JP3720794B2

JP3720794B2 - 分布帰還型半導体レーザ

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Publication number: JP3720794B2
Application number: JP2002188530A
Authority: JP
Inventors: 浩森; 知之菊川; 良夫高橋; 幹明藤田
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004031826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザに係わり、特に、単一波長の光を出力する分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザにおいては、例えば、図９（ａ）に示すように、半導体基板１上に活性層２及びクラッド層３が積層されており、半導体基板１の下面とクラッド層３の上面との間に電圧を印加すると、活性層２の端面から光４が出力される。しかし、この光４は、詳細に検証すると、図９（ｂ）に示すように、それぞれ波長λが微妙に異なる複数の光の集合とみなせる。
【０００３】
そこで、単一波長λ₀の光４を出力させるために、図９（ｃ）に示すように、活性層２の隣接位置に光４の出射方向に回折格子５を形成した分布帰還型（Distributed Feedback ：ＤＦＢ）半導体レーザが提唱されている。このように回折格子５が組込まれた分布帰還型半導体レーザにおいては、光導波路の等価屈折率をｎ、格子間隔をｄとすると、この活性層２で発生した多数の波長λを有する光のうち、波長λが、λ＝２ｎｄの条件を満たす単一波長λ₀（＝２ｎｄ）の光４ａが出力される筈である。
【０００４】
しかし、分布帰還型半導体レーザは、図９（ｃ）に示すように内部に形成される回折格子５が光の出射方向に沿って一様な位相連続型の場合には、原理的に単一波長λ₀のみで発振する「単一モード発振」は実現せず、図９（ｄ）に示すように、λ＝２ｎｄの条件を満たす波長λ₀は出力されずに、この波長λ₀の左右に別の波長λ₊₁、λ_-1の光が出力される。
【０００５】
このような不都合を解消するためには、λ／４シフト構造と呼ばれる光の位相をλ／４だけ移相させる位相シフト構造を回折格子５の途中に形成することで「単一モード発振」を実現している。
【０００６】
しかし、途中に位相シフト構造を有する回折格子５は、単純で量産性に優れたレーザ干渉露光法による一括露光作業工程では製造できず、一般的には電子ビーム描画装置を用いて長時間かけて描画する製造方法を採用しているのが実状である。これに対し、レーザ干渉露光法で製造した回折格子でもλ／４シフト構造と同等な効果を得るための技術が特許第１７８１１８６号（特公平４―６７３５６号公報）に提案されている。
【０００７】
すなわち、この提案された分布帰還型半導体レーザにおいては、図１０に示すように、活性層２の下側に、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂを結合する平坦な結合導波路７とを同一面に一体構造で形成している。そして、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの各回折格子は、レーザ干渉露光法を用いて仮想的な単一の回折格子の一部を構成するようにそれぞれの位相を整合させて形成している。
【０００８】
そして、結合導波路７は、この結合導波路７が第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと同一構造を有していた場合に対して、伝送する光の位相をπの整数倍からずらす伝送特性を有する。
【０００９】
なお、この提案では、「第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす」としているが、製造された分布帰還型半導体レーザにおいて、単一波長の光が発生する確率が高い構造としては、「第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）になる」構造であることは明らかである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示した構造の分布帰還型半導体レーザにおいても、まだ解消すべき次のような課題があった。
【００１１】
先ず、第１の回折格子導波路６ａから第２の回折格子導波路６ｂへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす機能を有する結合導波路７の長さＬについて詳細に検討する。
【００１２】
一般に、結合導波路７において、この結合導波路７を伝送する光の位相がそこに回折格子がある場合と比較してずれるのは、回折格子の有無という光導波路の構造の違いによって、光の伝搬速度に対応する伝搬定数がわずかに異なるためである。光の伝搬定数は伝送する光が感じる等価屈折率ｎによって決まる。
【００１３】
図１１を用いて説明すると、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの光の伝搬定数と結合導波路７の伝搬定数との差は、結合導波路７の等価屈折率ｎ₁と、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの平均的な等価屈折率ｎ₀との差（ｎ₀―ｎ₁）に依存する。さらに、この等価屈折率の差（ｎ₀―ｎ₁）は、結合導波路７の厚みｈ₁と、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの各格子相互間に存在する溝の深さを考慮した平均厚みｈ₀との差（ｈ₀―ｈ₁）に依存する。
【００１４】
すなわち、この結合導波路７を伝送する光の位相のずれ量をπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２…）に近づけるためには、上述した差（ｈ₀―ｈ₁）を正確に制御する必要がある。
【００１５】
しかし、この分布帰還型半導体レーザにおける第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの各格子は、一般にエッチングによって形成される。すなわち、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの平均厚みｈ₀はエッチングによって形成される溝の深さに依存するので、この分布帰還型半導体レーザの製造工程におけるエッチング精度に依存する。その結果、結合導波路７を伝送する光の位相のずれ量を高い精度で制御できず、製造された分布帰還型半導体レーザにおいて、単一波長の光が発振する確率が低下し、製造時の歩留まりが低下する問題がある。
【００１６】
また、結合導波路７の厚みｈ₁は一定であり、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂの平均厚みｈ₀も一定であるので、上述した差（ｈ₀―ｈ₁）は一定になる。その結果、結合導波路７を伝送する光の位相のずれ量がπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２…）になるために必要な結合導波路７の長さＬもほぼ定まる。
【００１７】
光の出射方向に互いに離間した第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂを有する分布帰還型半導体レーザにおいて、結合導波路長Ｌが選択できないと、次のような課題が生じる。
【００１８】
第１に、結合導波路長Ｌを自由に選択できないと、分布帰還型半導体レーザ全体の寸法形状が制約を受け、結果として素子設計の自由度が制約を受ける。
【００１９】
第２に、結合導波路長Ｌが短いと、この分布帰還型半導体レーザから出力される光の強度が低下する。すなわち、図１２に示すように、結合導波路長Ｌが短いと、この分布帰還型半導体レーザ内における発生する光の強度分布はほぼ山形波形となる。その結果、この分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光４の出力光強度Ｐ₀が低下する。
【００２０】
また、詳細に観察すると、分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂと結合導波路７との境界面において等価屈折率ｎの不連続面が生じる。
【００２１】
したがって、活性層２で生じて第１、第２の回折格子導波路６ａ、６ｂ及び結合導波路７を両端面方向へ伝搬される光４の一部はこの境界面で反射される。その結果、光４が乱れて前述した「単一モード発振」が発生しにくい。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、出力される光の波長を高い精度で目的波長に設定でき、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、かつ出力される光の波長安定性を向上でき、さらに製造時の歩留まりを向上できる分布帰還型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に備えられ、仮想的に同一格子間隔で位相が連続する回折格子の一部を構成するように光の出射方向に平坦な結合層を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【００２４】
そして、上記課題を解消するために、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層の回折格子は、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間を有している。また、結合層は光の出射方向と直交する方向に２層で形成され、この２層のうちの１層は第１、第２の回折格子層と同一物質で形成されている。
【００２５】
このように構成された分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層の回折格子は、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間を有している。
【００２６】
一般に、回折格子は、複数の格子と、格子と格子との間に存在する複数の溝とで構成さているが、この発明においては、格子と格子との間に存在する溝が上面から下面へ貫通する隙間で形成されている。このように、格子相互間の溝を隙間で構成することによって、この回折格子の溝をエッチングで製造する場合における形状及び寸法の精度が向上する。
【００２７】
また、第１、第２の回折格子層に挟まれた、前述した従来の分布帰還型半導体レーザにおける結合導波路に対応する結合層は２層で形成され、１層は第１、第２の回折格子層と同一物質で形成しているので、各層の厚みの配分を調整することによって、結合層の平均等価屈折率を変更できる。その結果、結合層を伝送する光の位相のずれ量を、正確にπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）になる結合層の長さＬを長く設定可能である。結合層の長さＬを、例えば、１００μｍ以上に設定可能である。
【００２８】
したがって、結合層の長さＬを長く設定することにより、分布帰還型半導体レーザ内で発生する光の強度分布をなだらかにできる。よって、分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光の出力光強度の低下が抑制できる。
【００２９】
また、結合層を光の出射方向と直交する方向に２層で形成し、この２層のうちの１層を第１、第２の回折格子層と同一物質で形成している。したがって、分布帰還型半導体レーザ内において等価屈折率が大きく変化する境界面が存在することが防止できるので、分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光の単一モード発振性を向上できる。
【００３０】
また、別の発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に備えられ、仮想的に同一格子間隔で位相が連続する回折格子の一部を構成するように光の出射方向に平坦な結合層を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【００３１】
そして、上記課題を解消するために、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層の回折格子は、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間を有している。また、２層で形成され、この２層のうち１層は第１、第２の回折格子層と同一物質で形成されている。
【００３２】
先の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の下方に第１、第２の回折格子層を配設したのに対して、この発明が適用される分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の上方に第１、第２の回折格子層を配設している。その他の構成は、先の発明の分布帰還型半導体レーザに類似している。
【００３３】
したがって、先の発明の分布帰還型半導体レーザとほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【００３４】
なお、活性層の下方に回折格子層を配設する場合においては、ｎ型半導体基板を用いた際に、ｐ側で再成長界面を作る必要がなく、Ｓiのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【００３５】
また、活性層の上方に回折格子層を配設する場合においては、先に活性層を成長した上で、その上に回折格子の格子間隔（ピッチ）を設定できる。さらに、成長回数を１回減らすことができる。
【００３６】
また、別の発明においては、上述した各発明の分布帰還型半導体レーザにおいて、第１の回折格子層の回折格子における結合効率κ₁と、第２の回折格子層の回折格子における結合効率κ₂とが互いに異なる値に設定されている。
【００３７】
回折格子における結合効率κとは、回折格子を伝搬する光の前進波と後進波との結合の度合いを示す指標であり、結合効率κが高いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが強いことを示し、結合効率κが低いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが弱いことを示す。
【００３８】
例えば、導波路中の回折格子における格子の体積と隙間を含む格子以外の部分が占める体積との比が大きいほど結合効率κが低くなる傾向を示し、回折格子における格子の屈折率と隙間を含む格子以外の部分の屈折率との差が小さいほど結合効率κが低くなる傾向を示す。
【００３９】
第１の回折格子層の回折格子における結合効率κ₁と第２の回折格子層の回折格子における結合効率κ₂とが異なることは、第１の回折格子層における光の反射率と、第２の回折格子層における光の反射率とが異なることを示す。その結果、第１の回折格子層側の端面から出力される光の量と、第２の回折格子層側の端面から出力される光の量とを異ならせることが可能である。よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。
【００４０】
さらに、別の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体基板はInPで形成され、第１、第２の回折格子層はInGaAsPで形成され、活性層はInGaAsPを含む材質で形成され、クラッド層はInPで形成されている。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。
【００４２】
ｎ型InPからなる半導体基板１１の上面に、ｎ型InGaAsPからなる第１の回折格子層１２ａと、結合層１３と、ｎ型InGaAsPからなる第２の回折格子層１２ｂとが形成されている。第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂは、それぞれ複数の格子１４と格子相互間に存在する複数の隙間１５とで構成されており、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂに含まれる全部の格子１４と全部の隙間１５とで、仮想的に同一格子間隔（ピッチ）で位相が連続する一つの回折格子１６を構成する。また、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する各格子１４の屈折率は半導体基板１１の屈折率より高く設定されている。
【００４３】
そして、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間の領域を充填する結合層１３は、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一材質で形成された下部層１３ａと、半導体基板１１と同一材質で形成された上部層１３ｂとで構成されている。
【００４４】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂ及び結合層１３の上面には、半導体基板１１と同一材料物質からなる緩衝層１７が形成されている。なお、結合層１３の上部層１３ｂと緩衝層１７とは一体形成されている。この緩衝層１７の上面に、それぞれ適当な組成のInGaAsPからなる、下側ＳＣＨ層、ＭＱＷ層、上側ＳＣＨ層を含む活性層１８が形成されている。この活性層１８の上面には、ｐ型InPからなるクラッド層１９が形成されている。
【００４５】
クラッド層１９の上面にｐ電極２０が取付けられ、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が取付けられている。さらに、単一モードの光２３が出射される活性層１８、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの端面には、反射防止膜２２ａ、２２ｂが形成されている。
【００４６】
なお、クラッド層１９とｐ電極２０との間に、ｐ型InGaAsPあるいはｐ型InGaAsからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【００４７】
このように構成された第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に電圧を印加すると、活性層１８は多波長を有する光を発振するが、この多くの波長を有する光のうち、回折格子１６の格子間隔ｄと第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ₀とで定まる単一波長λ₀を有した光２３が選択されてレーザ発振される。
【００４８】
次に、このように構成された第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層１３の長さＬを設定する方法を図２を用いて説明する。
長さＬの結合層１３を伝搬する光２３の距離で表した位相のずれ量Φは、結合層１３の長さＬに光の伝搬定数の差Ｂを乗算した値である。伝搬定数の差Ｂは、前述したように、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ₀と結合層１３の等価屈折率ｎ₁との差（ｎ₀―ｎ₁）の関数ｆ（ｎ₀―ｎ₁）で表現できる。よって、距離で表した位相のずれ量Φは下式となる。
【００４９】
Φ＝Ｌ・Ｂ＝Ｌ・［ｆ（ｎ₀―ｎ₁）］
この式から、結合層１３の長さＬは下式となる。
【００５０】
Ｌ＝Φ／ｆ（ｎ₀―ｎ₁）
位相ずれ量Φは光の波長λ₀を２πとした場合においてπの半奇数倍（π／２、３π／２、５π／２、…）であるので、複数のπの半奇数倍のうちの任意のπの半奇数倍の選択と、等価屈折率の差（ｎ₀―ｎ₁）を適宜設定することによって、この分布帰還型半導体レーザの結合層１３の長さＬを選択可能である。具体的には、等価屈折率の差（ｎ₀―ｎ₁）は、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの平均厚みｔ₀と下部層１３ａの厚みｔ₁との差（ｔ₀―ｔ₁）に対応するので、下部層１３ａの厚みｔ₁の選択と半奇数倍の選択とで、結合層１３の長さＬを設定する。
【００５１】
また、等価屈折率の差（ｎ₀―ｎ₁）、すなわち、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの平均厚みｔ₀と下部層１３ａの厚みｔ₁との差（ｔ₀―ｔ₁）を小さく設定すれば、結合層１３の長さＬは長くなる。結合層１３の長さＬが長いほど、この分布帰還型半導体レーザから出力される光２３の高出力化、狭線幅化を図ることができる。
【００５２】
したがって、図３に示すように、結合層１３の長さＬを長く設定することにより、分布帰還型半導体レーザ内で往復する光２３の強度分布特性２４における中央部分を広い範囲に亘ってほぼ平坦にでき、空間的にホールバーニングの発生を抑え、高出力でかつ狭線幅な特性を得ることができ、図４に示すように、印加電流に対する光の出力特性２５における直線応答性を、従来の分布帰還型半導体レーザにおける出力特性２５ａに比較して改善できる。
【００５３】
また、結合層１３の下層部１３ａを第１、第２の回折格層１２ａ、１２ｂと同一物質で形成しているので、結合層１３の等価屈折率ｎ₁と第１、第２の回折格層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ₀とは極端に違わない。その結果、結合層１３と第１、第２の回折格層１２ａ、１２ｂとの境界面で等価屈折率が大きく変化することはないので、この境界面での光２３の反射を抑制でき、複合共振現象を抑えて、単一モード発振性能を向上できる。
【００５４】
さらに、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの回折格子１６は、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間１５を有している。一般に、回折格子は、複数の格子と格子相互間に存在する複数の溝とで構成さているが、この実施形態においては、各格子１４間の溝が上面から下面へ貫通する隙間１５で形成されている。
【００５５】
このように、各格子１４間の溝を隙間１５で構成することによって、この回折格子をエッチングで製造する場合の形状及び寸法の精度が向上する。すなわち、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ₀の素子相互間のバラツキが抑制され一定値に安定する。その結果、位相ずれ量Φの精度が向上し、出力される光２３の波長安定性がより一層向上する。
【００５６】
なお、この第１実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層１８の下方に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを配設しているので、ｎ型半導体基板を用いた際に、ｐ側で再成長界面を作る必要がなく、Ｓiのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【００５７】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００５８】
ｎ型InPからなる半導体基板１１の上面に、それぞれ適当な組成のInGaAsPからなる、下側ＳＣＨ層、ＭＱＷ層、上側ＳＣＨ層を含む活性層１８が形成されている。この活性層１８の上面には、クラッド層１９と同一材料物質からなる緩衝層１７が形成されている。この緩衝層１７の上面に、ｐ型InGaAsPからなる第１の回折格子層１２ａと、結合層１３と、ｐ型InGaAsPからなる第２の回折格子層１２ｂとが形成されている。
【００５９】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂは、それぞれ複数の格子１４と格子相互間に存在する複数の隙間１５とで構成されており、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂに含まれる全部の格子１４と全部の隙間１５とで、仮想的に同一格子間隔（ピッチ）で位相が連続する一つの回折格子１６を構成する。また、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを構成する各格子１４の屈折率はクラッド層１９の屈折率より高く設定されている。
【００６０】
そして、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの間の領域を充填する結合層１３は、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂと同一材質で形成された下部層１３ａと、クラッド層１９と同一材質で形成された上部層１３ｂとで構成されている。第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂ及び結合層１３の上面には、ｐ型InPからなるクラッド層１９が形成されている。なお、結合層１３の上部層１３ｂとクラッド層１９とは一体形成されている。
【００６１】
クラッド層１９の上面にｐ電極２０が取付けられ、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が取付けられている。さらに、単一モードの光２３が出射される活性層１８、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの端面には、反射防止膜２２ａ、２２ｂが形成されている。
【００６２】
なお、クラッド層１９とｐ電極２０との間に、ｐ型InGaAsPあるいはｐ型InGaAsからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【００６３】
このように構成された第２実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に電圧を印加すると、活性層１８は多波長を有する光を発光するが、この多くの波長を有する光のうち、回折格子１６の格子間隔ｄと第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの等価屈折率ｎ₀とで定まる単一波長λ₀からなる光２３が選択されてレーザ発振する。
【００６４】
この場合、結合層１３の存在によって、単一波長λ₀を有した光２３が出力される。第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂに挟まれた結合層１３の光２３の伝搬方向の長さＬは、前述した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの平均厚みｔ₀と下部層１３ａの厚みｔ₁との差（ｔ₀―ｔ₁）に基づいて設定可能である。
【００６５】
したがって、前述した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、結合層１３の光２３の伝搬方向の長さＬを長めに設定できるので、図１に示した第１実施形態の分布帰還型半導体レーザとほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【００６６】
なお、この第２実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層１８の上方に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂを配設しているので、活性層１８から第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂまでを１回の成長で形成できるので、成長回数を１回減らすことができる。また、先に活性層１８を成長した上で第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂにおける回折格子の格子間隔（ピッチ）を設定できる。
【００６７】
（第３実施形態）
図６は本発明の第３実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図１に示す第１実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号が付してある。したがって、重複する部分の詳細説明は省略されている。
【００６８】
この第３実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａにおける結合効率κ₁と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける結合効率κ₂とが互いに異なる値に設定されている。
【００６９】
この第３実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの一つの格子間隔ｄ内における格子１４の体積と隙間１５を含む格子１４以外の部分が占める体積との割合を示す体積比ｖ₁と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける体積比ｖ₂とが互いに異なる値に設定されている。
【００７０】
第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの各回折格子１６ａ、１６ｂの格子１５どうしと、隙間１５どうしとが互いに同一材料で形成されているので、屈折率の寄与を考えないと、この各体積比ｖ₁、ｖ₂が第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂの各結合効率κ₁、κ₂に対応する。
【００７１】
具体的には、結合層１３を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂとは、同一格子間隔（ピッチ）ｄで位相が連続する回折格子１６の一部を構成するが、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂでそれぞれ形成される回折格子１６ａ、１６ｂの形状が互いに異なる。各回折格子１６ａ、１６ｂは、それぞれ一つの格子間隔ｄにおいては、１個の格子１４と１個の隙間１５（又は溝）とで構成されるが、この一つの格子間隔ｄ内における格子１４の体積と隙間１５を含む格子１４以外の部分が占める体積との割合を前述したように体積比ｖとする。この体積比ｖは、光２３の進行方向と一致する方向の格子１４の幅、格子１４の高さ、及び光２３の進行方向と直交する方向の格子１４の幅等によって定まる。
【００７２】
図６の実施形態においては、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａにおける格子１４の光２３の進行方向と一致する方向の高さ対して、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける格子１４の光２３の進行方向と一致する方向の高さを小さな値に設定することによって、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの体積比ｖ₁と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの体積比ｖ₂とを異ならせている（ｖ₁＞ｖ₂）。よって、第１の回折格子層１２ａの結合効率κ₁ _と第２の回折格子層１２ｂの結合効率κ₂とが異なる（κ₁＞κ₂）。
【００７３】
その結果、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａにおける光の反射率と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂにおける光の反射率とが異なり、第１の回折格子層１２ａ側の端面から出力される光２３ａの量と、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの量とを異ならせることが可能である。
【００７４】
よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。この図６の実施形態においては、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの強度を、第１の回折格子層１２ａ側の端面から出力される光２３ａの強度より高く設定される。
【００７５】
なお、図６の実施形態においては、第２の回折格子層１２ｂ側の端面に形成された反射防止膜２２ｂの反射率を、第１の回折格子層１２ａ側の端面に形成された反射防止膜２２ａの反射率より小さく設定することによって、第２の回折格子層１２ｂ側の端面から出力される光２３ｂの強度をより高くしている。この場合、第１の回折格子層１２ａ側の端面に形成された反射防止膜２２ａは、高反射膜であってもよく、へき開面のままであってもよい。
【００７６】
なお、図５の第２実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの結合効率κ₁と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの結合効率κ₂とを異ならせることも可能である。
【００７７】
図７は、第１の回折格子層１２ａの回折格子１６ａの体積比ｖ₁（結合効率κ₁）と、第２の回折格子層１２ｂの回折格子１６ｂの体積比ｖ₂（結合効率κ₂）とを異ならせた（ｖ₁＜ｖ₂）分布帰還型半導体レーザの製造方法における各回折格子１６ａ、１６ｂ形成までを示す図である。
【００７８】
なお、図７においては、図６の第３実施形態の分布帰還型半導体レーザに示すように、活性層１８の下側に第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂが存在する場合について述べる。
【００７９】
先ず、図７（ａ）に示すように、ｎ型InPからなる半導体基板１１上に、第１、第２の回折格子層１２ａ、１２ｂとして、組成波長１．０８μｍのn型InGaAsPを厚さ０．１μｍ成長してから、その上に電子ビームレジスト（例えば日本ゼオン社製ZEP―５２０等）を０．２μｍ厚に塗布する。
【００８０】
加熱処理後に電子ビーム描画装置で回折格子パターン描画を行う。図７（ｂ）に、この実施形態における、回折格子１６ａ、１６ｂの格子間隔（ピッチ）ｄを２４０ｎｍとした描画パターン及び描画条件を示す。回折格子部分の描画条件は、チップ加工後に出力側となる第１の回折格子層１２ａ（図では左側）ではドーズ量を多く（例えば０．４５ｎＣ／ｃｍ程度）、反対側の第２の回折格子層１２ｂではドーズ量を少なく（０．３ｎＣ／ｃｍ程度）設定して照射する。周辺部は電子ビームあるいは紫外線照射などにより露光してもよい。
【００８１】
そして、描画された回折格子パターンを現像する。図７（ｃ）に示すように、この実施形態においては、現像後のレジストパターンは回折格子１６ａ、１６ｂの格子１４相互間の間隙１５がドーズ量を多くした部分では１４０ｎｍ程度、少なくした部分では７０ｎｍ程度となる。
【００８２】
この状態で飽和臭素水と燐酸の水溶液を用いて２０秒程度エッチングを行う。すると、図７（ｄ）に示すような断面形状となり、この後の結晶成長工程における加熱によって格子１４の幅の違いは格子１４の高さの違いに転写される。
【００８３】
こうして光出射側の回折格子１６ａの体積比ｖ₁が小さく、反対側の回折格子１６ｂの体積比ｖ₂が大きい（ｖ₁＜ｖ₂）構造の分布帰還型半導体レーサが作製される。中央の結合層１３はレジストが全面的に除去されるためエッチングレートが最も遅く、ｎ型1nGaAsP層が下部層１３ａとして薄く残る。
【００８４】
一方、ドーズ量変調以外の方法としては、エッチング時のエッチングレートがウエハ面露出面積に依存して変化すること利用することもできる。すなわち、ウエハ表面のうちレジストや誘電体膜などのエッチング阻害物質に覆われている面積が大きく、エッチングされる部分が小さい場合にはエッチングレートが速く、逆に、広い面積をエッチングする場合はエッチングレートが遅くなる現象が、上記の飽和臭素水と燐酸の水溶液などで知られている。この特徴を利用すれば、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなレジストパターンを作製することで体積比ｖの異なる回折格子を部分的に作製することが可能となる。
【００８５】
図８（ａ）に示すように、周辺部のレジストを除去してからエッチングするとエッチングレートは遅くなる。この場合は電子ビーム描画装置を用いなくとも干渉露光法で作製可能である。
【００８６】
図８（ｂ）に示すように、光の導波方向に直交する方向への格子パターンの広がりを変えて（例えば２０μｍと１００μｍ）エッチングレートを制御することも可能である。
【００８７】
さらに、結合層１３のｎ型InGaAsPの残り厚（下部層１３ａの厚み）を制御するには、図８（ｃ）に示すように、周囲のレジストを除去せずエッチングマスクとして残しておけば、露出面積の制御によってエッチングレートを制御することができ、回折格子部のエッチングがInP基板に達するまでの時間（３０秒程度）の間にエッチングされる厚さを制御することができる。
【００８８】
以上の説明はポジレジストを使用した場合について述べたが、ネガレジストを使用しても同様である。またいずれの場合も、ｎ型InGaAsPに直接レジストを塗布するのでなく、例えば３０ｎｍ厚程度のｎ型InP層を介在させ、エッチングを２段階に分けて選択性エッチャントを使用することも可能である。
【００８９】
この場合は、レジストをエッチングマスクとして飽和臭素水を含むエッチャントで５秒程度エッチングしてInPを部分的に除去し、露出したｎ型InGaAsPを、今度は、ｎ型InPをエッチングマスクとして硫酸と過酸化水素を含む水溶液によってエッチングする方法なども可能である。
【００９０】
この方法であれば、硫酸と過酸化水素を含む水溶液がInGaAsPのみを選択的にエッチングすることから、特に活性層の上側に回折格子を形成する場合に、エッチングが緩衝層のInPとの界面で停止することから、誤って活性層までエッチングが到達するような事故を防ぐことが可能となる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第１、第２の回折格子層における格子と格子との間に隙間を設け、結合層の一部を第１、第２の回折格子層と同一物質で形成している。
【００９２】
したがって、出力される光の波長を高い精度で目的波長に設定でき、空間的ホールバーニングの発生を抑えて、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、スペクトル線幅の狭窄化、かつ出力される光の波長安定性を向上でき、さらに製造時の歩留まりを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図２】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さの設定方法を説明するための図
【図３】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さと光の強度分布特性との関係を示す図
【図４】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける光の出力特性を示す図
【図５】本発明の第２実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図６】本発明の第３実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図７】分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す図
【図８】分布帰還型半導体レーザの各回折格子を示す図
【図９】分布帰還型半導体レーザの動作原理を説明するための図
【図１０】従来の分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図１１】従来の分布帰還型半導体レーザにおける結合導波路長の設定方法を説明するための図
【図１２】同従来の分布帰還型半導体レーザの問題点を説明するための図
【符号の説明】
１１…半導体基板
１２ａ…第１の回折格子層
１２ｂ…第２の回折格子層
１３…結合層
１４…格子
１５…隙間
１６ａ、１６ｂ…回折格子
１７…緩衝層
１８…活性層
１９…クラッド層
２０…ｐ電極
２１…ｎ電極
２２ａ、２２ｂ…反射防止膜
２３、２３ａ、２３ｂ…光
２４…光の強度分布特性
２５、２５ａ…光の出力特性

Claims

半導体基板（１１）と、この半導体基板の上方に備えられ、仮想的に同一格子間隔で位相が連続する回折格子（１６）の一部を構成するように光（２３）の出射方向に平坦な結合層（１３）を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層（１２ａ、１２ｂ）と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層（１８）と、この活性層の上方に配置されたクラッド層（１９）とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記第１、第２の回折格子層の回折格子は、前記光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間（１５）を有し、
前記結合層は前記光の出射方向と直交する方向に２層（１３ａ、１３ｂ）で形成され、この２層のうち１層（１３ａ）は、前記第１、第２の回折格子層と同一物質で形成された
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
半導体基板（１１）と、この半導体基板の上方に配置された活性層（１８）と、この活性層の上方に備えられ、仮想的に同一格子間隔で位相が連続する回折格子の一部を構成するように光（２３）の出射方向に平坦な結合層（１３）を挟んで互いに離間して配設された第１、第２の回折格子層（１２ａ、１２ｂ）と、この第１、第２の回折格子層及び結合層の上方に配置されたクラッド層（１９）とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記第１、第２の回折格子層の回折格子は、前記光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間（１５）を有し、
前記結合層は前記光の出射方向と直交する方向に２層（１３ａ、１３ｂ）で形成され、この２層のうち１層（１３ａ）は、前記第１、第２の回折格子層と同一物質で形成された
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
前記第１の回折格子層（１２ａ）の回折格子（１６ａ）における結合効率（κ₁）と、前記第２の回折格子層（１２ｂ）の回折格子（１６ｂ）における結合効率（κ₂）とが互いに異なる値に設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載の分布帰還型半導体レーザ。
前記半導体基板はInPで形成され、前記第１、第２の回折格子層はInGaAsPで形成され、前記活性層はInGaAsPを含む材質で形成され、前記クラッド層はInPで形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の分布帰還型半導体レーザ。