって、この量子細線を覆うように、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのクラッド領域が設けられている半導体レーザや、Ｖ溝がＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線はこの有限長のＶ溝上に成長させられたＩｎＧａＡｓから作製された有限長のもので、この量子細線を覆うように、ＩｎＡｌＡｓのクラッド領域が設けられている半導体レーザとすることができる。このような半導体レーザは、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用い得る。
本発明では、上記のように、それぞれが独立した量子細線でなくても、あたかもそれら量子細線が隣り合うもの同士、Ｖ溝の間の平らな、ないし上方に湾曲した山の部分で繋がり、結局は面状（凹凸があるにしても）のものになっているように見える構造も提案する。こうした場合にも、上記の材質例を採用できる。
さらに、本発明では、半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は、凹凸のない平らなシート状である一方、発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、当該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられている量子ナノ構造半導体レーザも提案する。
本発明のまた別な態様として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることでそのＶ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットをレーザ活性領域として、それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域とした量子ナノ構造半導体レーザも提案できる。
上記したＶ溝構成や、この量子ドットを用いる場合にも、複数のＶ溝の並設周期をレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、意図的に１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
もちろん、これまた同様に、量子ドットを用いる場合にも望ましい基板材料例はあり、溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物基板はＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板か、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板とすると良い。
さらに、量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングした分布帰還半導体レーザも提案できるし、量子ドットを作製した構造体の光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型とした半導体レーザも提案できる。
また、量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って当該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿った半導体レーザも提案する。ここで、空孔の周期は媒質内波長の１／２とするのが代表的である。
本発明は、上記したような量子ナノ構造半導体レーザにのみ限らず、広く種々の光機能素子への応用の図れる量子ナノ構造アレイを提案することができる。例えばまず、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板には当該Ｖ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ光導波路巾に対応する有限長の導波路領域として設けられている量子ナノ構造アレイを提案できる。ここでもまた、複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、導波路通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
同様に、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝の上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることにより、そのＶ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットを導波路領域とし、それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域とした量子ドットアレイも提案できる。そして、これもまた先と同様、複数のＶ溝の並設周期を導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、意図的に１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
本発明では、各種の光集積回路を構築する上でも便宜な構造を提供でき、例えば上述してきた本発明による量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数、並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にすると、半導体レーザアレイとしてのみならず、各部分の条件ないしはリッジ型導波路構造ないしパラメータを変えること等で、集積化された多波長光源としても利用できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明を添付の図面に従ってより詳細に説明する。
第１図には、本発明に従って構成された量子ナノ構造半導体レーザの望ましい一実施形態である分布帰還半導体レーザ１０の構築例が示されている。基本的には既述した既出願発明：特願２０００−４０４６４５（特開２００２−２０４０３３）に開示されている作製手法により全体構造が作製されており、光出射方向Ｉｓに見て複数のＶ溝が並設されたＶ溝基板の各々のＶ溝領域中に、代表的には厚さ５〜２０ｎｍ、レーザ光出射方向Ｉｓの寸法が１０〜５０ｎｍ、そしてレーザ光出射方向Ｉｓに直交する方向の寸法（幅）が０．５〜２μｍ有限長のＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ量子細線１１から成る活性層が設けられ、これら互いに並設された複数の有限長量子細線１１の当該並設ピッチは、レーザ光出射方向Ｉｓに沿い、媒質内波長λの１／４の整数倍であるｎλ／４（ｎは整数）、例えば１／４または３／４の周期（０．１５〜０．５μｍ）となっている。
この量子細線配列の周囲は、上下０．２μｍ程度のガイド層１３と１μｍ程度の厚さの下部ＡｌＧａＡｓクラッド層１２と上部クラッド層１／４で覆われている。上下のクラッド層１４，１２の一方はＮ型、他方はＰ型である。また、その量子細線１１の断面形状は、これも既出願発明；特願２０００−４０４６４５について述べたように、一般には三日月形となる。クラッド層１２，１４はＧａＡｓにより構成することもできる。
作製手順につきもう少し具体的な例を上げれば、（１００）基板上に（１−１０）方向に有限長のＶ溝群を上記のように媒質内波長１／４の整数倍の周期で形成し、その上に、順に例えばＡｌ組成比が０．４程度のＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１２、Ａｌ組成比が０．２程度のノンドープＡｌＧａＡｓガイド層１３を形成し、さらにＩｎの組成比が０．１程度のＩｎＧａＡｓ量子細線１１を形成した後に、Ａｌ組成比が０．２程度のノンドープＡｌＧａＡｓガイド層１３（形成後には量子細線１１を覆う一体部材のようにもなることから、図中では上下のガイド層を共に符号１３で示している）、Ａｌ組成比が０．４程度のＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１／４を連続的に成長させる。
本発明によるこのような構造では、周期配列された量子細線１１の両端が閉じて有限長となっているため、少数キャリアの横方向の拡散が抑制され、従来に比してより低閾値でのレーザ発振が可能となる。実際、本発明者らの実験により、その実証が得られている。
なお、既存の作製技術では、ＧａＡｓ（１００）基板に限らず、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板を用いてもその［０１−１］方向にＶ溝を形成する実例があるので、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ量子細線１１はこうした基板上にも形成できるし、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板を用いてその［０１−１］方向に有限長のＩｎＧａＡｓ量子細線１１を形成することもでき、これらもまた本発明に適用可能である。特にＩｎＰ基板を用いた場合には、当該基板は発振波長に対して透明となるため、Ｖ溝基板上の下部クラッド層を薄くすることができ、一次グレーティング等、周期の短いＶ溝アレイの当該周期構造を保持することが容易になる。
さて、以下では第１図（Ｂ）以降の各図に即し、それぞれ本発明の他の実施形態に就き説明して行くが、当該第１図（Ｂ）以降の各図において、第１図（Ａ）中にて用いたと同一の符号は同一ないし同様の構成要素を示すものとし、改めての説明は省略するものもある。
まず、先に少し述べたように、Ｖ溝グレーティング上に、それぞれが幾何的にも互いに完全に独立した量子細線１１として形成されていなくても、例えば第１図（Ｂ）の本発明半導体レーザ１０Ａのような構造も可能である。すなわち、第１図（Ａ）における量子細線に相当する部分１１の光出射方向両側が、隣接するＶ溝の間の山の部分（平らでも上方に湾曲していても）で互いに薄い活性層部分１１ａを介し隣の量子細線部分１１に繋がっているような、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該第１図（Ｂ）に示す通り、当該活性層１５の厚みがＶ溝グレーティングの周期、すなわち、媒質内波長λの１／４の整数倍であｎλ／４（ｎは整数）、例えば１／４または３／４の周期に対応して変調しているならば、第１図（Ａ）に図示した半導体レーザ１０と同様の機能、効果を呈することができ、この点もまた、本発明者において実験をもって確認している。図中では量子細線相当部分１１で相対的に厚く、Ｖ溝間の山の部分１１ａで薄くなっている。こうした構造は、下側クラッド層１２ないしは下側のガイド層１３におけるＶ溝形状が鈍りがちな場合に特に有効な構造となる。もっとも、こうした連続活性層構造でも、レーザ発振に係る実効的なキャリア閉じ込め作用を支配的に及ぼす領域が専ら相対的に厚い活性層部分１１であるならば、やはり量子細線の並設構造と見ることもできる。
さらに、光出射方向Ｉｓに直交する幅方向の寸法が、光出射方向Ｉｓに沿って、Ｖ溝グレーティングの周期に呼応して変調していても、やはり同様の機能を得ることができ、低閾値発振を得ることができる。
この幅方向の寸法を光出射方向Ｉｓに沿って変調する場合、何も活性層そのものを幾何的に変調させなくても良いことも分かった。これに就き、第２図（Ａ），（Ｂ）に即して説明すると、第２図（Ａ）に示されている本発明半導体レーザ１０Ｂは、実効的な発振部分である所定の幅ｗ１５の活性層１５の所は凸凹しておらず、均一で平らな面状（シート状）の活性層１５となっている。しかし、その両側は、この場合はメサ形状に類似する裾野の部分になっていて、そこには光出射方向Ｉｓに沿って媒質内波長λの１／４の整数ｎ倍であるｎλ／４、例えば１／４または３／４の周期のＶ溝並設構造、すなわちＶ溝グレーティングが施されている。活性層１５とその両側の部分１５ａのみを抜き出して第２図（Ｂ）に示している通り、レーザ発振に寄与する実効的な活性層１５の部分は平らであるが、当該幅ｗ１５の活性層１５に連続する両側の裾野部分１５ａに、Ｖ溝に対応した溝１５ｂが形成されるような格好になっているのである。このような活性層両側部における幾何的変調Ｖ溝構造を設けても、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に低閾値分布帰還型半導体レーザを得られることが分かった。
本発明では、量子ドットも利用できる。すなわち、第１図（Ａ）に示した半導体レーザ１０においても、三日月形断面として示した量子細線１１は、作製条件等に応じ、場合により、あたかも当該量子細線が細かく分断されたかのような格好に、各Ｖ溝内に複数の量子ドットを形成させることもでき、その場合にももちろん、同様の効果を期待することができる。この場合の概念図は第３図に示されており、第１図（Ａ）に図示した半導体レーザ１０では幅方向に連続した物性領域としての量子細線１１であったものが、第３図示の半導体レーザ１０Ｃではあたかも当該幅方向に分断化された形になり、各Ｖ溝内にて量子ドット１１’の集合体になっている。こうした構造でも、第１図（Ａ）に示した本発明半導体レーザと同様の機能、効果を奏し得る。
第４図は、本発明に従う他の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザ２０を示しており、ここではやはり量子ドット２１が用いられている。既に述べたようなＶ溝基板の上にＩｎＧａＡｓのＩｎ組成や成長膜厚を増加させ、成長温度を低く設定すると、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＡｓ系多重量子ドット２１をＶ溝上に選択的に形成することができる。Ｖ溝の並設間隔、つまり一列に並んだ量子ドット２１群の光進行方向に沿う並設間隔は、先掲の量子細線を用いる場合と同様、レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍ｎλ／４とする。ただし、一つ一つの量子ドット２１の形状自体は、図中に模式的に示すように、バラついて来ることも多い。そしてこのことは、後述のように、寧ろ有意に作用する場合もある。
もっとも、先に述べた量子細線１１の場合もそうであるが、有限長のＶ溝は、必ずしも、基板に刻まれた溝形状を選択成長により保持するのみではなく、従来のプロセスのように、下部クラッド層を成長させ、ガイド層等を形成した後、成長炉から一旦取り出して有限長のＶ溝を形成してから、量子細線や量子ドットを形成し、引き続いて上部ガイド層、上部クラッド層の形成と複数回の成長を行った結果の形状のものも使うことはできる。厚い成長をなした後、形状を保持しようとすると、グレーティングの周期を長くする必要があるため、周期０．２μｍ以下のグレーティングの場合、形状保存成長をすることは難しくなるが、本発明により両端を止めた有限長量子細線によるキャリア散逸の阻止効果や、必要な所にのみ量子ドットを形成することにより、光の腹の部分のみに活性層を挿入する等の機能が有効に作用し、必ずしも、基板のＶ溝形状の優秀性にこだわらなくても済む場合もある。
しかるに、こうした量子ドット２１においては、活性層の全周がエネルギの大きなクラッド層に囲まれる構造となるので、自動的に埋め込み構造が実現されているのと等価となる。従って、第４図中に太い矢印Ｃｊで模式的に示したように、電流注入に基づく電子正孔対は量子ドット内に停留し、細い矢印Ｃｔ，Ｃｔで模式的に示す幅方向に沿う等価的な横方向キャリア拡散長が短くなるため、注入されたキャリアの散逸が防止できる。この閉じ込め効果自体についての考察は、文献４：Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｔ．Ａ．Ｓｔｒａｎｄ，Ｒ．Ｌ．Ｎａｏｎｅ，ａｎｄ Ｌ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ，“Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｌａｔｅｒａｌ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ．７４（１９）（Ｍａｙ １０，１９９９）２７５２−２７５４に認めることができる。従ってこの効果を利用すると、量子ドット群を形成した構造体のストライプ部分をメサエッチングし、メサ構造２２とするのみで、埋め込み構造を必要とすることなく、簡素な製造方法により、低閾値で発振周波数の安定化された分布帰還型量子ドットレーザを実現することができる。
材質についても、本発明による構造が実現できれば制限はないが、Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることで形成されるＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットが現実的であり、Ｖ溝基板はＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板か、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板が望ましい。本発明の他の実施形態においても、この点は同様である。
第５図は、本発明の半導体レーザの好ましい他の実施形態３０を示しているが、これまでの報告では、いわゆるＳＫモードによる結晶成長手法を用ることにより、平面状に量子ドットを埋め込んだ量子ドットレーザが実現されている（例えば文献５：Ｚ．Ｚｏｕ，Ｄ．Ｌ．Ｈｕｆｆａｋｅｒ，Ｓ．Ｃｓｕｔａｋ，ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ，“Ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｉｎｇ ｆｒｏｍ ａ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｏｘｉｄｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１），Ｊｕｌｙ ５ １９９９，ｐ．２２）。
一方、埋め込み再成長プロセスを省き、表面から導波路の側面に凹凸の金属グレーティングあるいはフォーカスイオンビームによる選択イオンインプランテーションを施すことにより、ＤＦＢレーザを作製する研究も行われている（例えば文献６：Ｈ．Ｋｏｎｉｇ，Ｓ．Ｒｅｎｎｏｎ，Ｊ．Ｐ．Ｒｅｉｔｈｍａｉｅｒ，ａｎｄ Ａ．Ｆｏｒｃｈｅｌ，“１．５５μｍ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１１），Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９９ ｐ．１／４９１）。
しかし、量子井戸を活性層に用いた場合、加工界面でのキャリア表面再結合を避けるため、導波路の側面を加工層を浅く設定する必要があり、そのため十分な波長安定化が得られないという問題が有る。
しかるに、本発明によると、例えば先に掲げた第３図に即し説明したように、本発明で定義する条件のＶ溝基板上に下部クラッド層を形成し、ガイド層内の活性層に媒質内波長の１／４の整数倍の所定周期配置の量子ドット群を含ませて、上部クラッド層を形成することにより、少数キャリアの拡散速度を抑制することが可能になる外、これとはまた別な構造として、第５図示の量子ナノ構造半導体レーザ３０に示すように、Ｖ溝基板３２上に下部クラッド層３３を形成し、上下のガイド層３４内の活性層に量子ドット群３１を設けて上部クラッド層３５を形成すると共に、量子ドット３１を含む構造体の側面を光進行方向に沿い、幅方向には量子ドットを貫いて深く入るようにエッチングした側面凹凸構造を形成すると、量子ドットそのものの位置がランダムである場合にも、ＤＦＢ型の光共振器を構成することが可能になる。つまり、再成長プロセスを必要とせず、低閾値で、かつ十分な波長安定性を有するＤＦＢレーザを実現することが可能になるのである。
なお、第５図においては、レーザ用電極３７の形成されている領域にほぼ相当する半導体レーザ３０の部分と一連に、変調器用電極３８の形成されている領域に相当する変調器部３６が一体形成されていて、一つの光集積回路（ＯＥＩＣ）３９を構成している。この変調器部３６の構造自体は本発明が特に限定するものではなく、任意適当なる公知構造であって良い。
さて、先に触れた通り、今後、いわゆるＦｉｂｅｒ ｔｏ ｈｏｍｅの時代に入り、光ファイバネットワーク上の光信号を自由に制御する必要が高まって来るに連れ、例えば周波数の異なる半導体レーザアレイを製作し、それらの出射光を自由にスイッチング、交換する必要等が生起して来る。第６図は本発明に従って構成された、二次元フォトニクス結晶を用いた光集積回路４９の模式図を示している。半導体基板４２上に下部クラッド層４３を形成し、その上に本発明に従い、上下のガイド層に挟まれた所定周期、すなわち媒質内波長の１／４の整数倍の周期配置の多数の量子ドット群を望ましくは高さ方向に複数層積層し、上部クラッド層４５ａ，表面層４５ｂを形成し、レーザ領域部分４０にはレーザ用電極４７を形成する。
しかるに、この第６図に示す実施形態において特徴的なのは、積層量子ドット層を形成した構造体に対し、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向およびそれと直交する横方向に直交する上下方向に貫通する空孔４６を所定の周期で穿ったことである。周期は例えば、媒質内波長の１／２とする。
このようにすると、光進行方向に沿って伸びる孔の列で左右が閉ざされたストライプ部分が導波路となり、従って、孔の間隔を設計することにより、波長選択性を持たせたり、特定の導波路に信号を導くことが可能になる。
すなわちレーザ、変調器、分岐、フィルタなどが二次元フォトニクス光導波路により同一基板上に接続されて光通信に必要なＯＥＩＣ４９を実現することができる。図示の場合には、変調用電極４８の設けられた変調器が一体化されている。
この実施形態に認められるように、能動的な光モジュールが、孔と電極の配置のみで実現できるのは、実用的にも、価値が高い。また、量子ドットを用いた場合、表面再結合が大きく問題にならないので、追加工のみで二次元な光回路を形成することが可能となる。なお、空孔４１は、文字通り、空気で満たされた空の穴であっても良いが、適当な屈折率媒体が充填されていても良い。光回路的に空孔として取り扱得れば良い。
第７図は、本発明を利用した他のモノリシックＯＥＩＣ５０を示している。適当なる基板上に公知既存の技術に従って構築して良いリッジ型光導波路５１があり、適宜、それぞれが光導波路となる分岐線路が形成されている。各分岐線路には、第１図〜第３図に即して既に説明した本発明半導体レーザを構築しておく。一部は説明のために拡大し、模式的に示しているが、既に説明した量子細線１１や既説の量子ドット１１’、活性層１５等を当該半導体レーザ領域１０（または１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）に設ける。これにより、こうしたＯＥＩＣ５０は半導体レーザアレイとなるし、また、媒質内波長に対し、それぞれの配置に関する周期条件を変えたり、リッジ型導波路の構造やパラメータを変える等により、集積化された多波長光源として利用できる。実際には、必要な箇所に本発明に従う条件でＶ溝グレーティング構造により半導体レーザ部分を予め形成し、その後にリッジ型光導波路を形成して良い。本発明によると、こうした構造をＶ溝上への一回の選択成長で形成できる簡易性、利便性が得られる。
もちろん、第３図〜第６図に即して説明した、本発明半導体レーザにおいて用いられている活性層領域の構成を各導波路に設けることも不可能ではない。
本発明は、有限長量子細線ないし量子ドットの配列に関してこれ迄述べてきた量子ナノ構造半導体レーザにおけると同様の配置関係を勘案することで、半導体レーザにのみ留まらず、種々の「光機能素子」への応用が可能な量子ナノ構造アレイをも提供できる。つまり、光の通過する導波路領域に、当該導波路幅に有限長量子細線を収めるか量子ドットを複数個形成しながら、光進行方向には導波路媒質内波長の１／４の整数倍周期でそれらを並設した構造とした有限長量子細線アレイないし量子ドットアレイとして本発明を定義しても、それは有用な応用の図れるものとなる。作製材料例、手法は、これまでに本発明量子ナノ構造半導体レーザに関して述べてきたと同様で良い。
本発明による量子ナノ構造アレイ、すなわち、本発明に従う周期構造を有する有限長量子細線ないし量子ドットの配置構成によると、これまで述べてきたように、半導体レーザにおいては状態密度が離散的になり、利得帯域幅が狭くなるために、特定の発振波長に対応した量子レベルに注入キャリアが効率的に集中し、これが低閾値化を産むことになるが、例えば光機能素子のひとつとして直接変調器の活性層に適用すると、状態密度が離散的になることは利得がローレンツ型のシャープな波長特性を持つようになることを意味し、そのピーク位置の変化が抑制されることになる。
屈折率の波長特性はその微分波形になるので、その結果、発振している利得の中央付近では零になり、キャリア濃度に対して屈折率が変化しないようになる。一般に屈折率のキャリア濃度変化を、利得のキャリア濃度変化アルファパラメータと呼ぶが、このパラメータを、本発明に従って配置された有限長量子細線アレイや量子ドットアレイによる活性層ではかなり小さくできるため、高速変調が可能となる。
外部変調による場合でも、本発明に従う量子ナノ構造アレイを用いることで、吸収特性がより急峻になると、バイアスの変化による波長ごとの時間遅れがより少なくなるため、吸収特性の両側のスロープの違いを利用して、伝搬速度の遅い青色の成分を先に送出する等の操作が効率的に可能となってくる。
同様に、本発明の量子ナノ構造アレイを光増幅器の活性層に適用すれば、実際には先の実施形態において第４図に模式的に示した所から分かるように、量子ドットのサイズにバラつきが見込まれることから、利得の存在する範囲が広くなり（例えば１００ｎｍ程度）、その結果、広帯域におよぶチャネルを一括して増幅することができるようにもなる。
モードロックレーザやマッハチェンダー型光スイッチでは過飽和吸収体を利用しているが、この応答速度は丁度光通信帯に必要な帯域にマッチしている。すなわち、光通信では、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ程度の周波数帯域のパルス伝送を利用しており、パルス幅に換算すれば１０ｐｓから１００ｐｓとなる。従って、数ｐｓで元の状態に復元するような緩和現象が望ましくなるが、これが量子ドットの場合は、多数キャリアのドットレベルへの捕獲が量子井戸よりは遅くなるため、丁度、ピコ秒領域になる。これが速すぎると飽和するためのフォトンの数が無駄になるし、遅すぎると次のパルスが来るときまでに初期状態に戻らない訳であるが、これが丁度適当な時間領域に入ってくるのである。そこで、本発明の配置構成による有限長量子細線アレイまたは量子ドットアレイを適用すれば、この制御をより効果的になし得るようになる。
周波変調器としても、本発明により構築される量子ナノ構造アレイは有効に適用できる。三次の非線形効果を用い、ポンプ光と信号光を量子ドットに入射すると、角周波数ω（ポンプ光）ｘ２−ω（信号光）の角周波数ωｃで波長変換が行われる。この効果は光とナノ構造中の量子状態とのコヒーレントな相互作用により生まれるもので、量子状態が外部から散乱されず、位相状態が保たれた方が強く起こる。位相緩和時間はガンマ（γ）と呼ばれ、量子状態が孤立した量子ドットの方が長くなり、すなわち、非線形効果が強く出る。本発明では当該有限長量子細線や量子ドットを周期的に並べた量子ナノ構造アレイを提供するため、いわゆる光の腹の部分に細線やドットを一致させることができ、少ない活性層体積で上記した効果が強く出る傾向とし得、また、光の群速度が遅くなるので（材料の中で往復すると言っても良い）、光の利得や吸収を効率的に生じさせることができる。
つまり、こうした各種の光機能素子を構築する上でも、本発明の量子ナノ構造アレイは有効な装置となり得るのである。
ところで、これまでは、以上述べた全ての実施形態において、本発明に従う量子ナノ構造半導体レーザであっても量子ナノ構造アレイであっても、並設される有限長量子細線の並設周期ないしは量子ドットがその中に、あるいは活性層がその上に形成されるＶ溝の並設周期は、媒質内波長１／４の整数倍としてきた。しかし、これをあえて意図的にレーザ活性層ないし導波路層の媒質内波長１／４の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させたり、半導体レーザとした場合にはその活性領域内での発振モード間の分散補償を図ることで、また外付けミラー等、導波路とした場合には通過光に関する分散補償を図ることで、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
後者の分散補償に関しては、既に特開２０００−３５２６１４にてその最適化に関し、望ましい手法を開示しているので、本発明構成によって分散補償を図るときには、上記した変位の程度の決定に就き、この既出願発明を参考にすることができる。例えば、全くの一例ではあるが、媒質内波長１／４からの量子細線ないしＶ溝周期の変位の程度に応じて波長分散（波長の相違による光伝播速度の相違）を波長ごとに変化させることができるため、沢山の縦モードが全て同じ速度で伝播するようにして、多数の波長が同じ位相で同期する（モードロック）状態を生成させ、極めて短い（２〜３０ｆｓ）パルス幅の光パルス（極短パルス）を効率良く発生させたりすることもできる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によると、望ましくは一回の選択成長により、低閾値で発振周波数安定化特性の優れた半導体レーザを得ることができる。また、有限長の高密度多重量子細線や量子ドットをデバイス構造の所望の位置に形成し得るので、簡単な製作プロセスにより、高度な量子ナノ構造半導体レーザや、種々の光機能素子への有意な応用が期待できる量子ナノ構造アレイを実現することができる。
さらに、今後は通信波長帯が拡大する方向にあり、１．０〜１．６μｍの波長帯域が重要となりつつあるが、本発明の量子ナノ構造アレイ（有限長量子細線アレイや量子ドットアレイ）を利用することで波長範囲が拡大する。再成長が必要無いため、クラッド層としてバンドギャップの大きなＡｌ組成を含んだ混晶を使用すること等もできるので、動作温度に影響されにくい（Ｔｏの高い）レーザを作製することが可能となり、一般家庭や自動車等、温度条件を厳密に制御することが困難な民生用途に適した波長安定化レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）は、本発明の好ましい第一の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザの改良例の概略構成図である。
第２図（Ａ）は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザの他の改良例の概略構成図である。
第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）に開示の半導体レーザにおける活性層部分を一部取り出して模式的に説明する説明図である。
第３図は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザのさらに他の改良例の概略構成図である。
第４図（Ａ）は、本発明の好ましい別な実施形態としての半導体レーザの横断面における概略構成図である。
第４図（Ｂ）は、第４図（Ａ）中の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面の模式図である。
第５図は、本発明の好ましい他の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第６図は本発明のさらに他の好ましい実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第７図は量子ナノ構造半導体レーザアレイないし多波長光源を構成する本発明の望ましい実施形態の概略構成図である。
本発明は、特に分布帰還（ＤＦＢ）半導体レーザに適用するに効果的な量子ナノ構造半導体レーザ、及び各種光機能素子に有意に応用できる量子ナノ構造アレイの改良に関する。
背景技術
半導体レーザにおいて、導波路の進行方向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レーザは、発振波長を厳密に制御することが可能な点で、またファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を持つ。
こうした分布帰還半導体レーザに関し、まず問題となるのがその製造工程の簡素化である。初期の頃は、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層および上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを形成した後、別途な工程により第二回目の結晶成長を行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を形成していた（例えば文献１：Ｐ．Ｋ．Ｙｏｒｋ，Ｊ．Ｃ．Ｃｏｎｎｏｌｌｙ他、「ＭＯＣＶＤ ｒｅｇｒｏｗｔｈ ｏｖｅｒ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌｏｎｇ−ｌｉｖｅｄ ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｌａｓｅｒｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １２４（１９９２）７０９−７１５）。
さらに，こうした基本的工程群に加えて、横方向の閉じこめ効果を得るためには、光導波路に沿ったストライプを二酸化シリコン等をマスクにしてエッチング等により形成し、第三回目の成長により、その側面を埋め込むと共に電流ブロック層を形成し、次いで、選択成長に使用した二酸化シリコンマスクを除去して第四回目の成長を行うことで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化を行っていた。
このような、多数回のリソグラフィおよび結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるために、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因ともなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、将来的にもそのまま継続的に適用できる手法とはなり得ない。
一方、活性領域に量子細線や量子ドットを用いた量子ナノ構造半導体レーザでは、当初想定されていた量子効果以外にも種々大きな長所があることが判明した。例えば量子ドットでは特に、ドットの周りはバンドギャップの広い材料で囲まれているので、デバイス形状に拘わりなくキャリアをドット内に閉じ込め得るし、結晶成長条件を変更するのみで、製造コストの増加を招かず、機能の追加を狙うこともできる。このような長所は、これから本格的な「ファイバー・トゥ・ホーム（ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｈｏｍｅ）」の時代に入るに際し、そこで用いられる半導体レーザ等を構築する上で極めて有利である可能性を示している。
そこで本発明者等は、これまでにも量子細線の製造工程等に関し、段階的にそれまでとは別途な手法を模索してきた。一般的に少し特性上の観点から言えば、活性層として量子細線のようにバンドギャップの狭い材料を電子のド・ブロイ波長に相当する数ｎｍの寸法でクラッド層となるバンドギャップの広い材料中に埋め込んだ量子ナノ構造は、特定のエネルギ準位に電子系の状態密度が集中するために高性能な光デバイスの実現に適している。従って、製造工程の問題をクリアするにしても、このような構造を実現することをも目的とした方が合理的である。つまり、均一かつ高密度に量子細線を特定の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実現することができる。
一方で、光を半導体導波路に閉じこめるためには、上下のクラッド層を、少なくとも０．５〜１μｍ程度の厚さには形成する必要がある。そこで基板上にグレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面においてグレーティングを満足な形状に保持できれば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることになる。
こうした観点から、本発明者等はまず、文献２（Ｘｕｅ−Ｌｕｎ Ｗａｎｇ他，「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｕｎｉｆｏｒｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｉｒｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｂｙ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ Ｖ−ｇｒｏｏｖｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １７１（１９９７）３４１−３４８）にて、（１００）方位の化合物半導体基板に（１−１０）方向にストライプパタンを形成し、ウェットエッチングによりＶ溝を形成した後、その上に表面原子移動の少ないＡｌを組成に含んだＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓを成長することにより、Ｖ溝状のプロファイルを保持したクラッド層を形成してから、表面原子移動の大きいＧａあるいはＩｎを含むＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓを供給することで、三日月状の量子細線を形成する手法を提案した。このとき、斜面を互いに交錯する（１１１）Ａ面とすることができれば、化合物半導体の混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することにより、成長厚さ方向に１μｍ以上、当該Ｖ溝形状を良好に保ちながら成長することが可能になる。
これは、成長速度の速い（１００）面に対して比較的結晶成長速度の遅い（１１１）Ａ面が、ちょうど結晶面の傾き角θに対してｓｉｎθの成長速度を持つとき、定常的なプロファイルを保つことが可能になるためである。一般に特定の面の成長速度は、その面の化学的な活性度と周囲からの原料元素の拡散に依存し、温度が高い程、結晶面方位による異方性が消滅し、成長速度が均一になる傾向にある。一方低温になると、（１１１）Ａ面等の不活性な結晶方位においては成長速度が低下するので、基板温度を調節することにより、一定の周期での繰り返し構造の形成が可能になる。
しかし、この提案では、繰返し周期、すなわちＶ溝の並設間隔（ピッチ）は、ミクロン・オーダに留まっていた。特性の満足な分布帰還半導体レーザを得る場合等には、この間隔は粗過ぎ、サブミクロン・オーダにする必要がある。ところが、基板表面に付着したＧａ原子の拡散距離に対し、より短い周期を持つサブミクロングレーティングの場合、特定の結晶成長プロファイルを保ちながら成長することは一般には困難とされ、実際、当初は無理であった。
その後、本発明者の実験、研究の結果、なんとかある程度の厚さ迄であるならば、基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ層の表面においてもＶ溝の断面形状を良好に保つのに成功はした。
これは、文献３（Ｃ．Ｓ．Ｓｏｎ，Ｔ．Ｇ．Ｋｉｍ，Ｘ．Ｌ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｍ．Ｏｇｕｒａ，“Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｖ−ｇｒｏｏｖｅ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ ｏｎ ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，Ｎｏ．１／４，ｐｐ．２０１−２０７（Ｄｅｃ．２０００））にて開示されている。
しかるに、例えば、ＧａＡｓ基板の表面上に形成されたグレーティングのプロファイルが、その上に形成されるＡｌＧａＡｓ層のどの程度の膜厚まで保持できるかを見るには、１００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ層と１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層とを交互に積層してみると判断し易い。上記の文献３でも、表面に０．３８μｍピッチでＶ溝を形成したＧａＡｓ基板上に、相対的には厚い１００ｎｍ程度のＡｌＧａＡｓ層と、相対的に薄い１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層とを交互に複数層、積層して見た場合が示され、その結果、積層厚にして基板表面からおおよそ１μｍ程度までは、基板のＶ溝形状を略々良好に保っていることが認められた。このＶ溝の底の部分に平行に、断面にして三日月形にＧａＡｓ量子細線が形成される。しかし、まだこの文献開示時点での技術では、１μｍを超える積層高さに至ると、著しくＶ溝形状は損なわれた。
もちろん、実際に分布帰還半導体レーザ等を作成するときにはクラッド層としてのＡｌＧａＡｓ層は一層で良く、ＧａＡｓ量子細線もまた上下方向には一つまたは幾つかであって良いが、上の方に行ってもＶ溝形状が崩れていない程、下の方のＶ溝形状は良好であり、その中に形成される量子細線の断面形状も良好だということが言え、このことは、単一層として任意の膜厚に形成されるＡｌＧａＡｓクラッド層の上面においても良好なグレーティング形状を保持可能なことを証し、その上に形成される量子細線も良好なものが得られるであろうことを意味している。さらに、量子細線でなくて、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該活性層の厚みや幅がＶ溝グレーティングの周期に対応して幾何的に変調していたり、凸凹しておらず、かなり均一で平らな面状（シート状）の活性層であっても、その下のグレーティング構造が精度良く再現されているならば、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に分布帰還型半導体レーザの活性層等として極めて有効に利用できる。ここでは簡単のため、まずは量子細線についてのみ説明して行く。
より高い積層厚まで良好なＶ溝形状を保つべく、その後における本発明者のさらなる研究、実験により、上記文献３に開示された技術は向上し、少なくとも１μｍ越え、望ましくは１．５μｍに迫るか、これを越えるクラッド層厚としても、その表面においてＶ溝形状が良好に保たれているような条件を提示するに成功し、これは既に出願した特願２０００−４０４６４５（特開２００２−２０４０３３）として開示されている。
この文献中では、基本的な構成として、（１００）ＧａＡｓ基板上の［０１−１］方向に伸びるＶ溝をＧａＡｓ基板の表面に複数個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が（１１１）Ａ面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去処理をした後もＶ溝の角度が８０度以下となるようにした後、６８０℃から７２０℃の範囲内で熱クリーニングしてＧａＡｓ基板表面上に同材質であるＧａＡｓバッファ層を形成している。こうした処理を施すことで、熱クリーニングにより鈍ったＶ溝間の頂部の鈍りを回復させることができ、その上に成長温度６７０℃から６８５℃の範囲内で、Ａｌ組成比が０．３から０．６のＡｌＧａＡｓ層、または、Ｉｎ組成比が０．０５から０．３のＩｎＡｌＡｓ層をクラッド層として成長させて、さらに、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓを供給している。
また、量子細線ないしは量子井戸層を形成する部分の上にも、クラッド層を形成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比より小さなＡｌ組成比のＡｌＧａＡｓガイド層、またはクラッド層を形成するＩｎＡｌＡｓ層のＩｎ組成比よりも小さなＩｎ組成比のＩｎＡｌＡｓガイド層を形成し、その上にさらに上側クラッド層としてＡｌ組成比が０．３から０．６のＡｌＧａＡｓ層、またはＩｎ組成比が０．０５から０．３のＩｎＡｌＡｓ層を成長させることが、この発明を利用した素子を製造する上で実際には望ましいともしている。
この手法により、体の積層構造の高さ方向では１μｍを十分に越え、１．５μｍに至る程度まで、Ｖ溝断面形状は良好に保ち得た。もちろん、このような高さにまでＶ溝形状を維持できることは、結局、より下の方の量子細線の形状、及びそもそものＶ溝形状も極めて良好であることを証明しており、実際、これを例えば分布帰還半導体レーザの活性層内の埋め込み量子細線として用いて見た所、十二分な特性が得られた。つまり、こうした多層膜の繰り返し積層構造の構築実験からして、単一クラッド層としてＡｌＧａＡｓ層を上記の厚さ範囲まで成長させても、その表面におけるグレーティング形状は基板グレーティングに整合し、十分良好に保てることが、この既出願発明により証明されたのである。当然、その上に形成される量子細線の形状、特性も良好になる。もちろん、この上限厚さ未満のＡｌＧａＡｓクラッド層ではより好結果が期待される。
このように、量子細線自体については、本発明者らの努力により相当に優秀なものを提供できる環境になってきた。その製造方法も簡素であり、一回の選択成長により、高密度多重量子細線をデバイス構造の所望の位置に良好な形状、特性をもって形成し得るようになった。しかし、このような優秀な量子細線構造もその応用において発展がなければ、真に産業界に貢献したことにはならない。実際に使用されるのは応用デバイスだからである。
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、特に益々の需要が期待される量子ナノ構造半導体レーザにおいて、これも常に改善が望まれている、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方をより満足し得るものを提供せんとする。もっとも、同様の趣旨において、量子ナノ構造半導体レーザに限らず、各種変調器や増幅器その他、種々の光機能素子に発展させ得る、周期的に配置された有限長量子細線ないし量子ドットを用いた量子ナノ構造アレイの提供も内在的な目的としている。
発明の開示
本発明では、上記目的を達成するため、まず、第一の発明として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板にはＶ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること、を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。これにより、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方を、従来提供されているものに比し、より満足し得る量子ナノ構造半導体レーザを提供できる。
もっとも、複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
材質的に望ましい構成も提案でき、上記のＶ溝は、ＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線は、この有限長のＶ溝上に成長させられたＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓから作製された有限長のものであって、この量子細線を覆うように、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのクラッド領域が設けられている半導体レーザや、Ｖ溝がＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線はこの有限長のＶ溝上に成長させられたＩｎＧａＡｓから作製された有限長のもので、この量子細線を覆うように、ＩｎＡｌＡｓのクラッド領域が設けられている半導体レーザとすることができる。このような半導体レーザは、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用い得る。
本発明では、上記のように、それぞれが独立した量子細線でなくても、あたかもそれら量子細線が隣り合うもの同士、Ｖ溝の間の平らな、ないし上方に湾曲した山の部分で繋がり、結局は面状（凹凸があるにしても）のものになっているように見える構造も提案する。こうした場合にも、上記の材質例を採用できる。
さらに、本発明では、半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は、凹凸のない平らなシート状である一方、発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、当該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられている量子ナノ構造半導体レーザも提案する。
本発明のまた別な態様として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることでそのＶ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットをレーザ活性領域として、それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域とした量子ナノ構造半導体レーザも提案できる。
上記したＶ溝構成や、この量子ドットを用いる場合にも、複数のＶ溝の並設周期をレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、意図的に１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
もちろん、これまた同様に、量子ドットを用いる場合にも望ましい基板材料例はあり、溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物基板はＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板か、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板とすると良い。
さらに、量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングした分布帰還半導体レーザも提案できるし、量子ドットを作製した構造体の光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型とした半導体レーザも提案できる。
また、量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って当該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿った半導体レーザも提案する。ここで、空孔の周期は媒質内波長の１／２とするのが代表的である。
本発明は、上記したような量子ナノ構造半導体レーザにのみ限らず、広く種々の光機能素子への応用の図れる量子ナノ構造アレイを提案することができる。例えばまず、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板には当該Ｖ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ光導波路巾に対応する有限長の導波路領域として設けられている量子ナノ構造アレイを提案できる。ここでもまた、複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、導波路通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
同様に、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝の上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることにより、そのＶ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットを導波路領域とし、それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域とした量子ドットアレイも提案できる。そして、これもまた先と同様、複数のＶ溝の並設周期を導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、意図的に１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
本発明では、各種の光集積回路を構築する上でも便宜な構造を提供でき、例えば上述してきた本発明による量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数、並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にすると、半導体レーザアレイとしてのみならず、各部分の条件ないしはリッジ型導波路構造ないしパラメータを変えること等で、集積化された多波長光源としても利用できる。
発明を実施するための最良の形態
本発明を添付の図面に従ってより詳細に説明する。
第１図には、本発明に従って構成された量子ナノ構造半導体レーザの望ましい一実施形態である分布帰還半導体レーザ１０の構築例が示されている。基本的には既述した既出願発明：特願２０００−４０４６４５（特開２００２−２０４０３３）に開示されている作製手法により全体構造が作製されており、光出射方向Ｉｓに見て複数のＶ溝が並設されたＶ溝基板の各々のＶ溝領域中に、代表的には厚さ５〜２０ｎｍ、レーザ光出射方向Ｉｓの寸法が１０〜５０ｎｍ、そしてレーザ光出射方向Ｉｓに直交する方向の寸法（幅）が０．５〜２μｍ有限長のＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓ量子細線１１から成る活性層が設けられ、これら互いに並設された複数の有限長量子細線１１の当該並設ピッチは、レーザ光出射方向Ｉｓに沿い、媒質内波長λの１／４の整数倍であるｎλ／４（ｎは整数）、例えば１／４または３／４の周期（０．１５〜０．５μｍ）となっている。
この量子細線配列の周囲は、上下０．２μｍ程度のガイド層１３と１μｍ程度の厚さの下部ＡｌＧａＡｓクラッド層１２と上部クラッド層１／４で覆われている。上下のクラッド層１４，１２の一方はＮ型、他方はＰ型である。また、その量子細線１１の断面形状は、これも既出願発明；特願２０００−４０４６４５について述べたように、一般には三日月形となる。クラッド層１２，１４はＧａＡｓにより構成することもできる。
作製手順につきもう少し具体的な例を上げれば、（１００）基板上に（１−１０）方向に有限長のＶ溝群を上記のように媒質内波長１／４の整数倍の周期で形成し、その上に、順に例えばＡｌ組成比が０．４程度のＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１２、Ａｌ組成比が０．２程度のノンドープＡｌＧａＡｓガイド層１３を形成し、さらにＩｎの組成比が０．１程度のＩｎＧａＡｓ量子細線１１を形成した後に、Ａｌ組成比が０．２程度のノンドープＡｌＧａＡｓガイド層１３（形成後には量子細線１１を覆う一体部材のようにもなることから、図中では上下のガイド層を共に符号１３で示している）、Ａｌ組成比が０．４程度のＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１／４を連続的に成長させる。
本発明によるこのような構造では、周期配列された量子細線１１の両端が閉じて有限長となっているため、少数キャリアの横方向の拡散が抑制され、従来に比してより低閾値でのレーザ発振が可能となる。実際、本発明者らの実験により、その実証が得られている。
なお、既存の作製技術では、ＧａＡｓ（１００）基板に限らず、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板を用いてもその［０１−１］方向にＶ溝を形成する実例があるので、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ量子細線１１はこうした基板上にも形成できるし、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板を用いてその［０１−１］方向に有限長のＩｎＧａＡｓ量子細線１１を形成することもでき、これらもまた本発明に適用可能である。特にＩｎＰ基板を用いた場合には、当該基板は発振波長に対して透明となるため、Ｖ溝基板上の下部クラッド層を薄くすることができ、一次グレーティング等、周期の短いＶ溝アレイの当該周期構造を保持することが容易になる。
さて、以下では第１図（Ｂ）以降の各図に即し、それぞれ本発明の他の実施形態に就き説明して行くが、当該第１図（Ｂ）以降の各図において、第１図（Ａ）中にて用いたと同一の符号は同一ないし同様の構成要素を示すものとし、改めての説明は省略するものもある。
まず、先に少し述べたように、Ｖ溝グレーティング上に、それぞれが幾何的にも互いに完全に独立した量子細線１１として形成されていなくても、例えば第１図（Ｂ）の本発明半導体レーザ１０Ａのような構造も可能である。すなわち、第１図（Ａ）における量子細線に相当する部分１１の光出射方向両側が、隣接するＶ溝の間の山の部分（平らでも上方に湾曲していても）で互いに薄い活性層部分１１ａを介し隣の量子細線部分１１に繋がっているような、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該第１図（Ｂ）に示す通り、当該活性層１５の厚みがＶ溝グレーティングの周期、すなわち、媒質内波長λの１／４の整数倍であｎλ／４（ｎは整数）、例えば１／４または３／４の周期に対応して変調しているならば、第１図（Ａ）に図示した半導体レーザ１０と同様の機能、効果を呈することができ、この点もまた、本発明者において実験をもって確認している。図中では量子細線相当部分１１で相対的に厚く、Ｖ溝間の山の部分１１ａで薄くなっている。こうした構造は、下側クラッド層１２ないしは下側のガイド層１３におけるＶ溝形状が鈍りがちな場合に特に有効な構造となる。もっとも、こうした連続活性層構造でも、レーザ発振に係る実効的なキャリア閉じ込め作用を支配的に及ぼす領域が専ら相対的に厚い活性層部分１１であるならば、やはり量子細線の並設構造と見ることもできる。
さらに、光出射方向Ｉｓに直交する幅方向の寸法が、光出射方向Ｉｓに沿って、Ｖ溝グレーティングの周期に呼応して変調していても、やはり同様の機能を得ることができ、低閾値発振を得ることができる。
この幅方向の寸法を光出射方向Ｉｓに沿って変調する場合、何も活性層そのものを幾何的に変調させなくても良いことも分かった。これに就き、第２図（Ａ），（Ｂ）に即して説明すると、第２図（Ａ）に示されている本発明半導体レーザ１０Ｂは、実効的な発振部分である所定の幅ｗ１５の活性層１５の所は凸凹しておらず、均一で平らな面状（シート状）の活性層１５となっている。しかし、その両側は、この場合はメサ形状に類似する裾野の部分になっていて、そこには光出射方向Ｉｓに沿って媒質内波長λの１／４の整数ｎ倍であるｎλ／４、例えば１／４または３／４の周期のＶ溝並設構造、すなわちＶ溝グレーティングが施されている。活性層１５とその両側の部分１５ａのみを抜き出して第２図（Ｂ）に示している通り、レーザ発振に寄与する実効的な活性層１５の部分は平らであるが、当該幅ｗ１５の活性層１５に連続する両側の裾野部分１５ａに、Ｖ溝に対応した溝１５ｂが形成されるような格好になっているのである。このような活性層両側部における幾何的変調Ｖ溝構造を設けても、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に低閾値分布帰還型半導体レーザを得られることが分かった。
本発明では、量子ドットも利用できる。すなわち、第１図（Ａ）に示した半導体レーザ１０においても、三日月形断面として示した量子細線１１は、作製条件等に応じ、場合により、あたかも当該量子細線が細かく分断されたかのような格好に、各Ｖ溝内に複数の量子ドットを形成させることもでき、その場合にももちろん、同様の効果を期待することができる。この場合の概念図は第３図に示されており、第１図（Ａ）に図示した半導体レーザ１０では幅方向に連続した物性領域としての量子細線１１であったものが、第３図示の半導体レーザ１０Ｃではあたかも当該幅方向に分断化された形になり、各Ｖ溝内にて量子ドット１１’の集合体になっている。こうした構造でも、第１図（Ａ）に示した本発明半導体レーザと同様の機能、効果を奏し得る。
第４図は、本発明に従う他の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザ２０を示しており、ここではやはり量子ドット２１が用いられている。既に述べたようなＶ溝基板の上にＩｎＧａＡｓのＩｎ組成や成長膜厚を増加させ、成長温度を低く設定すると、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＡｓ系多重量子ドット２１をＶ溝上に選択的に形成することができる。Ｖ溝の並設間隔、つまり一列に並んだ量子ドット２１群の光進行方向に沿う並設間隔は、先掲の量子細線を用いる場合と同様、レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍ｎλ／４とする。ただし、一つ一つの量子ドット２１の形状自体は、図中に模式的に示すように、バラついて来ることも多い。そしてこのことは、後述のように、寧ろ有意に作用する場合もある。
もっとも、先に述べた量子細線１１の場合もそうであるが、有限長のＶ溝は、必ずしも、基板に刻まれた溝形状を選択成長により保持するのみではなく、従来のプロセスのように、下部クラッド層を成長させ、ガイド層等を形成した後、成長炉から一旦取り出して有限長のＶ溝を形成してから、量子細線や量子ドットを形成し、引き続いて上部ガイド層、上部クラッド層の形成と複数回の成長を行った結果の形状のものも使うことはできる。厚い成長をなした後、形状を保持しようとすると、グレーティングの周期を長くする必要があるため、周期０．２μｍ以下のグレーティングの場合、形状保存成長をすることは難しくなるが、本発明により両端を止めた有限長量子細線によるキャリア散逸の阻止効果や、必要な所にのみ量子ドットを形成することにより、光の腹の部分のみに活性層を挿入する等の機能が有効に作用し、必ずしも、基板のＶ溝形状の優秀性にこだわらなくても済む場合もある。
しかるに、こうした量子ドット２１においては、活性層の全周がエネルギの大きなクラッド層に囲まれる構造となるので、自動的に埋め込み構造が実現されているのと等価となる。従って、第４図中に太い矢印Ｃｊで模式的に示したように、電流注入に基づく電子正孔対は量子ドット内に停留し、細い矢印Ｃｔ，Ｃｔで模式的に示す幅方向に沿う等価的な横方向キャリア拡散長が短くなるため、注入されたキャリアの散逸が防止できる。この閉じ込め効果自体についての考察は、文献４：Ｊ．Ｋ．Ｋｉｍ，Ｔ．Ａ．Ｓｔｒａｎｄ，Ｒ．Ｌ．Ｎａｏｎｅ，ａｎｄ Ｌ．Ａ．Ｃｏｌｄｒｅｎ，“Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｌａｔｅｒａｌ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ．７４（１９）（Ｍａｙ １０，１９９９）２７５２−２７５４に認めることができる。従ってこの効果を利用すると、量子ドット群を形成した構造体のストライプ部分をメサエッチングし、メサ構造２２とするのみで、埋め込み構造を必要とすることなく、簡素な製造方法により、低閾値で発振周波数の安定化された分布帰還型量子ドットレーザを実現することができる。
材質についても、本発明による構造が実現できれば制限はないが、Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることで形成されるＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットが現実的であり、Ｖ溝基板はＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板か、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板が望ましい。本発明の他の実施形態においても、この点は同様である。
第５図は、本発明の半導体レーザの好ましい他の実施形態３０を示しているが、これまでの報告では、いわゆるＳＫモードによる結晶成長手法を用ることにより、平面状に量子ドットを埋め込んだ量子ドットレーザが実現されている（例えば文献５：Ｚ．Ｚｏｕ，Ｄ．Ｌ．Ｈｕｆｆａｋｅｒ，Ｓ．Ｃｓｕｔａｋ，ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ，“Ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｉｎｇ ｆｒｏｍ ａ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｏｘｉｄｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１），Ｊｕｌｙ ５ １９９９，ｐ．２２）。
一方、埋め込み再成長プロセスを省き、表面から導波路の側面に凹凸の金属グレーティングあるいはフォーカスイオンビームによる選択イオンインプランテーションを施すことにより、ＤＦＢレーザを作製する研究も行われている（例えば文献６：Ｈ．Ｋｏｎｉｇ，Ｓ．Ｒｅｎｎｏｎ，Ｊ．Ｐ．Ｒｅｉｔｈｍａｉｅｒ，ａｎｄ Ａ．Ｆｏｒｃｈｅｌ，“１．５５μｍ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５（１１），Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９９ ｐ．１／４９１）。
しかし、量子井戸を活性層に用いた場合、加工界面でのキャリア表面再結合を避けるため、導波路の側面を加工層を浅く設定する必要があり、そのため十分な波長安定化が得られないという問題が有る。
しかるに、本発明によると、例えば先に掲げた第３図に即し説明したように、本発明で定義する条件のＶ溝基板上に下部クラッド層を形成し、ガイド層内の活性層に媒質内波長の１／４の整数倍の所定周期配置の量子ドット群を含ませて、上部クラッド層を形成することにより、少数キャリアの拡散速度を抑制することが可能になる外、これとはまた別な構造として、第５図示の量子ナノ構造半導体レーザ３０に示すように、Ｖ溝基板３２上に下部クラッド層３３を形成し、上下のガイド層３４内の活性層に量子ドット群３１を設けて上部クラッド層３５を形成すると共に、量子ドット３１を含む構造体の側面を光進行方向に沿い、幅方向には量子ドットを貫いて深く入るようにエッチングした側面凹凸構造を形成すると、量子ドットそのものの位置がランダムである場合にも、ＤＦＢ型の光共振器を構成することが可能になる。つまり、再成長プロセスを必要とせず、低閾値で、かつ十分な波長安定性を有するＤＦＢレーザを実現することが可能になるのである。
なお、第５図においては、レーザ用電極３７の形成されている領域にほぼ相当する半導体レーザ３０の部分と一連に、変調器用電極３８の形成されている領域に相当する変調器部３６が一体形成されていて、一つの光集積回路（ＯＥＩＣ）３９を構成している。この変調器部３６の構造自体は本発明が特に限定するものではなく、任意適当なる公知構造であって良い。
さて、先に触れた通り、今後、いわゆるＦｉｂｅｒ ｔｏ ｈｏｍｅの時代に入り、光ファイバネットワーク上の光信号を自由に制御する必要が高まって来るに連れ、例えば周波数の異なる半導体レーザアレイを製作し、それらの出射光を自由にスイッチング、交換する必要等が生起して来る。第６図は本発明に従って構成された、二次元フォトニクス結晶を用いた光集積回路４９の模式図を示している。半導体基板４２上に下部クラッド層４３を形成し、その上に本発明に従い、上下のガイド層に挟まれた所定周期、すなわち媒質内波長の１／４の整数倍の周期配置の多数の量子ドット群を望ましくは高さ方向に複数層積層し、上部クラッド層４５ａ，表面層４５ｂを形成し、レーザ領域部分４０にはレーザ用電極４７を形成する。
しかるに、この第６図に示す実施形態において特徴的なのは、積層量子ドット層を形成した構造体に対し、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向およびそれと直交する横方向に直交する上下方向に貫通する空孔４６を所定の周期で穿ったことである。周期は例えば、媒質内波長の１／２とする。
このようにすると、光進行方向に沿って伸びる孔の列で左右が閉ざされたストライプ部分が導波路となり、従って、孔の間隔を設計することにより、波長選択性を持たせたり、特定の導波路に信号を導くことが可能になる。
すなわちレーザ、変調器、分岐、フィルタなどが二次元フォトニクス光導波路により同一基板上に接続されて光通信に必要なＯＥＩＣ４９を実現することができる。図示の場合には、変調用電極４８の設けられた変調器が一体化されている。
この実施形態に認められるように、能動的な光モジュールが、孔と電極の配置のみで実現できるのは、実用的にも、価値が高い。また、量子ドットを用いた場合、表面再結合が大きく問題にならないので、追加工のみで二次元な光回路を形成することが可能となる。なお、空孔４１は、文字通り、空気で満たされた空の穴であっても良いが、適当な屈折率媒体が充填されていても良い。光回路的に空孔として取り扱得れば良い。
第７図は、本発明を利用した他のモノリシックＯＥＩＣ５０を示している。適当なる基板上に公知既存の技術に従って構築して良いリッジ型光導波路５１があり、適宜、それぞれが光導波路となる分岐線路が形成されている。各分岐線路には、第１図〜第３図に即して既に説明した本発明半導体レーザを構築しておく。一部は説明のために拡大し、模式的に示しているが、既に説明した量子細線１１や既説の量子ドット１１’、活性層１５等を当該半導体レーザ領域１０（または１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）に設ける。これにより、こうしたＯＥＩＣ５０は半導体レーザアレイとなるし、また、媒質内波長に対し、それぞれの配置に関する周期条件を変えたり、リッジ型導波路の構造やパラメータを変える等により、集積化された多波長光源として利用できる。実際には、必要な箇所に本発明に従う条件でＶ溝グレーティング構造により半導体レーザ部分を予め形成し、その後にリッジ型光導波路を形成して良い。本発明によると、こうした構造をＶ溝上への一回の選択成長で形成できる簡易性、利便性が得られる。
もちろん、第３図〜第６図に即して説明した、本発明半導体レーザにおいて用いられている活性層領域の構成を各導波路に設けることも不可能ではない。
本発明は、有限長量子細線ないし量子ドットの配列に関してこれ迄述べてきた量子ナノ構造半導体レーザにおけると同様の配置関係を勘案することで、半導体レーザにのみ留まらず、種々の「光機能素子」への応用が可能な量子ナノ構造アレイをも提供できる。つまり、光の通過する導波路領域に、当該導波路幅に有限長量子細線を収めるか量子ドットを複数個形成しながら、光進行方向には導波路媒質内波長の１／４の整数倍周期でそれらを並設した構造とした有限長量子細線アレイないし量子ドットアレイとして本発明を定義しても、それは有用な応用の図れるものとなる。作製材料例、手法は、これまでに本発明量子ナノ構造半導体レーザに関して述べてきたと同様で良い。
本発明による量子ナノ構造アレイ、すなわち、本発明に従う周期構造を有する有限長量子細線ないし量子ドットの配置構成によると、これまで述べてきたように、半導体レーザにおいては状態密度が離散的になり、利得帯域幅が狭くなるために、特定の発振波長に対応した量子レベルに注入キャリアが効率的に集中し、これが低閾値化を産むことになるが、例えば光機能素子のひとつとして直接変調器の活性層に適用すると、状態密度が離散的になることは利得がローレンツ型のシャープな波長特性を持つようになることを意味し、そのピーク位置の変化が抑制されることになる。
屈折率の波長特性はその微分波形になるので、その結果、発振している利得の中央付近では零になり、キャリア濃度に対して屈折率が変化しないようになる。一般に屈折率のキャリア濃度変化を、利得のキャリア濃度変化アルファパラメータと呼ぶが、このパラメータを、本発明に従って配置された有限長量子細線アレイや量子ドットアレイによる活性層ではかなり小さくできるため、高速変調が可能となる。
外部変調による場合でも、本発明に従う量子ナノ構造アレイを用いることで、吸収特性がより急峻になると、バイアスの変化による波長ごとの時間遅れがより少なくなるため、吸収特性の両側のスロープの違いを利用して、伝搬速度の遅い青色の成分を先に送出する等の操作が効率的に可能となってくる。
同様に、本発明の量子ナノ構造アレイを光増幅器の活性層に適用すれば、実際には先の実施形態において第４図に模式的に示した所から分かるように、量子ドットのサイズにバラつきが見込まれることから、利得の存在する範囲が広くなり（例えば１００ｎｍ程度）、その結果、広帯域におよぶチャネルを一括して増幅することができるようにもなる。
モードロックレーザやマッハチェンダー型光スイッチでは過飽和吸収体を利用しているが、この応答速度は丁度光通信帯に必要な帯域にマッチしている。すなわち、光通信では、１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ程度の周波数帯域のパルス伝送を利用しており、パルス幅に換算すれば１０ｐｓから１００ｐｓとなる。従って、数ｐｓで元の状態に復元するような緩和現象が望ましくなるが、これが量子ドットの場合は、多数キャリアのドットレベルへの捕獲が量子井戸よりは遅くなるため、丁度、ピコ秒領域になる。これが速すぎると飽和するためのフォトンの数が無駄になるし、遅すぎると次のパルスが来るときまでに初期状態に戻らない訳であるが、これが丁度適当な時間領域に入ってくるのである。そこで、本発明の配置構成による有限長量子細線アレイまたは量子ドットアレイを適用すれば、この制御をより効果的になし得るようになる。
周波変調器としても、本発明により構築される量子ナノ構造アレイは有効に適用できる。三次の非線形効果を用い、ポンプ光と信号光を量子ドットに入射すると、角周波数ω（ポンプ光）ｘ２−ω（信号光）の角周波数ωｃで波長変換が行われる。この効果は光とナノ構造中の量子状態とのコヒーレントな相互作用により生まれるもので、量子状態が外部から散乱されず、位相状態が保たれた方が強く起こる。位相緩和時間はガンマ（γ）と呼ばれ、量子状態が孤立した量子ドットの方が長くなり、すなわち、非線形効果が強く出る。本発明では当該有限長量子細線や量子ドットを周期的に並べた量子ナノ構造アレイを提供するため、いわゆる光の腹の部分に細線やドットを一致させることができ、少ない活性層体積で上記した効果が強く出る傾向とし得、また、光の群速度が遅くなるので（材料の中で往復すると言っても良い）、光の利得や吸収を効率的に生じさせることができる。
つまり、こうした各種の光機能素子を構築する上でも、本発明の量子ナノ構造アレイは有効な装置となり得るのである。
ところで、これまでは、以上述べた全ての実施形態において、本発明に従う量子ナノ構造半導体レーザであっても量子ナノ構造アレイであっても、並設される有限長量子細線の並設周期ないしは量子ドットがその中に、あるいは活性層がその上に形成されるＶ溝の並設周期は、媒質内波長１／４の整数倍としてきた。しかし、これをあえて意図的にレーザ活性層ないし導波路層の媒質内波長１／４の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させたり、半導体レーザとした場合にはその活性領域内での発振モード間の分散補償を図ることで、また外付けミラー等、導波路とした場合には通過光に関する分散補償を図ることで、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
後者の分散補償に関しては、既に特開２０００−３５２６１４にてその最適化に関し、望ましい手法を開示しているので、本発明構成によって分散補償を図るときには、上記した変位の程度の決定に就き、この既出願発明を参考にすることができる。例えば、全くの一例ではあるが、媒質内波長１／４からの量子細線ないしＶ溝周期の変位の程度に応じて波長分散（波長の相違による光伝播速度の相違）を波長ごとに変化させることができるため、沢山の縦モードが全て同じ速度で伝播するようにして、多数の波長が同じ位相で同期する（モードロック）状態を生成させ、極めて短い（２〜３０ｆｓ）パルス幅の光パルス（極短パルス）を効率良く発生させたりすることもできる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によると、望ましくは一回の選択成長により、低閾値で発振周波数安定化特性の優れた半導体レーザを得ることができる。また、有限長の高密度多重量子細線や量子ドットをデバイス構造の所望の位置に形成し得るので、簡単な製作プロセスにより、高度な量子ナノ構造半導体レーザや、種々の光機能素子への有意な応用が期待できる量子ナノ構造アレイを実現することができる。
さらに、今後は通信波長帯が拡大する方向にあり、１．０〜１．６μｍの波長帯域が重要となりつつあるが、本発明の量子ナノ構造アレイ（有限長量子細線アレイや量子ドットアレイ）を利用することで波長範囲が拡大する。再成長が必要無いため、クラッド層としてバンドギャップの大きなＡｌ組成を含んだ混晶を使用すること等もできるので、動作温度に影響されにくい（Ｔｏの高い）レーザを作製することが可能となり、一般家庭や自動車等、温度条件を厳密に制御することが困難な民生用途に適した波長安定化レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）は、本発明の好ましい第一の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第１図（Ｂ）は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザの改良例の概略構成図である。
第２図（Ａ）は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザの他の改良例の概略構成図である。
第２図（Ｂ）は第２図（Ａ）に開示の半導体レーザにおける活性層部分を一部取り出して模式的に説明する説明図である。
第３図は、第１図（Ａ）に開示の本発明半導体レーザのさらに他の改良例の概略構成図である。
第４図（Ａ）は、本発明の好ましい別な実施形態としての半導体レーザの横断面における概略構成図である。
第４図（Ｂ）は、第４図（Ａ）中の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面の模式図である。
第５図は、本発明の好ましい他の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第６図は本発明のさらに他の好ましい実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
第７図は量子ナノ構造半導体レーザアレイないし多波長光源を構成する本発明の望ましい実施形態の概略構成図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
該複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項２】上記複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第１項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項３】上記Ｖ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、GaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられていること；
を特徴とする請求の範囲第1項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項４】上記Ｖ溝は、InP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられていること；
を特徴とする請求の範囲第1項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項５】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該複数のＶ溝の上記並設間隔は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期となっており；
該Ｖ溝の上方に III-V化合物選択成長によって形成される活性層は、該Ｖ溝の上記周期に従い、その厚みまたは幅が変調されていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項６】上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第５項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項７】上記Ｖ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製され；
該活性層を覆うようにGaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項８】上記Ｖ溝は、InP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製され；
該活性層を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項９】半導体基板上にIII-V化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は平らなシート状である一方；
発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１０】上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第９項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１１】該半導体レーザを、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用いること；
を特徴とする請求の範囲第１項から第10項までのどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１２】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き III-V化合物半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットをレーザ活性領域とし；
それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１３】上記複数のＶ溝の並設周期を上記レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１４】上記溝付き III-V化合物基板は、GaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板であること；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１５】上記量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１６】上記量子ドットを作製した構造体の上記光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１７】上記量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、上記光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿ったこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１８】上記周期は媒質内波長の1/2 であること；
を特徴とする請求の範囲第17項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１９】請求の範囲第1項から第18項のどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にしたこと；
を特徴とする量子細線ナノ構造半導体レーザアレイ。
【請求項２０】通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
該複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ光導波路巾に対応する有限長の導波路領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。
【請求項２１】上記複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第20項記載の量子ナノ構造アレイ。
【請求項２２】通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットを導波路領域、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。
【請求項２３】上記複数のＶ溝の並設周期を上記導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第22項記載の量子ナノ構造アレイ。
【請求項１】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
該複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項２】上記複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第１項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項３】上記Ｖ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、GaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられていること；
を特徴とする請求の範囲第1項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項４】上記Ｖ溝は、InP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられていること；
を特徴とする請求の範囲第1項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項５】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該複数のＶ溝の上記並設間隔は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期となっており；
該Ｖ溝の上方に III-V化合物選択成長によって形成される活性層は、該Ｖ溝の上記周期に従い、その厚みまたは幅が変調されていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項６】上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第５項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項７】上記Ｖ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製され；
該活性層を覆うようにGaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項８】上記Ｖ溝は、InP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製され；
該活性層を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項９】半導体基板上にIII-V化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は平らなシート状である一方；
発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１０】上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第９項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１１】該半導体レーザを、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用いること；
を特徴とする請求の範囲第１項から第10項までのどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１２】発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き III-V化合物半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットをレーザ活性領域とし；
それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１３】上記複数のＶ溝の並設周期を上記レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１４】上記溝付き III-V化合物基板は、GaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板であること；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１５】上記量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１６】上記量子ドットを作製した構造体の上記光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１７】上記量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、上記光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿ったこと；
を特徴とする請求の範囲第12項または第13項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１８】上記周期は媒質内波長の1/2 であること；
を特徴とする請求の範囲第17項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。
【請求項１９】請求の範囲第1項から第18項のどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にしたこと；
を特徴とする量子細線ナノ構造半導体レーザアレイ。
【請求項２０】通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
該複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ光導波路巾に対応する有限長の導波路領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。
【請求項２１】上記複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第20項記載の量子ナノ構造アレイ。
【請求項２２】通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットを導波路領域、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。
【請求項２３】上記複数のＶ溝の並設周期を上記導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第22項記載の量子ナノ構造アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に分布帰還(DFB）半導体レーザに適用するに効果的な量子ナノ構造半導体レーザ、及び各種光機能素子に有意に応用できる量子ナノ構造アレイの改良に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体レーザにおいて、導波路の進行方向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レーザは、発振波長を厳密に制御することが可能な点で、またファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を持つ。
【０００３】
こうした分布帰還半導体レーザに関し、まず問題となるのがその製造工程の簡素化である。初期の頃は、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層および上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを形成した後、別途な工程により第二回目の結晶成長を行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を形成していた（例えば文献１:P.K.York,J.C.Connolly他、「MOCVD regrowth over GaAs/AlGaAs gratings for high power long-lived InGaAs/AlGaAs lasers」， Journal of Crystal Growth 124 (1992) 709-715)。
【０００４】
さらに，こうした基本的工程群に加えて、横方向の閉じこめ効果を得るためには、光導波路に沿ったストライプを二酸化シリコン等をマスクにしてエッチング等により形成し、第三回目の成長により、その側面を埋め込むと共に電流ブロック層を形成し、次いで、選択成長に使用した二酸化シリコンマスクを除去して第四回目の成長を行うことで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化を行っていた。
【０００５】
このような、多数回のリソグラフィおよび結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるために、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因ともなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、将来的にもそのまま継続的に適用できる手法とはなり得ない。
【０００６】
一方、活性領域に量子細線や量子ドットを用いた量子ナノ構造半導体レーザでは、当初想定されていた量子効果以外にも種々大きな長所があることが判明した。例えば量子ドットでは特に、ドットの周りはバンドギャップの広い材料で囲まれているので、デバイス形状に拘わりなくキャリアをドット内に閉じ込め得るし、結晶成長条件を変更するのみで、製造コストの増加を招かず、機能の追加を狙うこともできる。このような長所は、これから本格的な「ファイバー・トゥ・ホーム（fiber to home)」の時代に入るに際し、そこで用いられる半導体レーザ等を構築する上で極めて有利である可能性を示している。
【０００７】
そこで本発明者等は、これまでにも量子細線の製造工程等に関し、段階的にそれまでとは別途な手法を模索してきた。一般的に少し特性上の観点から言えば、活性層として量子細線のようにバンドギャップの狭い材料を電子のド・ブロイ波長に相当する数nmの寸法でクラッド層となるバンドギャップの広い材料中に埋め込んだ量子ナノ構造は、特定のエネルギ準位に電子系の状態密度が集中するために高性能な光デバイスの実現に適している。従って、製造工程の問題をクリアするにしても、このような構造を実現することをも目的とした方が合理的である。つまり、均一かつ高密度に量子細線を特定の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実現することができる。
【０００８】
一方で、光を半導体導波路に閉じこめるためには、上下のクラッド層を、少なくとも0.5〜１μm程度の厚さには形成する必要がある。そこで基板上にグレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面においてグレーティングを満足な形状に保持できれば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることになる。
【０００９】
こうした観点から、本発明者等はまず、文献２(Xue-Lun Wang他,「Fabrication of highly uniform AlGaAs/GaAs quantum wire superlattices by flow rate modulation epitaxy on V-grooved substrates」,Journal of Crystal Growth 171(1997)341-348）にて、(100)方位の化合物半導体基板に(1-10)方向にストライプパタンを形成し、ウェットエッチングによりＶ溝を形成した後、その上に表面原子移動の少ないAlを組成に含んだAlGaAs、InAlAsを成長することにより、Ｖ溝状のプロファイルを保持したクラッド層を形成してから、表面原子移動の大きいGaあるいはInを含むGaAs、InGaAsを供給することで、三日月状の量子細線を形成する手法を提案した。このとき、斜面を互いに交錯する(111)A面とすることができれば、化合物半導体の混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することにより、成長厚さ方向に１μm 以上、当該Ｖ溝形状を良好に保ちながら成長することが可能になる。
【００１０】
これは、成長速度の速い(100)面に対して比較的結晶成長速度の遅い(111)A面が、ちょうど結晶面の傾き角θに対して sinθの成長速度を持つとき、定常的なプロファイルを保つことが可能になるためである。一般に特定の面の成長速度は、その面の化学的な活性度と周囲からの原料元素の拡散に依存し、温度が高い程、結晶面方位による異方性が消滅し、成長速度が均一になる傾向にある。一方低温になると、(111)A面等の不活性な結晶方位においては成長速度が低下するので、基板温度を調節することにより、一定の周期での繰り返し構造の形成が可能になる。
【００１１】
しかし、この提案では、繰返し周期、すなわちＶ溝の並設間隔（ピッチ）は、ミクロン・オーダに留まっていた。特性の満足な分布帰還半導体レーザを得る場合等には、この間隔は粗過ぎ、サブミクロン・オーダにする必要がある。ところが、基板表面に付着したGa原子の拡散距離に対し、より短い周期を持つサブミクロングレーティングの場合、特定の結晶成長プロファイルを保ちながら成長することは一般には困難とされ、実際、当初は無理であった。
【００１２】
その後、本発明者の実験、研究の結果、なんとかある程度の厚さ迄であるならば、基板上に成長させたAlGaAs層の表面においてもＶ溝の断面形状を良好に保つのに成功はした。
【００１３】
これは、文献３(C. S. Son, T. G. Kim, X. L. Wang and M. Ogura, “ Constant growth of V-groove AlGaAs/GaAs multilayers on submicron gratings for complex optical devices ”J. Cryst. Growth, Vol. 221, No. 1/4,pp.201-207 (Dec. 2000))にて開示されている。
【００１４】
しかるに、例えば、GaAs基板の表面上に形成されたグレーティングのプロファイルが、その上に形成されるAlGaAs層のどの程度の膜厚まで保持できるかを見るには、100nm程度のAlGaAs層と10nm程度のGaAs層とを交互に積層してみると判断し易い。上記の文献３でも、表面に0.38μm ピッチでＶ溝を形成したGaAs基板上に、相対的には厚い100nm程度のAlGaAs層と、相対的に薄い10nm程度のGaAs層とを交互に複数層、積層して見た場合が示され、その結果、積層厚にして基板表面からおおよそ１μm程度までは、基板のＶ溝形状を略々良好に保っていることが認められた。このＶ溝の底の部分に平行に、断面にして三日月形にGaAs量子細線が形成される。しかし、まだこの文献開示時点での技術では、１μmを超える積層高さに至ると、著しくＶ溝形状は損なわれた。
【００１５】
もちろん、実際に分布帰還半導体レーザ等を作成するときにはクラッド層としてのAlGaAs層は一層で良く、GaAs量子細線もまた上下方向には一つまたは幾つかであって良いが、上の方に行ってもＶ溝形状が崩れていない程、下の方のＶ溝形状は良好であり、その中に形成される量子細線の断面形状も良好だということが言え、このことは、単一層として任意の膜厚に形成されるAlGaAsクラッド層の上面においても良好なグレーティング形状を保持可能なことを証し、その上に形成される量子細線も良好なものが得られるであろうことを意味している。さらに、量子細線でなくて、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該活性層の厚みや幅がＶ溝グレーティングの周期に対応して幾何的に変調していたり、凸凹しておらず、かなり均一で平らな面状（シート状）の活性層であっても、その下のグレーティング構造が精度良く再現されているならば、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に分布帰還型半導体レーザの活性層等として極めて有効に利用できる。ここでは簡単のため、まずは量子細線についてのみ説明して行く。
【００１６】
より高い積層厚まで良好なＶ溝形状を保つべく、その後における本発明者のさらなる研究、実験により、上記文献３に開示された技術は向上し、少なくとも１μm越え、望ましくは1.5μmに迫るか、これを越えるクラッド層厚としても、その表面においてＶ溝形状が良好に保たれているような条件を提示するに成功し、これは既に出願した特願2000−404645（特開2002−204033）として開示されている。
【００１７】
この文献中では、基本的な構成として、(100)GaAs基板上の[01-1]方向に伸びるＶ溝をGaAs基板の表面に複数個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が(111)A面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去処理をした後もＶ溝の角度が80度以下となるようにした後、680℃から 720℃の範囲内で熱クリーニングしてGaAs基板表面上に同材質であるGaAsバッファ層を形成している。こうした処理を施すことで、熱クリーニングにより鈍ったＶ溝間の頂部の鈍りを回復させることができ、その上に成長温度670℃から685℃の範囲内で、Al組成比が0.3から0.6のAlGaAs層、または、In組成比が0.05から 0.6 のInAlAs層をクラッド層として成長させて、さらに、GaAsまたはInGaAsを供給している。
【００１８】
また、量子細線ないしは量子井戸層を形成する部分の上にも、クラッド層を形成するAlGaAs層のAl組成比より小さなAl組成比のAlGaAsガイド層、またはクラッド層を形成するInAlAs層のIn組成比よりも小さなIn組成比のInAlAsガイド層を形成し、その上にさらに上側クラッド層としてAl組成比が 0.3から 0.6のAlGaAs層、またはIn組成比が0.05から 0.6のInAlAs層を成長させることが、この発明を利用した素子を製造する上で実際には望ましいともしている。
【００１９】
この手法により、体の積層構造の高さ方向では１μmを十分に越え、1.5μmに至る程度まで、Ｖ溝断面形状は良好に保ち得た。もちろん、このような高さにまでＶ溝形状を維持できることは、結局、より下の方の量子細線の形状、及びそもそものＶ溝形状も極めて良好であることを証明しており、実際、これを例えば分布帰還半導体レーザの活性層内の埋め込み量子細線として用いて見た所、十二分な特性が得られた。つまり、こうした多層膜の繰り返し積層構造の構築実験からして、単一クラッド層としてAlGaAs層を上記の厚さ範囲まで成長させても、その表面におけるグレーティング形状は基板グレーティングに整合し、十分良好に保てることが、この既出願発明により証明されたのである。当然、その上に形成される量子細線の形状、特性も良好になる。もちろん、この上限厚さ未満のAlGaAsクラッド層ではより好結果が期待される。
【００２０】
このように、量子細線自体については、本発明者らの努力により相当に優秀なものを提供できる環境になってきた。その製造方法も簡素であり、一回の選択成長により、高密度多重量子細線をデバイス構造の所望の位置に良好な形状、特性をもって形成し得るようになった。しかし、このような優秀な量子細線構造もその応用において発展がなければ、真に産業界に貢献したことにはならない。実際に使用されるのは応用デバイスだからである。
【００２１】
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、特に益々の需要が期待される量子ナノ構造半導体レーザにおいて、これも常に改善が望まれている、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方をより満足し得るものを提供せんとする。もっとも、同様の趣旨において、量子ナノ構造半導体レーザに限らず、各種変調器や増幅器その他、種々の光機能素子に発展させ得る、周期的に配置された有限長量子細線ないし量子ドットを用いた量子ナノ構造アレイの提供も内在的な目的としている。
【００２２】
【発明の開示】
【００２３】
本発明では、上記目的を達成するため、まず、第一の発明として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板にはＶ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること、を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。これにより、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方を、従来提供されているものに比し、より満足し得る量子ナノ構造半導体レーザを提供できる。
【００２４】
もっとも、複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００２５】
材質的に望ましい構成も提案でき、上記のＶ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線は、この有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製された有限長のものであって、この量子細線を覆うように、GaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられている半導体レーザや、Ｖ溝がInP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線はこの有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製された有限長のもので、この量子細線を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられている半導体レーザとすることができる。このような半導体レーザは、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用い得る。
【００２６】
本発明では、上記のように、それぞれが独立した量子細線でなくても、あたかもそれら量子細線が隣り合うもの同士、Ｖ溝の間の平らな、ないし上方に湾曲した山の部分で繋がり、結局は面状（凹凸があるにしても）のものになっているように見える構造も提案する。こうした場合にも、上記の材質例を採用できる。
【００２７】
さらに、本発明では、 半導体基板上にIII-V化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は、凹凸のない平らなシート状である一方、発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、当該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられている量子ナノ構造半導体レーザも提案する。
【００２８】
本発明のまた別な態様として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き III-V化合物半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることでそのＶ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットをレーザ活性領域として、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域とした量子ナノ構造半導体レーザも提案できる。
【００２９】
上記したＶ溝構成や、この量子ドットを用いる場合にも、複数のＶ溝の並設周期をレーザ活性層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期とするのに代え、意図的に1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００３０】
もちろん、これまた同様に、量子ドットを用いる場合にも望ましい基板材料例はあり、溝付きIII-V化合物基板はGaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板とすると良い。
【００３１】
さらに、量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングした分布帰還半導体レーザも提案できるし、量子ドットを作製した構造体の光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型とした半導体レーザも提案できる。
【００３２】
また、量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って当該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿った半導体レーザも提案する。ここで、空孔の周期は媒質内波長の1/2 とするのが代表的である。
【００３３】
本発明は、上記したような量子ナノ構造半導体レーザにのみ限らず、広く種々の光機能素子への応用の図れる量子ナノ構造アレイを提案することができる。例えばまず、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板には当該Ｖ溝のそれぞれの上にIII-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ量子細線長に対応する有限長の導波路領域として設けられている量子ナノ構造アレイを提案できる。ここでもまた、複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、意図的に上記1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、導波路通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
【００３４】
同様に、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝の上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることにより、そのＶ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットを導波路領域とし、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域とした量子ドットアレイも提案できる。そして、これもまた先と同様、複数のＶ溝の並設周期を導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期とするのに代え、意図的に1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
【００３５】
本発明では、各種の光集積回路を構築する上でも便宜な構造を提供でき、例えば上述してきた本発明による量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数、並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にすると、半導体レーザアレイとしてのみならず、各部分の条件ないしはリッジ型導波路構造ないしパラメータを変えること等で、集積化された多波長光源としても利用できる。
【００３６】
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明を添付の図面に従ってより詳細に説明する。
第１図には、本発明に従って構成された量子ナノ構造半導体レーザの望ましい一実施形態である分布帰還半導体レーザ10の構築例が示されている。基本的には既述した既出願発明：特願2000−404645（特開2002−204033）に開示されている作製手法により全体構造が作製されており、光出射方向Isに見て複数のＶ溝が並設されたＶ溝基板の各々のＶ溝領域中に、代表的には厚さ5〜20nm、レーザ光出射方向Isの寸法が10〜50nm、そしてレーザ光出射方向Isに直交する方向の寸法（幅）が0.5〜２μm有限長のGaAsあるいはInGaAs量子細線11から成る活性層が設けられ、これら互いに並設された複数の有限長量子細線11の当該並設ピッチは、レーザ光出射方向Isに沿い、媒質内波長λの 1/4の整数倍であるnλ/4(nは整数）、例えば 1/4または 3/4の周期（0.15〜0.5μm)となっている。
【００３８】
この量子細線配列の周囲は、上下0.2μm程度のガイド層13と１μm程度の厚さの下部AlGaAsクラッド層12と上部クラッド層14で覆われている。上下のクラッド層14，12の一方はＮ型、他方はＰ型である。また、その量子細線11の断面形状は、これも既出願発明：特願2000−404645について述べたように、一般には三日月形となる。クラッド層12，14はGaAsにより構成することもできる。
【００３９】
作製手順につきもう少し具体的な例を上げれば、(100)基板上に(1-10)方向に有限長のＶ溝群を上記のように媒質内波長1/4の整数倍の周期で形成し、その上に、順に例えばAl組成比が0.4程度のＮ型AlGaAs下部クラッド層12、Al組成比が0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層13を形成し、さらにInの組成比が0.1程度のInGaAs量子細線11を形成した後に、Al組成比が0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層13（形成後には量子細線11を覆う一体部材のようにもなることから、図中では上下のガイド層を共に符号13で示している）、Al組成比が0.4程度のＰ型AlGaAs上部クラッド層14を連続的に成長させる。
【００４０】
本発明によるこのような構造では、周期配列された量子細線11の両端が閉じて有限長となっているため、少数キャリアの横方向の拡散が抑制され、従来に比してより低閾値でのレーザ発振が可能となる。実際、本発明者らの実験により、その実証が得られている。
【００４１】
なお、既存の作製技術では、GaAs(100)基板に限らず、GaAs(311)A基板を用いてもその[01-1]方向にＶ溝を形成する実例があるので、GaAsまたはInGaAs量子細線11はこうした基板上にも形成できるし、InP(100)または(311)A基板を用いてその[01-1]方向に有限長のInGaAs量子細線11を形成することもでき、これらもまた本発明に適用可能である。特にInP基板を用いた場合には、当該基板は発振波長に対して透明となるため、Ｖ溝基板上の下部クラッド層を薄くすることができ、一次グレーティング等、周期の短いＶ溝アレイの当該周期構造を保持することが容易になる。
【００４２】
さて、以下では第１図(B) 以降の各図に即し、それぞれ本発明の他の実施形態に就き説明して行くが、当該第１図(B) 以降の各図において、第１図(A) 中にて用いたと同一の符号は同一ないし同様の構成要素を示すものとし、改めての説明は省略するものもある。
【００４３】
まず、先に少し述べたように、Ｖ溝グレーティング上に、それぞれが幾何的にも互いに完全に独立した量子細線11として形成されていなくても、例えば第１図(B) の本発明半導体レーザ10A のような構造も可能である。すなわち、第１図(A) における量子細線に相当する部分11の光出射方向両側が、隣接するＶ溝の間の山の部分（平らでも上方に湾曲していても）で互いに薄い活性層部分11aを介し隣の量子細線部分11に繋がっているような、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該第１図(B) に示す通り、当該活性層15の厚みがＶ溝グレーティングの周期、すなわち、媒質内波長λの1/4の整数倍であnλ/4（nは整数）、例えば1/4または3/4の周期に対応して変調しているならば、第１図(A) に図示した半導体レーザ10と同様の機能、効果を呈することができ、この点もまた、本発明者において実験をもって確認している。図中では量子細線相当部分11で相対的に厚く、Ｖ溝間の山の部分11aで薄くなっている。こうした構造は、下側クラッド層12ないしは下側のガイド層13におけるＶ溝形状が鈍りがちな場合に特に有効な構造となる。もっとも、こうした連続活性層構造でも、レーザ発振に係る実効的なキャリア閉じ込め作用を支配的に及ぼす領域が専ら相対的に厚い活性層部分11であるならば、やはり量子細線の並設構造と見ることもできる。
【００４４】
さらに、光出射方向Isに直交する幅方向の寸法が、光出射方向Isに沿って、Ｖ溝グレーティングの周期に呼応して変調していても、やはり同様の機能を得ることができ、低閾値発振を得ることができる。
【００４５】
この幅方向の寸法を光出射方向Isに沿って変調する場合、何も活性層そのものを幾何的に変調させなくても良いことも分かった。これに就き、第２図(A),(B) に即して説明すると、第２図(A) に示されている本発明半導体レーザ10B は、実効的な発振部分である所定の幅w15の活性層15の所は凸凹しておらず、均一で平らな面状（シート状）の活性層15となっている。しかし、その両側は、この場合はメサ形状に類似する裾野の部分になっていて、そこには光出射方向Isに沿って媒質内波長λの1/4の整数ｎ倍である nλ/4、例えば 1/4または 3/4の周期のＶ溝並設構造、すなわちＶ溝グレーティングが施されている。活性層15とその両側の部分15aのみを抜き出して第２図(B)に示している通り、レーザ発振に寄与する実効的な活性層15の部分は平らであるが、当該幅w15の活性層15に連続する両側の裾野部分15aに、Ｖ溝に対応した溝15bが形成されるような格好になっているのである。このような活性層両側部における幾何的変調Ｖ溝構造を設けても、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に低閾値分布帰還型半導体レーザを得られることが分かった。
【００４６】
本発明では、量子ドットも利用できる。すなわち、第１図(A) に示した半導体レーザ10においても、三日月形断面として示した量子細線11は、作製条件等に応じ、場合により、あたかも当該量子細線が細かく分断されたかのような格好に、各Ｖ溝内に複数の量子ドットを形成させることもでき、その場合にももちろん、同様の効果を期待することができる。この場合の概念図は第３図に示されており、第１図(A) に図示した半導体レーザ10では幅方向に連続した物性領域としての量子細線11であったものが、第３図示の半導体レーザ10C ではあたかも当該幅方向に分断化された形になり、各Ｖ溝内にて量子ドット11’の集合体になっている。こうした構造でも、第１図(A) に示した本発明半導体レーザと同様の機能、効果を奏し得る。
【００４７】
第４図は、本発明に従う他の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザ20を示しており、ここではやはり量子ドット21が用いられている。既に述べたようなＶ溝基板の上にInGaAsのIn組成や成長膜厚を増加させ、成長温度を低く設定すると、InGaAsあるいはInAs系多重量子ドット21をＶ溝上に選択的に形成することができる。Ｖ溝の並設間隔、つまり一列に並んだ量子ドット21群の光進行方向に沿う並設間隔は、先掲の量子細線を用いる場合と同様、レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍 nλ/4とする。ただし、一つ一つの量子ドット21の形状自体は、図中に模式的に示すように、バラついて来ることも多い。そしてこのことは、後述のように、寧ろ有意に作用する場合もある。
【００４８】
もっとも、先に述べた量子細線11の場合もそうであるが、有限長のＶ溝は、必ずしも、基板に刻まれた溝形状を選択成長により保持するのみではなく、従来のプロセスのように、下部クラッド層を成長させ、ガイド層等を形成した後、成長炉から一旦取り出して有限長のＶ溝を形成してから、量子細線や量子ドットを形成し、引き続いて上部ガイド層、上部クラッド層の形成と複数回の成長を行った結果の形状のものも使うことはできる。厚い成長をなした後、形状を保持しようとすると、グレーティングの周期を長くする必要があるため、周期 0.2μm 以下のグレーティングの場合、形状保存成長をすることは難しくなるが、本発明により両端を止めた有限長量子細線によるキャリア散逸の阻止効果や、必要な所にのみ量子ドットを形成することにより、光の腹の部分のみに活性層を挿入する等の機能が有効に作用し、必ずしも、基板のＶ溝形状の優秀性にこだわらなくても済む場合もある。
【００４９】
しかるに、こうした量子ドット21においては、活性層の全周がエネルギの大きなクラッド層に囲まれる構造となるので、自動的に埋め込み構造が実現されているのと等価となる。従って、第４図中に太い矢印Cjで模式的に示したように、電流注入に基づく電子正孔対は量子ドット内に停留し、細い矢印Ct，Ctで模式的に示す幅方向に沿う等価的な横方向キャリア拡散長が短くなるため、注入されたキャリアの散逸が防止できる。この閉じ込め効果自体についての考察は、文献４:J.K. Kim, T.A.Strand, R.L.Naone,and L.A. Coldren,“Design Parameters for Lateral Carrier Confinement in Quantum Dot Lasers”, Appl. Phys. Letters. 74(19) (May 10, 1999) 2752-2754 に認めることができる。従ってこの効果を利用すると、量子ドット群を形成した構造体のストライプ部分をメサエッチングし、メサ構造22とするのみで、埋め込み構造を必要とすることなく、簡素な製造方法により、低閾値で発振周波数の安定化された分布帰還型量子ドットレーザを実現することができる。
【００５０】
材質についても、本発明による構造が実現できれば制限はないが、Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで形成されるInGaAsまたはInAs量子ドットが現実的であり、Ｖ溝基板は GaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板が望ましい。本発明の他の実施形態においても、この点は同様である。
【００５１】
第５図は、本発明の半導体レーザの好ましい他の実施形態30を示しているが、これまでの報告では、いわゆるＳＫモードによる結晶成長手法を用ることにより、平面状に量子ドットを埋め込んだ量子ドットレーザが実現されている（例えば文献５：Z.Zou,D.L.Huffaker, S.Csutak, and D.G.Deppe,“Ground state lasing from a quantum-dot oxide-confined vertical-cavity surface-emitting laser”, Appl. Phys.Letters 75(1), July 5 1999, p.22)。
【００５２】
一方、埋め込み再成長プロセスを省き、表面から導波路の側面に凹凸の金属グレーティングあるいはフォーカスイオンビームによる選択イオンインプランテーションを施すことにより、ＤＦＢレーザを作製する研究も行われている（例えば文献６：H.Konig, S.Rennon, J.P.Reithmaier, and A.Forchel, “1.55μm single mode lasers with complex coupled distributed feedback gratings fabricated by focused ion beam implantation”，Appl. Phys. Letters 75(11), September 1999 p.1491）。
【００５３】
しかし、量子井戸を活性層に用いた場合、加工界面でのキャリア表面再結合を避けるため、導波路の側面を加工層を浅く設定する必要があり、そのため十分な波長安定化が得られないという問題が有る。
【００５４】
しかるに、本発明によると、例えば先に掲げた第３図に即し説明したように、本発明で定義する条件のＶ溝基板上に下部クラッド層を形成し、ガイド層内の活性層に媒質内波長の1/4の整数倍の所定周期配置の量子ドット群を含ませて、上部クラッド層を形成することにより、少数キャリアの拡散速度を抑制することが可能になる外、これとはまた別な構造として、第５図示の量子ナノ構造半導体レーザ30に示すように、Ｖ溝基板32上に下部クラッド層33を形成し、上下のガイド層34内の活性層に量子ドット群31を設けて上部クラッド層35を形成すると共に、量子ドット31を含む構造体の側面を光進行方向に沿い、幅方向には量子ドットを貫いて深く入るようにエッチングした側面凹凸構造を形成すると、量子ドットそのものの位置がランダムである場合にも、ＤＦＢ型の光共振器を構成することが可能になる。つまり、再成長プロセスを必要とせず、低閾値で、かつ十分な波長安定性を有するＤＦＢレーザを実現することが可能になるのである。
【００５５】
なお、第５図においては、レーザ用電極37の形成されている領域にほぼ相当する半導体レーザ30の部分と一連に、変調器用電極38の形成されている領域に相当する変調器部36が一体形成されていて、一つの光集積回路（OEIC）39を構成している。この変調器部36の構造自体は本発明が特に限定するものではなく、任意適当なる公知構造であって良い。
【００５６】
さて、先に触れた通り、今後、いわゆるFiber to homeの時代に入り、光ファイバネットワーク上の光信号を自由に制御する必要が高まって来るに連れ、例えば周波数の異なる半導体レーザアレイを製作し、それらの出射光を自由にスイッチング、交換する必要等が生起して来る。第６図は本発明に従って構成された、二次元フォトニクス結晶を用いた光集積回路49の模式図を示している。半導体基板42上に下部クラッド層43を形成し、その上に本発明に従い、上下のガイド層に挟まれた所定周期、すなわち媒質内波長の 1/4の整数倍の周期配置の多数の量子ドット群を望ましくは高さ方向に複数層積層し、上部クラッド層45a,表面層45b を形成し、レーザ領域部分40にはレーザ用電極47を形成する。
【００５７】
しかるに、この第６図に示す実施形態において特徴的なのは、積層量子ドット層を形成した構造体に対し、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向およびそれと直交する横方向に直交する上下方向に貫通する空孔46を所定の周期で穿ったことである。周期は例えば、媒質内波長の 1/2とする。
【００５８】
このようにすると、光進行方向に沿って伸びる孔の列で左右が閉ざされたストライプ部分が導波路となり、従って、孔の間隔を設計することにより、波長選択性を持たせたり、特定の導波路に信号を導くことが可能になる。
【００５９】
すなわちレーザ、変調器、分岐、フィルタなどが二次元フォトニクス光導波路により同一基板上に接続されて光通信に必要なOEIC49を実現することができる。図示の場合には、変調用電極48の設けられた変調器が一体化されている。
【００６０】
この実施形態に認められるように、能動的な光モジュールが、孔と電極の配置のみで実現できるのは、実用的にも、価値が高い。また、量子ドットを用いた場合、表面再結合が大きく問題にならないので、追加工のみで二次元な光回路を形成することが可能となる。なお、空孔41は、文字通り、空気で満たされた空の穴であっても良いが、適当な屈折率媒体が充填されていても良い。光回路的に空孔として取り扱得れば良い。
【００６１】
第７図は、本発明を利用した他のモノリシックOEIC50を示している。適当なる基板上に公知既存の技術に従って構築して良いリッジ型光導波路51があり、適宜、それぞれが光導波路となる分岐線路が形成されている。各分岐線路には、第１図〜第３図に即して既に説明した本発明半導体レーザを構築しておく。一部は説明のために拡大し、模式的に示しているが、既に説明した量子細線11や既説の量子ドット11'、活性層15等を当該半導体レーザ領域10（または10A，10B，10C）に設ける。これにより、こうしたOEIC50は半導体レーザアレイとなるし、また、媒質内波長に対し、それぞれの配置に関する周期条件を変えたり、リッジ型導波路の構造やパラメータを変える等により、集積化された多波長光源として利用できる。実際には、必要な箇所に本発明に従う条件でＶ溝グレーティング構造により半導体レーザ部分を予め形成し、その後にリッジ型光導波路を形成して良い。本発明によると、こうした構造をＶ溝上への一回の選択成長で形成できる簡易性、利便性が得られる。
【００６２】
もちろん、第３図〜第６図に即して説明した、本発明半導体レーザにおいて用いられている活性層領域の構成を各導波路に設けることも不可能ではない。
【００６３】
本発明は、有限長量子細線ないし量子ドットの配列に関してこれ迄述べてきた量子ナノ構造半導体レーザにおけると同様の配置関係を勘案することで、半導体レーザにのみ留まらず、種々の「光機能素子」への応用が可能な量子ナノ構造アレイをも提供できる。つまり、光の通過する導波路領域に、当該導波路幅に有限長量子細線を収めるか量子ドットを複数個形成しながら、光進行方向には導波路媒質内波長の 1/4の整数倍周期でそれらを並設した構造とした有限長量子細線アレイないし量子ドットアレイとして本発明を定義しても、それは有用な応用の図れるものとなる。作製材料例、手法は、これまでに本発明量子ナノ構造半導体レーザに関して述べてきたと同様で良い。
【００６４】
本発明による量子ナノ構造アレイ、すなわち、本発明に従う周期構造を有する有限長量子細線ないし量子ドットの配置構成によると、これまで述べてきたように、半導体レーザにおいては状態密度が離散的になり、利得帯域幅が狭くなるために、特定の発振波長に対応した量子レベルに注入キャリアが効率的に集中し、これが低閾値化を産むことになるが、例えば光機能素子のひとつとして直接変調器の活性層に適用すると、状態密度が離散的になることは利得がローレンツ型のシャープな波長特性を持つようになることを意味し、そのピーク位置の変化が抑制されることになる。
【００６５】
屈折率の波長特性はその利得の微分になるので、その結果、発振している利得の中央付近では零になり、キャリア濃度に対して屈折率が変化しないようになる。一般に屈折率のキャリア濃度変化を、利得のキャリア濃度変化アルファパラメータと呼ぶが、このパラメータを、本発明に従って配置された有限長量子細線アレイや量子ドットアレイによる活性層ではかなり小さくできるため、高速変調が可能となる。
【００６６】
外部変調による場合でも、本発明に従う量子ナノ構造アレイを用いることで、吸収特性がより急峻になると、バイアスの変化による波長ごとの時間遅れがより少なくなるため、吸収特性の両側のスロープの違いを利用して、伝搬速度の遅い青色の成分を先に送出する等の操作が効率的に可能となってくる。
【００６７】
同様に、本発明の量子ナノ構造アレイを光増幅器の活性層に適用すれば、実際には先の実施形態において第４図に模式的に示した所から分かるように、量子ドットのサイズにバラつきが見込まれることから、利得の存在する範囲が広くなり（例えば100nm程度）、その結果、広帯域におよぶチャネルを一括して増幅することができるようにもなる。
【００６８】
モードロックレーザやマッハチェンダー型光スイッチでは過飽和吸収体を利用しているが、この応答速度は丁度光通信帯に必要な帯域にマッチしている。すなわち、光通信では、10GHzから100GHz程度の周波数帯域のパルス伝送を利用しており、パルス幅に換算すれば10psから100psとなる。従って、数psで元の状態に復元するような緩和現象が望ましくなるが、これが量子ドットの場合は、多数キャリアのドットレベルへの捕獲が量子井戸よりは遅くなるため、丁度、ピコ秒領域になる。これが速すぎると飽和するためのフォトンの数が無駄になるし、遅すぎると次のパルスが来るときまでに初期状態に戻らない訳であるが、これが丁度適当な時間領域に入ってくるのである。そこで、本発明の配置構成による有限長量子細線アレイまたは量子ドットアレイを適用すれば、この制御をより効果的になし得るようになる。
【００６９】
周波変調器としても、本発明により構築される量子ナノ構造アレイは有効に適用できる。三次の非線形効果を用い、ポンプ光と信号光を量子ドットに入射すると、角周波数ω（ポンプ光）ｘ２―ω（信号光）の角周波数ωc で波長変換が行われる。この効果は光とナノ構造中の量子状態とのコヒーレントな相互作用により生まれるもので、量子状態が外部から散乱されず、位相状態が保たれた方が強く起こる。位相緩和時間はガンマT2と呼ばれ、量子状態が孤立した量子ドットの方が長くなり、すなわち、非線形効果が強く出る。本発明では当該有限長量子細線や量子ドットを周期的に並べた量子ナノ構造アレイを提供するため、いわゆる光の腹の部分に細線やドットを一致させることができ、少ない活性層体積で上記した効果が強く出る傾向とし得、また、光の群速度が遅くなるので（材料の中で往復すると言っても良い）、光の利得や吸収を効率的に生じさせることができる。
【００７０】
つまり、こうした各種の光機能素子を構築する上でも、本発明の量子ナノ構造アレイは有効な装置となり得るのである。
【００７１】
ところで、これまでは、以上述べた全ての実施形態において、本発明に従う量子ナノ構造半導体レーザであっても量子ナノ構造アレイであっても、並設される有限長量子細線の並設周期ないしは量子ドットがその中に、あるいは活性層がその上に形成されるＶ溝の並設周期は、媒質内波長1/4の整数倍としてきた。しかし、これをあえて意図的にレーザ活性層ないし導波路層の媒質内波長 1/4 の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させたり、半導体レーザとした場合にはその活性領域内での発振モード間の分散補償を図ることで、また外付けミラー等、導波路とした場合には通過光に関する分散補償を図ることで、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００７２】
後者の分散補償に関しては、既に特開2000−352614にてその最適化に関し、望ましい手法を開示しているので、本発明構成によって分散補償を図るときには、上記した変位の程度の決定に就き、この既出願発明を参考にすることができる。例えば、全くの一例ではあるが、媒質内波長1/4 からの量子細線ないしＶ溝周期の変位の程度に応じて波長分散（波長の相違による光伝播速度の相違）を波長ごとに変化させることができるため、沢山の縦モードが全て同じ速度で伝播するようにして、多数の波長が同じ位相で同期する（モードロック）状態を生成させ、極めて短い(2〜30fs）パルス幅の光パルス（極短パルス）を効率良く発生させたりすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明によると、望ましくは一回の選択成長により、低閾値で発振周波数安定化特性の優れた半導体レーザを得ることができる。また、有限長の高密度多重量子細線や量子ドットをデバイス構造の所望の位置に形成し得るので、簡単な製作プロセスにより、高度な量子ナノ構造半導体レーザや、種々の光機能素子への有意な応用が期待できる量子ナノ構造アレイを実現することができる。
さらに、今後は通信波長帯が拡大する方向にあり、1.0〜 1.6μm の波長帯域が重要となりつつあるが、本発明の量子ナノ構造アレイ（有限長量子細線アレイや量子ドットアレイ）を利用することで波長範囲が拡大する。再成長が必要無いため、クラッド層としてバンドギャップの大きなAl組成を含んだ混晶を使用すること等もできるので、動作温度に影響されにくい（Toの高い）レーザを作製することが可能となり、一般家庭や自動車等、温度条件を厳密に制御することが困難な民生用途に適した波長安定化レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【第１図】(A) は、本発明の好ましい第一の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である (B) は、第１図(A) に開示の本発明半導体レーザの改良例の概略構成図である。
【第２図】(A) は、第１図(A) に開示の本発明半導体レーザの他の改良例の概略構成図である。 (B) は第２図(A) に開示の半導体レーザにおける活性層部分を一部取り出して模式的に説明する説明図である。
【第３図】第１図(A) に開示の本発明半導体レーザのさらに他の改良例の概略構成図である。
【第４図】(A) は、本発明の好ましい別な実施形態としての半導体レーザの横断面における概略構成図である。 (B) は、第４図(A) 中の4B−4B線に沿う断面の模式図である。
【第５図】本発明の好ましい他の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
【第６図】本発明のさらに他の好ましい実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
【第７図】量子ナノ構造半導体レーザアレイないし多波長光源を構成する本発明の望ましい実施形態の概略構成図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に分布帰還(DFB）半導体レーザに適用するに効果的な量子ナノ構造半導体レーザ、及び各種光機能素子に有意に応用できる量子ナノ構造アレイの改良に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体レーザにおいて、導波路の進行方向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レーザは、発振波長を厳密に制御することが可能な点で、またファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を持つ。
【０００３】
こうした分布帰還半導体レーザに関し、まず問題となるのがその製造工程の簡素化である。初期の頃は、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層および上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを形成した後、別途な工程により第二回目の結晶成長を行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を形成していた（例えば文献１:P.K.York,J.C.Connolly他、「MOCVD regrowth over GaAs/AlGaAs gratings for high power long-lived InGaAs/AlGaAs lasers」， Journal of Crystal Growth 124 (1992) 709-715)。
【０００４】
さらに，こうした基本的工程群に加えて、横方向の閉じこめ効果を得るためには、光導波路に沿ったストライプを二酸化シリコン等をマスクにしてエッチング等により形成し、第三回目の成長により、その側面を埋め込むと共に電流ブロック層を形成し、次いで、選択成長に使用した二酸化シリコンマスクを除去して第四回目の成長を行うことで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化を行っていた。
【０００５】
このような、多数回のリソグラフィおよび結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるために、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因ともなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、将来的にもそのまま継続的に適用できる手法とはなり得ない。
【０００６】
一方、活性領域に量子細線や量子ドットを用いた量子ナノ構造半導体レーザでは、当初想定されていた量子効果以外にも種々大きな長所があることが判明した。例えば量子ドットでは特に、ドットの周りはバンドギャップの広い材料で囲まれているので、デバイス形状に拘わりなくキャリアをドット内に閉じ込め得るし、結晶成長条件を変更するのみで、製造コストの増加を招かず、機能の追加を狙うこともできる。このような長所は、これから本格的な「ファイバー・トゥ・ホーム（fiber to home)」の時代に入るに際し、そこで用いられる半導体レーザ等を構築する上で極めて有利である可能性を示している。
【０００７】
そこで本発明者等は、これまでにも量子細線の製造工程等に関し、段階的にそれまでとは別途な手法を模索してきた。一般的に少し特性上の観点から言えば、活性層として量子細線のようにバンドギャップの狭い材料を電子のド・ブロイ波長に相当する数nmの寸法でクラッド層となるバンドギャップの広い材料中に埋め込んだ量子ナノ構造は、特定のエネルギ準位に電子系の状態密度が集中するために高性能な光デバイスの実現に適している。従って、製造工程の問題をクリアするにしても、このような構造を実現することをも目的とした方が合理的である。つまり、均一かつ高密度に量子細線を特定の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実現することができる。
【０００８】
一方で、光を半導体導波路に閉じこめるためには、上下のクラッド層を、少なくとも0.5〜１μm程度の厚さには形成する必要がある。そこで基板上にグレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面においてグレーティングを満足な形状に保持できれば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることになる。
【０００９】
こうした観点から、本発明者等はまず、文献２(Xue-Lun Wang他,「Fabrication of highly uniform AlGaAs/GaAs quantum wire superlattices by flow rate modulation epitaxy on V-grooved substrates」,Journal of Crystal Growth 171(1997)341-348）にて、(100)方位の化合物半導体基板に(1-10)方向にストライプパタンを形成し、ウェットエッチングによりＶ溝を形成した後、その上に表面原子移動の少ないAlを組成に含んだAlGaAs、InAlAsを成長することにより、Ｖ溝状のプロファイルを保持したクラッド層を形成してから、表面原子移動の大きいGaあるいはInを含むGaAs、InGaAsを供給することで、三日月状の量子細線を形成する手法を提案した。このとき、斜面を互いに交錯する(111)A面とすることができれば、化合物半導体の混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することにより、成長厚さ方向に１μm 以上、当該Ｖ溝形状を良好に保ちながら成長することが可能になる。
【００１０】
これは、成長速度の速い(100)面に対して比較的結晶成長速度の遅い(111)A面が、ちょうど結晶面の傾き角θに対して sinθの成長速度を持つとき、定常的なプロファイルを保つことが可能になるためである。一般に特定の面の成長速度は、その面の化学的な活性度と周囲からの原料元素の拡散に依存し、温度が高い程、結晶面方位による異方性が消滅し、成長速度が均一になる傾向にある。一方低温になると、(111)A面等の不活性な結晶方位においては成長速度が低下するので、基板温度を調節することにより、一定の周期での繰り返し構造の形成が可能になる。
【００１１】
しかし、この提案では、繰返し周期、すなわちＶ溝の並設間隔（ピッチ）は、ミクロン・オーダに留まっていた。特性の満足な分布帰還半導体レーザを得る場合等には、この間隔は粗過ぎ、サブミクロン・オーダにする必要がある。ところが、基板表面に付着したGa原子の拡散距離に対し、より短い周期を持つサブミクロングレーティングの場合、特定の結晶成長プロファイルを保ちながら成長することは一般には困難とされ、実際、当初は無理であった。
【００１２】
その後、本発明者の実験、研究の結果、なんとかある程度の厚さ迄であるならば、基板上に成長させたAlGaAs層の表面においてもＶ溝の断面形状を良好に保つのに成功はした。
【００１３】
これは、文献３(C. S. Son, T. G. Kim, X. L. Wang and M. Ogura, “ Constant growth of V-groove AlGaAs/GaAs multilayers on submicron gratings for complex optical devices ”J. Cryst. Growth, Vol. 221, No. 1/4,pp.201-207 (Dec. 2000))にて開示されている。
【００１４】
しかるに、例えば、GaAs基板の表面上に形成されたグレーティングのプロファイルが、その上に形成されるAlGaAs層のどの程度の膜厚まで保持できるかを見るには、100nm程度のAlGaAs層と10nm程度のGaAs層とを交互に積層してみると判断し易い。上記の文献３でも、表面に0.38μm ピッチでＶ溝を形成したGaAs基板上に、相対的には厚い100nm程度のAlGaAs層と、相対的に薄い10nm程度のGaAs層とを交互に複数層、積層して見た場合が示され、その結果、積層厚にして基板表面からおおよそ１μm程度までは、基板のＶ溝形状を略々良好に保っていることが認められた。このＶ溝の底の部分に平行に、断面にして三日月形にGaAs量子細線が形成される。しかし、まだこの文献開示時点での技術では、１μmを超える積層高さに至ると、著しくＶ溝形状は損なわれた。
【００１５】
もちろん、実際に分布帰還半導体レーザ等を作成するときにはクラッド層としてのAlGaAs層は一層で良く、GaAs量子細線もまた上下方向には一つまたは幾つかであって良いが、上の方に行ってもＶ溝形状が崩れていない程、下の方のＶ溝形状は良好であり、その中に形成される量子細線の断面形状も良好だということが言え、このことは、単一層として任意の膜厚に形成されるAlGaAsクラッド層の上面においても良好なグレーティング形状を保持可能なことを証し、その上に形成される量子細線も良好なものが得られるであろうことを意味している。さらに、量子細線でなくて、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該活性層の厚みや幅がＶ溝グレーティングの周期に対応して幾何的に変調していたり、凸凹しておらず、かなり均一で平らな面状（シート状）の活性層であっても、その下のグレーティング構造が精度良く再現されているならば、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に分布帰還型半導体レーザの活性層等として極めて有効に利用できる。ここでは簡単のため、まずは量子細線についてのみ説明して行く。
【００１６】
より高い積層厚まで良好なＶ溝形状を保つべく、その後における本発明者のさらなる研究、実験により、上記文献３に開示された技術は向上し、少なくとも１μm越え、望ましくは1.5μmに迫るか、これを越えるクラッド層厚としても、その表面においてＶ溝形状が良好に保たれているような条件を提示するに成功し、これは既に出願した特願2000−404645（特開2002−204033）として開示されている。
【００１７】
この文献中では、基本的な構成として、(100)GaAs基板上の[01-1]方向に伸びるＶ溝をGaAs基板の表面に複数個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が(111)A面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去処理をした後もＶ溝の角度が80度以下となるようにした後、680℃から 720℃の範囲内で熱クリーニングしてGaAs基板表面上に同材質であるGaAsバッファ層を形成している。こうした処理を施すことで、熱クリーニングにより鈍ったＶ溝間の頂部の鈍りを回復させることができ、その上に成長温度670℃から685℃の範囲内で、Al組成比が0.3から0.6のAlGaAs層、または、In組成比が0.05から 0.6 のInAlAs層をクラッド層として成長させて、さらに、GaAsまたはInGaAsを供給している。
【００１８】
また、量子細線ないしは量子井戸層を形成する部分の上にも、クラッド層を形成するAlGaAs層のAl組成比より小さなAl組成比のAlGaAsガイド層、またはクラッド層を形成するInAlAs層のIn組成比よりも小さなIn組成比のInAlAsガイド層を形成し、その上にさらに上側クラッド層としてAl組成比が 0.3から 0.6のAlGaAs層、またはIn組成比が0.05から 0.6のInAlAs層を成長させることが、この発明を利用した素子を製造する上で実際には望ましいともしている。
【００１９】
この手法により、体の積層構造の高さ方向では１μmを十分に越え、1.5μmに至る程度まで、Ｖ溝断面形状は良好に保ち得た。もちろん、このような高さにまでＶ溝形状を維持できることは、結局、より下の方の量子細線の形状、及びそもそものＶ溝形状も極めて良好であることを証明しており、実際、これを例えば分布帰還半導体レーザの活性層内の埋め込み量子細線として用いて見た所、十二分な特性が得られた。つまり、こうした多層膜の繰り返し積層構造の構築実験からして、単一クラッド層としてAlGaAs層を上記の厚さ範囲まで成長させても、その表面におけるグレーティング形状は基板グレーティングに整合し、十分良好に保てることが、この既出願発明により証明されたのである。当然、その上に形成される量子細線の形状、特性も良好になる。もちろん、この上限厚さ未満のAlGaAsクラッド層ではより好結果が期待される。
【００２０】
このように、量子細線自体については、本発明者らの努力により相当に優秀なものを提供できる環境になってきた。その製造方法も簡素であり、一回の選択成長により、高密度多重量子細線をデバイス構造の所望の位置に良好な形状、特性をもって形成し得るようになった。しかし、このような優秀な量子細線構造もその応用において発展がなければ、真に産業界に貢献したことにはならない。実際に使用されるのは応用デバイスだからである。
【００２１】
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、特に益々の需要が期待される量子ナノ構造半導体レーザにおいて、これも常に改善が望まれている、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方をより満足し得るものを提供せんとする。もっとも、同様の趣旨において、量子ナノ構造半導体レーザに限らず、各種変調器や増幅器その他、種々の光機能素子に発展させ得る、周期的に配置された有限長量子細線ないし量子ドットを用いた量子ナノ構造アレイの提供も内在的な目的としている。
【００２２】
【発明の開示】
【００２３】
本発明では、上記目的を達成するため、まず、第一の発明として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板にはＶ溝のそれぞれの上に III-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること、を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザを提案する。これにより、低閾値化と発振周波数の安定化の少なくとも一方、望ましくは双方を、従来提供されているものに比し、より満足し得る量子ナノ構造半導体レーザを提供できる。
【００２４】
もっとも、複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、並設周期を意図的に上記1/4 の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００２５】
材質的に望ましい構成も提案でき、上記のＶ溝は、GaAs(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線は、この有限長のＶ溝上に成長させられたGaAsまたはInGaAsから作製された有限長のものであって、この量子細線を覆うように、GaAsまたはAlGaAsのクラッド領域が設けられている半導体レーザや、Ｖ溝がInP(100)または(311)A基板上の[01-1]方向に形成された有限長のＶ溝であり、量子細線はこの有限長のＶ溝上に成長させられたInGaAsから作製された有限長のもので、この量子細線を覆うように、InAlAsのクラッド領域が設けられている半導体レーザとすることができる。このような半導体レーザは、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用い得る。
【００２６】
本発明では、上記のように、それぞれが独立した量子細線でなくても、あたかもそれら量子細線が隣り合うもの同士、Ｖ溝の間の平らな、ないし上方に湾曲した山の部分で繋がり、結局は面状（凹凸があるにしても）のものになっているように見える構造も提案する。こうした場合にも、上記の材質例を採用できる。
【００２７】
さらに、本発明では、 半導体基板上にIII-V化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は、凹凸のない平らなシート状である一方、発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、当該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられている量子ナノ構造半導体レーザも提案する。
【００２８】
本発明のまた別な態様として、発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き III-V化合物半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることでそのＶ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットをレーザ活性領域として、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域とした量子ナノ構造半導体レーザも提案できる。
【００２９】
上記したＶ溝構成や、この量子ドットを用いる場合にも、複数のＶ溝の並設周期をレーザ活性層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期とするのに代え、意図的に1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００３０】
もちろん、これまた同様に、量子ドットを用いる場合にも望ましい基板材料例はあり、溝付きIII-V化合物基板はGaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板とすると良い。
【００３１】
さらに、量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングした分布帰還半導体レーザも提案できるし、量子ドットを作製した構造体の光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型とした半導体レーザも提案できる。
【００３２】
また、量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って当該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿った半導体レーザも提案する。ここで、空孔の周期は媒質内波長の1/2 とするのが代表的である。
【００３３】
本発明は、上記したような量子ナノ構造半導体レーザにのみ限らず、広く種々の光機能素子への応用の図れる量子ナノ構造アレイを提案することができる。例えばまず、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付き半導体基板には当該Ｖ溝のそれぞれの上にIII-V化合物選択成長により複数の量子細線が形成され、これら複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ量子細線長に対応する有限長の導波路領域として設けられている量子ナノ構造アレイを提案できる。ここでもまた、複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の1/4 の整数倍の周期で光進行方向に沿って並設するのに代え、意図的に上記1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、導波路通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
【００３４】
同様に、通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには光進行方向に沿って導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し、この溝付きの半導体基板には、当該Ｖ溝の上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることにより、そのＶ溝の谷部分にInGaAsまたはInAs量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され、これら複数の量子ドットを導波路領域とし、それを覆うGaAsまたはAlGaAs層をクラッド領域とした量子ドットアレイも提案できる。そして、これもまた先と同様、複数のＶ溝の並設周期を導波路層の媒質内波長の1/4の整数倍の周期とするのに代え、意図的に1/4の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を図るか、通過光に関する分散補償を施すことこともできる。
【００３５】
本発明では、各種の光集積回路を構築する上でも便宜な構造を提供でき、例えば上述してきた本発明による量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数、並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にすると、半導体レーザアレイとしてのみならず、各部分の条件ないしはリッジ型導波路構造ないしパラメータを変えること等で、集積化された多波長光源としても利用できる。
【００３６】
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明を添付の図面に従ってより詳細に説明する。
第１図には、本発明に従って構成された量子ナノ構造半導体レーザの望ましい一実施形態である分布帰還半導体レーザ10の構築例が示されている。基本的には既述した既出願発明：特願2000−404645（特開2002−204033）に開示されている作製手法により全体構造が作製されており、光出射方向Isに見て複数のＶ溝が並設されたＶ溝基板の各々のＶ溝領域中に、代表的には厚さ5〜20nm、レーザ光出射方向Isの寸法が10〜50nm、そしてレーザ光出射方向Isに直交する方向の寸法（幅）が0.5〜２μm有限長のGaAsあるいはInGaAs量子細線11から成る活性層が設けられ、これら互いに並設された複数の有限長量子細線11の当該並設ピッチは、レーザ光出射方向Isに沿い、媒質内波長λの 1/4の整数倍であるnλ/4(nは整数）、例えば 1/4または 3/4の周期（0.15〜0.5μm)となっている。
【００３８】
この量子細線配列の周囲は、上下0.2μm程度のガイド層13と１μm程度の厚さの下部AlGaAsクラッド層12と上部クラッド層14で覆われている。上下のクラッド層14，12の一方はＮ型、他方はＰ型である。また、その量子細線11の断面形状は、これも既出願発明：特願2000−404645について述べたように、一般には三日月形となる。クラッド層12，14はGaAsにより構成することもできる。
【００３９】
作製手順につきもう少し具体的な例を上げれば、(100)基板上に(1-10)方向に有限長のＶ溝群を上記のように媒質内波長1/4の整数倍の周期で形成し、その上に、順に例えばAl組成比が0.4程度のＮ型AlGaAs下部クラッド層12、Al組成比が0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層13を形成し、さらにInの組成比が0.1程度のInGaAs量子細線11を形成した後に、Al組成比が0.2程度のノンドープAlGaAsガイド層13（形成後には量子細線11を覆う一体部材のようにもなることから、図中では上下のガイド層を共に符号13で示している）、Al組成比が0.4程度のＰ型AlGaAs上部クラッド層14を連続的に成長させる。
【００４０】
本発明によるこのような構造では、周期配列された量子細線11の両端が閉じて有限長となっているため、少数キャリアの横方向の拡散が抑制され、従来に比してより低閾値でのレーザ発振が可能となる。実際、本発明者らの実験により、その実証が得られている。
【００４１】
なお、既存の作製技術では、GaAs(100)基板に限らず、GaAs(311)A基板を用いてもその[01-1]方向にＶ溝を形成する実例があるので、GaAsまたはInGaAs量子細線11はこうした基板上にも形成できるし、InP(100)または(311)A基板を用いてその[01-1]方向に有限長のInGaAs量子細線11を形成することもでき、これらもまた本発明に適用可能である。特にInP基板を用いた場合には、当該基板は発振波長に対して透明となるため、Ｖ溝基板上の下部クラッド層を薄くすることができ、一次グレーティング等、周期の短いＶ溝アレイの当該周期構造を保持することが容易になる。
【００４２】
さて、以下では第１図(B) 以降の各図に即し、それぞれ本発明の他の実施形態に就き説明して行くが、当該第１図(B) 以降の各図において、第１図(A) 中にて用いたと同一の符号は同一ないし同様の構成要素を示すものとし、改めての説明は省略するものもある。
【００４３】
まず、先に少し述べたように、Ｖ溝グレーティング上に、それぞれが幾何的にも互いに完全に独立した量子細線11として形成されていなくても、例えば第１図(B) の本発明半導体レーザ10A のような構造も可能である。すなわち、第１図(A) における量子細線に相当する部分11の光出射方向両側が、隣接するＶ溝の間の山の部分（平らでも上方に湾曲していても）で互いに薄い活性層部分11aを介し隣の量子細線部分11に繋がっているような、連続した面状の量子井戸層と見られる活性層であっても、当該第１図(B) に示す通り、当該活性層15の厚みがＶ溝グレーティングの周期、すなわち、媒質内波長λの1/4の整数倍であnλ/4（nは整数）、例えば1/4または3/4の周期に対応して変調しているならば、第１図(A) に図示した半導体レーザ10と同様の機能、効果を呈することができ、この点もまた、本発明者において実験をもって確認している。図中では量子細線相当部分11で相対的に厚く、Ｖ溝間の山の部分11aで薄くなっている。こうした構造は、下側クラッド層12ないしは下側のガイド層13におけるＶ溝形状が鈍りがちな場合に特に有効な構造となる。もっとも、こうした連続活性層構造でも、レーザ発振に係る実効的なキャリア閉じ込め作用を支配的に及ぼす領域が専ら相対的に厚い活性層部分11であるならば、やはり量子細線の並設構造と見ることもできる。
【００４４】
さらに、光出射方向Isに直交する幅方向の寸法が、光出射方向Isに沿って、Ｖ溝グレーティングの周期に呼応して変調していても、やはり同様の機能を得ることができ、低閾値発振を得ることができる。
【００４５】
この幅方向の寸法を光出射方向Isに沿って変調する場合、何も活性層そのものを幾何的に変調させなくても良いことも分かった。これに就き、第２図(A),(B) に即して説明すると、第２図(A) に示されている本発明半導体レーザ10B は、実効的な発振部分である所定の幅w15の活性層15の所は凸凹しておらず、均一で平らな面状（シート状）の活性層15となっている。しかし、その両側は、この場合はメサ形状に類似する裾野の部分になっていて、そこには光出射方向Isに沿って媒質内波長λの1/4の整数ｎ倍である nλ/4、例えば 1/4または 3/4の周期のＶ溝並設構造、すなわちＶ溝グレーティングが施されている。活性層15とその両側の部分15aのみを抜き出して第２図(B)に示している通り、レーザ発振に寄与する実効的な活性層15の部分は平らであるが、当該幅w15の活性層15に連続する両側の裾野部分15aに、Ｖ溝に対応した溝15bが形成されるような格好になっているのである。このような活性層両側部における幾何的変調Ｖ溝構造を設けても、当該量子井戸層内の屈折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築することができ、同様に低閾値分布帰還型半導体レーザを得られることが分かった。
【００４６】
本発明では、量子ドットも利用できる。すなわち、第１図(A) に示した半導体レーザ10においても、三日月形断面として示した量子細線11は、作製条件等に応じ、場合により、あたかも当該量子細線が細かく分断されたかのような格好に、各Ｖ溝内に複数の量子ドットを形成させることもでき、その場合にももちろん、同様の効果を期待することができる。この場合の概念図は第３図に示されており、第１図(A) に図示した半導体レーザ10では幅方向に連続した物性領域としての量子細線11であったものが、第３図示の半導体レーザ10C ではあたかも当該幅方向に分断化された形になり、各Ｖ溝内にて量子ドット11’の集合体になっている。こうした構造でも、第１図(A) に示した本発明半導体レーザと同様の機能、効果を奏し得る。
【００４７】
第４図は、本発明に従う他の実施形態による量子ナノ構造半導体レーザ20を示しており、ここではやはり量子ドット21が用いられている。既に述べたようなＶ溝基板の上にInGaAsのIn組成や成長膜厚を増加させ、成長温度を低く設定すると、InGaAsあるいはInAs系多重量子ドット21をＶ溝上に選択的に形成することができる。Ｖ溝の並設間隔、つまり一列に並んだ量子ドット21群の光進行方向に沿う並設間隔は、先掲の量子細線を用いる場合と同様、レーザ活性層の媒質内波長の1/4 の整数倍 nλ/4とする。ただし、一つ一つの量子ドット21の形状自体は、図中に模式的に示すように、バラついて来ることも多い。そしてこのことは、後述のように、寧ろ有意に作用する場合もある。
【００４８】
もっとも、先に述べた量子細線11の場合もそうであるが、有限長のＶ溝は、必ずしも、基板に刻まれた溝形状を選択成長により保持するのみではなく、従来のプロセスのように、下部クラッド層を成長させ、ガイド層等を形成した後、成長炉から一旦取り出して有限長のＶ溝を形成してから、量子細線や量子ドットを形成し、引き続いて上部ガイド層、上部クラッド層の形成と複数回の成長を行った結果の形状のものも使うことはできる。厚い成長をなした後、形状を保持しようとすると、グレーティングの周期を長くする必要があるため、周期 0.2μm 以下のグレーティングの場合、形状保存成長をすることは難しくなるが、本発明により両端を止めた有限長量子細線によるキャリア散逸の阻止効果や、必要な所にのみ量子ドットを形成することにより、光の腹の部分のみに活性層を挿入する等の機能が有効に作用し、必ずしも、基板のＶ溝形状の優秀性にこだわらなくても済む場合もある。
【００４９】
しかるに、こうした量子ドット21においては、活性層の全周がエネルギの大きなクラッド層に囲まれる構造となるので、自動的に埋め込み構造が実現されているのと等価となる。従って、第４図中に太い矢印Cjで模式的に示したように、電流注入に基づく電子正孔対は量子ドット内に停留し、細い矢印Ct，Ctで模式的に示す幅方向に沿う等価的な横方向キャリア拡散長が短くなるため、注入されたキャリアの散逸が防止できる。この閉じ込め効果自体についての考察は、文献４:J.K. Kim, T.A.Strand, R.L.Naone,and L.A. Coldren,“Design Parameters for Lateral Carrier Confinement in Quantum Dot Lasers”, Appl. Phys. Letters. 74(19) (May 10, 1999) 2752-2754 に認めることができる。従ってこの効果を利用すると、量子ドット群を形成した構造体のストライプ部分をメサエッチングし、メサ構造22とするのみで、埋め込み構造を必要とすることなく、簡素な製造方法により、低閾値で発振周波数の安定化された分布帰還型量子ドットレーザを実現することができる。
【００５０】
材質についても、本発明による構造が実現できれば制限はないが、Ｖ溝上に臨界膜厚以上のInGaAsまたはInAsを成長させることで形成されるInGaAsまたはInAs量子ドットが現実的であり、Ｖ溝基板は GaAs(100)または(311)A基板か、InP(100)または(311)A基板が望ましい。本発明の他の実施形態においても、この点は同様である。
【００５１】
第５図は、本発明の半導体レーザの好ましい他の実施形態30を示しているが、これまでの報告では、いわゆるＳＫモードによる結晶成長手法を用ることにより、平面状に量子ドットを埋め込んだ量子ドットレーザが実現されている（例えば文献５：Z.Zou,D.L.Huffaker, S.Csutak, and D.G.Deppe,“Ground state lasing from a quantum-dot oxide-confined vertical-cavity surface-emitting laser”, Appl. Phys.Letters 75(1), July 5 1999, p.22)。
【００５２】
一方、埋め込み再成長プロセスを省き、表面から導波路の側面に凹凸の金属グレーティングあるいはフォーカスイオンビームによる選択イオンインプランテーションを施すことにより、ＤＦＢレーザを作製する研究も行われている（例えば文献６：H.Konig, S.Rennon, J.P.Reithmaier, and A.Forchel, “1.55μm single mode lasers with complex coupled distributed feedback gratings fabricated by focused ion beam implantation”，Appl. Phys. Letters 75(11), September 1999 p.1491）。
【００５３】
しかし、量子井戸を活性層に用いた場合、加工界面でのキャリア表面再結合を避けるため、導波路の側面を加工層を浅く設定する必要があり、そのため十分な波長安定化が得られないという問題が有る。
【００５４】
しかるに、本発明によると、例えば先に掲げた第３図に即し説明したように、本発明で定義する条件のＶ溝基板上に下部クラッド層を形成し、ガイド層内の活性層に媒質内波長の1/4の整数倍の所定周期配置の量子ドット群を含ませて、上部クラッド層を形成することにより、少数キャリアの拡散速度を抑制することが可能になる外、これとはまた別な構造として、第５図示の量子ナノ構造半導体レーザ30に示すように、Ｖ溝基板32上に下部クラッド層33を形成し、上下のガイド層34内の活性層に量子ドット群31を設けて上部クラッド層35を形成すると共に、量子ドット31を含む構造体の側面を光進行方向に沿い、幅方向には量子ドットを貫いて深く入るようにエッチングした側面凹凸構造を形成すると、量子ドットそのものの位置がランダムである場合にも、ＤＦＢ型の光共振器を構成することが可能になる。つまり、再成長プロセスを必要とせず、低閾値で、かつ十分な波長安定性を有するＤＦＢレーザを実現することが可能になるのである。
【００５５】
なお、第５図においては、レーザ用電極37の形成されている領域にほぼ相当する半導体レーザ30の部分と一連に、変調器用電極38の形成されている領域に相当する変調器部36が一体形成されていて、一つの光集積回路（OEIC）39を構成している。この変調器部36の構造自体は本発明が特に限定するものではなく、任意適当なる公知構造であって良い。
【００５６】
さて、先に触れた通り、今後、いわゆるFiber to homeの時代に入り、光ファイバネットワーク上の光信号を自由に制御する必要が高まって来るに連れ、例えば周波数の異なる半導体レーザアレイを製作し、それらの出射光を自由にスイッチング、交換する必要等が生起して来る。第６図は本発明に従って構成された、二次元フォトニクス結晶を用いた光集積回路49の模式図を示している。半導体基板42上に下部クラッド層43を形成し、その上に本発明に従い、上下のガイド層に挟まれた所定周期、すなわち媒質内波長の 1/4の整数倍の周期配置の多数の量子ドット群を望ましくは高さ方向に複数層積層し、上部クラッド層45a,表面層45b を形成し、レーザ領域部分40にはレーザ用電極47を形成する。
【００５７】
しかるに、この第６図に示す実施形態において特徴的なのは、積層量子ドット層を形成した構造体に対し、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、光進行方向およびそれと直交する横方向に直交する上下方向に貫通する空孔46を所定の周期で穿ったことである。周期は例えば、媒質内波長の 1/2とする。
【００５８】
このようにすると、光進行方向に沿って伸びる孔の列で左右が閉ざされたストライプ部分が導波路となり、従って、孔の間隔を設計することにより、波長選択性を持たせたり、特定の導波路に信号を導くことが可能になる。
【００５９】
すなわちレーザ、変調器、分岐、フィルタなどが二次元フォトニクス光導波路により同一基板上に接続されて光通信に必要なOEIC49を実現することができる。図示の場合には、変調用電極48の設けられた変調器が一体化されている。
【００６０】
この実施形態に認められるように、能動的な光モジュールが、孔と電極の配置のみで実現できるのは、実用的にも、価値が高い。また、量子ドットを用いた場合、表面再結合が大きく問題にならないので、追加工のみで二次元な光回路を形成することが可能となる。なお、空孔41は、文字通り、空気で満たされた空の穴であっても良いが、適当な屈折率媒体が充填されていても良い。光回路的に空孔として取り扱得れば良い。
【００６１】
第７図は、本発明を利用した他のモノリシックOEIC50を示している。適当なる基板上に公知既存の技術に従って構築して良いリッジ型光導波路51があり、適宜、それぞれが光導波路となる分岐線路が形成されている。各分岐線路には、第１図〜第３図に即して既に説明した本発明半導体レーザを構築しておく。一部は説明のために拡大し、模式的に示しているが、既に説明した量子細線11や既説の量子ドット11'、活性層15等を当該半導体レーザ領域10（または10A，10B，10C）に設ける。これにより、こうしたOEIC50は半導体レーザアレイとなるし、また、媒質内波長に対し、それぞれの配置に関する周期条件を変えたり、リッジ型導波路の構造やパラメータを変える等により、集積化された多波長光源として利用できる。実際には、必要な箇所に本発明に従う条件でＶ溝グレーティング構造により半導体レーザ部分を予め形成し、その後にリッジ型光導波路を形成して良い。本発明によると、こうした構造をＶ溝上への一回の選択成長で形成できる簡易性、利便性が得られる。
【００６２】
もちろん、第３図〜第６図に即して説明した、本発明半導体レーザにおいて用いられている活性層領域の構成を各導波路に設けることも不可能ではない。
【００６３】
本発明は、有限長量子細線ないし量子ドットの配列に関してこれ迄述べてきた量子ナノ構造半導体レーザにおけると同様の配置関係を勘案することで、半導体レーザにのみ留まらず、種々の「光機能素子」への応用が可能な量子ナノ構造アレイをも提供できる。つまり、光の通過する導波路領域に、当該導波路幅に有限長量子細線を収めるか量子ドットを複数個形成しながら、光進行方向には導波路媒質内波長の 1/4の整数倍周期でそれらを並設した構造とした有限長量子細線アレイないし量子ドットアレイとして本発明を定義しても、それは有用な応用の図れるものとなる。作製材料例、手法は、これまでに本発明量子ナノ構造半導体レーザに関して述べてきたと同様で良い。
【００６４】
本発明による量子ナノ構造アレイ、すなわち、本発明に従う周期構造を有する有限長量子細線ないし量子ドットの配置構成によると、これまで述べてきたように、半導体レーザにおいては状態密度が離散的になり、利得帯域幅が狭くなるために、特定の発振波長に対応した量子レベルに注入キャリアが効率的に集中し、これが低閾値化を産むことになるが、例えば光機能素子のひとつとして直接変調器の活性層に適用すると、状態密度が離散的になることは利得がローレンツ型のシャープな波長特性を持つようになることを意味し、そのピーク位置の変化が抑制されることになる。
【００６５】
屈折率の波長特性はその利得の微分になるので、その結果、発振している利得の中央付近では零になり、キャリア濃度に対して屈折率が変化しないようになる。一般に屈折率のキャリア濃度変化を、利得のキャリア濃度変化アルファパラメータと呼ぶが、このパラメータを、本発明に従って配置された有限長量子細線アレイや量子ドットアレイによる活性層ではかなり小さくできるため、高速変調が可能となる。
【００６６】
外部変調による場合でも、本発明に従う量子ナノ構造アレイを用いることで、吸収特性がより急峻になると、バイアスの変化による波長ごとの時間遅れがより少なくなるため、吸収特性の両側のスロープの違いを利用して、伝搬速度の遅い青色の成分を先に送出する等の操作が効率的に可能となってくる。
【００６７】
同様に、本発明の量子ナノ構造アレイを光増幅器の活性層に適用すれば、実際には先の実施形態において第４図に模式的に示した所から分かるように、量子ドットのサイズにバラつきが見込まれることから、利得の存在する範囲が広くなり（例えば100nm程度）、その結果、広帯域におよぶチャネルを一括して増幅することができるようにもなる。
【００６８】
モードロックレーザやマッハチェンダー型光スイッチでは過飽和吸収体を利用しているが、この応答速度は丁度光通信帯に必要な帯域にマッチしている。すなわち、光通信では、10GHzから100GHz程度の周波数帯域のパルス伝送を利用しており、パルス幅に換算すれば10psから100psとなる。従って、数psで元の状態に復元するような緩和現象が望ましくなるが、これが量子ドットの場合は、多数キャリアのドットレベルへの捕獲が量子井戸よりは遅くなるため、丁度、ピコ秒領域になる。これが速すぎると飽和するためのフォトンの数が無駄になるし、遅すぎると次のパルスが来るときまでに初期状態に戻らない訳であるが、これが丁度適当な時間領域に入ってくるのである。そこで、本発明の配置構成による有限長量子細線アレイまたは量子ドットアレイを適用すれば、この制御をより効果的になし得るようになる。
【００６９】
周波変調器としても、本発明により構築される量子ナノ構造アレイは有効に適用できる。三次の非線形効果を用い、ポンプ光と信号光を量子ドットに入射すると、角周波数ω（ポンプ光）ｘ２―ω（信号光）の角周波数ωc で波長変換が行われる。この効果は光とナノ構造中の量子状態とのコヒーレントな相互作用により生まれるもので、量子状態が外部から散乱されず、位相状態が保たれた方が強く起こる。位相緩和時間はガンマT2と呼ばれ、量子状態が孤立した量子ドットの方が長くなり、すなわち、非線形効果が強く出る。本発明では当該有限長量子細線や量子ドットを周期的に並べた量子ナノ構造アレイを提供するため、いわゆる光の腹の部分に細線やドットを一致させることができ、少ない活性層体積で上記した効果が強く出る傾向とし得、また、光の群速度が遅くなるので（材料の中で往復すると言っても良い）、光の利得や吸収を効率的に生じさせることができる。
【００７０】
つまり、こうした各種の光機能素子を構築する上でも、本発明の量子ナノ構造アレイは有効な装置となり得るのである。
【００７１】
ところで、これまでは、以上述べた全ての実施形態において、本発明に従う量子ナノ構造半導体レーザであっても量子ナノ構造アレイであっても、並設される有限長量子細線の並設周期ないしは量子ドットがその中に、あるいは活性層がその上に形成されるＶ溝の並設周期は、媒質内波長1/4の整数倍としてきた。しかし、これをあえて意図的にレーザ活性層ないし導波路層の媒質内波長 1/4 の整数倍の周期から変位させることで、導波路モードを安定化させたり、半導体レーザとした場合にはその活性領域内での発振モード間の分散補償を図ることで、また外付けミラー等、導波路とした場合には通過光に関する分散補償を図ることで、モードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にすることもできる。
【００７２】
後者の分散補償に関しては、既に特開2000−352614にてその最適化に関し、望ましい手法を開示しているので、本発明構成によって分散補償を図るときには、上記した変位の程度の決定に就き、この既出願発明を参考にすることができる。例えば、全くの一例ではあるが、媒質内波長1/4 からの量子細線ないしＶ溝周期の変位の程度に応じて波長分散（波長の相違による光伝播速度の相違）を波長ごとに変化させることができるため、沢山の縦モードが全て同じ速度で伝播するようにして、多数の波長が同じ位相で同期する（モードロック）状態を生成させ、極めて短い(2〜30fs）パルス幅の光パルス（極短パルス）を効率良く発生させたりすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明によると、望ましくは一回の選択成長により、低閾値で発振周波数安定化特性の優れた半導体レーザを得ることができる。また、有限長の高密度多重量子細線や量子ドットをデバイス構造の所望の位置に形成し得るので、簡単な製作プロセスにより、高度な量子ナノ構造半導体レーザや、種々の光機能素子への有意な応用が期待できる量子ナノ構造アレイを実現することができる。
さらに、今後は通信波長帯が拡大する方向にあり、1.0〜 1.6μm の波長帯域が重要となりつつあるが、本発明の量子ナノ構造アレイ（有限長量子細線アレイや量子ドットアレイ）を利用することで波長範囲が拡大する。再成長が必要無いため、クラッド層としてバンドギャップの大きなAl組成を含んだ混晶を使用すること等もできるので、動作温度に影響されにくい（Toの高い）レーザを作製することが可能となり、一般家庭や自動車等、温度条件を厳密に制御することが困難な民生用途に適した波長安定化レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【第１図】(A) は、本発明の好ましい第一の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である (B) は、第１図(A) に開示の本発明半導体レーザの改良例の概略構成図である。
【第２図】(A) は、第１図(A) に開示の本発明半導体レーザの他の改良例の概略構成図である。 (B) は第２図(A) に開示の半導体レーザにおける活性層部分を一部取り出して模式的に説明する説明図である。
【第３図】第１図(A) に開示の本発明半導体レーザのさらに他の改良例の概略構成図である。
【第４図】(A) は、本発明の好ましい別な実施形態としての半導体レーザの横断面における概略構成図である。 (B) は、第４図(A) 中の4B−4B線に沿う断面の模式図である。
【第５図】本発明の好ましい他の実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
【第６図】本発明のさらに他の好ましい実施形態としての半導体レーザの概略構成図である。
【第７図】量子ナノ構造半導体レーザアレイないし多波長光源を構成する本発明の望ましい実施形態の概略構成図である。
Claims (23)
- 発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
該複数の量子細線は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれレーザのストライプ巾に対応する有限長の活性層領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記複数の量子細線を互いにレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第１項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記Ｖ溝は、ＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのクラッド領域が設けられていること；
を特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記Ｖ溝は、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記量子細線は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたＩｎＧａＡｓから作製された有限長のものであり；
該量子細線を覆うように、ＩｎＡｌＡｓのクラッド領域が設けられていること；を特徴とする請求の範囲第１項または第２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該複数のＶ溝の上記並設間隔は互いにはレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期となっており；
該Ｖ溝の上方にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長によって形成される活性層は、該Ｖ溝の上記周期に従い、その厚みまたは幅が変調されていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第５項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記Ｖ溝は、ＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓから作製され；
該活性層を覆うようにＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記Ｖ溝は、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板上の［０１−１］方向に形成された有限長のＶ溝であり；
上記活性層は、上記有限長のＶ溝上に成長させられたＩｎＧａＡｓから作製され；
該活性層を覆うように、ＩｎＡｌＡｓのクラッド領域が設けられていること；
と特徴とする請求の範囲第５項または第６項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 半導体基板上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長によって形成される実効的なレーザ発振部分である所定の幅のレーザ活性層は平らなシート状である一方；
発振させるレーザ光の光進行方向に対し直交する幅方向においてこのレーザ活性層に連続する両側部分には、該発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設されたＶ溝が設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記複数のＶ溝を互いにレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第９項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 該半導体レーザを、利得結合型または屈折率結合型の分布帰還レーザとして用いること；
を特徴とする請求の範囲第１項から第１０項までのどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 発振させるレーザ光の光進行方向に対しそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿ってレーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットをレーザ活性領域とし；
それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記複数のＶ溝の並設周期を上記レーザ活性層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードを安定化させるか、または、発振モード間の分散補償を図ることでモードロック状態における広帯域波長発振ないし短パルス発振を可能にしたこと；
を特徴とする請求の範囲第１２項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記溝付きＩＩＩ−Ｖ化合物基板は、ＧａＡｓ（１００）または（３１１）Ａ基板か、ＩｎＰ（１００）または（３１１）Ａ基板であること；
を特徴とする請求の範囲第１２項または第１３項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記量子ドットを作製した構造体の側面をメサエッチングし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第１２項または第１３項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記量子ドットを作製した構造体の上記光進行方向に沿う側面を凹凸のある側面とし、分布帰還型としたこと；
を特徴とする請求の範囲第１２項または第１３項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記量子ドットを作製した構造体に、レーザ光の通過するストライプ部分を残すようにその側方に沿い、上記光進行方向及びそれと直交する横方向の双方に直交する上下方向に沿って該構造体を貫通する空孔を複数個、所定の周期で穿ったこと；
を特徴とする請求の範囲第１２項または第１３項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 上記周期は媒質内波長の１／２であること；
を特徴とする請求の範囲第１７項記載の量子ナノ構造半導体レーザ。 - 請求の範囲第１項から第１８項のどれか一つに記載の量子ナノ構造半導体レーザを同一基板上に複数並設構成し、それらをリッジ型導波路により接続してアレイ構造にしたこと；
を特徴とする量子細線ナノ構造半導体レーザ。 - 通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付き半導体基板には該Ｖ溝のそれぞれの上にＩＩＩ−Ｖ化合物選択成長により複数の量子細線が形成され；
複数の量子細線は互いには光の通過する導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設され、個々にはそれぞれ光導波路巾に対応する有限長の導波路領域として設けられていること；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。 - 上記複数の量子細線を互いに導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で該光進行方向に沿って並設するのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第２０項記載の量子ナノ構造アレイ。 - 通過する光の光進行方向に対してそれぞれは直交する方向に伸び、互いには該光進行方向に沿って該導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期で平行に並設された複数のＶ溝を有する溝付き半導体基板を有し；
該溝付きの半導体基板には、該Ｖ溝上に臨界膜厚以上のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを成長させることで該Ｖ溝の谷部分にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓ量子ドットがそれぞれの谷部分においても複数個形成され；
該複数の量子ドットを導波路領域、それを覆うＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層をクラッド領域としたこと；
を特徴とする量子ナノ構造アレイ。 - 上記複数のＶ溝の並設周期を上記導波路層の媒質内波長の１／４の整数倍の周期とするのに代え、該並設周期を意図的に上記１／４の整数倍の周期から変位させることにより、導波路モードの安定化を施すか、通過光に関する分散補償を施すこと；
を特徴とする請求の範囲第２２項記載の量子ナノ構造アレイ。
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