WO2020230318A1 - 半導体レーザ - Google Patents

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WO2020230318A1
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bragg reflector
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distributed bragg
semiconductor layer
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絵理奈 菅野
浩司 武田
硴塚　孝明
松尾　慎治
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser used as a light source for an optical transmitter or the like.
  • WDM Wavelength Division Multiplexing
  • DFB distributed Feedback
  • the phase shift DFB laser has a structure in which the diffraction grating inverts the phase in the middle (phase shift), and can oscillate at the Bragg wavelength of the diffraction grating.
  • the Bragg wavelength is determined by the period of the diffraction grating.
  • the period can be controlled with high accuracy.
  • the phase shift DFB laser described above since the oscillating light is emitted from both ends of the element, the light emitted from one end may not be used, and in this case, half of the light is lost.
  • DBR distributed Bragg reflector region
  • DR Distributed Reflector
  • a DR laser has also been proposed in which DBRs are provided at both ends of the phase-shifted DFB laser, the reflectance of the other DBR is lowered with respect to one DBR, and light is emitted from the other DBR (non-DBR). See Patent Document 3).
  • the configuration in which the DBR is provided on both sides can lower the oscillation threshold gain, which is advantageous for the oscillation of the short resonator laser having a large loss.
  • K. Utaka et al. " ⁇ / 4-Shifted InGaAsP / InP DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042-1051, 1986.
  • K. Ohira et al. "GaInAsP / InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections", IEICE Electronics Express, Vol. 2, No. 11, pp. 356-361, 2005.
  • a double-sided DR laser capable of lowering the oscillation threshold gain than a DFB laser or a one-sided DR laser with the same coupling coefficient is advantageous for oscillation of a laser having a short active layer length.
  • the double-sided DR laser is more strongly affected by the oscillation characteristics due to the fabrication error such as the displacement of the active layer in the gain region than the DFB laser and the single-sided DR laser.
  • the difference in the equivalent refractive index is more strongly affected by the production error, which affects the single mode production. ..
  • Patent Document 1 a structure in which the position of the phase shift is devised has been proposed (see Patent Document 1).
  • the above-mentioned technique has a problem that the increase in the threshold gain due to the diffraction grating loss becomes large.
  • the larger the coupling coefficient of the diffraction grating the larger the loss. Therefore, in a laser having a short active layer length, it is important to suppress an increase in the threshold gain due to the loss of the diffraction grating.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and is a phase-shift distributed feedback laser having distributed Bragg reflector regions on both sides, which is manufactured without increasing the threshold gain.
  • the purpose is to suppress the influence of error and enable stable single-mode oscillation.
  • the semiconductor laser according to the present invention has a distributed feedback activity having an active layer formed on a substrate and a first diffraction lattice formed along the active layer and having a phase shift portion for shifting the phase of the diffraction lattice.
  • the first distributed Bragg reflector region is provided with a region and a first distributed Bragg reflector region and a second distributed Bragg reflector region which are continuously arranged in the distributed Bragg reflector region with the distributed feedback active region in between. It has a first core layer that is continuously formed in the active layer along the wave direction and has a refractive index different from that of the active layer, and a second diffraction lattice that is formed along the first core layer.
  • the two-distributed Bragg reflector region is formed continuously on the active layer along the waveguide direction on the opposite side of the active layer from the first core layer, and has a refractive index different from that of the active layer. It has a layer and a third diffraction lattice formed along the second core layer, and has a length L1 in the waveguide direction of the first distributed Bragg reflector region and a length L2 in the waveguide direction of the distributed feedback active region.
  • the relationship between the length L3 of the second distributed Bragg reflector region in the waveguide direction and the position x ps of the phase shift portion in the waveguide direction with the end on the side of the first distributed Bragg reflector region as the origin is x.
  • ps L 1 + L 2 ⁇ ⁇ , L 2 (1- ⁇ ) + L 3 > x ps , 0.5 ⁇ ⁇ 1.
  • the distributed feedback active region includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer, an n-type electrode connected to the n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer. It is provided with a p-type electrode connected to.
  • the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed on the substrate in contact with the side surface of the active layer in the direction perpendicular to the waveguide direction.
  • the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed so as to sandwich the active layer above and below.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view showing a more detailed configuration of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a configuration diagram showing a state during manufacturing of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a configuration diagram showing a state during manufacturing of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a configuration diagram showing a state during manufacturing of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a configuration diagram showing a state during manufacturing of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a configuration diagram showing a state during manufacturing of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a configuration diagram showing a state during manufacturing of
  • FIG. 3D is a configuration diagram showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3E is a configuration diagram showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3F is a configuration diagram showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing a state of misalignment of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing a state of misalignment of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows the amount of deviation from the design value of the position of the active layer in the waveguide direction and the threshold mode gain when the length of the active layer in the waveguide direction is formed to be 500 nm shorter than the design value in total. It is a characteristic diagram which shows the relationship with the difference of.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the diffraction grating loss and the threshold mode gain.
  • FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the slope of the graph of FIG. 7 and ⁇ that defines the position x ps of the phase shift portion.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing another configuration of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • This semiconductor laser includes a distributed feedback active region 131, a first distributed Bragg reflector region 132a and a second distributed Bragg reflector region 132b that are continuously arranged in the distributed feedback active region 131.
  • This semiconductor laser is a so-called DR laser.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b are continuously arranged in the distributed feedback active region 131 with the distributed feedback active region 131 interposed therebetween in the waveguide direction.
  • the distribution feedback active region 131 includes an active layer 103 on which the first diffraction grating 121 is formed. Further, the active layer 103 extends in the light emitting direction with a predetermined length, and the first diffraction grating 121 is formed on the active layer 103 in the distributed feedback active region 131 in the extending direction.
  • the first diffraction grating 121 is formed along the active layer 103, and includes a phase shift ( ⁇ / 4 shift) portion 121a that shifts the phase of the diffraction grating.
  • the phase shift unit 121a is set so that the Bragg wavelength of the first diffraction grating 121 becomes uniform.
  • the first diffraction grating 121 is formed on the active layer 103.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a includes a first core layer 113a on which a second diffraction grating 122a is formed.
  • the first core layer 113a is continuously formed on the active layer 103 along the waveguide direction.
  • the second diffraction grating 122a is formed along the first core layer 113a.
  • the second distributed Bragg reflector region 132b includes a second core layer 113b on which the third diffraction grating 122b is formed.
  • the second core layer 113b is formed continuously on the active layer 103 along the waveguide direction on the opposite side of the active layer 103 from the first core layer 113a.
  • the third diffraction grating 122b is formed along the second core layer 113b.
  • the first core layer 113a and the second core layer 113b have a refractive index different from that of the active layer 103.
  • the second diffraction grating 122a is formed on the first core layer 113a (upper surface)
  • the third diffraction grating 122b is formed on the second core layer 113b (upper surface).
  • a non-reflective film (not shown) is formed on the output end surface on the side of the first distributed Bragg reflector region 132a.
  • the position x ps is the position in the waveguide direction of the phase shift portion 121a with the end on the side of the first distributed Bragg reflector region 132a as the origin.
  • the position of the phase shift portion 121a is close to the center of the distributed feedback active region 131 within a range in which the influence of the fabrication error can be sufficiently suppressed, and it is optimal depending on the resonator length and the coupling coefficient of the diffraction grating.
  • the phase shift portion 121a is closer to the second distributed Bragg reflector region 132b than the center of the distribution feedback active region 131, the electric field is localized in the phase shift portion 121a, and as a result, the second Light is emitted from the side of the distributed Bragg reflector region 132b.
  • the waveguide direction of the second distributed Bragg reflector region 132b is such that L 2 (1-x) + L 3 > x PS. The length of the light is set sufficiently large, and light is extracted only from the first distributed Bragg reflector region 132a.
  • FIG. 2A shows a cross section of the distributed feedback active region 131 perpendicular to the waveguide direction.
  • FIG. 2B shows a cross section of the first distributed Bragg reflector region 132a perpendicular to the waveguide direction.
  • the distributed feedback active region 131, the first distributed Bragg reflector region 132a, and the second distributed Bragg reflector region 132b are formed on the same substrate 101.
  • the distribution feedback active region 131 includes an n-type semiconductor layer 105 and a p-type semiconductor layer 106 formed in contact with the active layer 103.
  • the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are arranged in the plane direction of the substrate 101, and these are in contact with the side surface of the active layer 103 in the direction perpendicular to the waveguide direction on the substrate 101. It is formed. Further, an n-type electrode 107 electrically connected to the n-type semiconductor layer 105 and a p-type electrode 108 electrically connected to the p-type semiconductor layer 106 are provided. In this example, the current is injected in the plane direction (lateral direction) of the substrate 101. It is also possible to form the n-type electrode 107 on the n-type semiconductor layer 105 via an n-type contact layer in which n-type impurities are introduced at a higher concentration. Similarly, the p-type electrode 108 can be formed on the p-type semiconductor layer 106 via a p-type contact layer in which p-type impurities are introduced at a higher concentration.
  • a lower clad layer 102 is formed on the substrate 101, and an active layer 103 is formed on the lower clad layer 102.
  • the first core layer 113a is also formed on the lower clad layer 102.
  • the active layer 103 is sandwiched between the semiconductor layer 104a and the semiconductor layer 104b in the vertical direction when viewed from the substrate 101.
  • the laminated structure of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b is sandwiched between the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106.
  • the p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 105 are formed by sandwiching the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 101.
  • the first diffraction grating 121 is formed on the upper surface of the semiconductor layer 104b.
  • the active layer 103 is formed in contact with the semiconductor layer 104a, and the semiconductor layer 104b is formed in contact with the active layer 103. Further, the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are formed in contact with the side portions of the laminated structure of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b. The n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are not formed in the first distributed Bragg reflector region 132a.
  • a current is injected into the active layer 103 in a direction parallel to the plane of the substrate 101.
  • the n-type electrode 107 and the p-type electrode 108 are not formed in the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b.
  • the substrate 101 is made of, for example, silicon.
  • the lower clad layer 102 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) and has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the active layer 103 has, for example, a quantum well structure having a thickness of 150 nm in which well layers made of InGaAsP and barrier layers are alternately laminated.
  • the width of the active layer 103 is about 0.7 ⁇ m.
  • the total thickness of the semiconductor layer 104a, the active layer 103, and the semiconductor layer 104b is 250 nm.
  • the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 also have a thickness of 250 nm, respectively.
  • the emission wavelength of the active layer 103 having a quantum well structure is 1.55 ⁇ m.
  • the Bragg wavelength of the first diffraction grating 121 is 1.55 ⁇ m.
  • the semiconductor layer 104a and the semiconductor layer 104b are composed of undoped InP (i-InP).
  • one n-type semiconductor layer 105 containing the active layer 103 is composed of an n-type InP (n-InP) doped with Si by about 1 ⁇ 10 18 cm -3 , and the other p-type semiconductor layer.
  • Reference numeral 106 is composed of a p-type InP (p-InP) in which Zn is doped by about 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • first core layer 113a and the second core layer 113b are composed of undoped InP (i-InP), have a width of about 1.5 ⁇ m, and have a thickness of 250 nm.
  • n-type contact layer and the p-type contact layer can be made of, for example, InGaAs.
  • a lower clad layer 102 made of silicon oxide having a low refractive index is formed in the lower part of the layer of InP having a high refractive index, and air having a low refractive index is formed in the upper part.
  • strong light confinement in the active layer 103, the first core layer 113a, and the second core layer 113b is realized, which is advantageous for low power operation of the laser.
  • the diffraction grating is formed by the high refractive index difference between the InP layer and the air layer, a high coupling coefficient exceeding 1000 cm -1 can be realized.
  • the optical waveguides of the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b do not need to be regrown and can be easily manufactured.
  • the difference in effective refractive index between the distributed feedback active region 131 and the distributed Bragg reflector region is different, but as will be described later, stable single-mode oscillation can be realized even in consideration of manufacturing errors.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b can also be composed of an embedded waveguide.
  • the core is composed of InGaAsP having a composition of a non-gain medium
  • the clad covering the core is composed of InP.
  • FIGS. 3A to 3F are configuration diagrams showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment, and schematically show a cross section of the distributed feedback active region 131.
  • a substrate (silicon substrate) 101 having a lower clad layer 102 made of silicon oxide is prepared.
  • the lower clad layer 102 is formed by thermally oxidizing the main surface of the substrate 101.
  • a sacrificial layer made of InGaAs on the InP substrate, a sacrificial layer made of InGaAs, a compound semiconductor layer 204b made of undoped InP, a compound semiconductor layer 203 serving as an active layer 103, a compound semiconductor layer 204a made of undoped InP, and a first core layer 113a .
  • the compound semiconductor layer to be the second core layer 113b is epitaxially grown.
  • each layer may be grown by the well-known metalorganic vapor phase growth method.
  • the uppermost surface of the epitaxially grown substrate and the surface of the lower clad layer 102 of the substrate 101 described above are directly bonded by a known wafer bonding technique, and then the InP substrate and the sacrificial layer are removed.
  • the lower clad layer 102, the compound semiconductor layer 204a, the compound semiconductor layer 203, and the compound semiconductor layer 204b are formed on the substrate 101. Become.
  • the grown compound semiconductor layer 204a, compound semiconductor layer 203, compound semiconductor layer 204b, and the like are patterned by wet etching and dry etching using a resist pattern produced by a known photolithography technique as a mask, and FIG. 3B
  • a striped structure of the distributed feedback active region 131 composed of the active layer 103 is formed.
  • the semiconductor layer 204a for regrowth is formed over the entire area of the lower clad layer 102.
  • the compound semiconductor layer 204b remains on the active layer 103.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b are in a state without the active layer 103. After forming each pattern, the resist pattern is removed.
  • the compound semiconductor layer 205 made of undoped InP is re-grown from the semiconductor layer 204a around the active layer 103.
  • the compound semiconductor layer 204b on the active layer 103 becomes integrated with the compound semiconductor layer 205.
  • the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b are in a state in which the compound semiconductor layer 205 is formed on the compound semiconductor layer 204a, as shown in FIG. 3E.
  • the distribution feedback active region 131 for example, by selectively introducing n-type impurities and p-type impurities into the regions on both sides of the active layer 103 by an ion injection method, in the distribution feedback active region 131, as shown in FIG. 3F, The n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 are formed, and the semiconductor layer 104a and the semiconductor layer 104b are formed. At this stage, the compound semiconductor layer 205 remains in the waveguide direction region including the distributed feedback active region 131 (not shown).
  • the first diffraction grating 121 is formed on the surface of the semiconductor layer 104b.
  • the first diffraction grating 121 may be formed by using a resist pattern formed by lithography by electron beam exposure as a mask and patterning by predetermined etching.
  • the second diffraction grating 122a, a third diffraction grating 122b is formed.
  • the first core layer 113a and the second core layer 113b are not formed.
  • the compound semiconductor layer 205 in the waveguide direction region including the distribution feedback active region 131 is patterned in the same manner as described above, so that the first core is formed in the portion where the second diffraction grating 122a and the third diffraction grating 122b are formed.
  • the layer 113a and the second core layer 113b are formed.
  • the compound semiconductor layer 205 used for forming the n-type semiconductor layer 105 and the p-type semiconductor layer 106 for current injection has a first distributed Bragg reflector region 132a and a second distributed Bragg reflector region. Since the first core layer 113a and the second core layer 113b of 132b are formed, the process can be simplified.
  • the n-type electrode 107 is formed on the n-type semiconductor layer 105
  • the p-type electrode 108 is formed on the p-type semiconductor layer 106.
  • FIGS. 4 and 5 for convenience of explanation, the lengths of the first distributed Bragg reflector region 132a and the second distributed Bragg reflector region 132b in the waveguide direction are shown to the same extent.
  • an active layer 103a having a length in the waveguide direction shorter than that of the distributed feedback active region 131 may be formed.
  • a part of the first core layer 113a and the second core layer 113b enters the region of the first diffraction grating 121 (distribution feedback active region 131).
  • light is not reflected by the second diffraction grating 122a and the third diffraction grating 122b in the portion of the first core layer 113a and the second core layer 113b, which are non-gain media, that have entered the distributed feedback active region 131. ..
  • the manufacturing error as described above occurs, a phase change occurs and the oscillation mode becomes unstable.
  • the active layer 103b may be formed at a position deviated in the waveguide direction.
  • the position of the first diffraction grating 121 with respect to the active layer 103b shifts, and the position of the phase shift portion changes.
  • the electric field distribution in the resonator changes, so that the oscillation mode becomes unstable depending on the state of misalignment.
  • FIG. 6 shows the relationship between the amount of deviation of the position of the active layer in the waveguide direction from the design value and the difference in the threshold mode gain when the active layer is formed 500 nm shorter than the design value.
  • the length of the distributed feedback active region in the waveguide direction is 20 ⁇ m
  • the length of the first distributed Bragg reflector region in the waveguide direction is 10 ⁇ m
  • the length of the second distributed Bragg reflector region in the waveguide direction is 50 ⁇ m.
  • the state in which the active layer protrudes to the side of the second distributed Bragg reflector region is a plus.
  • the equivalent refractive index of the first distributed Bragg reflector region and the second distributed Bragg reflector region is 2.5, and the equivalent refractive index of the distributed feedback active region is 2.7.
  • the coupling coefficient of the diffraction grating in the first distributed Bragg reflector region and the second distributed Bragg reflector region is 1100 cm -1 .
  • the coupling coefficient of the diffraction grating in the distributed feedback active region is 1000 cm -1 .
  • the Bragg wavelengths are both calculated as 1550 nm.
  • the phase shift amount of the phase shift portion was set to ⁇ / 4.
  • FIG. 7 shows the relationship between the diffraction grating loss and the threshold mode gain (g m ). It is assumed that the loss of the grating is evenly distributed over the distributed feedback active region, the first distributed Bragg reflector region, and the second distributed Bragg reflector region. Further, FIG. 8 shows the relationship between the slope of the graph of FIG. 7 and ⁇ that defines the position x ps of the phase shift portion. As shown in FIG. 8, it can be seen that the larger ⁇ is, the higher the threshold gain is due to the loss of the diffraction grating.
  • the present invention is not limited to this, and the configuration may be such that the current is injected in the direction perpendicular to the plane of the substrate. ..
  • the width of the active layer 302 can be formed wider than that of the core layer 312a, and the p-type semiconductor layer 303 can be formed to have the same width as the core layer 312a.
  • the active layer 302 is not formed with a diffraction grating, but the first diffraction grating 321 is formed on the side surface of the p-type semiconductor layer 303 in the waveguide direction. Further, also in this case, although not shown, a phase shift portion is provided on the first diffraction grating 321. Further, an n-type electrode 304 is formed on the back surface of the substrate 301 made of an n-type semiconductor, and a p-type electrode 305 is formed on the p-type semiconductor layer 303. In this case, the p-type semiconductor layer 303 and the substrate (n-type semiconductor layer) 301 are formed so as to sandwich the active layer 302 above and below.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.
  • the waveguide structure can be applied to a ridge type and a high mesa type waveguide structure.
  • the substrate is composed of InP, but the present invention is not limited to this, and a semiconductor such as GaAs or GaN can also be used.
  • the active layer is not limited to InGaAsP, and can be composed of semiconductors such as InGaAlAs, AlGaAs, and InGaN.

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Abstract

第１分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ａ）の導波方向の長さＬ１、分布帰還活性領域（１３１）の導波方向の長さＬ２、第２分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ｂ）の導波方向の長さＬ３、および位相シフト部（１２１ａ）の位置ｘpsの関係が、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×αおよびＬ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps、ただし０．５＜α＜１とされている。なお、位置ｘpsは、第１分布ブラッグ反射鏡領域（１３２ａ）の側の端部を原点とした位相シフト部（１２１ａ）の導波方向における位置である。

Description

半導体レーザ
　本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。
　波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）による大容量な情報伝送を行うために、様々な波長多重光源が開発されている。ＷＤＭにおいては、光源となるレーザの単一モード発振、発振波長制御が重要となる。例えば、単一モード発振を実現する技術としては、位相シフト分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザがある（非特許文献１参照）。
　位相シフトＤＦＢレーザは、回折格子が位相を途中で反転させる（位相シフト）構造となっており、回折格子のブラッグ波長で発振させることができる。ブラッグ波長は、回折格子の周期で決定される。回折格子は、電子線リソグラフィー技術を用いて作製することにより、周期が精度よく制御できる。しかしながら、上述した位相シフトＤＦＢレーザでは、発振光が素子の両端から出射するため、一方の端部から出射する光は使われない場合があり、この場合、光を半分損失することになる。
　上述した問題を解消するために、位相シフトＤＦＢレーザの一方の端部に、高反射率の分布ブラッグ反射鏡領域（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）を接続し、他方の端部から光を出射する構成とした分布反射型（ Distributed Reflector；ＤＲ）レーザが提案されている（非特許文献２参照）。
　また、位相シフトＤＦＢレーザの両方の端部に各々ＤＢＲを設け、一方のＤＢＲに対して他方のＤＢＲの反射率を低くし、他方のＤＢＲから光を出射させるＤＲレーザも提案されている（非特許文献３参照）。片側のみにＤＢＲを設けた構成に比較し、両側にＤＢＲを設ける構成では、発振しきい値利得を下げることができ、損失が大きい短共振器レーザの発振に有利となる。
特開２０１９－１２７６９号公報
K. Utaka et al., "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042-1051, 1986. K. Ohira et al., "GaInAsP/InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections", IEICE Electronics Express, Vol. 2, No. 11, pp. 356-361, 2005. K. Otsubo et al., "Low-Driving-Current High-Speed Direct Modulation up to 40 Gb/s Using 1.3-um Semi-Insulating Buried-Heterostructure AlGaInAs-MQW Distributed Reflector (DR) Lasers", Proc. /OFC/NFOEC, Paper OThT6, 2009.
　ところで、上述した半導体レーザの技術を用いた波長多重光源によるＷＤＭを、メトロネットワークだけではなく、チップ間のような短距離通信の光インターコネクトへ導入する試みが検討されている。このチップ間光インターコネクトに適用する場合、よく知られているように、低消費電力であることが重要となる。しかしながら、このようなチップ間光インターコネクトに適するような光源が現在報告されていない。前述した導波路型のレーザにおいて、低消費電力のためには、活性領域（活性層）の導波方向の長さを短くすることが有効であり、この構成が期待されている。
　活性層長が短いレーザが発振条件を満たすためには、回折格子における反射率を大きくすることが重要となる。反射率を大きくするためには、回折格子の結合係数を大きくすることになるが、発振波長制御のために回折格子に位相シフトを入れた場合、空間的ホールバーニングによって、発振モードの不安定、変調特性の劣化が起こる。このため、同じ結合係数において、ＤＦＢレーザや片側ＤＲレーザよりも発振しきい値利得を低くすることができる両側ＤＲレーザが、活性層長が短いレーザの発振に有利である。
　しかしながら、両側ＤＲレーザは、ＤＦＢレーザや片側ＤＲレーザよりも、利得領域となる活性層の位置ずれなどの作製誤差よる発振特性への影響を強く受ける。特に、製造をより簡単にするために、活性層と光導波路の部分とを異なる材料から構成する場合、等価屈折率の差によって作製誤差の影響をより強く受け、単一モード製に影響を与える。この問題に対応するために、位相シフトの位置を工夫した構造が提案されている（特許文献１参照）。
　しかしながら、上述した技術では、回折格子損失によるしきい値利得の上昇が大きくなるという問題がある。活性層長が短いレーザが発振条件を満たすためには、回折格子の結合係数を大きくする必要があるが、一般に回折格子の結合係数が大きいほど損失が増える。このため、活性層長が短いレーザにおいて、回折格子の損失によるしきい値利得の上昇を抑えることは重要である。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、両側に分布ブラッグ反射鏡領域を設けた位相シフト分布帰還型レーザで、しきい値利得を上昇させることなく、作製誤差の影響を抑制して安定して単一モード発振ができるようにすることを目的とする。
　本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層に沿って形成されて、回折格子の位相をシフトする位相シフト部を備える第１回折格子とを有する分布帰還活性領域と、分布帰還活性領域を挟んで分布帰還活性領域に連続して配置された第１分布ブラッグ反射鏡領域および第２分布ブラッグ反射鏡領域とを備え、第１分布ブラッグ反射鏡領域は、導波方向に沿って活性層に連続して形成されて、活性層とは異なる屈折率を有する第１コア層と、第１コア層に沿って形成された第２回折格子とを有し、第２分布ブラッグ反射鏡領域は、第１コア層とは活性層を挟んで反対側に導波方向に沿って活性層に連続して形成されて、活性層とは異なる屈折率を有する第２コア層と、第２コア層に沿って形成された第３回折格子とを有し、第１分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さＬ１、分布帰還活性領域の導波方向の長さＬ２、第２分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さＬ３、および第１分布ブラッグ反射鏡領域の側の端部を原点とした位相シフト部の導波方向における位置ｘpsの関係は、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×α、Ｌ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps、０．５＜α＜１とされている。
　上記半導体レーザの一構成例において、分布帰還活性領域は、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える。
　上記の半導体レーザの一構成例において、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、基板の上で活性層の導波方向に垂直な方向の側面に接して形成されている。
　上記半導体レーザの一構成例において、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、活性層の上下を挟んで形成されている。
　以上説明したように、本発明によれば、第１分布ブラッグ反射鏡領域の長さＬ１、分布帰還活性領域の長さＬ２、第２分布ブラッグ反射鏡領域の長さＬ３、および位相シフト部の位置ｘpsの関係を、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×αおよびＬ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps［０．５＜α＜１］としたので、両側に分布ブラッグ反射鏡領域を設けた位相シフト分布帰還型レーザで、しきい値利得を上昇させることなく、作製誤差の影響を抑制して安定して単一モード発振ができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す構成図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザのより詳細な構成を示す斜視図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図３Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図３Ｆは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの位置ずれの状態を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの位置ずれの状態を示す構成図である。 図６は、活性層の導波方向の長さが設計値に対して合計５００ｎｍ短く形成された場合において、活性層の導波方向の位置の設計値からのずれ量と、しきい値モード利得の差との関係を示す特性図である。 図７は、回折格子損失としきい値モード利得の関係を示す特性図である。 図８は、図７のグラフの傾きと、位相シフト部の位置ｘpsを規定するαとの関係を示す特性図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの他の構成を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図１を参照して説明する。この半導体レーザは、分布帰還活性領域１３１と、分布帰還活性領域１３１に連続して配置された第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂとを備える。この半導体レーザは、いわゆるＤＲレーザである。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａおよび第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、導波方向に分布帰還活性領域１３１を挟んで分布帰還活性領域１３１に連続して配置されている。
　分布帰還活性領域１３１は、第１回折格子１２１が形成された活性層１０３を備える。また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３の上に第１回折格子１２１が形成されている。第１回折格子１２１は、活性層１０３に沿って形成され、回折格子の位相をシフトする位相シフト（λ／４シフト）部１２１ａを備える。位相シフト部１２１ａは、第１回折格子１２１のブラッグ波長が均一となるように設定する。なお、この例では、活性層１０３の上に第１回折格子１２１が形成されている。
　また、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａは、第２回折格子１２２ａが形成された第１コア層１１３ａを備える。第１コア層１１３ａは、導波方向に沿って活性層１０３に連続して形成されている。
　また、第２回折格子１２２ａは、第１コア層１１３ａに沿って形成されている。同様に、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、第３回折格子１２２ｂが形成された第２コア層１１３ｂを備える。第２コア層１１３ｂは、第１コア層１１３ａとは活性層１０３を挾んで反対側に、導波方向に沿って活性層１０３に連続して形成されている。また、第３回折格子１２２ｂは、第２コア層１１３ｂに沿って形成されている。
　第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂは、活性層１０３とは異なる屈折率を有する。なお、この例では、第１コア層１１３ａの上（上面）に第２回折格子１２２ａが形成され、第２コア層１１３ｂの上（上面）に第３回折格子１２２ｂが形成されている。また、半導体レーザは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの側の出力端面に、図示しない無反射膜が形成されている。
　加えて、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの導波方向の長さＬ１、分布帰還活性領域１３１の導波方向の長さＬ２、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの導波方向の長さＬ３、および位相シフト部１２１ａの位置ｘpsの関係が、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×αおよびＬ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps、ただし０．５＜α＜１とされている。なお、位置ｘpsは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの側の端部を原点とした位相シフト部１２１ａの導波方向における位置である。例えば、α＝１の場合の位置ｘpsは、分布帰還活性領域１３１の他端、言い換えると、第１回折格子１２１と第３回折格子１２２ｂとの境界に隣接した位置である。また、例えば、α＝０．５の場合の位置ｘpsは、分布帰還活性領域１３１の中央部となる。
　後述するように、位相シフト部１２１ａの位置を、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂと分布帰還活性領域１３１との境界（α＝１）にすると、作製誤差の影響を抑えることができるが、回折格子の損失によって発振しきい値利得が上昇してしまう。一方で、位相シフト部１２１ａの位置を、分布帰還活性領域１３１の中心（α＝０．５）にすると、回折格子の損失による発振しきい値利得の上昇を抑えることができるが、作製誤差の影響によって多モード発振する恐れがある。
　以上のことより、位相シフト部１２１ａの位置は、作製誤差の影響を十分に抑えることができる範囲で分布帰還活性領域１３１の中心に近づけることが好ましく、共振器長や回折格子の結合係数によって最適な場所は異なるが、０．５＜α＜１の範囲となる。例えば、α＝０．７５とすることができる。
　また、位相シフト部１２１ａが、分布帰還活性領域１３１の中央よりも第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの側にあると、位相シフト部１２１ａに電場が局在することになり、結果として、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの側から光が出射する。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの側から光を出射させるようにする場合は、Ｌ2（１－ｘ）＋Ｌ3＞ｘPSとなるように、第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの導波方向の長さを十分に大きく設定し、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａからのみ光を取り出す。
　以下、実施の形態に係る半導体レーザについて、図２Ａ，図２Ｂを参照してより詳細に説明する。なお、図２Ａは、分布帰還活性領域１３１の導波方向に垂直な断面を示している。また、図２Ｂは、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの導波方向に垂直な断面を示している。
　分布帰還活性領域１３１、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、同一の基板１０１の上に形成されている。分布帰還活性領域１３１は、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を備える。
　この例では、基板１０１の平面方向に、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が配置され、これらは、基板１０１の上で活性層１０３の導波方向に垂直な方向の側面に接して形成されている。また、ｎ型半導体層１０５に電気的に接続するｎ型電極１０７と、ｐ型半導体層１０６に電気的に接続するｐ型電極１０８とを備える。この例では、基板１０１の平面方向（横方向）に電流が注入される。なお、ｎ型半導体層１０５の上に、より高濃度にｎ型不純物が導入されたｎ型コンタクト層を介してｎ型電極１０７を形成することもできる。同様に、ｐ型半導体層１０６の上に、より高濃度にｐ型不純物が導入されたｐ型コンタクト層を介してｐ型電極１０８を形成することもできる。
　なお、基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。第１コア層１１３ａも下部クラッド層１０２の上に形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。なお、この例では、半導体層１０４ｂの上面に第１回折格子１２１を形成している。
　ここでは、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。なお、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａにおいて、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６は形成していない。
　実施の形態に係る分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。なお、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂにおいて、ｎ型電極１０７およびｐ型電極１０８は形成していない。
　基板１０１は、例えば、シリコンから構成されている。下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成され、厚さ２μｍとされている。また、活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層が交互に積層された厚さ１５０ｎｍの量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、幅０．７μｍ程度とされている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂを合わせた厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６も、各々厚さ２５０ｎｍとされている。量子井戸構造とされている活性層１０３の発光波長は、１．５５μｍである。また、第１回折格子１２１は、ブラッグ波長が１．５５μｍとされている。
　また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ－ＩｎＰ）から構成されている。また、活性層１０３を挾む、一方のｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）から構成され、他方のｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）から構成されている。
　また、第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ－ＩｎＰ）から構成され、幅１．５μｍ程度とされ、厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、図示していないが、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成することができる。
　上述した半導体レーザは、高屈折率なＩｎＰの層の下部は、低屈折率な酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２が形成され、上部は、低屈折率な空気とされている。この結果、活性層１０３、第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂへの強い光閉じ込めが実現され、レーザの低電力動作に有利である。また、回折格子がＩｎＰの層と空気の層と高い屈折率差により形成されるため、１０００ｃｍ-1を超える高い結合係数を実現することができる。また、上記構成に依れば、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの光導波路に、再成長が不要となり、簡易に作製することができる。この場合、分布帰還活性領域１３１と分布ブラッグ反射鏡領域の実効屈折率差が異なるが、後述するように、作製誤差を勘案しても安定な単一モード発振が実現できる。
　なお、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、埋め込み導波路から構成することもできる。この場合、例えば、コアを非利得媒質の組成となるＩｎＧａＡｓＰから構成し、コアを覆うクラッドをＩｎＰから構成する。
　以下、実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について、図３Ａ～図３Ｆを用いて簡単に説明する。図３Ａ～図３Ｆは、実施の形態に係る半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図であり、分布帰還活性領域１３１の断面を模式的に示している。
　例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。例えば、基板１０１の主表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０２を形成する。
　一方で、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、アンドープのＩｎＰからなる化合物半導体層２０４ｂ、活性層１０３となる化合物半導体層２０３、アンドープのＩｎＰからなる化合物半導体層２０４ａ、第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂとなる化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。
　次いで、このエピタキシャル成長した基板の最上面と、前述した基板１０１の下部クラッド層１０２の表面とを公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。この結果、図３Ａに示すように、分布帰還活性領域１３１においては、基板１０１の上に、下部クラッド層１０２、化合物半導体層２０４ａ、化合物半導体層２０３、および化合物半導体層２０４ｂが形成された状態となる。
　次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作製したレジストパタンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた各化合物半導体層２０４ａ，化合物半導体層２０３，および化合物半導体層２０４ｂなどをパターニングし、図３Ｂに示すように、活性層１０３からなる分布帰還活性領域１３１のストライプ構造を形成する。なお、この時点では、再成長のための半導体層２０４ａが下部クラッド層１０２の全域に形成されている。また、活性層１０３の上には、化合物半導体層２０４ｂが残る。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、図３Ｃに示すように、活性層１０３が無い状態とする。なお、各パタンを形成した後は、レジストパタンを除去する。
　次に、図３Ｄに示すように、活性層１０３の周囲の半導体層２０４ａより、アンドープのＩｎＰからなる化合物半導体層２０５を再成長させる。再成長により、活性層１０３の上の化合物半導体層２０４ｂが、化合物半導体層２０５と一体となる。第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、図３Ｅに示すように、化合物半導体層２０５が、化合物半導体層２０４ａの上に形成された状態となる。
　次いで、例えば、イオン注入法により、活性層１０３の両脇の領域に選択的にｎ型の不純物およびｐ型の不純物を導入することで、分布帰還活性領域１３１では、図３Ｆに示すように、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を形成し、また、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂを形成する。この段階において、図示しない分布帰還活性領域１３１を挾む導波方向の領域には、化合物半導体層２０５が残っている。
　次に、半導体層１０４ｂの表面に、第１回折格子１２１を形成する。例えば、電子ビーム露光によるリソグラフィーで形成したレジストパタンをマスクとし、所定のエッチングによりパターニングすることで、第１回折格子１２１を形成すれば良い。同様に、図示しない分布帰還活性領域１３１を挾む導波方向の領域の化合物半導体層２０５の、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの領域において、第２回折格子１２２ａ，第３回折格子１２２ｂを形成する。この段階では、第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂは形成されていない。
　次に、分布帰還活性領域１３１を挾む導波方向の領域の化合物半導体層２０５を、前述同様にパターニングすることで、第２回折格子１２２ａ，第３回折格子１２２ｂを形成した部分に第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂを形成する。この構成に依れば、電流注入のためのｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６の形成に用いた化合物半導体層２０５で、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの第１コア層１１３ａ、第２コア層１１３ｂを形成するので、工程が簡略化できる。この後、ｎ型半導体層１０５の上にｎ型電極１０７を形成し、ｐ型半導体層１０６の上にｐ型電極１０８を形成する。
　以下、位相シフト部１２１ａの位置および第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの導波方向長さについて、より詳細に説明する。はじめに、作製誤差により発生しうる問題について、図４，図５を参照して説明する。なお、図４，図５では、説明の便宜上、第１分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，第２分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂの導波方向の長さを同程度に示している。
　例えば、作製誤差１として、図４に示すように、導波方向の長さが、分布帰還活性領域１３１（第１回折格子１２１）より短い活性層１０３ａが形成される場合がある。この場合、第１回折格子１２１の領域（分布帰還活性領域１３１）に、一部の第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂが入り込む状態となる。このように、非利得媒質である第１コア層１１３ａ，第２コア層１１３ｂの分布帰還活性領域１３１に入り込んだ部分は、第２回折格子１２２ａ，第３回折格子１２２ｂによる光の反射が起きない。この結果、上述したような作製誤差が発生すると、位相変化が生じ、発振モードが不安定になる。
　また、作製誤差２として、図５に示すように、導波方向にずれた位置に活性層１０３ｂが形成される場合がある。この場合、活性層１０３ｂに対する第１回折格子１２１の位置がずれ、位相シフト部の位置が変わることになる。この状態では、共振器内の電場分布が変化するため、位置ずれの状態によっては、発振モードが不安定になる。
　実際のレーザの作製では、作製誤差１および作製誤差２の両者が発生することを考慮する必要がある。ここで、分布帰還活性領域の導波方向中心に対して、第１分布ブラッグ反射鏡領域の側および第２分布ブラッグ反射鏡領域の側に各々均等に、活性層の導波方向の長さが設計値に対して合計５００ｎｍ短く形成された場合において、活性層の導波方向の位置の設計値からのずれ量と、しきい値モード利得の差との関係について、図６に示す。
　なお、しきい値モード利得の差は、１番小さいモードと２番目に小さいモードのしきい値モード利得差「Δｇm＝ｇm（２）－ｇm（１）」である。また、図６において、位相シフト部の位置については、αを用いて示している。α＝４／８は、分布帰還活性領域の中央、α＝８／８は、分布帰還活性領域と第２分布ブラッグ反射鏡領域との境界にあることを示している。また、分布帰還活性領域の導波方向の長さは２０μｍ、第１分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さは１０μｍ、第２分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さは５０μｍとしている。また、活性層が、第２分布ブラッグ反射鏡領域の側にはみ出した状態をプラスとしている。
　また、第１分布ブラッグ反射鏡領域，第２分布ブラッグ反射鏡領域の等価屈折率は２．５、分布帰還活性領域の等価屈折率は２．７としている。また、第１分布ブラッグ反射鏡領域，第２分布ブラッグ反射鏡領域の回折格子の結合係数は、１１００ｃｍ-1としている。また、分布帰還活性領域の回折格子の結合係数は、１０００ｃｍ-1としている。また、ブラッグ波長は、ともに１５５０ｎｍとして計算している。位相シフト部の位相シフト量はλ／４とした。
　図６に示すように、活性層が第１分布ブラッグ反射鏡領域の方に３００ｎｍずれた場合（－３００）、α＜６／８の場合はΔｇm＜５０ｃｍ-1となり、多モード発振の恐れがある。このため、α≧６／８に設定することにより、作製誤差に対して安定なシングルモード発振が実現できることが分かる。
　図７に、回折格子損失としきい値モード利得（ｇm）の関係を示す。回折格子の損失は、分布帰還活性領域、第１分布ブラッグ反射鏡領域、第２分布ブラッグ反射鏡領域の全体に均等にあると仮定している。また、図７のグラフの傾きと、位相シフト部の位置ｘpsを規定するαとの関係を、図８に示す。図８に示すように、αが大きい程、回折格子の損失によってしきい値利得が上昇することが分かる。
　図６に示す結果からは、αが大きいほど（位相シフト部の位置が、第２分布ブラッグ反射鏡領域の側に近くなるほど）、作製誤差の影響を抑えられることが分かる。一方、図７，図８に示すように、αが大きいほど、回折格子の損失の影響を強く受けることになる。これらの結果を考慮すると、作製誤差の影響を十分抑えることができるα＝６／８とすることで、回折格子の損失によるしきい値利得の上昇を抑えつつ、作製誤差の影響による多モード発振を防ぐことができる。
　ところで、上述では、基板の平面に平行な方向に電流を注入する場合を例に説明したが、これに限るものではなく、基板の平面に垂直な方向に電流を注入する構成とすることもできる。例えば、図９に示すように、分布帰還活性領域３３１において、活性層３０２の幅を、コア層３１２ａより広く形成し、ｐ型半導体層３０３をコア層３１２ａと同じ幅に形成することもできる。この場合、活性層３０２には回折格子を形成せず、ｐ型半導体層３０３の導波方向側面に、第１回折格子３２１を形成する。また、この場合においても、図示していないが、第１回折格子３２１に位相シフト部が設けられている。また、ｎ型の半導体からなる基板３０１の裏面には、ｎ型電極３０４が形成され、ｐ型半導体層３０３の上には、ｐ型電極３０５が形成されている。この場合、ｐ型半導体層３０３および基板（ｎ型半導体層）３０１は、活性層３０２の上下を挟んで形成されている。
　以上に説明したように、本発明によれば、第１分布ブラッグ反射鏡領域の長さＬ１、分布帰還活性領域の長さＬ２、第２分布ブラッグ反射鏡領域の長さＬ３、および位相シフト部の位置ｘpsの関係を、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×αおよびＬ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps［０．５＜α＜１］としたので、両側に分布ブラッグ反射鏡領域を設けた位相シフト分布帰還型レーザで、しきい値利得を上昇させることなく、作製誤差の影響を抑制して安定して単一モード発振ができるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、導波路構造はリッジ型、ハイメサ型の導波路構造に適用可能である。また、上述では、基板をＩｎＰから構成したが、これに限らず、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体から構成することもできる。また、活性層は、ＩｎＧａＡｓＰに限らず、ＩｎＧａＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮなどの半導体から構成することができる。
　１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ…半導体層、１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…ｎ型電極、１０８…ｐ型電極、１１３ａ…第１コア層、１１３ｂ…第２コア層、１２１…第１回折格子、１２１ａ…位相シフト部、１２２ａ…第２回折格子、１２２ｂ…第３回折格子、１３１…分布帰還活性領域、１３２ａ…第１分布ブラッグ反射鏡領域、１３２ｂ…第２分布ブラッグ反射鏡領域。

Claims (4)

  1. 　基板の上に形成された活性層と、
    　前記活性層に沿って形成されて、回折格子の位相をシフトする位相シフト部を備える第１回折格子と
    　を有する分布帰還活性領域と、
    　前記分布帰還活性領域を挟んで前記分布帰還活性領域に連続して配置された第１分布ブラッグ反射鏡領域および第２分布ブラッグ反射鏡領域と
    　を備え、
    　前記第１分布ブラッグ反射鏡領域は、導波方向に沿って前記活性層に連続して形成されて、前記活性層とは異なる屈折率を有する第１コア層と、前記第１コア層に沿って形成された第２回折格子とを有し、
    　前記第２分布ブラッグ反射鏡領域は、前記第１コア層とは前記活性層を挟んで反対側に導波方向に沿って前記活性層に連続して形成されて、前記活性層とは異なる屈折率を有する第２コア層と、前記第２コア層に沿って形成された第３回折格子とを有し、
    　前記第１分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さＬ１、前記分布帰還活性領域の導波方向の長さＬ２、前記第２分布ブラッグ反射鏡領域の導波方向の長さＬ３、および前記第１分布ブラッグ反射鏡領域の側の端部を原点とした前記位相シフト部の導波方向における位置ｘpsの関係は、ｘps＝Ｌ1＋Ｌ2×α、Ｌ2（１－α）＋Ｌ3＞ｘps、０．５＜α＜１とされている
    　ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    　前記分布帰還活性領域は、
    　前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
    　前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
    　前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
    　を備えることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、前記基板の上で前記活性層の導波方向に垂直な方向の側面に接して形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、前記活性層の上下を挟んで形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
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