JPH03268383A - 回折格子の形成方法とそれを用いた半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 回折格子の形成方法とそれを用いた半導体レーザ素子に
関し。

半導体レーザ素子の回折格子ガイド層の周期を短くして
、単一波長で発振する短波長帯の半導体レーザ素子を実
現することを目的とし、基板上に設けたフォトレジスト
に形成したレーザ光の干渉露光パターンを用いて第１の
回折格子パターンを形成し、次いで、前記第１の回折格
子パターン上に設けたフォトレジストに前記第１の回折
格子パターンと同一周期・同一パターン巾で。

かつ、それと傾けて形成したレーザ光の干渉露光パター
ンを用いて第２の回折格子パターンを形成し、前記２つ
の回折格子パターンの周期の半分の周期を有する合成回
折格子パターン部を形成するように回折格子の形成方法
を構成する。また、この回折格子の形成方法を用いて回
折格子ガイド層を形成し、単一波長で発振する短波長帯
の半導体レーザ素子を構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は回折格子の形成方法、とくに、単一波長で発振
する短波長帯のＤＦＢ型半導体レーザ素子などに用いる
回折格子ガイド層の形成方法、および、それを用いた半
導体レーザ素子の構成に関する。

〔従来の技術〕

最近、光通信システムの高速・大容量化にともなって、
光源、たとえば、半導体レーザの単一波長発振と短波長
化への要求がますます強（なってきている。

このような要求に対して、各種のレーザが提案されてお
り、たとえば、ＤＦＢ　（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆ
ｅｅｄＢａｃｋ）型半導体レーザが開発され実用化され
始めている。

ＤＦＥ型半導体レーザは活性層に接して設けられたガイ
ド層に回折格子を形成し、共振器内を往復する光を選択
することにより単一波長発振を得ている。

第４図はＤＦＢ型半導体レーザの概略構造を示す図で、
同図（イ）は横断面図、同図（ロ）はＹ−Ｙ’断面図で
ある。

図中、１０は基板で、たとえば、ｎ−ＩｎＰ基板、３０
は前記基板１０上に形成された回折格子ガイド層、２０
は活性層でレーザ光が閉じ込められる光導波路層であり
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなっている。１１は層でｐ−Ｉ
ｎＰ層からなり、１２は　　　　　層でｎ−ＩｎＰ層か
らなっている。１３はｐ−ＪｎＧａＡｓＰからなるコン
タクト層、１４および１５は、たとえば、Ａｎなどから
なる電極である。なお、図面の簡略化のため両端面の反
射防止膜など本発明に直接関係のない部分については省
略しである。

同図（ロ）のＹ−Ｙ’断面図に模式的に示したごと（、
回折格子ガイに゛層３０は活性層２０の下方に波形ある
いは方形状の格子をなしており、活性層２０に励起増巾
される光の波長、すなわち、発振波長（選択される波長
）λと回折格子の周期Ａとの間には次式の関係がある。

λ＝　２　ｎ　Ａ／ｒｒｒ−−・・−−−一−−−−−
・−−−−−−−（１）二＼で、ｎはレーザの等側屈折
率、ｍは回折格子の次数である。叶Ｂ型半導体レーザで
は次数の低い方が活性層２０に閉じ込められる光との結
合係数が太き（なる、すなわち、フィード・バック量が
太き（なるので、通常はｍ＝１．すなわち、１次の回折
格子を使いたいが、（１）式かられかるように必然的に
回折格子の周期Ａが小さくなり、製作プロセス的には困
難さを増してくる。

通常、回折格子パターン作製には波長３２５ｎｍの紫外
線を発振するＨｅ−Ｃｄレーザを用いた干渉露光法が多
く用いられている。しかし、この方法では１次回折格子
を用いても２００ｎｍより短い周期の回折格子を形成す
ることはできない。

これに対して、たとえば、電子ビーム描画法によれば、
より短周期の１次回折格子パターンを形成できるが、描
画に要する時間が膨大となり実用的な生産には適用でき
ない。

一方、干渉露光法により得られた１次回折格子パターン
を平行に半周期ずらせて２回にわたって回折格子を形成
する方法が考えられる。たとえば、第３図は半周期合成
回折格子パ、ターンの形成方法の一例を示す図で、同図
（イ）は周期ｐ。°＝Ａ。

パターン巾ｄ’　＝Ａ／４の第１の回折格子パターンの
断面であり、同図（ロ）は上記同図（イ）に示した第１
の回折格子パターンと同一周期、同一パターン巾で半周
期ずれた第２の回折格子パターンの断面である。同図（
ハ）は上記２つの回折格子パターンを２回重ねて露光・
エツチングして形成される筈の半周期合成回折格子パタ
ーンの断面を模式的に示したものである。このような半
周期合成回折格子パターンが回折格子ガイド層３０に形
成できれば１／２の単一発振波長を有するＤＦＢ型半導
体レーザが実現できることになる。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかし、上記第３図に示したように、干渉露光法により
得られた１次回折格子パターンを平行に半周期ずらせて
２回にわたって回折格子を形成する方法では、正確に半
周期ずらし、かつ、平行に回折格子パターンを同一領域
に形成することは実際上極めて困難であり、多（の場合
周期は同一とならず、たとえば、ｐ１′とｐ、”とはか
なりの差が生じ、結局、結合係数が低下し有効なレーザ
発振が得られないといった問題があり、その解決が求め
られている。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、上記の課題は、基板上に設けたフォトレジス
トに形成したレーザ光の干渉露光パターンを用いて、前
記基板上に第１の回折格子パターンｌを形成し、次いで
、前記第１の回折格子パターン１上に設けたフォトレジ
ストに前記第１の回折格子パターン１と同一周期・同一
パターン巾で。

かつ、それと傾けて形成したレーザ光の干渉露光パター
ンを用いて前記基板上に第２の回折格子パターン２を形
成し、前記２つの回折格子パターンｌおよび２の周期の
半分の周期を有する合成回折格子パターン部３を形成す
ることを特徴とした回折格子の形成方法と、それを用い
て形成した回折格子ガイド層３０を設けた半導体レーザ
素子を構成することにより解決することができる。

〔作用〕

本発明方法によれば、２つの回折格子パターンを平行に
、かつ、正確に半周期ずらして合わせるという操作を必
要とせず、単に、ある所定の小さい角度に互いに傾けて
形成し、各ラインの交点を結ぶ隣接した２本の線の中間
部分を用いれば、自動的に半周期の合成回折格子パター
ンが精度よく。

かつ、容易に形成することが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例方法を説明する図（そのｌ）で
、同図（イ）は第１の回折格子パターン１であり、同図
（ロ）は第２の回折格子パターン２である。

図で斜線部は、たとえば、基板ＩＯ上で凸部となるライ
ンパターンであり、いま、回折格子ガイド層３０として
周期がＡ／２の回折格子を形成する場合について説明す
る。

先ず、同図（イ）に示したごとく、ｎ−１ｎＰからなる
基板１０上に、周期ｐ。＝Ａｃｏｓθの第１の回折格子
パターン１を所定の基準線に対して＋θだけ傾けて形成
する。この時のパターンライン巾はｄ＝Ａ／４になるよ
うにする。

なお、このような回折格子パターンを形成するには、基
板上にフォトレジストを塗布、たとえば、スピンコード
し、波長３２５ｎｍの紫外線を発振するＨｅ−Ｃｄレー
ザ光をコリメートレンズ系を用いて拡大平行光とし、そ
れをビームスプリッタで２ビームとしてフォトレジスト
上で干渉させる。いわゆる、２光束による干渉露光法を
用いて露光・現像・定着してレジストマスクパターンを
形成したのち、化学エツチングあるいはドライエツチン
グにより基板に回折格子パターンを形成する公知のホト
リソグラフィ技術を用いて行えばよい。

すなわち、この２光束干渉露光法は、よく知られたホロ
グラム感光材料膜にコヒーレントな物体光と参照光を照
射し、屈折率の大小による干渉縞を形成する。いわゆる
、２光束露光法によるホログラムの作成方法と類似した
ものであり、ホログラムの干渉縞、すなわち、この場合
は回折格子の周期はレーザ光の波長を変えたり、レーザ
光の入射角度を変えることにより選択、制御することが
できる。

次に、上記処理基板上に同様にフォトレジストをスピン
コードし、同図（ロ）に示したごとく、同じ（周期ｐ。

＝Ａｃｏｓθの第２の回折格子パターン２を所定の基準
線に対して、逆に一〇だけ傾けて形成する。この時のパ
ターンライン巾は同じ＜ｄ＝Ａ／４になるようにする。

作製プロセスは上記第１の回折格子パターン１の場合に
準じて行えばよい。

第２図は本発明の実施例方法を説明する図（その２）で
、同図←←は合成回折格子パターンである。図かられか
るように、２つの回折格子パターンの交点を結ぶ線（線
の間隔Ｌ）の中間領域に。

たとえば、実線の枠で囲った合成回折格子パターン部３
が形成され、ごく狭い巾の領域を考えれば周期ｐ＋＝Ａ
／２で、パターンライン巾ｄ＝Ａ／４の等間隔で、はマ
平行な回折格子パターンが形成される。

θは下記（２）式にしたがって決めればよい。

θ＝ａｒｃｔａｎ（Ａ／２Ｌ）−−・−−−−（２）本
実施例では、たとえば、Ｌ　＝３００μｍ、Ａ＝２４０
ｎｍとすると、θ＝　０．０２３°、すなわち、約１．
３８分となり、この程度の傾き角を設定するのは製造プ
ロセス上は何ら困難はなく、また、回折格子ガイド層と
して充分に満足する性能が得られる。

以上説明した実施例のデータにもとづいて、ｎ−ＩｎＰ
からなる基板１０上に前記合成回折格子パターン部３を
形成し、その上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層２
０をエピタキシャル成長させ、両者とも約１μｍの巾に
なるようにエツチングして、活性層２０の下に周期がＡ
／２＝１２０　ｎｍの回折格子ガイド層３０が結合する
ように形成する。そののち、第４図で説明した通常の工
程にしたがって、ＤＦＢ型半導体レーザ素子を形成すれ
ば、従来の半分の波長で。

かつ、単一波長発振する半導体レーザが構成できる。

上記実施例では干渉露光用光源としてＨｅ−Ｃｄレーザ
を用いたが、その他のレーザ光源を用いてもよいことは
勿論である。

また、基板ＩＯとしてＩｎＰを用いたがＧａＡｓを用い
ても全く同様に実施できることは言うまでもない。

さらに、本発明の回折格子の形成方法は半導体レーザ素
子だけでな（その他のデバイスにも広く適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明方法によれば、２つの回折
格子パターンを平行に、かつ、正確に半周期ずらして合
わせるという操作を必要とせず。

単に、ある所定の小さい角度に互いに傾けて形成し、各
ラインパターンの交点を結ぶ隣接した２本の線の中間部
分を用いれば、自動的に半周期の合成回折格子パターン
が精度よく、かつ、容易に形成することができ、ＤＦＢ
型半導体レーザ素子その他の高機能デバイスの性能・品
質の向上に寄与するところが極めて大きい。

１０は基板、 ２０は活性層、 ３０は回折格子ガイド層である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例方法を説明する図（そのｌ）、 第２図は本発明の実施例方法を説明する図（その２）、 第３図は半周期合成回折格子パターンの形成方法の一例
を示す図、 第４図はＤＦＢ型半導体レーザの概略構造を示す図であ
る。 図において、 ｌは第１の回折格子パターン、 ２は第２の回折格子パターン、 ３は合成回折格子パターン、 （イ）第１の口折椿干パターン （Ｉ］）　　泪２の同折栢仔パターン 本楚明の災芝例乃沃Σ説明Ｔ″５図（ｔ、１ｌ）Ｉ）合
六回折格子パターン 木合明ｆ）欠猜例ｊ５汰【説明−Ｔろ図（学の２）箭　
２　図 ＋７川朋片ベロ祈杯予バク 躬 シの形べｈ法の ３　図 抄１と示Ｔ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に設けたフォトレジストに形成したレーザ
   光の干渉露光パターンを用いて、第１の回折格子パター
   ン（１）を形成し、 次いで、前記第１の回折格子パターン（１）上に設けた
   フォトレジストに前記第１の回折格子パターン（１）と
   同一周期・同一パターン巾で、かつ、それと傾けて形成
   したレーザ光の干渉露光パターンを用いて第２の回折格
   子パターン（２）を形成し、前記２つの回折格子パター
   ン（１、２）の周期の半分の周期を有する合成回折格子
   パターン部（３）を形成することを特徴とした回折格子
   の形成方法。
2. （２）基板（１０）と、回折格子が設けられた回折格子
   ガイド層（３０）と、回折格子ガイド層（３０）と光結
   合するように設けられた活性層（２０）と、励起用の電
   極（１４、１５）とを少なくとも備えた半導体レーザ素
   子において、 前記回折格子ガイド層（３０）が請求項（１）記載の回
   折格子の形成方法により形成されてなることを特徴とし
   た半導体レーザ素子。