(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたリッジストライプを形成する層とが積層され、
前記リッジストライプの伸長方向に周期構造を備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、前記リッジストライプの前記活性層及び前記リッジストライプを形成する層の成長面と平行な面上には、少なくとも２つのｐ型電極を有し、かつ前記基板下部にはｎ型電極を有し、前記リッジストライプは、前記平行な面のうち、そのリッジストライプの伸長方向に垂直な方向の幅が、前記半導体レーザのレーザ出射方向に向かって狭まるような幅であり、少なくとも２つの長さの幅を有することを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、波長可変の機能を有する分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢ半導体レーザと称す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＦＢ半導体レーザは、光ＣＡＴＶなどを含む光通信システムや、高密度情報記録ＳＨＧ短波長レーザ、又は小型固体レーザのポンプ光源や、光計測分野などに応用され得る素子として知られている。
従来のＤＦＢ半導体レーザはいわゆる２段階以上のエピタキシャル成長によって、形成されている。２段階以上のエピタキシャル成長で形成するＤＦＢ半導体レーザでは、レーザの導波層に回折格子（グレーティング）を設け、その後導波路上にその他の層をエピタキシャル成長させて形成する。
また、２段階以上のエピタキシャル成長の煩雑性を回避するために、１段階エピタキシャル成長によって作製されるＤＦＢ半導体レーザも開発されている。
【０００３】
このようなＤＦＢ半導体レーザでは、近年、波長可変を行えるＤＦＢ半導体レーザが重要な位置付けとなってきている。
この波長可変を行えるＤＦＢ半導体レーザは、現在、チャープト回折格子構造が提案されている。このチャープト回折格子構造は、（ａ）ＤＦＢ半導体レーザの回折格子を不均一周期にする構造や、（ｂ）ＤＦＢ半導体レーザの回折格子を均一にし、レーザの導波層に曲り導波路を設ける構造などがあり、これらの方法により波長可変を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（ａ）の方法の場合には、回折格子を不均一にしなければならないため、作製が困難であり、量産性に適していないと言う問題があった。
また、上記（ｂ）の方法の場合には、光の進行方向と回折格子とが垂直になっていないため、光の損失が多いと言う問題があった。
本発明は、上記の問題に鑑み、簡単な構造で波長可変が行えるＤＦＢ半導体レーザを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、半導体基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたリッジストライプを形成する層とが積層され、
前記リッジストライプの伸長方向に周期構造を備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、前記リッジストライプの前記活性層及び前記リッジストライプを形成する層の成長面と平行な面上には、少なくとも２つのｐ型電極を有し、かつ前記基板下部にはｎ型電極を有し、前記リッジストライプは、前記平行な面のうち、そのリッジストライプの伸長方向に垂直な方向の幅が、前記半導体レーザのレーザ出射方向に向かって狭まるような幅であり、少なくとも２つの長さの幅を有することを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明のＤＦＢ半導体レーザによれば、半導体基板と、記基板上に形成された活性層と、活性層上に形成されたリッジストライプを形成する層とが積層され、リッジストライプの伸長方向に周期構造を備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、リッジストライプの活性層及びリッジストライプを形成する層の成長面と平行な面上には、少なくとも２つの電極を有し、かつ基板下部には電極を有し、リッジストライプは、上記平行な面のうち、そのリッジストライプの伸長方向に垂直な方向の幅が、少なくとも２つの長さの幅を有するように構成されているので、簡単な構成で波長可変が行え、作製も容易で量産性に適し、さらに光の損失が少ないＤＦＢ半導体レーザができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、インジウム−リン（以下、ＩｎＰと称す）基板上に、例えば、原料として有機金属化合物ガスを用いた有機金属化合物成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系のＤＦＢ半導体レーザを作製し、特に、リッジストライプを形成する層に特徴を有するものである。
以下、本発明によるＤＦＢ半導体レーザの素子構造、作製方法及び諸特性を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（Ｉ）ＤＦＢ半導体レーザの素子構造
図１は本発明におけるＤＦＢ半導体レーザの断面図である。
本図において、例えば、１はＩｎＰからなる基板１であり、２はｎ型ＩｎＰからなるクラッド層２である。３及び５はＩｎＧａＡｓＰからなり、後述する活性層に光の閉じ込めを行うためのガイド層３，５であり、４はＩｎＧａＡｓＰからなる活性層４である。６はｐ型ＩｎＰからなるリッジストライプを形成するクラッド層６であり、また、７はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ又はｐ型ＩｎＧａＡｓからなるリッジストライプを形成するコンタクト層７である。また、８はＳｉＯ2 等からなる絶縁物層８である。
【００１１】
上述した各層が図１に示されている順番で積層成長され、レーザ構造を有するレーザ基板を形成する。
また、図示されていないが、ガイド層５上に発振波長に対応した周期の回折格子９が形成されており、この回折格子９は、後述する電子線描画方法などにより形成される。
【００１２】
図２は、図１に示したＤＦＢ半導体レーザの斜視図であり、本発明では、リッジストライプを形成するクラッド層６及びコンタクト層７の各層の成長面と平行な面の面形状がレーザ出射方向であるリッジストライプの伸長方向に向かって略台形を成している。すなわち、レーザ出射が行われる端面のリッジストライプの幅Ｗf と、レーザ出射が行われる端面とは逆の端面のリッジストライプの幅Ｗr により、略台形の形状を形成している。なお、図示はされていないが本図においてもクラッド層６及びコンタクト層７の両側は絶縁物層８となっている。
【００１３】
本図におけるＤＦＢ半導体レーザは、リッジストライプの幅がＷf である端面の活性層近傍よりレーザの出射が行われる。また、レーザ出射が行われる端面は無反射の端面となっており、レーザ出射が行われる端面とは逆の端面は高反射膜を形成した端面となっている。
先述した回折格子９は、本図に示すようにＤＦＢ半導体レーザのレーザ出射方向に略垂直な方向に所定の均一な周期を持って形成されている。
なお、図１，図２においては、電極形成前の状態を示しており、最終的には、後述する図８のようなＤＦＢ半導体レーザとなる。
【００１４】
（II）ＤＦＢ半導体レーザの作製方法
図３乃至図８は、本発明による半導体レーザを形成する素子の作製方法を段階的に示した図である。
【００１５】
（積層工程）
先ず、図３に示すように、ＩｎＰ基板１を用意し、化学エッチングで表面を清浄し、所定のエピタキシャル成長方法（液相成長法、有機金属気相成長法、分子線成長法など）でＳＣＨ(Separate Confinement Heterostructure)構造領域３，４，５、リッジストライプを形成するクラッド層６及びコンタクト層７などを形成する。例えば、本発明においては、図１及び図３に示された各材料層が用いられている。
【００１６】
（リッジストライプ形成工程）
次に、図４に示すように、リッジストライプがレーザの出射方向に伸長するように、例えばフォトリソグラフィー技術等を用いて、ＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 等からなる所定のストライプマスクを、コンタクト層７上に形成する。そして、ストライプマスクを形成した場所以外のクラッド層６及びコンタクト層７をエッチングして、両側平坦部１０と平面上面部１１（ａ）を有するリッジストライプ１１とを形成する。なお、本発明においては、図５に示したように、リッジストライプを形成するクラッド層６及びコンタクト層７の各層の成長面と平行な面の面形状がレーザ出射方向に向かって略台形を成すように、所定のストライプマスクを形成する。すなわち、レーザ出射が行われる前端面のストライプマスクの幅をＷf とし、レーザ出射が行われる端面とは逆の後端面のストライプマスクの幅をＷr とした略台形の形状によりストライプマスクを形成する。この形状は、略台形としたが、台形そのものでも良い。
なお、当該リッジストライプは、幅Ｗf ＜幅Ｗr となっている。
また、本工程後、ストライプマスクは除去される。
【００１７】
（回折格子形成工程）
本発明における回折格子９は、例えば電子線描画方法等により形成される。
先ず、両側平坦部１０及び平坦上端部１１（ａ）上にわたって、図示せぬＳｉＯ2 等の保護膜を形成する。
次に、保護膜を形成した両側平坦部１０及び平面上端部１１（ａ）上にわたって、電子ビーム描画レジストをコーティングして、その後、熱処理して図示せぬレジスト層を形成する。
そして、図６に示すように、所望のレーザ発振波長に合わせた周期で、そのラインをレーザの出射方向と垂直な方向に沿って電子ビーム描画し、レジスト層上に、リッジストライプの伸長方向、すなわち共振器方向に周期Λの回折格子のパターンを形成する。
【００１８】
その後、ＣＦ4 ドライエッチングでＳｉＯ2 保護膜にレジスト層の回折格子を転写し、塩酸系エッチャントで、両側平坦部１０を選択的にウエットエッチングして両端平坦部１０から回折格子９を形成するとともに、保護膜を除去する。
なお、その際、本発明の回折格子９は、図６に示したように、リッジストライプの側面まで形成しているが、両側平坦部１０のみでも良い。
また、本実施の形態では、回折格子の形成工程をドライエッチングとウエットエッチングの両者を用いる方法について述べたが、ドライエッチングのみで行うことも可能である。その際は、リッジストライプ形成工程で除去したストライプマスクを残しておき、ドライエッチング終了後、ストライプマスクを除去するようにする。
【００１９】
ここで、ＤＦＢ半導体レーザは、一般的にレーザ光が伝搬する方向に周期Λで変化する周期構造が形成され、そのため屈折率も周期的に変化し、周期的に反射されてくる光の反射率が高い波長で（ブラッグ反射）、レーザ発振が起こる。よってＤＦＢ半導体レーザの発振波長は周期構造の周期Λ及び屈折率ｎによって決まり、一般にその周期は、
【００２０】
【数１】
Λ＝ｍλ／２ｎ
を満たすブラッグ条件にて単一縦モードが得られる。なお、ｍは整数、λは発振波長（真空中）、及びｎは半導体レーザ媒体の屈折率を示す。
【００２１】
（電極形成工程）
次に、図７に示したように、リッジストライプ１１及び回折格子９の全面に、例えばＳｉＯ2 からなる絶縁物層８を形成し、その後、平面上端部１１（ａ）が露出するまで絶縁物層８を除去し、露出した平面上端部１１（ａ）のコンタクト層７上と絶縁物層８上に、例えばＡｕ／Ｚｎからなる合金金属を上部ｐ型電極１２として堆積する。
【００２２】
最後に、図８に示したように、ｐ型クラッド層６、コンタクト層７及び上部ｐ型電極１２は、レーザ出射方向の略中間位置にてエッチングにより分離され、電極分離溝１３を形成し、当該ｐ型電極はｐ型電極１２（Ａ），（Ｂ）に分離される。
このｐ型電極の分離は、後述するように波長可変の制御を行うために設けられたものであり、その分離数は２個に限定されるものではなく、波長可変の方法に応じて適宜決められるものである。すなわち、リッジストライプの幅が異なる部分にそれぞれ電極を形成すれば良い。
【００２３】
また、本発明においては、ｐ型クラッド層６、コンタクト層７及び上部ｐ型電極１２を分離したが、コンタクト層７及び上部ｐ型電極１２のみを分離するだけでも良い。
そして、基板下部には例えばＡｕ／Ｇｅからなる合金金属を下部ｎ型電極層１４として堆積する。
このようにして本発明のＤＦＢ半導体レーザを形成する素子が作製される。
【００２４】
(III)本発明によるＤＦＢ半導体レーザの波長可変原理
上述した方法により作製されたＤＦＢ半導体レーザの波長可変の原理について詳述する。
図９は、本発明におけるＤＦＢ半導体レーザにおいて、発振波長のシフト状況を表した図であり、図面上、横軸は半導体レーザの発振波長λで、縦軸は相対強度スペクトラムを表している。
また、細線ａは半導体レーザのレーザ利得カーブ内の可能な発振モード（回折格子がない場合に発振可能なモード）を表しており、太線ｂ及び破線ｃは図８において上部ｐ型電極１２Ａ，１２Ｂに所定の電流を流した場合に発振する単一モード発振である。
【００２５】
例えば、図８において、上部ｐ型電極Ａ，Ｂにレーザ発振が可能な所定量の電流を同じ量だけ流すと、当該ＤＦＢ半導体レーザは、回折格子９のフィルタ効果によりその電流値に対応した所定の波長のレーザ、例えば図９の太線ｂの波長のレーザを出射する。
この状態において、上部ｐ型電極１２Ａ，Ｂの電流量を可変させることにより当該波長が短波長方向又は長波長方向にシフトすることになる。
例えば、短波長方向にシフトした場合には、図９の破線ｃの波長のレーザを出射する。
具体的には、上部ｐ型電極１２Ａの電流量と上部ｐ型電極１２Ｂの電流量との関係を、
【００２６】
【数２】
上部ｐ型電極１２Ａの電流量＞上部ｐ型電極１２Ｂの電流量
とすると、レーザの発振波長は短波長側、すなわち図９において紙面に向かって左側にシフトし、
【００２７】
【数３】
上部ｐ型電極１２Ａの電流量＜上部ｐ型電極１２Ｂの電流量
とすると、レーザの発振波長は長波長側、すなわち図９において紙面に向かって右側にシフトすることになる。
【００２８】
よって、本発明のＤＦＢ半導体レーザは、上部ｐ型電極Ａ，Ｂに流す電流の量を可変させることのみで波長の可変制御が行えるようになった。
このように、本発明のＤＦＢ半導体レーザの波長の可変制御が行えるのは、リッジストライプの幅が関係している。
【００２９】
図１０は、本発明のＤＦＢ半導体レーザのリッジストライプの幅Ｗの変化による実効屈折率ｎe の変化を表したものである。本図において、横軸はリッジストライプの幅Ｗを表し、縦軸は半導体レーザ全体の実効屈折率ｎe を表している。
図１０から分かるように、リッジストライプの幅Ｗの長さが短くなるにつれ実効屈折率ｎe が減少していることが分かる。
ここで、上述したようにＤＦＢ半導体レーザの発振波長の周期Λは数１によって規定されており、本式より発振波長λは、
【００３０】
【数４】
λ＝２ｎΛ／ｍ
を満たすことがわかる。
本発明によるＤＦＢ半導体レーザの屈折率ｎは、半導体レーザの各層の形状などの幾何構造や、ＳＣＨ構造領域層、クラッド層、コンタクト層及び絶縁物層などの物理構造等により決められており、それらの屈折率を全て含めて実効屈折率ｎe としている。
よって、本発明によるＤＦＢ半導体レーザの発振波長は、
【００３１】
【数５】
λ＝２ｎe Λ／ｍ
となる。
よって、数５よりＤＦＢ半導体レーザの発振波長は、回折格子の周期Λが一定の場合には、実効屈折率ｎe により変化することがわかる。
すなわち、実効屈折率ｎe が小さくなると当該発振波長は短波長となり、実効屈折率ｎe が大きくなると当該発振波長は長波長となる。
また、この実効屈折率ｎe は上述したように、リッジストライプの幅Ｗにより変化するので、数５の関係及び図１０から、当該発振波長はリッジストライプの幅Ｗにより変化することになる。
【００３２】
このリッジストライプの幅Ｗは、図５に示されているようにレーザ出射面である前端面の幅Ｗf が後端面の幅Ｗr よりも狭くなるように構成されているので、数２で示したように電流量を制御すると、上述した関係から波長が短くなるのである。
また、数３で示したように電流量を制御すると、上述した関係から波長が長くなるのである。
【００３３】
なお、図１０に示したように、実効屈折率ｎe がリッジストライプの幅Ｗにより変化する理由は、上述した半導体レーザの幾何構造によるものである。すなわち、リッジストライプの幅が狭い部分ではリッジストライプの幅が広い部分よりも、その光の強度部分が絶縁物層８に大幅にはみ出すため、リッジストライプを形成する層よりも屈折率の低い絶縁物層が関与し、全体の実効屈折率が下がることになるのである。
【００３４】
以上に示したように、本発明のＤＦＢ半導体レーザにおいては、リッジストライプの形状をレーザ出射方向に向かって略台形とし、各電極に流す電流を制御するのみでＤＦＢ半導体レーザの波長可変が行われるのである。
なお、本発明においては、リッジストライプの形状をレーザ出射方向に向かって略台形としたが、この形状に限られるわけではなく、波長可変を行うためには、少なくとも２つの長さの幅を有するリッジストライプであれば良い。
また、本発明においては、横結合リッジ型ＤＦＢ半導体レーザについて説明したが、これに限定されるわけではなく、内部に回折格子を有する全てのＤＦＢ半導体レーザに対して適用可能である。
【００３５】
また、本発明においては、リッジストライプの下に回折格子を有していないが、リッジストライプの下に回折格子を有するリッジ型ＤＦＢ半導体レーザに対しても適用可能である。
また、本発明においては、回折格子が均一周期を有するものとしたが、例えば、不均一周期にした場合にも適用可能である。
その際には、不均一周期がレーザの出射方向に向かって短い周期となるように形成すれば、リッジストライプの幅と不均一周期の相乗効果により、波長のシフト量が、回折格子均一周期の場合に比べて、同じ電流量に対してより大きくなる。
また、本発明においては、リッジストライプを有するＤＦＢ半導体レーザに関して説明したが、図１１に示したように活性層から上の層が全て台形形状を成し、回折格子がガイド層に設けられているような活性層ストライプ埋め込み型ＤＦＢ半導体レーザに関しても適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＦＢ半導体レーザにおいては、リッジストライプの形状をレーザ出射方向に向かって略台形とし、各電極に流す電流を制御するのみで半導体レーザの波長可変が行われるので、簡単な構成であり、作製も容易で量産性に適し、さらに光の損失が少ないＤＦＢ半導体レーザができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体素子の断面図である（電極形成前）。
【図２】本発明の半導体素子の斜視図である（電極形成前）。
【図３】本発明の半導体素子の作製工程の１過程を示す図である。
【図４】本発明の半導体素子の作製工程の１過程を示す図である。
【図５】本発明の半導体素子のリッジストライプの形状を示す図である。
【図６】本発明の半導体素子の作製工程の１過程を示す図である。
【図７】本発明の半導体素子の作製工程の１過程を示す図である。
【図８】本発明の半導体素子の作製工程の最終過程を示す図である。
【図９】本発明の半導体素子の発振波長対相対強度のスペクトラムを示す図である。
【図１０】本発明の半導体素子のリッジストライプの幅対実行屈折率を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施例の半導体素子の斜視図である（電極形成前）。
【符号の説明】
１・・・・ＩｎＰ基板
２・・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
３，５・・・・ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４・・・・ＩｎＧａＡｓＰ活性層
６・・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
７・・・・ｐ型ＩｎＰＧａＡｓＰ又はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８・・・・絶縁物層
９・・・・回折格子
１０・・・・平坦部
１１・・・・リッジストライプ部
１１ａ・・・・平面上端部
１２・・・・上部ｐ型電極
１３・・・・電極分離溝
１４・・・・下部ｎ型電極層
【図１】
0003682367.tif 000002
【図２】
0003682367.tif 000003
【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】
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【図８】
0003682367.tif 000009
【図９】
0003682367.tif 000010
【図１０】
0003682367.tif 000011
【図１１】
0003682367.tif 000012