(57)【要約】【課題】半導体レーザの縦単一モード発振の歩留まりを、原理的に１００％にすること。【解決手段】回折格子が形成された活性層と、前記活性層に接続され、且つ前記回折格子が延在するコア層と、前記活性層及び前記コア層が形成された基板を具備し、前記コア層は前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の底の高さ及び前記コア層の底の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定であり、且つ、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の頂上の高さ及び前記コア層の頂上の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定であること。【選択図】    図２
2010232409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子が形成された活性層と、
前記活性層に接続され、且つ前記回折格子が延在するコア層と、
前記活性層及び前記コア層が形成された基板を具備し、
前記コア層は前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、
前記基板の表面を基準とした、前記活性層の底の高さ及び前記コア層の底の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定であり、
且つ、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の頂上の高さ及び前記コア層の頂上の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定である、
半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記回折格子が、前記活性層及び前記コア層に亘って周期的に溝が設けられて形成され、
前記コア層に形成された前記溝が、前記活性層に形成された前記溝より深いことを、
特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
半導体基板上に、量子井戸構造を形成する第１の工程と、
前記量井戸構造の第１の領域を混晶化する第２の工程と、
前記量井戸構造が混晶されていない第２の領域と前記第１の領域に亘って、回折格子を形成する第３の工程と、
前記第１の領域を活性層とし、且つ前記第２の領域をコア層とする光導波路を形成する第４の工程を、
具備する半導体レーザの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザの製造方法において、
前記第３の工程が、
前記第１の領域及び前記第２の領域に亘って、前記量子井戸層の底に達しない溝を周期的に形成し、その後、前記第１の領域において前記溝を更に深くする工程であることを、
特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の半導体レーザの製造方法において、
前記半導体基板がＩｎＰ基板であり、
前記第１の工程が、前記量子井戸構造を形成し、更に、第１のＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、及び第２のＩｎＰ層を連続して成長する工程であり、
前記第３の工程が、前記第２のＩｎＰ層及び前記ＩｎＧａＡｓＰ層を夫々ウェトエッチングにより選択的に除去した後、前記回折格子を形成する工程であることを、
特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
回折格子が形成された活性層と、前記活性層に接続され、且つ前記回折格子が延在するコア層と、前記活性層及び前記コア層が形成された基板を具備し、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の底の高さ及び前記コア層の底の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定であり、且つ、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の頂上の高さ及び前記コア層の頂上の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定である半導体レーザと、
前記半導体レーザを駆動する電気信号源と、
前記半導体レーザの出射する信号光を出力する光出力ポートを、
具備する光送信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、その製造方法、及び光送信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の縦モードを含む信号光を光ファイバを通して伝送すると、波長による伝搬速度の違い（波長分散）によって信号波形が変形する。このため、伝送速度が高くなると、受信側で光信号のＯＮ及びＯＦＦの識別が困難になる。
【０００３】
このため、光ファイバ通信の光源には、縦単一モードで発振する半導体レーザが使用される。縦単一モードレーザとしては種々のものが存在するが、分布帰還型（distributed feedback; ＤＦＢ）レーザが広く使用されている。
【０００４】
ＤＦＢレーザは、回折格子によって活性層を伝搬する前進波と後進波を結合させて、レーザ発振に必要な光の帰還を実現する半導体レーザである。ＤＦＢレーザには、屈折率結合型のＤＦＢレーザと利得結合型のＤＦＢレーザの２種類がある。
【０００５】
屈折率結合型のＤＦＢレーザは、活性層に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子（屈折率結合回折格子）を設けた半導体レーザである。一方、利得結合型のＤＦＢレーザは、活性層の光利得が周期的に変化する回折格子（利得結合回折格子）を設けた半導体レーザである。尚、利得結合回折格子では、通常、光利得の周期的変化と同時に屈折率も変化する。このため、利得結合回折格子は、複合結合型回折格子と呼ばれる場合もある。
【０００６】
屈折率結合型のＤＦＢレーザは、光ファイバ通信の光源としていち早く開発され、現在広く用いられている。
【０００７】
均一な回折格子を用いた屈折率結合型のＤＦＢレーザでは、原理的にはブラック波長を中心とするストップバンドの外側に、しきい利得の等しい２つの共振器モード（縦モード）が発生する。実際のＤＦＢレーザは、片側（出射側）の端面に無反射コーティング（anti-reflection coating；ＡＲコーティング）を有し、もう片側の端面は有限の反射率を有している。有限の反射率を有する端面が回折格子の周期のどこに位置するか（すなわち、端面位相）によってブラッグ波長の短波長側と長波長側のどちらかの縦モードが選択される。尚、端面位相によっては２つの縦モードの両方が発振する。端面位相は素子の製造上制御困難であるために、このＤＦＢレーザでは、ある確率で２つの縦モードで発振する素子が避けられない、すなわち単一波長発振歩留まりが原理的に100%にならないという問題がある。
【０００８】
この問題を解決すために、レーザ中央部で回折格子の位相をπずらしたλ/４シフト構造が開発されている。この構造では、ブラッグ波長に共振器モードが発生し、しきい利得は、この共振器モードで、最低になる。故に、上記回折格子を備えたＤＦＢレーザは、ブラッグ波長で縦単一モード発振する。しかし、このようなＤＦＢレーザ（位相シフトＤＦＢレーザと呼ばれる）を縦単一モードで安定に発振させるためには、レーザの両端に無反射コーティングを施す必要がある。従って、位相シフトＤＦＢレーザは、無反射コーティングが施された両端面から等しくレーザ光を出力する。このため、位相シフトＤＦＢレーザには、全出力の半分しか光信号として利用することができないという問題がある。
【０００９】
更に、屈折率結合型のＤＦＢレーザには、反射戻り光によってレーザ発振が不安定になり雑音が発生しやすいという問題もある。
【００１０】
屈折率の周期的変化を伴う利得結合型のＤＦＢレーザでは、ブラック波長を挟んで２つの共振器のモードが発生する。但し、屈折率結合型のＤＦＢレーザとは異なり、ブラッグ波長の長波長側に現れる共振器モードの方が、しきい利得が低くなる。このため、両共振器モードは競合しにくく、基本的にブラッグ波長の長波長側の共振器モードがレーザ発振する（特許文献１）。これにより、レーザ端面の一方に高反射コーティング（high-reflection coating；ＨＲコーティング）を施し、他方の端面に無反射コーティングを施すことにより、高出力の信号光を得ることが可能になる（特許文献２）。更に、利得結合型のＤＦＢレーザには、反射戻り光による雑音が発生しにくいという利点もある。
【００１１】
このため、近年、利得結合型ＤＦＢレーザの研究開発が活発化している。特に、低コスト化が進んでいる高速直接変調用レーザへの適用が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３３２８０９号
【特許文献２】特開２００１−１５６３９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、利得結合型のＤＦＢレーザでも、高反射コーティングが設けられた端面における回折格子の位相（以後、端面位相と呼ばれる）によっては、ブラッグ波長を挟んだ２つの共振器モードが競合して、レーザ発振が不安定になる場合が存在する。現在の製造技術では、ＤＦＢレーザの端面位相を制御することは困難である。このため、利得結合型ＤＦＢレーザでも歩留まりを１００％とすることは、原理的に困難である。
【００１４】
更に、低コスト化のためにアンクールド動作（素子温度の制御を伴わない半導体レーザの動作）を実行すると、共振器モードの競合が、一層起こりやすくなる。
【００１５】
利得結合型ＤＦＢレーザが置かれた環境の温度（環境温度）が低下し、利得結合型ＤＦＢレーザの動作温度が低下すると、ブラッグ波長の短波長側に発生した共振器モードの利得が大きくなる。このため、レーザ発振している長波長側の共振器モードとの競合がより起こりやすくなる。このため、アンクールド動作を実行すると、歩留まりが低下する。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、回折格子の端面位相によらず、原理的な歩留まりが１００％となる(又は、１００％に近づいた)利得結合型のＤＦＢレーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本半導体レーザは、回折格子が形成された活性層と、前記活性層に接続され、且つ前記回折格子が延在するコア層と、前記活性層及び前記コア層が形成された基板を具備する。そして、本分布帰還型半導体レーザでは、前記コア層は前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の底の高さ及び前記コア層の底の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定であり、且つ、前記基板の表面を基準とした、前記活性層の頂上の高さ及び前記コア層の頂上の高さが、前記活性層及び前記コア層に亘って一定である。
【発明の効果】
【００１８】
本半導体レーザによれば、回折格子の端面位相によらず、原理的な縦単一モード発振歩留まりを１００％すること（又は、１００％に近づけること）ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の利得結合型ＤＦＢレーザのレーザ光の導波方向に沿った断面を説明する図である。
【図２】実施の形態の半導体レーザの、レーザ光の導波方向に沿った断面を説明する図である。
【図３】利得結合回折格子と後端面の間に、バットジョイント成長によって、屈折率結合型回折格を形成したＤＦＢレーザの断面図である。
【図４】遷移領域に於ける光学長の変化が、屈折率結合回折格子と利得結合回折格子の位相関係に及ぼす影響を説明する図である。
【図５】実施例２の半導体レーザの、レーザ光の導波方向に沿った断面を説明する図である。
【図６】実施例１又２の半導体レーザを搭載したモジュールの構成を説明する断面図である。
【図７】実施例１又２の半導体レーザを光源とする光送信機の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００２１】
最初に、本発明者の知見も交え、従来の利得結合型ＤＦＢレーザの問題点を具体的に説明する。
【００２２】
図１は、従来の利得結合型ＤＦＢレーザ２の、レーザ光の導波方向に沿った断面を説明する図である。尚、以下の説明では、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付して、その説明は省略される。
【００２３】
図１に示すように、従来の利得結合型ＤＦＢレーザ２は、例えば、下部クラッド層として機能するｎ型の基板４と、回折格子が形成された活性層６と、ｐ型の上部クラッド層８と、ｐ型のコンタクト層１０を具備している。また、利得結合型ＤＦＢレーザ２は、ｎ型の基板４の裏面に形成されたｎ側電極１２と、コンタクト層１０の上に形成されたｐ側電極１４を具備している。更に、利得結合型ＤＦＢレーザ２は、レーザ光１６が出射する端面１５（以後、前端面と呼ばれる）に形成された無反射コーティング１８と、前端面１５とは反対側の端面３６（以後、後端面と呼ばれる）に形成された高反射コーティング２０を具備している。
【００２４】
上記活性層６には、周期的に溝２２が形成されている。この溝２２によって、活性層６の光利得が周期的に変化（利得変調）する。紙面に対して右に進む前進波と左に進む後退波が、この利得変調によって結合して、光の帰還が実現される。
【００２５】
この時、ブラッグ波長（＝２ｎｅｆｆΛ；Λは回折格子の周期、ｎｅｆｆは等価屈折率）を中心とするストップバンドが形成される。このストップバンドの少し外側に、１対の共振器モードが発生する。この一対の共振器モードのうち長波長側の共振器モードは、回折格子の頂上にレーザ光強度の腹（電界強度が最も強い部分）が来るモードである。利得結合型ＤＦＢレーザ２は、この長波長側の共振器モードで極めて安定にレーザ発振する。
【００２６】
しかし、高反射コーティング２０が形成された端面（後端面３６）での回折格子（利得結合回折格子３２）の位相（端面位相）によっては、ブラッグ波長の短波長側の共振器モードが、長波長側の共振器モードと競合する場合が発生する。これは、後端面３６で反射されたレーザ光が活性層６に戻って、後進波と干渉するためである。
【００２７】
このような共振器モードの競合が起きることは稀ではあるが、共振器モードの競合が起きると、利得結合型ＤＦＢレーザ２のレーザ発振は不安定になる。尚、ブラッグ波長の短波長側の共振器モードは、利得結合回折格子３２の底にレーザ光強度の腹が来るモードである。
【００２８】
思いのままの端面位相を実現できる製造技術があれば、このようなモード競合を防止することは可能である。従って、縦単一モードレーザ発振の理論上の歩留りを、１００％にすることは可能になる。しかし、現在の半導体レーザの製造技術では、端面位相の制御は困難である。従って、図１に示すような利得結合型ＤＦＢレーザ２では、縦単一モードレーザ発振の歩留りを、原理的に１００％にすることは困難である。
【００２９】
図２は、本実施の形態の半導体レーザ２４の、光の導波方向に沿った断面図である。上述した端面位相の制御困難性を克服するために、後端面３６に無反射コーティング２６が施されている。従って、後端面３６で反射されたレーザ光が活性層６に戻って、後進波と干渉して、レーザ発振を不安定にすることはない。
【００３０】
本半導体レーザ２４では、更に、後端面３６と利得結合回折格子３２を有する活性層６の間に、回折格子が形成されたコア層２８が形成されている。このコア層２８は、バンドギャップが活性層より広く、活性層６で増幅される光に対して透明である（以下の説明でも、同様である。）。従って、コア層２８に形成された回折格子は、屈折率結合回折格子３０として機能する。
【００３１】
ここで、屈折率結合回折格子３０の周期は、利得結合回折格子３２の周期と同じである。よって、屈折率結合回折格子３０は、活性層６（利得結合回折格子３２）で生成されたレーザ光を反射する。故に、本利得結合型のＤＦＢレーザ２４では、後端面３６に無反射コーティング２６が設けられているのにも拘わらず、大きな出力を得ることができる。
【００３２】
尚、無反射コーティング３６の（コア層側から見た）反射率としては、１.０％以下が好ましく、更に好ましくは０．５％以下である。上述したように、縦単一モード発振の歩留まりを１００％にするためには、後反射面３６に無反射コーティング２６を設けることが好ましい。しかし、屈折率結合回折格子３０を、利得結合回折格子３２と後反射面３６の間に配置するだけでも（すなわち、後端面３６に無反射コーティングを施さなくても）、縦単一モード発振の歩留まりは向上する。
【００３３】
屈折率結合回折格子３０は、活性層６から伝搬してきた前進波を反射する。従って、後端面３６に到達する前進波（レーザ光）は、減少する。
【００３４】
このため、後端面３６によって反射され、活性層６すなわち利得結合回折格子３２に戻ってくるレーザ光（以後、反射光と呼ぶ）が減少する。由って、利得結合回折格子３２中の後進波と干渉する反射光が減少する。故に、縦単一モード発振の歩留まりが向上する。すなわち、原理的な歩留まりが１００％に近づく。
【００３５】
ところで、屈折率結合回折格子３０の結合係数κと長さＬの積κＬが高くなるほど、後端面３６からの反射光は減少する。特に、κＬが３以上の場合には、後端面３６に到達するレーザ光の割合は１％以下なる。従って、κＬが３以上の場合には、後端面３６に無反射コーティング２６を施した場合と、略同じ歩留りを達成することができる。
【００３６】
ところで、同様の構造を、利得結合回折格子３２と後端面３６の間に、バットジョイント(butt joint)成長によって、屈折率結合型回折格子を形成したＤＦＢレーザが提案されている（特許文献２）。
【００３７】
図３は、上記提案に基づいて作製したＤＦＢレーザ３８の光の導波方向に沿った断面を説明する図である。図３に示すように、このＤＦＢレーザ３８では、活性層６と、コア層２８が、バットジョイント４０によって結合している。
【００３８】
そして、活性層３２からコア層３４に亘って回折格子３１が形成されている。活性層６に形成された回折格子は、利得結合回折格子３２である。一方、コア層２８に形成された回折格子は、屈折率結合回折格子３４である。
【００３９】
屈折率結合回折格子３４は、以下のようなバットジョイント成長によって形成される。まず、基板４の上に、活性層６が形成される。次に、利得結合回折格３２の形成予定領域で活性層６が、ＳｉＯ２膜によって覆われる。次に、このＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、屈折率結合回折格子３４の形成予定領域で、活性層６が除去される。次に、このＳｉＯ２膜を選択成長マスクとして、活性層６が除去された領域に、コア層２８の再成長が行われる。
【００４０】
次に、活性層６及びコア層２８に周期的に溝が刻まれて、利得結合回折格３２及び屈折率結合回折格子３４が形成される。その後、上部クラッド層８及びコンタクト層１０が形成される。
【００４１】
次に、屈折率結合型回折格３４が形成された領域で、コンタクト層１０が除去される。その後、ｐ側電極１４及びｎ側電極１２が形成される。以上の工程により、バットジョイント４０を用いた利得結合型のＤＦＢレーザ３８が完成する。
【００４２】
上述した製造方法では、バットジョイント４０から後端面３６に向かって数１０μｍ、コア層２８の厚さが急激に変化する遷移領域４２が発生する。図３の上部には、コア層２８の厚さの変化が模式的に示されている。ここで、横軸はバットジョイント４０からの距離ｚであり、縦軸はコア層２８の厚ｔである。図３に示すように、コア層２８は、例えば、バットジョイント４０の近傍で急激に厚くなり、バットジョイント４０から遠ざかると一定の厚さになる。しかも、遷移領域４２に於けるコア層２８の厚さは、バットジョイント成長の度にゆらぎ一定しない。
【００４３】
このようなコア層２８の厚さ増加に伴って、遷移領域４２では、コア層２８の等価屈折率も増加する。このため、遷移領域４２の光学長は長くなる。
【００４４】
図４は、遷移領域４２に於ける光学長の変化が、屈折率結合回折格子３４と利得結合回折格子３２の位相関係に及ぼす影響を説明する図である。図４の上半分には、コア層２８の厚さが均一と仮定した場合の回折格子３１の利得変化（又は、屈折率変化）を説明する図である。実線は、利得結合回折格子３２の利得変化を表している。破線は、屈折率結合回折格子３０の屈折率変化を表している。図４の下半分には、遷移領域４２でコア層が厚くなった場合の、屈折率結合回折格子３４の屈折率変化を表している。
【００４５】
図４の下図に示すように、コア層２８が厚くなると遷移領域４２の光学長４５は長くなる。図４の上半分には、遷移領域４２がないと仮定した場合のコア層２８の屈折率変化が破線で示されている。一方、図４の下半分には、遷移領域４２を伴ったコア層２８の屈折率変化が実線で示されている。双方を比較すれば明らかなように、遷移領域の光学長４５が変化すると、屈折率結合回折格子３４と利得結合回折格子３２の位相関係が変化する。しかも、遷移領域４２に於けるコア層２８の膜厚の変化は、バットジョイント成長の度に揺らぎ一定しない。従って、コア層２８の厚さが一定になる安定領域４４と利得結合回折格子３２の間の光学長４５も揺らぐ。その結果、安定領域４４に形成されている屈折率結合回折格子３４と利得結合回折格子３２との間の位相関係にも揺らぎが生じる。
【００４６】
このような揺らぎが生じると、両回折格子の位相関係がモード競合を起こす条件を満たしてしまう場合がある。このため、屈折率結合回折格子３４と利得結合回折格子３２をバットジョイント４０によって接続したＤＦＢレーザによっては、縦単一モード発振の歩留まりを向上させることはできない。
【００４７】
なお、遷移領域４２は、屈折率結合回折格子３４全体に比べれば短い。従って、屈折率結合回折格子３４全体ではなく、コア層２８の厚さが一定している安定領域４４と利得結合回折格子３２の位相関係によって、レーザ発振の状態は略決定される。
【００４８】
そこで、本実施の形態の半導体レーザ２４では、図２に示すように、基板４の表面４６を基準とした、活性層６の底４８の高さ及びコア層２８の底５０の高さが、活性層及び前記コア層に亘って一定になっている。更に、本実施の形態の半導体レーザ２４では、基板４の表面４６を基準とした、活性層６の頂上５２及びコア層２８の頂上５４の高さが、活性層６及びコア層２８に亘って一定になっている。
【００４９】
このような構造では、コア層２８の厚さ（の平均値）は一定である。従って、利得結合回折格子３２と屈折率結合回折格子３０の位相関係が揺らぐことはない。このため、両回折格子の位相関係を、モード競合の起きない状態に確実に設定することができる。例えば、利得結合回折格子３２と屈折率結合回折格子３０の位相が、両回折格子の接合面で一致した状態（位相シフトのない状態）を設定することができる。
【００５０】
従って、半導体レーザ２４の縦単一モード発振の原理的な歩留まりを１００％にすることが可能になる。しかも、このような構造は、下記実施例で説明するように、量子井戸構造を混晶化技術することによって容易に形成できる。
【００５１】
すなわち、本実施の形態によれば、半導体レーザ２４の原理的な歩留まりを１００％にすることが可能になる（又は、１００％に近づけることが可能になる。）。
【００５２】
ところで、活性層６とコア層２８を選択成長法によって、同時に形成したＤＦＢレーザも提案されている（特許文献２）。しかし、選択成長法によって活性層及びコア層を形成しても、コア層２８の厚さが変化する遷移領域は形成される。このため、回折格子間の位相関係が揺らぎ、縦単一モード発振の歩留まりが低下する。更に、選択成長法によって活性層６及びコア層２８を形成すると、遷移領域では、コア層２８のバンドギャップが活性層６に近くなる。このため、遷移領域４２に於けるレーザ光の吸収を回避するため、遷移領域に電流を注入する必要がある。従って、選択成長法で形成したＤＦＢレーザでは、駆動電流が大きくなる。
【００５３】
また、選択成長法によって形成される遷移領域は、長さが１００μｍ以上に及び。従って、選択成長法によってＤＦＢレーザを形成すると、素子サイズが大きくなってしまう。
【００５４】
更に、選択成長法又はバットジョイント成長法の何れを用いても、活性層６及びコア層２８の表面には凹凸が生じる。このような凹凸の存在により、回折格子形成用のレジスト膜を、表面全体に均一に塗布することが困難になる。従って、これらの方法で形成した活性層およびコア層の上には、周期０．２μｍ程度の微細な回折格子パターンを安定して形成することが難しいという問題もある。
【実施例１】
【００５５】
（１）構  成
まず、図２を参照して、本実施例の半導体レーザ２４の構成の要部を説明する。
【００５６】
本半導体レーザ２４は、回折格子３１が形成された活性層６を具備している。活性層６に形成された回折格子３１は、注入された電流によって発生する利得が周期的に変化する、利得結合回折格子３２である。
【００５７】
また、本半導体レーザ２４は、活性層６に接続され、且つ回折格子３１が延在するコア層２８を具備している。ここでコア層２８に延在した回折格子３１は、屈折率結合回折格子３０である。この屈折率結合回折格子３０は、活性層６で増幅された光を反射する。
【００５８】
また、本半導体レーザ２４は、活性層６及び前記コア層２８が形成された基板４を具備している。
【００５９】
また、本半導体レーザ２４は、コア層２８は活性層６よりも広いバンドギャップを有している。
【００６０】
また、本半導体レーザ２４では、基板４の表面４６を基準とした、活性層６の底４８及びコア層２８の底５０の高さが、活性層６及びコア層２８に亘って一定である。
【００６１】
また、本半導体レーザ２４では、基板４の表面４６を基準とした、活性層６の頂上５２及びコア層２８の頂上５４の高さが、活性層６及びコア層２８に亘って一定である。
【００６２】
更に、本半導体レーザ２４では、活性層６側の端面（前端面１５）及びコア層２８側の端面（後端面３６）の双方に、無反射コーティング１８,２６が施されている。
【００６３】
次に、本半導体レーザ２４の構成の詳細を説明する。
【００６４】
図２に示すように、本半導体レーザ２４では、ｎ型ＩｎＰ製の基板４上に、厚さ０．３μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず；省略可能）、厚さが５０ｎｍでバンドギャップ波長が１．０５μｍとなる組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ製の光ガイド層（図示せず）が形成されている。
【００６５】
この光ガイド層の上に、前端面１５から内側に２５０μｍ延在する活性層６が形成されている。活性層６は、厚さが５．１ｎｍのＩｎ０．８３Ｇａ０．１７Ａｓ０．６２Ｐ０．３８製の井戸層（圧縮歪０．８％）と、厚さが１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ（無歪）製の障壁層が交互に積層された歪量子井戸構造によって形成されている。この活性層６の発光波長帯は、１．３μｍである。
【００６６】
井戸層の層数は８層である。また、障壁層の層数は９層である。また、上から６層目と７層目の井戸層に挟まれた障壁層（上から７層目の障壁層）の厚さは、他の障壁層より厚い５０ｎｍである。
【００６７】
上記歪量子井戸には、上から６層目の井戸層に達する深さ０．２１μｍの溝２３が形成されている。上述したように、上から６層目と７層目の井戸層に挟まれた障壁層は、他の障壁層より厚く形成されている。従って、歪量子井戸層をエッチングして溝２２を形成する際、上から６層目までの井戸層のみが確実にエッチングされる。このように、活性層６は、溝２２が周期的に刻まれて、利得結合回折格子３２となる。
【００６８】
利得結合回折格子３２が形成された活性層６と後端面３６の間には、長さ５０μｍに亘って上記歪量子井戸構造が混晶化されたコア層２８が配置されている。このコア層２８にも、活性層６に形成された溝と同じ深さ及び幅の溝２２が、同じ周期で形成されている。
【００６９】
ここで、コア層２８のバンドギャップ波長は、活性層６のバンドギャップ波長に比べて十分短くなっている。すなわち、コア層２８は、活性層６で増幅される光に対して透明である。従って、溝２３が形成されたコア層２８は、屈折率結合回折格子３０となる。そして、屈折率結合回折格子３０と利得結合回折格子３２の位相は、両回折格子の接合面で一致している。尚、混晶化とは、量子井戸構造を形成する井戸層と障壁層の構成元素が相互に拡散し、量子井戸構造を構成する元素の分布が均一化することである。
【００７０】
活性層６及びコア層２８の上には、厚さ１．８μｍのｐ型ＩｎＰ製の上部クラッド層８が形成されている。上部クラッド層８の上には、厚さ０．３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ製のコンタクト層１０が形成されている。但し、屈折率結合回折格子３０（コア層２８）が形成されている領域の上では、コンタクト層１０は取り除かれている。
【００７１】
更に、以上のような積層構造が、基板４に接するｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず）まで達する、幅約１．５μｍのメサに加工されている。このメサの両側が、Ｆｅがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰ層によって埋め込まれている。
【００７２】
このメサ埋め込み後の積層構造の表面が、ＳｉＯ２膜によって覆われている。但し、当該ＳｉＯ２膜は、コンタク層１０の上で開口している。このコンタクト層１０の上部に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕが順次積層され、ｐ側電極１４となっている。一方、基板４の裏面には、ＡｕＧｅ製のｎ側電極１２が形成されている。
【００７３】
そして、前端面１５及び後端面３６には、薄い誘電体製の無反射コーティング１８,２６が形成されている。尚、以上の説明から明らかなように、本利得結合型ＤＦＢレーザ２４の素子長は、３００μｍ（＝２５０μｍ＋５０μｍ）である。従って、本半導体レーザ２４の素子長は、標準的な半導体レーザの素子長（３００μｍ）と同じである。
【００７４】
このよう素子長が標準的な半導体レーザと同じになったのは、本半導体レーザ２４には、コア層２８の厚さが変動する遷移領域が存在しないためである。
【００７５】
（２）製造方法
本半導体レーザ２４の製造方法は、以下の通りである。
【００７６】
まず、ｎ型ＩｎＰ製の基板４の上に、ｎ型ＩｎＰ製のバッファ層（図示せず）、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ製の光ガイド層（図示せず）、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層６が、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ；metal-organic vapor epitaxy）法によって形成される。更に、成長を中断せずに、ＭＯＶＰＥによって、ＩｎＰ（厚さ２０ｎｍ）製のキャップ層（図示せず）、ＩｎＧａＡｓＰ（厚さ５０ｎｍ）製のエッチストップ層（図示せず）、及びＩｎＰ（厚さ０．５μｍ）層が形成される。以上の工程により、歪量子井戸を含む積層構造が形成される。
【００７７】
次に、利得結合回折格子３２の形成予定領域が、絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）で覆われる。この絶縁膜は、イオン注入に対するマスクとして用いられる。次に、屈折率結合回折格子３０の形成予定領域を覆うＩｎＰ層に、例えば、Ｐ＋イオンのイオン注入が行われる。Ｐ＋イオンの加速エネルギーは１００ｋｅＶであり、注入量は１０１４ｃｍ―２である。
【００７８】
次に、Ｐ＋イオンが注入された上記積層構造に対して、６５０℃のアニール（熱処理）が行われる。このアニールにより、上記イオン注入によって生じた欠陥が、歪量子井戸構造に拡散して、歪量子井戸構造を混晶化する。混晶化された歪量子井戸構造は、バンドギャップ波長が短波長側にシフトし、活性層６で発生する光に対して透明になる。この混晶化された歪量子井戸構造が、コア層２８になる。
【００７９】
尚、混晶化による波長シフト量は、６０ｎｍ以上が好ましく、８０ｎｍ以上であれば更に好ましい。波長シフト量が６０ｎｍ以上であれば、活性層６で発生する光の導波路損失は僅かになる。波長シフト量が８０ｎｍ以上であれば、活性層６で発生する光の導波路損失は無視できるようになる。
【００８０】
次に、ＳｉＮ膜が除去される。更に、ＩｎＰ層及びＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層が、選択的にウェットエッチングされる。この時、活性層６及び混晶化された活性層（コア層２８）の上には、表面が平坦なＩｎＰ製のキャップ層（２０ｎｍ）が残される。
【００８１】
次に、このキャップ層の上に、回折格子３１の繰り返しパターンに対応した、レジスト膜が形成される。繰り返しパターンの形成は、干渉露光法もしくは電子ビーム露光法によって行われる。
【００８２】
本製造方法では、回折格子形成用のレジスト膜は、表面が平坦なＩｎＰ製のキャップ層の上に形成される。このため、レジスト膜は、キャップ層が露出した積層構造の表面全体に亘って均一になる。故に、本製造方法によれば、周期０．２μｍ程度の微細な回折格子パターンを安定して形成することができる。
【００８３】
次に、例えば、エタンと水素の混合ガスをエッチングガスとする反応性イオンエッチングによって、上記レジスト膜をエッチングマスクとして、上記歪量子井戸及び混晶化された歪量子井戸をエッチングする。エッチングは上から６層目の量子井戸まで行われる。このエッチングによって溝２２,２３が形成され、レジスト膜に形成された回折格子パターンが、歪量子井戸及び混晶化された歪量子井戸に転写される。
【００８４】
次に、レジストが剥離され、回折格子の形成された積層構造の表面洗浄が行われる。その後、ＭＯＶＰＥ法によって、回折格子３1上に、ｐ型ＩｎＰ製の上部クラッド層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓ製のコンタクト層１０が順次形成される。この際、回折格子３１が埋まるまでの間、上部クラッド層８の成長速度は、遅いことが望ましい。
【００８５】
次に、上部クラッド層８及びコンタクト層１０が形成された積層構造の表面が、ＳｉＯ２膜で覆われる。その後、このＳｉＯ２膜が、フォトリソグラフィ技術によって、ストライプ状のマスク（以下、ＳｉＯ２マスクと呼ばれる）に加工される。
【００８６】
次に、上記ストライプ状のＳｉＯ２マスクをエッチングマスクとし、塩素ガスを主成分とするエッチングガスを用いてＩＣＰ（inductively coupled plasma）ドライエッチングによって、上記積層構造のエッチングが行われる。このエッチングにより、高さ３.０μｍ、幅１．５μｍのメサが形成される。
【００８７】
次に、ＳｉＯ２マスクを残したままの状態で、ドライエッチングによって上記積層構造の表面に発生したダメージ層が、ウェットエッチングによって除去される。
【００８８】
次に、再度ＭＯＶＰＥ法によって、Ｆｅがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰ層が、上記メサの両脇に形成される。この際、メサ上へのＩｎＰ層の異常成長を抑えるために、ＣＨ３Ｃｌなどの塩化物をＩｎＰの原料ガスに添加することが望ましい。この半絶縁性ＩｎＰ層の形成によって、活性層６及びコア層２８を光の導波層とする３次元光導波路が完成する。
【００８９】
次に、活性層６の上方だけを残して、不要なコンタクト層１４がウェットエッチングによって除去される。
【００９０】
次に、以上のようにして形成した積層構造の全面に、ＳｉＯ２膜が形成される。更に、コンタクト層１０を覆うＳｉＯ２膜に、窓が開けられる。その後、積層構造の表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが順次積層され、ｐ側電極１４が形成される。
【００９１】
次に、ｐ側電極１４の上に、電極パッド（図示せず）がＡｕメッキによって形成される。その後、基板４が、厚さ１００μｍ程度に研磨される。更に、基板４の裏面にＡｕＧｅ製のｎ側電極１２が形成される。
【００９２】
次に、上記積層構造が基板４と共にヘキ開されて、前端面１５及び後端面３６が形成される。その後、無反射コーティング膜１８,２６が両端面に形成されて、素子が完成する。
【００９３】
以上の説明から明らかなように、回折格子３１が形成された半導体層（活性層６及びコア層２８）の厚さは一定であり、その等価屈折率も一定である。従って、利得結合回折格子３２と屈折率結合回折格子３０の位相関係は確定的であり、両回折格子の位相関係が揺らぐことはない。従って、本半導体レーザ２４の縦単一モード発振歩留まりは、原理的には１００％になる。
【００９４】
また、混晶化を実施しても、ウェハ表面（積層構造の表面）に段差などは、ほとんど生じない。従って、活性層及び混晶化後の活性層に回折格子を形成する工程を、全面ほぼ平坦なウェハ（積層構造）に対して実施することができる。故に、通常のＤＦＢレーザと同様の安定した条件の下で、半導体レーザ２４を製造することができる。このため、半導体レーザ２４の単一モード発振の歩留まりは高くなる。
【００９５】
尚、本実施例では、活性層６は、歪量子井戸構造によって形成されている。しかし、井戸層に歪が発生しない、通常の量子井戸構造によって活性層６が形成されてもよい。この場合には、通常の量子井戸構造が混晶化されて、コア層２８になる。
【００９６】
本実施例の製造方法の要部を纏めると、以下のようになる。
【００９７】
本製造方法は、半導体基板４上に、量子井戸構造を形成する第１の工程を有している。
【００９８】
また、本製造方法は、上記量井戸構造の第１の領域を混晶化する第２の工程を有している。
【００９９】
また、本製造方法は、上記量井戸構造が混晶されていない第２の領域と第１の領域に亘って、回折格子３１を形成する第３の工程を有している。
【０１００】
また、本製造方法は、第１の領域を活性層６とし、且つ第２の領域をコア層２８とする光導波路（三次元導波路）を形成する第４の工程を有している。
【０１０１】
そして、本製造方法は、回折格子を有する半導体レーザの製造方法である。
【０１０２】
尚、量子井戸構造によって形成された導波路層は、混晶化さると等価屈折率がやや低下する。従って、コア層２８に形成される回折格子の周期は、活性層６に形成される回折格子の周期より、やや長い方が好ましい（例えば、１ｎｍ程度）。
【０１０３】
このようにすれば、両回折格子のブラッグ波長を一致させることができる。尚、ブラッグ波長の調整は、コア層２８の幅を広げることによっても調整可能である。
【０１０４】
以上のような回折格子パラメータの調整を行う場合には、活性層６とコア層２８の接続部近傍には、回折格子を形成しないことが望ましい。このようにすれば、夫々に応じた回折格子を確実に形成することができる。
【０１０５】
本実施例で利用する混晶化法は、量子井戸構造近傍にイオン注入を行い、その後のアニールする方法である。しかし、本実施例には、他の混晶化法（例えば、量子井戸構造へＳｉＯ２膜形成し、その後の高温アニールを実施する方法）を適用してもよい。
【０１０６】
また、本実施例では、後端面３６にも無反射コーティング２６が施されている。屈折率結合回折格子３０を十分長く形成すれば、活性層６で発生したレーザ光の殆どは、屈折率結合回折格子３０によって反射される。従って、屈折率結合回折格子３０を長くして、端面３６をへき開されたままの状態にしておくことも可能である。
【０１０７】
（３）動  作
本半導体レーザ２４では、ｐ側電極１４及びｎ側電極１２が電気信号源に接続され、電気信号源から供給された電流が、活性層６に注入される。注入された電流により活性層６の利得は周期的に変化する。この利得の周期的な変化により自然放出光が帰還され、増幅されてレーザ光が生成される。
【０１０８】
生成されたレーザ光は、無反射コーティング１８の施された前端面１５から出射される。一方、利得回折格子３２から後端面３６側に向かって出射されたレーザ光は、屈折率結合回折格子３０によって形成された分布ブラッグ反射器（distributed bragg reflector;ＤＢＲ）によって反射されて、活性層６に戻される。このため、本利得結合型ＤＦＢレーザ２４では、後端面３６から出力されるレーザ光は僅かである。故に、レーザ光の大部分は、前端面１５から出力される。従って、本半導体レーザ２４の出力は大きくなる。
【０１０９】
上述したように、本半導体レーザ２４には、利得結合回折格子３２と屈折率結合回折格子３０の位相関係に不確定性は存在しない。故に、本半導体レーザ２４は、原理的には１００％の確立で縦単一モード発振する。
【実施例２】
【０１１０】
図５は、本実施例の半導体レーザ５６のレーザ光の導波方向に沿った断面を説明する図である。尚、実施例１の半導体レーザ２４と共通する部分については、説明は行われない。
【０１１１】
本半導体レーザ５６でも、実施例１の半導体レーザ２４と同様に、活性層３２及びコア層３０に亘って周期的に溝２２,２３が設けられている。但し、本半導体レーザ５６では、コア層２８に形成された溝２３が、活性層６に形成された溝２２より深くなっている（図５参照）。
【０１１２】
このため、屈折率結合回折格子３０の結合係数κが、実施例１の結合係数より大きくなっている。その結果、屈折率結合回折格子３０によって形成されるＤＢＲの反射率が、実施例１より高くなっている。故に、前端面１５から出射されるレーザ光の強度が強くなる。
【０１１３】
本半導体レーザ５６は、以下のようにして製造することができる。
【０１１４】
まず、実施例１で説明した半導体レーザ２４の製造方法と同様に、回折格子３１となる溝２２,２３が、反応性イオンエッチングによって、活性層６及びコア層２８に刻まれる。
【０１１５】
次に、回折格子形成用のレジストを残したまま、活性層６の上方がフォトレジストで覆われる。
【０１１６】
次に、混晶化された歪量子井戸が、再度反応性イオンエッチングによってエッチングされる。
【０１１７】
次に、レジスト膜が全て除去される。その後は、実施例１で説明した製造方法と同じ手順によって、メサの形成、埋め込み構造の形成等が行われる。
【０１１８】
すなわち、本製造方法は、実施例１の第３の工程が、第１の領域（混晶化領域）及び第２の領域（非混晶化領域）に亘って、量子井戸層の底に達しない溝２２,２３を周期的に形成し、その後、第１の領域（混晶化領域）において溝２３を更に深くする工程となっている製造方法である。
【０１１９】
尚、図５に示した例では、溝２３がコア層２８を貫通している。しかし、溝２３は、コア層２８を必ずしも貫通する必要はなく、途中で止まっていてもよい。
【実施例３】
【０１２０】
図６は実施例１又２の半導体レーザ２４,５６を搭載したモジュール５８の構成を説明する断面図である。
【０１２１】
本モジュール５８では、半導体レーザ２４,５６が、リードピン６０を有する同軸型のパッケージ６２に搭載されている（図６参照）。また、バックモニタ用の受光素子６５が、利得結合型ＤＦＢレーザ２４,５６の後端面３６側に設置されている。各リードピン６０は、夫々、半導体レーザ２４,５６又は受光素子６５に、接続されている。
【０１２２】
半導体レーザ２４,５６に接続されたリードピン（端子）６０は、半導体レーザ２４,５６を駆動する電気信号源（図示せず）に接続される。一方、受光素子６５に接続されたリードピン（端子）６０は、半導体レーザ２４,５６の出力を監視するモニタ装置に接続される。
【０１２３】
また、半導体レーザ２４,５６の前端面１５から出射されたレーザ光１６を集光して、光ファイバ（図示せず）に入射させるレンズ６４が、キャップ６６に設けられている。ここで、レンズ６４は、半導体レーザ２４,５６が出射する信号光を出力する光出力ポートとして機能する。
【０１２４】
本モジュール５８は、半導体レーザ２４,５６の温度を調整する熱電冷却素子を備えていない。これは、半導体レーザ２４,５６が、広い温度範囲に亘って縦単一モードでレーザ発振するからである。
【実施例４】
【０１２５】
図７は、実施例１又２の半導体レーザ２４,５６を光源とする光送信器６７の構成を説明する図である。
【０１２６】
本光送信器６７は、実施例１又２の半導体レーザ２４,５６と、半導体レーザ２４,５６を駆動する電気信号源６８と、半導体レーザ２４,５６が出射する信号光を出力する光出力ポートを具備している。
【０１２７】
ここで、半導体レーザ２４,５６は、実施例３のモジュール５８に搭載されている。
【０１２８】
モジュール５８は、光ファイバを保持するプラグ（図示せず）が挿入されるレセプタクル７０に嵌合されている。このレセプタクル７０は、半導体レーザ２４,５６が出射する信号光を出力する光出力ポート７２として機能する。ここで、モジュール５８及びレセプタクル７０は、所謂ＴＯＳＡ（transmitter optical sub assembly）を形成する。
【０１２９】
半導体レーザ２４,５６から出射した信号光は、キャップ６６に設けたレンズ６４で平行光にされた後、アイソレータ７２に入射する。尚、利得結合回折格子を有する半導体レーザは反射戻り光に強いため、用途によってアイソレータ７２はなくても良い。アイソレータ７２を通過した信号光は、他のレンズ７４によって集光され、プラグに保持されたファイバ（図示せず）に入射する。
【０１３０】
また、電気信号源６８の出力端子は、半導体レーザ２４,５６に接続されたリードピン７６に接続されている。一方、半導体レーザ２４,５６の出力を監視するモニタ装置７８の入力端子は、バックモニタ用の受光素子６５に接続されたリードピン８０に接続されている。
【０１３１】
電気信号源６８は、送信すべき情報に従って電気信号を発生して、半導体レーザ２４,５６を駆動する。更に、電気信号源６８は、モニタ装置７８の出力に従って、半導体レーザ２４,５６の出力光強度が一定になるように、半導体レーザ２４,５６を駆動する電気信号の強度を調整する。
【０１３２】
なお、低速光伝送に使用する光送信装置では、実施例３のモジュール５８に、光ファイバが取り付けられたピグテール型モジュールを用いてもよい。この場合、半導体レーザ２４,５６が出射する信号光は、レンズ６４単独で光ファイバに集光される。
【０１３３】
以上説明した例では、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、１．３μｍ帯で発光するＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層を光導波層とする導波路構造を形成し、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ半導体レーザが開示されている。
【０１３４】
しかし、本半導体レーザには、他の材料や他の埋め込み構造を適用してもよい。例えば、ＩｎＰ基板上に形成された他の波長帯（例えば、１．５μｍ帯）で発光するＩｎＧａＡｓＰ量子井戸によって、量子井戸活性層を形成することも可能である。また、活性層を形成する量子井戸構造の歪量、井戸層数、各層の層厚など各パラメータについて種々変更することができる。
【０１３５】
更に、ＩｎＰ基板上に形成されたＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ,ｙ≦１）製の量子井戸活性層など、混晶化が可能な量子井戸構造で活性層を形成してもよい。尚、混晶化が可能な量子井戸構造としては、ＧａＡｓ基板上に形成されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造、ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造などがある。
【０１３６】
また、ｎ型基板ではなく、ｐ型基板が使用されてもよい。この場合には、活性層の下部にｐ型クラッド層、活性層の上部にはｎ型クラッド層が設けられる。また、高抵抗基板が使用されてもよい。尚、高抵抗基板を使用する場合には、基板側の電極（ｎ側電極１２）は、基板上に成長した導電性バッファ層（例えば、ｎ型ＩｎＰ）を露出させて、その上に形成される。
【０１３７】
また、導波路構造（埋め込み構造）としては、ｐｎ埋め込み構造や上部全面にクラッド層を再成長するＳＩ−ＰＢＨ（semi-insulating planor buried heterostructure）構造が用いられてもよい。更に、埋め込み構造ではなく、リッジ導波路構造が用いられてもよい。
【０１３８】
更に、以上説明した例では、後端面側に混晶化領域（コア層２８）が設けられるが、前端面側に混晶化領域（コア層２８）が設けられてもよい。
【符号の説明】
【０１３９】
２・・・利得結合型ＤＦＢレーザ（従来技術）      ４・・・基板
６・・・活性層        ８・・・上部クラッド層
１０・・・コンタクト層      １２・・・ｎ側電極
１４・・・ｐ側電極      １５・・・前端面
１６・・・レーザ光      １８・・・無反射コーティング（前端面側）
２０・・・高反射コーティング      ２２,２３・・・溝
２４・・・半導体レーザ（実施の形態）
２６・・・無反射コーティング（後端面側）
２８・・・コア層      ３０・・・屈折率結合回折格子
３１・・・回折格子      ３２・・・利得結合回折格子
３４・・・（バットジョイント成長により形成した）屈折率結合回折格子
３６・・・後端面      ３８・・・ＤＦＢレーザ（関連技術）
４０・・・バットジョイント      ４２・・・遷移領域
４４・・・安定領域      ４５・・・遷移領域の光学長
４６・・・基板の表面
４８・・・活性層の底      ５０・・・コア層の底
５２・・・活性層の頂上      ５４・・・コア層の頂上
５６・・・半導体レーザ（実施例２）
５８・・・モジュール（実施例３）
６０・・・リードピン      ６２・・・パッケージ
６４・・・レンズ      ６５・・・受光素子
６６・・・キャップ      ６７・・・光送信器      ６８・・・電気信号源
７０・・・レセプタクル      ７２・・・アイソレータ
７４・・・他のレンズ      ７６,８０・・・リードピン
７８・・・モニタ装置
【図１】
2010232409.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010232409.tif 000009