(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層近傍に光分布帰還を施す周期構造を備え、
前記周期構造が、前記活性層の発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的変化する構造を含む利得結合分布帰還型の半導体レーザ装置において、
前記周期構造は、吸収層を備えた前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収構造であり、
前記活性層の前記周期構造側の端部から前記吸収層の前記活性層側の端部までの距離が、０．３μm以上であり、
前記吸収層の厚さが１５nm以上であり、
かつ、前記吸収層内における平均規格化光密度が６．０×１０3ｃｍ-1以下に規制されてなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
活性層近傍に光分布帰還を施す周期構造を備え、
前記周期構造が、前記活性層の発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的変化する構造を含む利得結合分布帰還型の半導体レーザ装置において、
前記周期構造は、吸収層を備えた前記誘導放出光に対して二次または三次の次数を有する周期的吸収構造であり、
前記活性層の前記周期構造側の端部から前記吸収層の前記活性層側の端部までの距離が、０．３５μm以上であり、
前記吸収層の厚さが６０nm以上であり、
かつ、前記吸収層内における平均規格化光密度が４．０×１０3ｃｍ-1以下に規制されてなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
前記活性層が、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、
前記吸収層が、ＧａＡｓからなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
前記活性層が、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、
前記吸収層が、ＧａＡｓからなる
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
【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、波長安定のコヒーレント光源として利用され、光計測装置、高速光伝送装置、光記録装置の光源として利用するに適する、利得結合分布帰還型半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高速、高帯域な光通信システムの要求から、特に幹線系において単一軸モードで動作する半導体レーザが実用化されている。更に、光計測やレーザビームプリンタ等にも単一軸モードで動作する半導体レーザに対する要求が高まっている。この単一軸モードで動作する半導体レーザとしては、素子内部に回折格子を設け屈折率の周期的な摂動によって分布帰還させる半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）が主に用いられている。しかしながら、屈折率結合ＤＦＢ−ＬＤは原理的にブラッグ波長近傍にストップバンドが存在し、その両脇に最小しきい値利得をもつ縦モードが２つ対象に存在するので異なる２つの波長でレーザ発振を生じる。これを解決する手段として、素子内部に設けた回折格子にΛ／４シフト構造を導入したり、端面を非対称にコーティングすることによって、２つの縦モードにしきい値利得差をつけ１つのモードだけを選択して単一軸モード発振を実現することが出来る。しかし、Λ／４シフト構造では回折格子の作製プロセスが複雑になること、端面に完全無反射コーティングを施さなければならないことから素子の作製歩留りが悪いという問題点があった。また、端面を非対称にコーティングする方法では、素子の発振スペクトルが個々の素子の回折格子の端面位相に大きく影響され、必ずしも単一モード発振歩留りが良いとは言えなかった。
【０００３】
最近、屈折率の周期的摂動により分布帰還させる屈折率結合ＤＦＢ−ＬＤに代わって、利得の周期的な摂動によって分布帰還させる利得結合ＤＦＢ−ＬＤが提案されている。利得結合ＤＦＢ−ＬＤでは、活性層そのものを周期的に摂動させる方法と、活性層近傍に光吸収層を周期的に形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造とが考えられるが、信頼性の観点から後者が実用上有利である。
【０００４】
利得結合と屈折率結合の混在する構造においても、規格化利得結合定数κgＬを０．５程度以上になるように設計すれば回折格子の端面位相によらず、ほぼ１００％の確率で単一縦モード発振が得られることが理論的に確かめられている。（ＡＰＬ，Ｖｏｌ．５５，１９８９，ｐ．１６０６）
該利得結合分布帰還型半導体レーザの利得結合係数の増大、制御の為、例えば、周期的に配置された吸収層と同一周期で導電性の周期的変化を施す（特開平５−５５６８６）、吸収層として量子井戸構造を用いる（ＵＳＰａｔｅｎｔ  Ｎｏ．５２０８８２４）、などの改善がなされている。
【０００５】
図６は従来の利得結合分布帰還型半導体レーザの構造を示す図である（ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ４，ＮＯ．７，１９９２）。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板６０１上にｎ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層６０２を１．０μｍ、アンドープＧａＡｓ活性層６０３を０．０９μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアバリア層６０４を０．１μｍ、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ第１ガイド層６０５を０．１μｍ、ｎ−ＧａＡｓ吸収層６０６を０．０５μｍを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により連続的に結晶成長した後、２光束干渉露光法並びにウエットエッチング法により回折格子６０７を形成し、その上にｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第２ガイド層６０８を０．１μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層６０９を１．０μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６１０を０．５μｍの結晶成長を行い、素子を作製している。
【０００６】
この従来例では、ｎ−ＧａＡｓ吸収層６０６の導電型が周囲のｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層と反転しており、このような導電型を反転した吸収層を用いることにより、吸収性回折格子の吸収飽和による特性の劣化を防ぐことが出来る効果が報告されている。また、導電型が反転された吸収層が周期的な電流阻止層として働くことにより活性層への注入電流が回折格子の周期で変調される。このことによっても活性層での利得に摂動が生じ、周期的な光吸収層の存在との相乗効果で利得結合定数の増大に寄与している。
【０００７】
また、上記の従来例では、回折格子の次数が３次となっている。ＡｌＧａＡｓ系の赤外光を発するＤＦＢレーザや、可視光を発するＤＦＢレーザでは１次の回折格子のピッチが０．１から０．１５μｍ程度になる為、ＡｒレーザやＨｅ−Ｃｄレーザ等を用いた空気中での干渉露光によって直接的に回折格子を作製することが原理的に困難であり、この様な短波長ＤＦＢレーザでは２次、又は３次の回折格子が用いられる。
【０００８】
一方で、より優れた特性が期待される１次の回折格子を有する短波長ＤＦＢレーザを作製する試みも行われており、高屈折率媒体中での干渉露光によって直接的に１次の回折格子を得る方法（ＡＰＬ，Ｖｏｌ．２３，１９７３，ｐ．１５４）や、２次の回折格子のピッチを半分にすることによって１次の回折格子を得る方法が提案されている（特開昭６１−２１２８０３）。より簡便に１次の回折格子を得ることが出来る後者の方法を、図７に示す。すなわち、基板７０１上に２光束干渉露光法とエッチングにより２次の三角形状回折格子を作製する。次にこの上に（ａ）図に示す様にフォトレジスト７０３を全面に形成した後、現像液に浸し、（ｂ）図に示す様に現像液によるレジストの膜減りを利用して回折格子のエッチング面を部分的に露出させてから、（ｃ）図に示す様に２回目のエッチングによって回折格子の一部分７０４をエッチングし、（ｄ）図に示す様に（ａ）図に示された回折格子の半分の周期、つまり１次の周期を持つ回折格子７０５を得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の利得結合ＤＦＢレーザにおいても、高出力で半導体レーザを駆動させる場合に、素子内部の光密度が非常に大きくなり、導電型を反転させたｎ−ＧａＡｓ光吸収層をもちいても、過飽和吸収が出現するという問題があり、吸収層の吸収飽和を完全に抑制することは困難であった。
【００１０】
また、従来の構造では、十分な結合係数κgを稼ぐために活性層から近い位置に回折格子を配置していた為、結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受け易く、素子の寿命が短くなる問題も有していた。
【００１１】
一方、２次の回折格子の周期を１／２にすることによって１次の回折格子を得る回折格子の作製方法においては、図７（ｃ）で示される第１回目のエッチングにより２次の回折格子を作製した段階で、回折格子の表面はエッチング速度が遅い低指数の結晶面で覆われるため、ピッチを１／２化するための２回目のエッチングを再現良く、かつ均一に行うことが困難となる問題を有していた。
【００１２】
本発明は、吸収性回折格子が高出力まで過飽和吸収を起こさず、十分な利得結合係数κgを得ることができ、素子の寿命が長い、格段に優れた分布帰還型半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
さらに、短波長ＤＦＢレーザ用の一次の回折格子を作製する方法に於て、エッチングが困難となる２回目のエッチングを容易に行うことが出来、短波長ＤＦＢレーザ用の一次の回折格子の作製における再現性と均一性を格段に向上させる回折格子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明第１の態様に係る半導体レーザ装置は、活性層近傍に光分布帰還を施す周期構造を備え、該周期構造としては、該活性層の発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合分布帰還型半導体レーザ装置において、該周期的吸収構造が吸収飽和を起こさない程度まで該周期的吸収構造を活性層から離して位置され、かつ、十分な利得結合定数が得られる程度にその厚さが設定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明第２の態様に係る半導体レーザ装置は、上記第１の態様に係る発明において、周期的吸収構造が一次の次数を有しており、かつ、該周期的吸収構造内における平均規格化光密度が６．０×１０3ｃｍ-1以下となる位置に存在し、かつ、その厚さが１５ｎｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明第３の態様に係る半導体レーザ装置は、上記第１の態様に係る発明において、周期的吸収構造が二次または三次の次数を有しており、かつ、該周期的吸収構造内における平均規格化光密度が４．０×１０3ｃｍ-1以下となる位置に存在し、かつ、その厚さが６０ｎｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明第４の態様に係る半導体レーザ装置は、上記第１の態様に係る発明において、周期的吸収構造が一次の次数を有しており、かつ、活性層の該周期的吸収構造に近い側の端部から該周期的吸収構造の活性層に近い側の端部までの距離が０．３μｍ以上離れており、かつ、該周期的吸収構造の厚さが１５ｎｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明第５の態様に係る半導体レーザ装置は、上記第１の態様に係る発明において、周期的吸収構造が二次または三次の次数を有しており、かつ、活性層の該周期的吸収構造に近い側の端部から該周期的吸収構造の活性層に近い側の端部までの距離が０．３５μｍ以上離れており、かつ、該周期的吸収構造の厚さが６０ｎｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明第６の態様に係る回折格子の作製方法は、基板上に周期Λで離散的なストライプ状に形成されている材料をマスク材とし、第一のエッチャントを用いて周期Λの溝を基板上に形成し、該溝内にホトレジストを形成し、次いでこのホトレジストをマスクとして第二のエッチャントを用いて上記回折格子をエッチングし、上記ホトレジストを除去することによって上記溝の周期がほぼΛ／２に等しい回折格子を得る方法において、上記第一のエッチャントとして、エッチングされる基板に対して異方性エッチングをもたらせるエッチャントを用い、かつ、上記第二のエッチャントとして、エッチングされる基板に対して等方性エッチングをもたらせるエッチャントを用いることを特徴とするものである。
【００２０】
【作用】
上記第１の態様の発明においては、周期的吸収構造が吸収飽和を起こさない程度までこの周期的吸収構造から離して位置され、かつ、十分な利得結合定数が得られる程度にその厚さを設定することにより、光吸収層での光密度が低減されて過飽和吸収が起きなくなり、また、光吸収層の層厚を特定値より厚くすることにより、利得結合定数をかせぐことが可能となる。
【００２１】
上記第２の態様の発明においては、１次の回折格子を、その平均規格化光密度が６．０×１０3ｃｍ-1以下となる位置に存在させ、かつその厚さが１５ｎｍ以上であることから、光吸収層内の光密度を下げても厚さが充分にあるので、分布帰還を起こすことが可能となり、同時に光吸収層の厚さを厚くすることによって光吸収によって生じたキャリアが蓄積しにくくなる。
【００２２】
上記第３の態様の発明においては、２次又は３次の回折格子を、その平均規格化光密度が４．０×１０3ｃｍ-1以下となる位置に存在させ、かつその厚さが６０ｎｍ以上であることから、光吸収層内の光密度を下げても厚さが充分にあるので、分布帰還を起こすことが可能となり、同時に光吸収層の厚さを厚くすることによって光吸収によって生じたキャリアが蓄積しにくくなる。
【００２３】
上記第４の態様の発明においては、１次の回折格子を、活性層から０．３μｍ以上離し、かつその厚さが１５ｎｍ以上であることから、光吸収層内の光密度を下げても厚さが充分にあるので、分布帰還を起こすことが可能となり、同時に光吸収層の厚さを厚くすることによって光吸収によって生じたキャリアが蓄積しにくくなる。
【００２４】
上記第５の態様の発明においては、２次又は３次の回折格子を、活性層から０．３５μｍ以上離し、かつその厚さが６０ｎｍ以上であることから、光吸収層内の光密度を下げても厚さが充分にあるので、分布帰還を起こすことが可能となり、同時に光吸収層の厚さを厚くすることによって光吸収によって生じたキャリアが蓄積しにくくなる。
【００２５】
上記第６の態様の発明においては、回折格子の周期を半分にすることによって、短周期の回折格子を得る製造方法において、１回目のエッチングを異方性エッチングをもたらせるエッチャントを、２回目のエッチングを等方性エッチングをもたらすエッチャントを用いることによって、形状のばらつきが少なくなる。
【００２６】
即ち、光吸収層内での過飽和吸収を防ぐ為には、光吸収層内の光密度を十分に下げることが効果的である。しかしながら、光吸収層内の光密度を下げることによって利得結合定数κgの低下が生じ、十分な利得結合での分布帰還が起こらないことが懸念されるが、この点に関しては吸収層の層厚を厚くすることで補うことができる。また、光吸収層の厚さを厚くすることで光励起によって生じたキャリアが蓄積しにくくなり、更に光吸収の飽和を低減することに寄与することが期待される。
【００２７】
矩形の吸収性回折格子の場合、利得結合定数は、
【００２８】
【数１】
0003710504.tif 000002
【００２９】
【数２】
0003710504.tif 000003
【００３０】
で計算される。あるκg値（例えばκg＝２０ｃｍ-1）を得るときの、吸収層内の平均規格化光密度Γabs／ｄabsと吸収層厚ｄabsの関係は、典型的なパラメータである、
１） 一次回折格子(ｍ＝１)， デューティ５０％(Ｄ＝０．５) ，
吸収係数(αabs＝１５０００ｃｍ-1）
２） 一次回折格子(ｍ＝１)， デューティ５０％(Ｄ＝０．５) ，
吸収係数(αabs＝５０００ｃｍ-1)
３） 三次回折格子(ｍ＝３)， デューティ２０％(Ｄ＝０．２)，
吸収係数(αabs＝１５０００ｃｍ-1)
４） 三次回折格子(ｍ＝３)， デューティ２０％(Ｄ＝０．２)，
吸収係数(αabs＝５０００ｃｍ-1)
の時に図１に示す様になる。この図では、吸収層内の光密度を落としてもその厚さを大きくすればκgを稼ぐことが出来ることが示されている。我々は、５０ｍＷまで過飽和吸収を起こさないようにする為には図１の横軸で定義される規格化された平均光密度が、一次の回折格子の場合には６．０×１０3ｃｍ-1以下、二次、三次などの高次の回折格子の場合には４．０×１０3ｃｍ-1以下となる必要があることを実験的に見いだした。これは、活性層がＡｌＧａＡｓ（λ＝７８０ｎｍ）、光吸収層がＧａＡｓの場合において特に顕著であった。一次の回折格子の場合に高い光密度まで過飽和吸収が生じないのは、一次の吸収性回折格子の場合には他の高次の場合と比較し、光吸収層の総表面積が大きくなり、界面再結合の割合が大きくなる為に吸収飽和しにくいことによっている。規格化光密度６．０×１０3ｃｍ-1以下、及び４．０×１０3ｃｍ-1以下であることを実現するには、それぞれ光吸収層を活性層から少なくとも０．３μｍ以上、及び０．３５μｍ以上離す必要がある。ただし、レーザ素子内を導波する光は、最大でも活性層の上下約２μｍ以上には広がらない為、光吸収層も活性層から２μｍ以内に設置する必要がある。また、この時に利得結合ＤＦＢとして十分な利得結合定数を得るためには吸収層の厚さを、一次回折格子の場合には少なくとも１５ｎｍ以上、二次、三次の場合には６０ｎｍ以上にする必要がある。
【００３１】
従来の構造をとった場合、図１の中に示されているように、光吸収層での平均光密度は１．７×１０4ｃｍ-1と大きくなり、光吸収層の吸収飽和が生じる構造となる。
【００３２】
本発明の構造をとった場合、光吸収層が活性層から離れた位置に配置されることによって光吸収層での光密度が低減されることにより過飽和吸収が起きなくなり、かつ、光吸収層の層厚を特定値よりも厚くすることにより、利得結合定数を稼ぐことが出来る。
【００３３】
また、光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面から活性層が離れていることにより、結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、素子の寿命が長くなる。
【００３４】
一方、短波長ＤＦＢレーザ用の一次の回折格子を作製する方法に於て、異方性エッチングにより第一回目のエッチングを行なって作製したＶ字形状の２次の回折格子の表面はエッチング速度の遅い結晶面で覆われる為、２回目のエッチングが容易に行われないことに対して、ピッチを１／２化するための２回目のエッチングを等方性エッチングが生じるエッチャントを用いることにより、短波長ＤＦＢレーザ用の一次の回折格子の作製における再現性及び均一性が向上し、形状のばらつきが少なくなる。
【００３５】
【実施例】
図２は本発明の第一の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００３６】
この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層２０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層２０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層２０４を０．２５μｍ、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓガイド層２０５を０．２μｍを第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層であるガイド層２０５上に二光束干渉露光法と塩酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングにより二次の三角形状回折格子（ピッチ約０．２４μｍ）を作製する。このときのエッチングにより、ガイド層２０５の厚さを０．０５μｍだけ残す。次にこの上に図７の（ａ）図に示す様にフォトレジスト７０３を全面に形成した後、現像液に浸し、（ｂ）図に示す様にレジストの未感光部の膜減りを利用して回折格子のエッチング面を部分的に露出させてから、（ｃ）図に示す様に硫酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングを用いて回折格子の一部分７０４をエッチングし、（ｄ）図に示す様に（ａ）図に示された回折格子の半分の周期、つまり一次の周期（ピッチ約０．１２μｍ）を持つ回折格子７０５を得る。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｐ−ＧａＡｓ光吸収層２０６を２０ｎｍ成長する。このときＧａＡｓは三角形状の回折格子の谷間だけに結晶成長する。さらに連続的にｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ上クラッド層２０７を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層２０８を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００３７】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層２０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜２０９を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上にホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅４μｍのストライプ状の溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極２１０を形成する。基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極２１１を形成し、素子全体を４００℃で加熱処理することにより、素子が完成する。
【００３８】
本構造では、光吸収層内の平均光密度はキャリアバリア層２０４の厚さを調整することによって制御することが出来、図３にみられる様に０．２４μｍ以上で光密度６．０×１０3ｃｍ-1以下となる。
【００３９】
本実施例の場合、活性層から光吸収層までの距離が、キャリアバリア層２０４の厚さ０．２５μｍとガイド層２０５の厚さ０．０５μｍ分の合計０．３μｍと十分に大きく、吸収層内の光密度は５．６×１０3ｃｍ-1と十分小さい。吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性のスイッチングは光出力５０ｍＷ以上まで見られず、安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４０】
図４は本発明の第二の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００４１】
この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上にｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層４０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層４０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層４０４を０．３μｍ、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓガイド層４０５を０．０５μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層４０６を８０ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層４０６上に二光束干渉露光法と塩酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングにより三次の台形形状回折格子（ピッチ約０．３６μｍ）を作製する。このときの回折格子のデューティは、光吸収層による吸収損失を抑える為に０．２程度の低デューティになるように作製されている。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｐ−Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ上クラッド層４０７を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層４０８を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００４２】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層４０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜４０９を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上へのホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅４μｍのストライプ溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極４１０を形成する。基板の厚さを約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極４１１を形成し、素子全体を４００℃で３分間の加熱処理をすることにより、素子が完成する。
【００４３】
本構造では、光吸収層内の平均光密度はキャリアバリア層４０４の厚さを調整することによって制御することができ、図８にみられるように０．３μｍ以上で光密度４．０×１０3ｃｍ-1以下となる。
【００４４】
本実施例の場合、活性層から光吸収層までの距離が、キャリアバリア層４０４の厚さ０．３０μｍとガイド層３０５の厚さ０．０５μｍ分の合計０．３５μｍと十分に大きく、吸収層内の光密度は４．０×１０3ｃｍ-1と十分小さくなる。吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性のスイッチングは、光出力５０ｍＷ以上まで見られず、安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４５】
図５は本発明の第三の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００４６】
この実施例は、まず、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上にｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層５０２を０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）光吸収層５０３を５０ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層５０３上に二光束干渉露光法とウエットエッチングにより一次の矩形形状回折格子（ピッチ約０．２４μｍ）を作製する。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層５０４を０．３μｍ、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）活性層５０５を０．１μｍ、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層５０６を１μｍ、Ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０７を０．５μｍ、第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００４７】
次に、ホトリソグラフィーを用いて幅３μｍのストライプ状のレジストマスクを形成し、ウエットエッチングを用いて活性層の上部から０．３μｍの位置までコンタクト層５０７と上クラッド層５０６をエッチングしてリッジ形状にした後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜５０８を約０．２μｍ形成し、リッジの頂上の絶縁膜だけを除去する。最後に基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化し、表面、裏面に電極５０９，５１０を真空蒸着して、素子が完成する。
【００４８】
本実施例の場合、活性層から光吸収層までの距離が、第二下クラッド層５０４の厚さ０．３μｍの分だけ十分に離れており、吸収層内の規格化光密度は６．０×１０3ｃｍ-1と十分小さい。吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性のスイッチングは、光出力５０ｍＷ以上まで見られず、安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４９】
【発明の効果】
本発明第１の態様に係る半導体レーザ装置によれば、利得結合定数を大きく保ったまま、高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定し、同時に光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、より寿命の長い素子が実現するものである。
【００５０】
本発明第２の態様に係る半導体レーザ装置によれば、利得結合定数を大きく保ったまま、高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定し、同時に光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、より寿命の長い素子が実現するものである。
【００５１】
本発明第３の態様に係る半導体レーザ装置によれば、利得結合定数を大きく保ったまま、高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定し、同時に光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、より寿命の長い素子が実現するものである。
【００５２】
本発明第４の態様に係る半導体レーザ装置によれば、利得結合定数を大きく保ったまま、高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定し、同時に光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、より寿命の長い素子が実現するものである。
【００５３】
本発明第５の態様に係る半導体レーザ装置によれば、利得結合定数を大きく保ったまま、高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定し、同時に光吸収層の上部または下部に生じる結晶再成長界面からの結晶欠陥の影響を受けにくく、より寿命の長い素子が実現するものである。
【００５４】
本発明第６の態様である回折格子の製造方法によれば、短周期の回折格子の製造における形状のばらつきが少なくなり、再現性と均一性が向上するものである。
【００５５】
即ち、利得結合分布帰還型半導体レーザは、従来の屈折率結合分布帰還型半導体レーザと異なり、完全な単一軸モード特性が容易に実現出来る。また利得結合分布帰還型半導体レーザの単一軸モード特性がレーザ出射端面の状態にほとんど依存しない事から端面コーティングに関して制限が無い。また利得結合分布帰還型半導体レーザは外部からの戻り光による雑音が生じにくいこと、高速電流変調において短光パルスの発生が可能であること、発振波長のチャーピングが小さいことが指摘されている。
【００５６】
特に本発明の利得結合分布帰還型半導体レーザは、周期的な光吸収層の位置を活性層から離し、かつ、吸収層の厚さを厚くすることにより、利得結合定数を大きく保ったまま高出力まで光吸収層の吸収飽和による特性劣化が生じず、素子の特性がより安定するという効果をもたらす。また、結晶再成長界面が活性層から離れていることによって、より寿命の長い素子が実現する。
【００５７】
また、回折格子の周期を半分にすることによって短周期の回折格子を得る製造方法において、一回目のエッチングを異方性エッチングをもたらせるエッチャントを、二回目のエッチングを等方性エッチングをもたらせるエッチャントを用いることによって、短周期の回折格子の製造における再現性と均一性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】吸収性回折格子を有する部分の平均規格化光密度と、κg＝２０ｃｍ-1を得るのに必要な光吸収層の層厚の関係を示す図である。
【図２】実施例１の利得結合分布帰還型半導体レーザを示す図である。
【図３】実施例１の利得結合分布帰還型半導体レーザにおける、キャリアバリア層厚と吸収性回折格子内の平均光密度との相関を示す図である。
【図４】実施例２の利得結合分布帰還型半導体レーザを示す図である。
【図５】実施例３の利得結合分布帰還型半導体レーザを示す図である。
【図６】従来例の利得結合分布帰還型半導体レーザを示す図である。
【図７】一次回折格子の作製プロセスを示す図である。
【図８】実施例２の利得結合分布帰還型半導体レーザにおける、キャリアバリア層厚と吸収性回折格子内の平均光密度との相関を示す図である。
【符号の説明】
２０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
２０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
２０３  ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
２０４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
２０５  ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層
２０６  ｐ−ＧａＡｓ光吸収層
２０７  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
２０８  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
２０９  窒化珪素絶縁膜
２１０  ｐ側電極
２１１  ｎ側電極
４０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
４０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
４０３  ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
４０４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
４０５  ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層
４０６  ｐ−ＧａＡｓ光吸収層
４０７  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
４０８  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
４０９  窒化珪素絶縁膜
４１０  ｐ側電極
４１１  ｎ側電極
５０１  ｎ−ＩｎＰ基板
５０２  ｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層
５０３  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
５０４  ｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層
５０５  ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０６  ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
５０７  ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５０８  窒化珪素絶縁膜
５０９，５１０  電極
６０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
６０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
６０３  ｕｎ−ＧａＡｓ活性層
６０４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
６０５  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層
６０６  ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
６０７  回折格子
６０８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上第２ガイド層
６０９  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
６１０  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
７０１  基板
７０２  ２次回折格子
７０３  レジスト
７０４  ２次回折格子の一部を再エッチングした部分
７０５  一次回折格子
【図１】
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【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】
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【図８】
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