半導体レーザ
【課題】発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域のブラッグモードが常に分布反射鏡領域の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザを実現する。
【解決手段】第１の回折格子１１を有する活性領域１と、第２の回折格子１２を有する分布反射鏡領域２とを備え、第２の回折格子１２は、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分１２Ａと、第１の部分１２Ａから入射される光の波長に整合した格子周期を有する、例えば円弧形状の各格子を持つ第２の部分１２Ｂとを有する。
【解決手段】第１の回折格子１１を有する活性領域１と、第２の回折格子１２を有する分布反射鏡領域２とを備え、第２の回折格子１２は、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分１２Ａと、第１の部分１２Ａから入射される光の波長に整合した格子周期を有する、例えば円弧形状の各格子を持つ第２の部分１２Ｂとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関し、特に光ファイバ伝送方式の光源に適用される。
【背景技術】
【０００２】
近年では、インターネット需要の爆発的な増加に伴い、光通信・光伝送において超高速化と大容量化への取り組みが活発化している。なかでも、超高速光ファイバ伝送システム又はデータコム向けに、アンクールドで高速の直接変調が可能な半導体レーザが求められている。このような半導体レーザとして、いわゆるＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザが期待されている。
【０００３】
基本的に、半導体レーザにおいては、活性層の体積をできるだけ小さくすることによって緩和振動周波数の値が大きくなり、直接変調可能なビットレートが上昇する。実際、NakaharaらはOFC/NFOEC 2006 講演番号OWC5 にてＤＦＢレーザの共振器長を１００μｍと短くすることで、室温にて４０Ｇｂ／ｓの変調が可能となることを示している。
【０００４】
しかしながら、ＤＦＢレーザの共振器構造は、前端面無反射コート／後端面高反射コート（反射率９０％程度）で位相シフトのない回折格子を用いているため、その単一縦モード発振歩留まりは、後端面における回折格子の位相に強く依存する。そして、回折格子の周期が約２００ｎｍと微細であり、ＤＦＢレーザを発光素子に劈開するときの端面の位置を精密に制御することは略不可能であるため、後端面での位相はランダムにならざるを得ない。従って、良好な単一縦モード発振が得られる素子の歩留まりを高くすることができないという問題がある。この問題に対処する構成の半導体レーザの一例が特許文献１，２に開示されている。この半導体レーザでは、後端面の反射鏡を高反射膜ではなく、活性領域の回折格子と同じ格子周期で位相が同期した回折格子を装荷し、電流を注入しない分布反射鏡を用いて活性領域への光帰還を行い、且つ回折格子にλ／４位相シフトを配置する。この構成により、単一縦モード発振の歩留まりを向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−４８２１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５３５５９号公報
【特許文献３】特開平１−２９３６８３号公報
【特許文献４】特開２００４−３５６４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２と同等の半導体レーザを作製し、レーザ光の発振強度について調べた。その結果を図３０に示す。図３０では、閾値直前、閾値直後、５ｍＷの出力時、及び１３５ｍＡの駆動時における発振強度をそれぞれ示す。
このように、閾値近傍、及び注入電流を増加してゆくと、マルチモード発振又はモード跳びが生じることが確認された。
【０００７】
この単一縦モード発振の歩留まりの劣化の原因について調べた。
閾値近傍におけるモード跳びの原因について調べた結果を図３１に示す。図３１では、（ａ）が注入電流のない場合、（ｂ）が発振閾値の場合の発振強度をそれぞれ示す。
注入電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因ついて調べた結果を図３２に示す。図３２では、（ａ）が発振しきいの場合、（ｂ）が注入電流を増加させた場合の発振強度をそれぞれ示す。
【０００８】
図３１の結果から、閾値近傍におけるモード跳びの原因は、以下の要因で発生することが判った。
活性領域への電子の注入に伴うプラズマ効果のために、活性領域の屈折率が低下し活性領域のブラッグ波長は短波側にシフトする。このとき、分布反射領域には電流が注入されないため、反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの長波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
【０００９】
図３２の結果から、駆動電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因は、以下の要因で発生することが判った。
活性領域への電流注入に伴って、活性領域の温度が上昇する。そのため、活性領域のブラッグ波長は長波側にシフトするが、分布反射領域には電流が注入されないので反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの短波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
【００１０】
以上より、単一縦モード発振歩留まりを向上させるには、活性領域への電流注入に伴う活性領域の屈折率の低下が生じても、副モードの発振閾値が低下して発振に至らないようにする必要がある。更に、活性領域への電流注入に伴う活性領域の温度上昇による活性領域のブラッグ波長の長波化が生じても、分布反射鏡の有効反射帯域から外れない、即ち分布反射鏡の有効反射帯域を拡大する必要がある。分布反射鏡の有効反射帯域は略分布反射鏡領域の長さに反比例するため、分布反射鏡領域長を短くすれば有効反射帯域は拡大する。しかしながら、例えば分布反射鏡領域の長さを半分にすると、図３３に示すように、反射率が半分以下に低下し、レーザ光の発振閾値の上昇を招く。これを補うためには、分布反射鏡領域の回折格子の結合係数を２倍近くに増大させれば良い。しかしながら、回折格子の深さを例えば２倍の２００ｎｍ以上にした場合には、結晶成長時に欠陥が多数発生するため、素子特性が劣化するという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域のブラッグモードが常に分布反射鏡領域の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
半導体レーザの一態様は、第１の回折格子を有する活性領域と、第２の回折格子を有する分布反射鏡領域とを含み、前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記の態様によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域のブラッグモードが常に分布反射鏡領域の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態による半導体レーザにおいて、ブラッグモードの長波ドリフトが生じた場合を説明する模式図である。
【図３】図１の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
【図４】算出された各値を、図１の半導体レーザに付した模式図である。
【図５】第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図６】図５に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図７】図６に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図８】図７に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図９】図８に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１０】図９に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１１】図１０に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１２】図１１に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１３】図１２に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１４】図１３に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１５】図１４に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１６】第２の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
【図１７】図１６の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
【図１８】算出された各値を、図１６の半導体レーザに付した模式図である。
【図１９】第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２０】図１９に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２１】図２０に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２２】図２１に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２３】図２２に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２４】図２３に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２５】図２４に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２６】図２５に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２７】図２６に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２８】図２７に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２９】図２８に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図３０】特許文献２と同等の半導体レーザにおける発振強度を示す特性図である。
【図３１】単一縦モード発振の歩留まりの劣化の原因について調べた結果を示す特性図である。
【図３２】注入電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因ついて調べた結果を示す特性図である。
【図３３】分布反射鏡領域の長さを半分にした場合の反射率を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、半導体レーザの諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
［半導体レーザの構成］
図１は、第１の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第１の回折格子１１を有する活性領域（ＤＦＢ領域）１と、第２の回折格子１２を有する分布反射鏡領域２とを有して構成される。
【００１７】
第１の回折格子１１は、各格子１１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。第１の回折格子１１の中央部位には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフト１１Ａが配されている。
第２の回折格子１２は、第１の回折格子１１の一端と並んで配置される第１の部分１２Ａと、第１の部分１２Ａから所定角度で分岐する第２の部分１２Ｂとを有して構成される。
第１の部分１２Ａは、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子１２Ａａが第１の回折格子１１における光路に対して斜め方向に格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
【００１８】
第２の部分１２Ｂは、第１の部分１２Ａに対して凹状に湾曲した円弧形状の各格子１２Ｂａが、第１の部分１２Ａから入射される光の波長に整合した格子周期Ｐ1〜Ｐ2となるように並列して構成される。第２の部分１２Ｂでは、当該第２の部分１２Ｂを通過した光を反射して、当該反射光を第１の部分１２Ａを通って第１の回折格子１１に戻す。
【００１９】
この半導体レーザでは、第２の回折格子１２の第１及び第２の部分１２Ａ，１２Ｂにより、活性領域１における光の発振波長の変化に追随して光路が自動的に振り分けられる。振り分け先に相当する第２の部分１２Ｂでは、その格子周期が変化した波長にマッチングする周期（格子周期Ｐ1〜Ｐ2）となるように、各格子１２Ｂａの配置間隔及び湾曲率が調節されている。
【００２０】
図２は、第１の実施形態による半導体レーザにおいて、ブラッグモードの長波ドリフトが生じた場合を説明する模式図であり、（ａ）はブラッグ波長がλ1の場合、（ｂ）はブラッグ波長がλ2（＞λ1）の場合の発振強度を示す。
この場合、活性領域１の温度上昇に伴うブラッグモードの長波ドリフト（ブラッグ波長λ2）が生じても、ブラッグモードが常に最適な共鳴周期を有する分布反射領域２に導かれる。そのため、マルチモード発振及びモード跳びが抑制され、安定で良好な単一縦モード発振を維持することができる。
【００２１】
本実施形態による半導体レーザにおける、第２の回折格子１２の第２の部分１２Ｂの格子周期Ｐ1，Ｐ2の決定方法について説明する。図３は、図１の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
活性領域１の波長ドリフトがない状態でのＤＦＢ波長λDFB＝１３１０ｎｍ、活性領域１の等価屈折率ｎDFB＝３．２７５のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB＝λDFB／２ｎDFB
より、ΛDFB＝２００ｎｍとなる。
【００２２】
θDBR1＝３０°より、第１の部分１２Ａへの入射角θinは、
θin＝９０°−θDBR1＝６０°
となる。第１の部分１２Ａの格子周期ΛDBR1＝２５１７ｎｍ、等価屈折率ｎDBR1＝３．２７５とすると、第１の部分１２Ａに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB
なる関係より、
θout＝sin-1［（λDFB／ｎDBR1・ΛDBR1）−sinθin］
であるから、値を代入することでθout＝−４５°となる。
【００２３】
また、第２の部分１２Ｂの格子周期をΛDBR2とすると、第２の部分１２Ｂの等価屈折率ｎDBR2＝３．２９３のとき、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB＝２ｎDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2＝ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）／２ｎDBR2
となる。
【００２４】
よって、基本回折角θoutからの偏角をφとすると、第２の部分１２Ｂの格子周期ΛDBR2は、偏角φを±５°とするとき、
φ＝−５°→θout＝−５０°→ΛDBR2≒１２６ｎｍ
φ＝−０°→θout＝−４５°→ΛDBR2≒２００ｎｍ
φ＝＋５°→θout＝−４０°→ΛDBR2≒２８０ｎｍ
となる。
【００２５】
図３には、第２の部分１２Ｂの格子周期Ｐ1をΛDBR2（φ＝５°）、格子周期Ｐ2をΛDBR2（φ＝−５°）と記す。
図４は、上記のように算出された各値を、図１の半導体レーザに付した模式図である。
【００２６】
［半導体レーザの製造方法］
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図５〜図１５は、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００２７】
先ず、図５に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にレジストマスク１０２を形成する。
ｎ型不純物、例えば錫（Ｓｎ）をドープしたｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520）を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク１０２は、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃからなる。
【００２８】
レジストパターン１０２ａは、活性領域の第１の回折格子（図１における活性領域１の第１の回折格子１１に相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ａで形成する第１の回折格子は、活性領域長が１２５μｍ程度、中央部位に位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフトを有する回折格子である。
【００２９】
レジストパターン１０２ｂは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分（図１における分布反射鏡領域２の第２の回折格子１２の第１の部分１２Ａに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ｂで形成する第１の部分は、格子周期が２５１７ｎｍ程度で、稜線が導波路の軸方向に対して３０°傾斜している回折格子である。
【００３０】
レジストパターン１０２ｃは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分（図１における分布反射鏡領域２の第２の回折格子１２の第２の部分１２Ｂに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ｃで形成する第２の部分は、第１の回折格子の稜線の法線方向に対して４５°の方向を中心として第１の回折格子に向かって凹形状とされた円弧状の回折格子である。第２の部分において、４５°の延長線上では格子周期が２００ｎｍ程度、４０°の延長線上では格子周期が２８０ｎｍ程度、５０°の延長線上では格子周期が１２６ｎｍ程度となる。
【００３１】
続いて、図６に示すように、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃを転写する。
レジストマスク１０２を用いて、エタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）により、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面にレジストパターン１０２ａ〜１０２ｃを転写する。このときのエッチング深さは１００ｎｍ程度である。
レジストマスク１０２は、灰化処理等によりｎ型ＩｎＰ基板１０１上から除去される。
【００３２】
本実施形態では、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃがｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面に同一工程で転写される。そのため、活性領域の第１の回折格子、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分、及び分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層に同一の深さに形成されることになる。
【００３３】
続いて、図７に示すように、上記の各回折格子が形成されたｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ガイド層１０３、ｎ型ＩｎＰ層１０４、量子井戸活性層１０５、及びクラッド層１０６を順次形成する。
ｎ型不純物、例えばシリコン（Ｓｉ）をドープしたＧａＩｎＡｓＰを、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に組成波長１．２０μｍ程度、厚み１２０ｎｍ程度に成長する。これにより、ガイド層１０３が形成される。
【００３４】
引き続き、ガイド層１０３上に、ｎ型ＩｎＰ層１０４、量子井戸活性層１０５、及びクラッド層１０６をＭＯＶＰＥ法により順次形成する。
ｎ型ＩｎＰ層１０４は、ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＩｎＰを厚み２０ｎｍ程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層１０５は、厚み６ｎｍ程度、圧縮歪量１．２％程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸層、及び組成波長１．０５μｍ程度、厚み１０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は１５層であり、その発光波長は１３１０ｎｍ程度である。また、これら量子井戸／バリア層は波長１．０５μｍ程度、厚み２０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ・ＳＣＨ層で挟まれている。
クラッド層１０６は、ｐ型不純物、例えば亜鉛（Ｚｎ）をドープしたＩｎＰを厚み２５０ｎｍ程度に成長することで形成される。
【００３５】
続いて、図８に示すように、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク１０７を形成する。
クラッド層１０６上を覆うように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク１０７が形成される。
【００３６】
続いて、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰ層１０４の表面までエッチングする。
エッチングマスク１０７を用いて、クラッド層１０６及び量子井戸活性層１０５をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でｎ型ＩｎＰ層１０４の表面が露出する。
【００３７】
続いて、図１０に示すように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１５μｍで厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８、及び厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＩｎＰ層１０９を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク１０７上にはアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９が形成される。
エッチングマスク１０７は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００３８】
続いて、図１１に示すように、クラッド層１１０及びコンタクト層１１１を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、全面に、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰを厚み２μｍ程度に成長し、クラッド層１１０を形成する。引き続き、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＩｎＡｓを厚み３００ｎｍ程度に成長し、コンタクト層１１１を形成する。
【００３９】
続いて、図１２に示すように、エッチングマスク１１２を形成する。
ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク１１２を形成する。
【００４０】
続いて、図１３に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層までエッチングする。
エッチングマスク１１２を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１０１を０．７μｍ程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層１１１からｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
【００４１】
続いて、図１４に示すように、電流狭窄層１１３を形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、メサ形状部分の側面に、Ｆｅをドープした半絶縁性ＩｎＰを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層１１３が形成される。
エッチングマスク１１２は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００４２】
続いて、図１５に示すように、パッシベーション膜１１４、ｐ型電極１１５、ｎ型電極１１６の形成の工程等を行う。
コンタクト層１１１の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜１１４を形成する。パッシベーション膜１１４の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にｐ型電極１１５ｎ型及び電極１１６を形成し、両端面に無反射コート１１７，１１８を形成する。以上のように共振器構造が形成され、半導体レーザが作製される。
【００４３】
本実施形態によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域１のブラッグモードが常に分布反射鏡領域２の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【００４４】
（第２の実施形態）
本実施形態による半導体レーザは、第１の実施形態による半導体レーザと類似の構成を有するが、第２の回折格子の第１の部分が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態による半導体レーザの構成部材等と同一のものについては同符号を付する。
【００４５】
［半導体レーザの構成］
図１６は、第２の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第１の回折格子１１を有する活性領域（ＤＦＢ領域）１と、第２の回折格子２１を有する分布反射鏡領域２０と、第３の回折格子３１を有する他の分布反射鏡領域３０とを有して構成される。
【００４６】
第１の回折格子１１は、各格子１１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。第１の回折格子１１の中央部位には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフト１１Ａが配されている。
【００４７】
第２の回折格子２１は、第１の回折格子１１の一端と並んで配置される第１の部分２１Ａと、第１の部分２１Ａから所定角度で分岐する第２の部分２１Ｂとを有して構成される。
第１の部分２１Ａは、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子２１Ａａが格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
第２の部分２１Ｂは、第１の部分２１Ａに対して凹状に湾曲した円弧形状の各格子２１Ｂａが、第１の部分２１Ａから入射される光の波長に整合した格子周期Ｐ1〜Ｐ2となるように並列して構成される。第２の部分２１Ｂでは、当該第２の部分２１Ｂを通過した光を反射して、当該反射光を第１の部分２１Ａを通って第１の回折格子１１に戻す。
【００４８】
第３の回折格子３１は、第１の回折格子１１の他端と並んで配置されている。第３の回折格子３１は、第１の回折格子１１の各格子１１ａと同様に、各格子１１ａと連続して、各格子３１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。
【００４９】
本実施形態による半導体レーザにおける、第２の回折格子２１の第２の部分２１Ｂの格子周期Ｐ1，Ｐ2の決定方法について説明する。図１７は、図１６の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
活性領域１の波長ドリフトがない状態でのＤＦＢ波長λDFB＝１５５０ｎｍ、活性領域１の等価屈折率ｎDFB＝３．２３のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB＝λDFB／２ｎDFB
より、ΛDFB＝２４０ｎｍとなる。
【００５０】
θDBR1＝３０°より、第１の部分１２Ａへの入射角θinは、
θin＝９０°
となる。第１の部分２１Ａの格子周期ΛDBR1＝９６０ｎｍ、等価屈折率ｎDBR1＝３．３とすると、第１の部分２１Ａに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB
なる関係より、
θout＝sin-1［（λDFB／ｎDBR1・ΛDBR1）−sinθin］
であるから、値を代入することでθout＝−３０°となる。
【００５１】
また、第２の部分２１Ｂの格子周期をΛDBR2とすると、第２の部分２１Ｂの等価屈折率ｎDBR2＝３．２５のとき、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB＝２ｎDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2＝ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）／２ｎDBR2
となる。
【００５２】
よって、基本回折角θoutからの偏角をφとすると、第２の部分２１Ｂの格子周期ΛDBR2は、偏角φを±５°とするとき、
φ＝−５°→θout＝−３５°→ΛDBR2≒２０５ｎｍ
φ＝−０°→θout＝−３０°→ΛDBR2≒２４０ｎｍ
φ＝＋５°→θout＝−２５°→ΛDBR2≒２７７ｎｍ
となる。
【００５３】
図１７には、第２の部分２１Ｂの格子周期Ｐ1をΛDBR2（φ＝５°）、格子周期Ｐ2をΛDBR2（φ＝−５°）と記す。
図１８は、上記のように算出された各値を、図１６の半導体レーザに付した模式図である。
【００５４】
［半導体レーザの製造方法］
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図１９〜図２９は、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００５５】
先ず、図１９に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上にレジストマスク２０２を形成する。
ｎ型不純物、例えば硫黄（Ｓ）をドープしたｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520）を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク２０２は、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂからなる。
【００５６】
レジストパターン２０２ａは、活性領域の第１の回折格子及び他の分布反射鏡領域の第３の回折格子を形成するためのマスクである。活性領域の第１の回折格子は、図１６における活性領域１の第１の回折格子１１に、他の分布反射鏡領域の第３の回折格子は、図１６における他の分布反射鏡領域３０の第３の回折格子３１にそれぞれ相当する。レジストパターン２０２ａで形成する第１の回折格子は、活性領域長が１００μｍ程度、中央部位に位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフトを有する回折格子である。レジストパターン２０２ａで形成する第３の回折格子は、第１の回折格子に連続して、領域長２５μｍ程度の回折格子である。
【００５７】
レジストパターン２０２ｂは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分（図１６における分布反射鏡領域２０の第２の回折格子２１の第２の部分２１Ｂに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン２０２ｂで形成する第２の部分は、導波路に垂直な法線方向に対して３０°の方向を中心として導波路に向かって凹形状とされた円弧状の回折格子である。第２の部分において、３０°の延長線上では格子周期が２００ｎｍ程度、２５°の延長線上では格子周期が２８０ｎｍ程度、３５°の延長線上では格子周期が１２６ｎｍ程度となる。
【００５８】
続いて、図２０に示すように、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂを転写する。
レジストマスク１０２を用いて、エタン／水素混合ガスによるＲＩＥにより、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面にレジストパターン２０２ａ，２０２ｂを転写する。このときのエッチング深さは１００ｎｍ程度である。
レジストマスク２０２は、灰化処理等によりｎ型ＩｎＰ基板２０１上から除去される。
【００５９】
本実施形態では、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂがｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面に同一工程で転写される。そのため、活性領域の第１の回折格子、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分、及び他の分布反射鏡領域の第３の回折格子は、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層に同一の深さに形成されることになる。
【００６０】
続いて、図２１に示すように、上記の各回折格子が形成されたｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ガイド層２０３、ｎ型ＩｎＰ層２０４、量子井戸活性層２０５、及びクラッド層２０６を順次形成する。
ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＧａＩｎＡｓＰを、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に組成波長１．２５μｍ程度、厚み１２０ｎｍ程度に成長する。これにより、ガイド層２０３が形成される。
【００６１】
引き続き、ガイド層２０３上に、ｎ型ＩｎＰ層２０４、量子井戸活性層２０５、及びクラッド層２０６をＭＯＶＰＥ法により順次形成する。
ｎ型ＩｎＰ層２０４は、ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＩｎＰを厚み２０ｎｍ程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層２０５は、厚み５．１ｎｍ程度、圧縮歪量１．２％程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸層、及び組成波長１．２０μｍ程度、厚み１０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は１５層であり、その発光波長は１５５０ｎｍ程度である。また、これら量子井戸／バリア層は波長１．１５μｍ程度、厚み２０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ・ＳＣＨ層で挟まれている。
クラッド層２０６は、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたＩｎＰを厚み２５０ｎｍ程度に成長することで形成される。
【００６２】
続いて、図２２に示すように、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク２０７を形成する。
クラッド層２０６上を覆うように、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク２０７が形成される。
【００６３】
続いて、図２３に示すように、ｎ型ＩｎＰ層２０４の表面までエッチングする。
エッチングマスク２０７を用いて、クラッド層２０６及び量子井戸活性層２０５をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でｎ型ＩｎＰ層２０４の表面が露出する。
【００６４】
続いて、図２４に示すように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３５μｍで厚み２３０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８、及び厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＩｎＰ層２０９を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク２０７上にはアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９が形成される。
エッチングマスク２０７は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００６５】
続いて、図２５に示すように、クラッド層２１０及びコンタクト層２１１を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、全面に、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰを厚み２μｍ程度に成長し、クラッド層２１０を形成する。引き続き、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＩｎＡｓを厚み３００ｎｍ程度に成長し、コンタクト層２１１を形成する。
【００６６】
続いて、図２６に示すように、エッチングマスク２１２を形成する。
ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク２１２を形成する。エッチングマスク２１２は、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分（図１６における分布反射鏡領域２０の第２の回折格子２１の第１の部分２１Ａに相当する。）を形成する目的も有するマスクである。エッチングマスク２１２で形成する第１の部分は、格子周期が９６０ｎｍ程度の回折格子である。
【００６７】
続いて、図２７に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層までエッチングする。
エッチングマスク２１２を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１を０．７μｍ程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層２１１からｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
【００６８】
本実施形態では、エッチングマスク２１２によりｎ型ＩｎＰ基板２０１に形成される、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分は、第１の回折格子、第２の回折格子の第２の部分、及び第３の回折格子とは別工程で形成される。ここでは、第１の部分は、その深さ（０．７μｍ程度）が、第１の回折格子、第２の回折格子の第２の部分、及び第３の回折格子の深さ（１００ｎｍ程度）とは異なるように形成される。
【００６９】
続いて、図２８に示すように、電流狭窄層２１３を形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、メサ形状部分の側面に、Ｆｅをドープした半絶縁性ＩｎＰを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層２１３が形成される。
エッチングマスク２１２は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００７０】
続いて、図２９に示すように、パッシベーション膜２１４、ｐ型電極２１５、ｎ型電極２１６の形成の工程等を行う。
コンタクト層２１１の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜２１４を形成する。パッシベーション膜２１４の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にｐ型電極２１５ｎ型及び電極２１６を形成し、両端面に無反射コート２１７，２１８を形成する。以上により、半導体レーザが形成される。
【００７１】
本実施形態によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域１のブラッグモードが常に分布反射鏡領域２０の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【００７２】
なお、上述した第１及び第２の実施形態では、高速変調動作化のために、量子井戸活性層１０５，２０５の量子井戸層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合を例示したが、ＡｌＧａＩｎＡｓの代わりにＧａＩｎＡｓＰ系の化合物半導体を用いても良い。
また、量子井戸層の発光波長は第１の実施形態では１３１０ｎｍ程度、第２の実施形態では１５５０ｎｍ程度としたが、それぞれ逆の波長帯としても良い。
また、量子井戸活性層１０５，２０５の代わりに、バルク型の半導体で構成されていても、同様の横高次モード抑制効果が得られる。
【００７３】
また、第１の実施形態では他の分布反射鏡領域はなく、第２の実施形態では他の分布反射鏡領域が設けられているが、第１の実施形態で他の分布反射鏡領域を設け、第２の実施形態で他の分布反射鏡領域を設けない構成としても良い。
また、第１及び第２の実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１を用いたが、ｐ型の導電性を有する基板を用いて、第１及び第２の実施形態の場合と逆の導電性で構成される構造を用いても、同様の効果が得られる。
【００７４】
また、第１及び第２の実施形態では、高速変調動作化のために半絶縁性材料を用いた電流狭窄層１１３を形成する場合を例示したが、例えばｐｎｐｎサイリスタ構造の電流狭窄構造を適用しても良い。
また、第１及び第２の実施形態では、回折格子の構造として表面回折格子構造を例示したが、埋め込み型の回折格子の構造を適用しても良い。
また第１及び第２の実施形態では、活性領域１に対してｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１側に回折格子の構造を装荷しているが、ｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１と反対側に回折格子の構造を装荷しても同様の効果が得られる。
【００７５】
また、第１及び第２の実施形態において、位相シフトの位置は活性領域１の中央に限られるものではなく、活性領域１内であれば設計の範囲内で活性領域１の中央以外の位置に配置することも可能である。
また、第１及び第２の実施形態において、活性領域１と分布反射領域２，２０，３０との結合係数が同値としているが、素子設計によっては異なっても良い。
また、第１及び第２の実施形態において、回折格子の山谷比が５０％の構造を示しているが、素子設計によっては異なる山谷比であっても良い。
【００７６】
以下、半導体レーザの諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７７】
（付記１）第１の回折格子を有する活性領域と、
第２の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。
【００７８】
（付記２）前記第２の部分は、自身を構成する各格子が円弧形状に形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
【００７９】
（付記３）前記第１の部分は、前記第１の回折格子の一端と並んで配置されることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体レーザ。
【００８０】
（付記４）前記第１の部分は、自身を構成する各格子が前記第１の回折格子における光路に対して斜め方向に配置されることを特徴とする付記３に記載の半導体レーザ。
【００８１】
（付記５）前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子が同一の深さに形成されていることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ。
【００８２】
（付記６）第３の回折格子を有する他の分布反射鏡領域を更に含み、
前記第３の回折格子は、前記第１の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする付記３に記載の半導体レーザ。
【００８３】
（付記７）前記第１の回折格子、前記第２の部分、及び前記第３の回折格子が同一の第１の深さに形成されており、前記第１の部分が前記第１の深さと異なる第２の深さに形成されていることを特徴とする付記６に記載の半導体レーザ。
【符号の説明】
【００８４】
１ 活性領域
２ 分布反射鏡領域
１１ 第１の回折格子
１１Ａ 位相シフト
１１ａ，１２Ａａ，１２Ｂａ 格子
１２ 第２の回折格子
１２Ａ 第１の部分
１２Ｂ 第２の部分
１０１，２０１ ｎ型ＩｎＰ基板
１０２，２０２ レジストマスク
１０２ａ〜１０２ｃ，２０２ａ，２０２ｂ レジストパターン
１０３，２０３ ガイド層
１０４，２０４ ｎ型ＩｎＰ層
１０５，２０５ 量子井戸活性層
１０６，２０６ クラッド層
１０７，１１２，２０７，２１２ エッチングマスク
１０８，２０８ アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層
１０９，２０９ アンドープＩｎＰ層
１１０，２１０ クラッド層
１１１，２１１ コンタクト層
１１３，２１３ 電流狭窄層
１１４，２１４ パッシベーション膜
１１５，２１５ ｐ型電極
１１６，２１６ ｎ型電極
１１７，１１８，２１７，２１８ 無反射コート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関し、特に光ファイバ伝送方式の光源に適用される。
【背景技術】
【０００２】
近年では、インターネット需要の爆発的な増加に伴い、光通信・光伝送において超高速化と大容量化への取り組みが活発化している。なかでも、超高速光ファイバ伝送システム又はデータコム向けに、アンクールドで高速の直接変調が可能な半導体レーザが求められている。このような半導体レーザとして、いわゆるＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザが期待されている。
【０００３】
基本的に、半導体レーザにおいては、活性層の体積をできるだけ小さくすることによって緩和振動周波数の値が大きくなり、直接変調可能なビットレートが上昇する。実際、NakaharaらはOFC/NFOEC 2006 講演番号OWC5 にてＤＦＢレーザの共振器長を１００μｍと短くすることで、室温にて４０Ｇｂ／ｓの変調が可能となることを示している。
【０００４】
しかしながら、ＤＦＢレーザの共振器構造は、前端面無反射コート／後端面高反射コート（反射率９０％程度）で位相シフトのない回折格子を用いているため、その単一縦モード発振歩留まりは、後端面における回折格子の位相に強く依存する。そして、回折格子の周期が約２００ｎｍと微細であり、ＤＦＢレーザを発光素子に劈開するときの端面の位置を精密に制御することは略不可能であるため、後端面での位相はランダムにならざるを得ない。従って、良好な単一縦モード発振が得られる素子の歩留まりを高くすることができないという問題がある。この問題に対処する構成の半導体レーザの一例が特許文献１，２に開示されている。この半導体レーザでは、後端面の反射鏡を高反射膜ではなく、活性領域の回折格子と同じ格子周期で位相が同期した回折格子を装荷し、電流を注入しない分布反射鏡を用いて活性領域への光帰還を行い、且つ回折格子にλ／４位相シフトを配置する。この構成により、単一縦モード発振の歩留まりを向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−４８２１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５３５５９号公報
【特許文献３】特開平１−２９３６８３号公報
【特許文献４】特開２００４−３５６４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２と同等の半導体レーザを作製し、レーザ光の発振強度について調べた。その結果を図３０に示す。図３０では、閾値直前、閾値直後、５ｍＷの出力時、及び１３５ｍＡの駆動時における発振強度をそれぞれ示す。
このように、閾値近傍、及び注入電流を増加してゆくと、マルチモード発振又はモード跳びが生じることが確認された。
【０００７】
この単一縦モード発振の歩留まりの劣化の原因について調べた。
閾値近傍におけるモード跳びの原因について調べた結果を図３１に示す。図３１では、（ａ）が注入電流のない場合、（ｂ）が発振閾値の場合の発振強度をそれぞれ示す。
注入電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因ついて調べた結果を図３２に示す。図３２では、（ａ）が発振しきいの場合、（ｂ）が注入電流を増加させた場合の発振強度をそれぞれ示す。
【０００８】
図３１の結果から、閾値近傍におけるモード跳びの原因は、以下の要因で発生することが判った。
活性領域への電子の注入に伴うプラズマ効果のために、活性領域の屈折率が低下し活性領域のブラッグ波長は短波側にシフトする。このとき、分布反射領域には電流が注入されないため、反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの長波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
【０００９】
図３２の結果から、駆動電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因は、以下の要因で発生することが判った。
活性領域への電流注入に伴って、活性領域の温度が上昇する。そのため、活性領域のブラッグ波長は長波側にシフトするが、分布反射領域には電流が注入されないので反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの短波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
【００１０】
以上より、単一縦モード発振歩留まりを向上させるには、活性領域への電流注入に伴う活性領域の屈折率の低下が生じても、副モードの発振閾値が低下して発振に至らないようにする必要がある。更に、活性領域への電流注入に伴う活性領域の温度上昇による活性領域のブラッグ波長の長波化が生じても、分布反射鏡の有効反射帯域から外れない、即ち分布反射鏡の有効反射帯域を拡大する必要がある。分布反射鏡の有効反射帯域は略分布反射鏡領域の長さに反比例するため、分布反射鏡領域長を短くすれば有効反射帯域は拡大する。しかしながら、例えば分布反射鏡領域の長さを半分にすると、図３３に示すように、反射率が半分以下に低下し、レーザ光の発振閾値の上昇を招く。これを補うためには、分布反射鏡領域の回折格子の結合係数を２倍近くに増大させれば良い。しかしながら、回折格子の深さを例えば２倍の２００ｎｍ以上にした場合には、結晶成長時に欠陥が多数発生するため、素子特性が劣化するという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域のブラッグモードが常に分布反射鏡領域の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
半導体レーザの一態様は、第１の回折格子を有する活性領域と、第２の回折格子を有する分布反射鏡領域とを含み、前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
上記の態様によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域のブラッグモードが常に分布反射鏡領域の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態による半導体レーザにおいて、ブラッグモードの長波ドリフトが生じた場合を説明する模式図である。
【図３】図１の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
【図４】算出された各値を、図１の半導体レーザに付した模式図である。
【図５】第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図６】図５に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図７】図６に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図８】図７に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図９】図８に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１０】図９に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１１】図１０に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１２】図１１に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１３】図１２に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１４】図１３に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１５】図１４に引き続き、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図１６】第２の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
【図１７】図１６の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
【図１８】算出された各値を、図１６の半導体レーザに付した模式図である。
【図１９】第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２０】図１９に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２１】図２０に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２２】図２１に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２３】図２２に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２４】図２３に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２５】図２４に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２６】図２５に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２７】図２６に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２８】図２７に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図２９】図２８に引き続き、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図３０】特許文献２と同等の半導体レーザにおける発振強度を示す特性図である。
【図３１】単一縦モード発振の歩留まりの劣化の原因について調べた結果を示す特性図である。
【図３２】注入電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因ついて調べた結果を示す特性図である。
【図３３】分布反射鏡領域の長さを半分にした場合の反射率を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、半導体レーザの諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
［半導体レーザの構成］
図１は、第１の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第１の回折格子１１を有する活性領域（ＤＦＢ領域）１と、第２の回折格子１２を有する分布反射鏡領域２とを有して構成される。
【００１７】
第１の回折格子１１は、各格子１１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。第１の回折格子１１の中央部位には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフト１１Ａが配されている。
第２の回折格子１２は、第１の回折格子１１の一端と並んで配置される第１の部分１２Ａと、第１の部分１２Ａから所定角度で分岐する第２の部分１２Ｂとを有して構成される。
第１の部分１２Ａは、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子１２Ａａが第１の回折格子１１における光路に対して斜め方向に格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
【００１８】
第２の部分１２Ｂは、第１の部分１２Ａに対して凹状に湾曲した円弧形状の各格子１２Ｂａが、第１の部分１２Ａから入射される光の波長に整合した格子周期Ｐ1〜Ｐ2となるように並列して構成される。第２の部分１２Ｂでは、当該第２の部分１２Ｂを通過した光を反射して、当該反射光を第１の部分１２Ａを通って第１の回折格子１１に戻す。
【００１９】
この半導体レーザでは、第２の回折格子１２の第１及び第２の部分１２Ａ，１２Ｂにより、活性領域１における光の発振波長の変化に追随して光路が自動的に振り分けられる。振り分け先に相当する第２の部分１２Ｂでは、その格子周期が変化した波長にマッチングする周期（格子周期Ｐ1〜Ｐ2）となるように、各格子１２Ｂａの配置間隔及び湾曲率が調節されている。
【００２０】
図２は、第１の実施形態による半導体レーザにおいて、ブラッグモードの長波ドリフトが生じた場合を説明する模式図であり、（ａ）はブラッグ波長がλ1の場合、（ｂ）はブラッグ波長がλ2（＞λ1）の場合の発振強度を示す。
この場合、活性領域１の温度上昇に伴うブラッグモードの長波ドリフト（ブラッグ波長λ2）が生じても、ブラッグモードが常に最適な共鳴周期を有する分布反射領域２に導かれる。そのため、マルチモード発振及びモード跳びが抑制され、安定で良好な単一縦モード発振を維持することができる。
【００２１】
本実施形態による半導体レーザにおける、第２の回折格子１２の第２の部分１２Ｂの格子周期Ｐ1，Ｐ2の決定方法について説明する。図３は、図１の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
活性領域１の波長ドリフトがない状態でのＤＦＢ波長λDFB＝１３１０ｎｍ、活性領域１の等価屈折率ｎDFB＝３．２７５のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB＝λDFB／２ｎDFB
より、ΛDFB＝２００ｎｍとなる。
【００２２】
θDBR1＝３０°より、第１の部分１２Ａへの入射角θinは、
θin＝９０°−θDBR1＝６０°
となる。第１の部分１２Ａの格子周期ΛDBR1＝２５１７ｎｍ、等価屈折率ｎDBR1＝３．２７５とすると、第１の部分１２Ａに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB
なる関係より、
θout＝sin-1［（λDFB／ｎDBR1・ΛDBR1）−sinθin］
であるから、値を代入することでθout＝−４５°となる。
【００２３】
また、第２の部分１２Ｂの格子周期をΛDBR2とすると、第２の部分１２Ｂの等価屈折率ｎDBR2＝３．２９３のとき、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB＝２ｎDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2＝ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）／２ｎDBR2
となる。
【００２４】
よって、基本回折角θoutからの偏角をφとすると、第２の部分１２Ｂの格子周期ΛDBR2は、偏角φを±５°とするとき、
φ＝−５°→θout＝−５０°→ΛDBR2≒１２６ｎｍ
φ＝−０°→θout＝−４５°→ΛDBR2≒２００ｎｍ
φ＝＋５°→θout＝−４０°→ΛDBR2≒２８０ｎｍ
となる。
【００２５】
図３には、第２の部分１２Ｂの格子周期Ｐ1をΛDBR2（φ＝５°）、格子周期Ｐ2をΛDBR2（φ＝−５°）と記す。
図４は、上記のように算出された各値を、図１の半導体レーザに付した模式図である。
【００２６】
［半導体レーザの製造方法］
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図５〜図１５は、第１の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００２７】
先ず、図５に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にレジストマスク１０２を形成する。
ｎ型不純物、例えば錫（Ｓｎ）をドープしたｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520）を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク１０２は、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃからなる。
【００２８】
レジストパターン１０２ａは、活性領域の第１の回折格子（図１における活性領域１の第１の回折格子１１に相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ａで形成する第１の回折格子は、活性領域長が１２５μｍ程度、中央部位に位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフトを有する回折格子である。
【００２９】
レジストパターン１０２ｂは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分（図１における分布反射鏡領域２の第２の回折格子１２の第１の部分１２Ａに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ｂで形成する第１の部分は、格子周期が２５１７ｎｍ程度で、稜線が導波路の軸方向に対して３０°傾斜している回折格子である。
【００３０】
レジストパターン１０２ｃは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分（図１における分布反射鏡領域２の第２の回折格子１２の第２の部分１２Ｂに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン１０２ｃで形成する第２の部分は、第１の回折格子の稜線の法線方向に対して４５°の方向を中心として第１の回折格子に向かって凹形状とされた円弧状の回折格子である。第２の部分において、４５°の延長線上では格子周期が２００ｎｍ程度、４０°の延長線上では格子周期が２８０ｎｍ程度、５０°の延長線上では格子周期が１２６ｎｍ程度となる。
【００３１】
続いて、図６に示すように、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃを転写する。
レジストマスク１０２を用いて、エタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）により、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面にレジストパターン１０２ａ〜１０２ｃを転写する。このときのエッチング深さは１００ｎｍ程度である。
レジストマスク１０２は、灰化処理等によりｎ型ＩｎＰ基板１０１上から除去される。
【００３２】
本実施形態では、レジストパターン１０２ａ〜１０２ｃがｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面に同一工程で転写される。そのため、活性領域の第１の回折格子、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分、及び分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層に同一の深さに形成されることになる。
【００３３】
続いて、図７に示すように、上記の各回折格子が形成されたｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ガイド層１０３、ｎ型ＩｎＰ層１０４、量子井戸活性層１０５、及びクラッド層１０６を順次形成する。
ｎ型不純物、例えばシリコン（Ｓｉ）をドープしたＧａＩｎＡｓＰを、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に組成波長１．２０μｍ程度、厚み１２０ｎｍ程度に成長する。これにより、ガイド層１０３が形成される。
【００３４】
引き続き、ガイド層１０３上に、ｎ型ＩｎＰ層１０４、量子井戸活性層１０５、及びクラッド層１０６をＭＯＶＰＥ法により順次形成する。
ｎ型ＩｎＰ層１０４は、ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＩｎＰを厚み２０ｎｍ程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層１０５は、厚み６ｎｍ程度、圧縮歪量１．２％程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸層、及び組成波長１．０５μｍ程度、厚み１０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は１５層であり、その発光波長は１３１０ｎｍ程度である。また、これら量子井戸／バリア層は波長１．０５μｍ程度、厚み２０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ・ＳＣＨ層で挟まれている。
クラッド層１０６は、ｐ型不純物、例えば亜鉛（Ｚｎ）をドープしたＩｎＰを厚み２５０ｎｍ程度に成長することで形成される。
【００３５】
続いて、図８に示すように、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク１０７を形成する。
クラッド層１０６上を覆うように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）により、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク１０７が形成される。
【００３６】
続いて、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰ層１０４の表面までエッチングする。
エッチングマスク１０７を用いて、クラッド層１０６及び量子井戸活性層１０５をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でｎ型ＩｎＰ層１０４の表面が露出する。
【００３７】
続いて、図１０に示すように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１５μｍで厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８、及び厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＩｎＰ層１０９を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク１０７上にはアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層１０８及びアンドープＩｎＰ層１０９が形成される。
エッチングマスク１０７は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００３８】
続いて、図１１に示すように、クラッド層１１０及びコンタクト層１１１を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、全面に、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰを厚み２μｍ程度に成長し、クラッド層１１０を形成する。引き続き、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＩｎＡｓを厚み３００ｎｍ程度に成長し、コンタクト層１１１を形成する。
【００３９】
続いて、図１２に示すように、エッチングマスク１１２を形成する。
ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク１１２を形成する。
【００４０】
続いて、図１３に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層までエッチングする。
エッチングマスク１１２を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１０１を０．７μｍ程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層１１１からｎ型ＩｎＰ基板１０１の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
【００４１】
続いて、図１４に示すように、電流狭窄層１１３を形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、メサ形状部分の側面に、Ｆｅをドープした半絶縁性ＩｎＰを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層１１３が形成される。
エッチングマスク１１２は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００４２】
続いて、図１５に示すように、パッシベーション膜１１４、ｐ型電極１１５、ｎ型電極１１６の形成の工程等を行う。
コンタクト層１１１の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜１１４を形成する。パッシベーション膜１１４の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にｐ型電極１１５ｎ型及び電極１１６を形成し、両端面に無反射コート１１７，１１８を形成する。以上のように共振器構造が形成され、半導体レーザが作製される。
【００４３】
本実施形態によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域１のブラッグモードが常に分布反射鏡領域２の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【００４４】
（第２の実施形態）
本実施形態による半導体レーザは、第１の実施形態による半導体レーザと類似の構成を有するが、第２の回折格子の第１の部分が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態による半導体レーザの構成部材等と同一のものについては同符号を付する。
【００４５】
［半導体レーザの構成］
図１６は、第２の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第１の回折格子１１を有する活性領域（ＤＦＢ領域）１と、第２の回折格子２１を有する分布反射鏡領域２０と、第３の回折格子３１を有する他の分布反射鏡領域３０とを有して構成される。
【００４６】
第１の回折格子１１は、各格子１１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。第１の回折格子１１の中央部位には、位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフト１１Ａが配されている。
【００４７】
第２の回折格子２１は、第１の回折格子１１の一端と並んで配置される第１の部分２１Ａと、第１の部分２１Ａから所定角度で分岐する第２の部分２１Ｂとを有して構成される。
第１の部分２１Ａは、第１の回折格子１１から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子２１Ａａが格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
第２の部分２１Ｂは、第１の部分２１Ａに対して凹状に湾曲した円弧形状の各格子２１Ｂａが、第１の部分２１Ａから入射される光の波長に整合した格子周期Ｐ1〜Ｐ2となるように並列して構成される。第２の部分２１Ｂでは、当該第２の部分２１Ｂを通過した光を反射して、当該反射光を第１の部分２１Ａを通って第１の回折格子１１に戻す。
【００４８】
第３の回折格子３１は、第１の回折格子１１の他端と並んで配置されている。第３の回折格子３１は、第１の回折格子１１の各格子１１ａと同様に、各格子１１ａと連続して、各格子３１ａが伝搬する光の光路と垂直に格子周期ΛDFBで並列して構成される。
【００４９】
本実施形態による半導体レーザにおける、第２の回折格子２１の第２の部分２１Ｂの格子周期Ｐ1，Ｐ2の決定方法について説明する。図１７は、図１６の半導体レーザに、各格子周期及び各等価屈折率を付した模式図である。
活性領域１の波長ドリフトがない状態でのＤＦＢ波長λDFB＝１５５０ｎｍ、活性領域１の等価屈折率ｎDFB＝３．２３のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB＝λDFB／２ｎDFB
より、ΛDFB＝２４０ｎｍとなる。
【００５０】
θDBR1＝３０°より、第１の部分１２Ａへの入射角θinは、
θin＝９０°
となる。第１の部分２１Ａの格子周期ΛDBR1＝９６０ｎｍ、等価屈折率ｎDBR1＝３．３とすると、第１の部分２１Ａに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB
なる関係より、
θout＝sin-1［（λDFB／ｎDBR1・ΛDBR1）−sinθin］
であるから、値を代入することでθout＝−３０°となる。
【００５１】
また、第２の部分２１Ｂの格子周期をΛDBR2とすると、第２の部分２１Ｂの等価屈折率ｎDBR2＝３．２５のとき、
ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）＝λDFB＝２ｎDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2＝ｎDBR1・ΛDBR1（sinθin＋sinθout）／２ｎDBR2
となる。
【００５２】
よって、基本回折角θoutからの偏角をφとすると、第２の部分２１Ｂの格子周期ΛDBR2は、偏角φを±５°とするとき、
φ＝−５°→θout＝−３５°→ΛDBR2≒２０５ｎｍ
φ＝−０°→θout＝−３０°→ΛDBR2≒２４０ｎｍ
φ＝＋５°→θout＝−２５°→ΛDBR2≒２７７ｎｍ
となる。
【００５３】
図１７には、第２の部分２１Ｂの格子周期Ｐ1をΛDBR2（φ＝５°）、格子周期Ｐ2をΛDBR2（φ＝−５°）と記す。
図１８は、上記のように算出された各値を、図１６の半導体レーザに付した模式図である。
【００５４】
［半導体レーザの製造方法］
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図１９〜図２９は、第２の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００５５】
先ず、図１９に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上にレジストマスク２０２を形成する。
ｎ型不純物、例えば硫黄（Ｓ）をドープしたｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、電子ビームレジスト（例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520）を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク２０２は、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂからなる。
【００５６】
レジストパターン２０２ａは、活性領域の第１の回折格子及び他の分布反射鏡領域の第３の回折格子を形成するためのマスクである。活性領域の第１の回折格子は、図１６における活性領域１の第１の回折格子１１に、他の分布反射鏡領域の第３の回折格子は、図１６における他の分布反射鏡領域３０の第３の回折格子３１にそれぞれ相当する。レジストパターン２０２ａで形成する第１の回折格子は、活性領域長が１００μｍ程度、中央部位に位相がπラジアン（λ／４シフトに相当する。）の位相シフトを有する回折格子である。レジストパターン２０２ａで形成する第３の回折格子は、第１の回折格子に連続して、領域長２５μｍ程度の回折格子である。
【００５７】
レジストパターン２０２ｂは、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分（図１６における分布反射鏡領域２０の第２の回折格子２１の第２の部分２１Ｂに相当する。）を形成するためのマスクである。レジストパターン２０２ｂで形成する第２の部分は、導波路に垂直な法線方向に対して３０°の方向を中心として導波路に向かって凹形状とされた円弧状の回折格子である。第２の部分において、３０°の延長線上では格子周期が２００ｎｍ程度、２５°の延長線上では格子周期が２８０ｎｍ程度、３５°の延長線上では格子周期が１２６ｎｍ程度となる。
【００５８】
続いて、図２０に示すように、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂを転写する。
レジストマスク１０２を用いて、エタン／水素混合ガスによるＲＩＥにより、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面にレジストパターン２０２ａ，２０２ｂを転写する。このときのエッチング深さは１００ｎｍ程度である。
レジストマスク２０２は、灰化処理等によりｎ型ＩｎＰ基板２０１上から除去される。
【００５９】
本実施形態では、レジストパターン２０２ａ，２０２ｂがｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面に同一工程で転写される。そのため、活性領域の第１の回折格子、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第２の部分、及び他の分布反射鏡領域の第３の回折格子は、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層に同一の深さに形成されることになる。
【００６０】
続いて、図２１に示すように、上記の各回折格子が形成されたｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ガイド層２０３、ｎ型ＩｎＰ層２０４、量子井戸活性層２０５、及びクラッド層２０６を順次形成する。
ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＧａＩｎＡｓＰを、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に組成波長１．２５μｍ程度、厚み１２０ｎｍ程度に成長する。これにより、ガイド層２０３が形成される。
【００６１】
引き続き、ガイド層２０３上に、ｎ型ＩｎＰ層２０４、量子井戸活性層２０５、及びクラッド層２０６をＭＯＶＰＥ法により順次形成する。
ｎ型ＩｎＰ層２０４は、ｎ型不純物、例えばＳｉをドープしたＩｎＰを厚み２０ｎｍ程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層２０５は、厚み５．１ｎｍ程度、圧縮歪量１．２％程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸層、及び組成波長１．２０μｍ程度、厚み１０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は１５層であり、その発光波長は１５５０ｎｍ程度である。また、これら量子井戸／バリア層は波長１．１５μｍ程度、厚み２０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ・ＳＣＨ層で挟まれている。
クラッド層２０６は、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたＩｎＰを厚み２５０ｎｍ程度に成長することで形成される。
【００６２】
続いて、図２２に示すように、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク２０７を形成する。
クラッド層２０６上を覆うように、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク２０７が形成される。
【００６３】
続いて、図２３に示すように、ｎ型ＩｎＰ層２０４の表面までエッチングする。
エッチングマスク２０７を用いて、クラッド層２０６及び量子井戸活性層２０５をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でｎ型ＩｎＰ層２０４の表面が露出する。
【００６４】
続いて、図２４に示すように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３５μｍで厚み２３０ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８、及び厚み２５０ｎｍ程度のアンドープＩｎＰ層２０９を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク２０７上にはアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層２０８及びアンドープＩｎＰ層２０９が形成される。
エッチングマスク２０７は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００６５】
続いて、図２５に示すように、クラッド層２１０及びコンタクト層２１１を順次形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、全面に、ｐ型不純物、例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰを厚み２μｍ程度に成長し、クラッド層２１０を形成する。引き続き、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＩｎＡｓを厚み３００ｎｍ程度に成長し、コンタクト層２１１を形成する。
【００６６】
続いて、図２６に示すように、エッチングマスク２１２を形成する。
ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み４００ｎｍ程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク２１２を形成する。エッチングマスク２１２は、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分（図１６における分布反射鏡領域２０の第２の回折格子２１の第１の部分２１Ａに相当する。）を形成する目的も有するマスクである。エッチングマスク２１２で形成する第１の部分は、格子周期が９６０ｎｍ程度の回折格子である。
【００６７】
続いて、図２７に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層までエッチングする。
エッチングマスク２１２を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１を０．７μｍ程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層２１１からｎ型ＩｎＰ基板２０１の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
【００６８】
本実施形態では、エッチングマスク２１２によりｎ型ＩｎＰ基板２０１に形成される、分布反射鏡領域の第２の回折格子の第１の部分は、第１の回折格子、第２の回折格子の第２の部分、及び第３の回折格子とは別工程で形成される。ここでは、第１の部分は、その深さ（０．７μｍ程度）が、第１の回折格子、第２の回折格子の第２の部分、及び第３の回折格子の深さ（１００ｎｍ程度）とは異なるように形成される。
【００６９】
続いて、図２８に示すように、電流狭窄層２１３を形成する。
ＭＯＶＰＥ法により、メサ形状部分の側面に、Ｆｅをドープした半絶縁性ＩｎＰを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層２１３が形成される。
エッチングマスク２１２は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
【００７０】
続いて、図２９に示すように、パッシベーション膜２１４、ｐ型電極２１５、ｎ型電極２１６の形成の工程等を行う。
コンタクト層２１１の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。ＣＶＤ法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜２１４を形成する。パッシベーション膜２１４の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にｐ型電極２１５ｎ型及び電極２１６を形成し、両端面に無反射コート２１７，２１８を形成する。以上により、半導体レーザが形成される。
【００７１】
本実施形態によれば、発振閾値電流までのプラズマ効果による発振波長の短波長化、又は発振後の温度上昇に伴う発振波長の長波長化が生じても、活性領域１のブラッグモードが常に分布反射鏡領域２０の有効反射帯域から外れることなく、安定した良好な単一モード発振を得ることのできる、信頼性の高い半導体レーザが実現する。
【００７２】
なお、上述した第１及び第２の実施形態では、高速変調動作化のために、量子井戸活性層１０５，２０５の量子井戸層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合を例示したが、ＡｌＧａＩｎＡｓの代わりにＧａＩｎＡｓＰ系の化合物半導体を用いても良い。
また、量子井戸層の発光波長は第１の実施形態では１３１０ｎｍ程度、第２の実施形態では１５５０ｎｍ程度としたが、それぞれ逆の波長帯としても良い。
また、量子井戸活性層１０５，２０５の代わりに、バルク型の半導体で構成されていても、同様の横高次モード抑制効果が得られる。
【００７３】
また、第１の実施形態では他の分布反射鏡領域はなく、第２の実施形態では他の分布反射鏡領域が設けられているが、第１の実施形態で他の分布反射鏡領域を設け、第２の実施形態で他の分布反射鏡領域を設けない構成としても良い。
また、第１及び第２の実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１を用いたが、ｐ型の導電性を有する基板を用いて、第１及び第２の実施形態の場合と逆の導電性で構成される構造を用いても、同様の効果が得られる。
【００７４】
また、第１及び第２の実施形態では、高速変調動作化のために半絶縁性材料を用いた電流狭窄層１１３を形成する場合を例示したが、例えばｐｎｐｎサイリスタ構造の電流狭窄構造を適用しても良い。
また、第１及び第２の実施形態では、回折格子の構造として表面回折格子構造を例示したが、埋め込み型の回折格子の構造を適用しても良い。
また第１及び第２の実施形態では、活性領域１に対してｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１側に回折格子の構造を装荷しているが、ｎ型ＩｎＰ基板１０１，２０１と反対側に回折格子の構造を装荷しても同様の効果が得られる。
【００７５】
また、第１及び第２の実施形態において、位相シフトの位置は活性領域１の中央に限られるものではなく、活性領域１内であれば設計の範囲内で活性領域１の中央以外の位置に配置することも可能である。
また、第１及び第２の実施形態において、活性領域１と分布反射領域２，２０，３０との結合係数が同値としているが、素子設計によっては異なっても良い。
また、第１及び第２の実施形態において、回折格子の山谷比が５０％の構造を示しているが、素子設計によっては異なる山谷比であっても良い。
【００７６】
以下、半導体レーザの諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７７】
（付記１）第１の回折格子を有する活性領域と、
第２の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。
【００７８】
（付記２）前記第２の部分は、自身を構成する各格子が円弧形状に形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
【００７９】
（付記３）前記第１の部分は、前記第１の回折格子の一端と並んで配置されることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体レーザ。
【００８０】
（付記４）前記第１の部分は、自身を構成する各格子が前記第１の回折格子における光路に対して斜め方向に配置されることを特徴とする付記３に記載の半導体レーザ。
【００８１】
（付記５）前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子が同一の深さに形成されていることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ。
【００８２】
（付記６）第３の回折格子を有する他の分布反射鏡領域を更に含み、
前記第３の回折格子は、前記第１の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする付記３に記載の半導体レーザ。
【００８３】
（付記７）前記第１の回折格子、前記第２の部分、及び前記第３の回折格子が同一の第１の深さに形成されており、前記第１の部分が前記第１の深さと異なる第２の深さに形成されていることを特徴とする付記６に記載の半導体レーザ。
【符号の説明】
【００８４】
１ 活性領域
２ 分布反射鏡領域
１１ 第１の回折格子
１１Ａ 位相シフト
１１ａ，１２Ａａ，１２Ｂａ 格子
１２ 第２の回折格子
１２Ａ 第１の部分
１２Ｂ 第２の部分
１０１，２０１ ｎ型ＩｎＰ基板
１０２，２０２ レジストマスク
１０２ａ〜１０２ｃ，２０２ａ，２０２ｂ レジストパターン
１０３，２０３ ガイド層
１０４，２０４ ｎ型ＩｎＰ層
１０５，２０５ 量子井戸活性層
１０６，２０６ クラッド層
１０７，１１２，２０７，２１２ エッチングマスク
１０８，２０８ アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ層
１０９，２０９ アンドープＩｎＰ層
１１０，２１０ クラッド層
１１１，２１１ コンタクト層
１１３，２１３ 電流狭窄層
１１４，２１４ パッシベーション膜
１１５，２１５ ｐ型電極
１１６，２１６ ｎ型電極
１１７，１１８，２１７，２１８ 無反射コート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回折格子を有する活性領域と、
第２の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２の部分は、自身を構成する各格子が円弧形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の部分は、前記第１の回折格子の一端と並んで配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の部分は、自身を構成する各格子が前記第１の回折格子における光路に対して斜め方向に配置されることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
第３の回折格子を有する他の分布反射鏡領域を更に含み、
前記第３の回折格子は、前記第１の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項１】
第１の回折格子を有する活性領域と、
第２の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第１の部分と、前記第１の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第２の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２の部分は、自身を構成する各格子が円弧形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の部分は、前記第１の回折格子の一端と並んで配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の部分は、自身を構成する各格子が前記第１の回折格子における光路に対して斜め方向に配置されることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
第３の回折格子を有する他の分布反射鏡領域を更に含み、
前記第３の回折格子は、前記第１の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２０１２−１５１１４１（Ｐ２０１２−１５１１４１Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６３７２（Ｐ２０１１−６３７２）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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