(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放出光を発生する活性層と、
該活性層の上下に該活性層を挟持するようにそれぞれ配置された一対のクラッド層と、
前記活性層上に配置された前記クラッド層の一方と前記活性層との間に配置され、線状凸凹形状が前記誘導放出光の伝播方向に周期的に形成されて相互に隣接する平坦な底部および平坦な頂部との間に斜面部がそれぞれ形成された回折格子が表面部分に設けられた光導波層とを有する分布帰還型半導体レーザ装置であって、
該回折格子上に、該線状凸凹形状に沿って前記誘導放出光を吸収する材料からなる光吸収層が配置されており、
該光吸収層は、前記誘導放出光に対する光吸収が生じる一定の層厚になるように形成された第１部分と、量子効果により前記誘導放出光に対する光吸収が生じないように前記第１部分よりも薄い層厚に形成された第２部分とを有し、
前記光吸収層の光吸収が生じる一定の厚さに形成された前記第１部分は、前記線状凸凹形状の前記各底部上及び前記各頂部上にそれぞれ形成され、前記光吸収層の量子効果によって誘導放出光を吸収しない層厚に形成された前記第２部分は、前記線状凸凹形状の前記各斜面部上にそれぞれ形成されており、
該第１部分と第２部分とが、前記回折格子の線状凸凹形状の繰り返し周期の半分の周期で形成されており、前記回折格子の線状凸凹形状の繰り返し周期が、前記誘導放出光のブラッグ条件を満たす最適値の２倍に設定されており、
前記光吸収層の前記線状凸凹形状の前記各頂部上に位置する前記第１部分の層厚が、該線状凸凹形状の前記各底部上に位置する第１部分の層厚よりも厚くなっていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記回折格子上に設けられた相互に層厚の異なる第１部分および第２部分を有する光吸収層が、該回折格子上において前記誘導放出光の伝播方向に連続して形成されている請求項１のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記光吸収層が、平坦な表面を有する前記光導波層上に、該誘導放出光を吸収するように前記誘導放出光に対して透明な第１の光吸収層を表面が平坦になるように積層して、該積層構造をエッチングすることによって、前記線状凸凹形状の各頂部にのみ該第１の光吸収層がそれぞれ設けられた前記回折格子を形成し、その後に、該回折格子上に第２の光吸収層が１回の結晶成長によって形成されることによって形成されている、請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理用の光源として用いられる、内部に回折格子を含む単一軸モードで発振する分布帰還型半導体レーザ装置に関し、特に、誘導放出光の伝播方向における周期的な光吸収により、活性層の利得に周期的な変化を持たせて発振波長を安定化させた利得結合型の分布帰還型半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光情報処理分野における半導体レーザ装置に対する要求は多用化してきている。特に、ヘテロダイン検波方式を用いたコヒーレント通信や波長多重通信を実用化するために、単一軸モードで発振可能な波長安定化半導体レーザ装置や、波長を任意に変化させることができる波長可変半導体レーザ装置が要求されている。更に、光情報処理や光計測、レーザビームプリンタ等においても、波長安定化半導体レーザ装置や波長可変半導体レーザ装置を用いることにより、新規の機能を持たせた特徴的なシステム構築ができるものと期待されている。
【０００３】
このような要求を満たす波長安定化半導体レーザ装置としては、従来、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザ装置（以下、ＤＦＢレーザともいう。）や分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レーザ装置（以下ＤＢＲレーザともいう。）等が知られている。このＤＦＢレーザは、長距離、大容量光伝送（幹線）系においてはすでに実用化されている。
【０００４】
このようなＤＦＢレーザは、屈折率結合型ＤＦＢレーザと呼ばれるものであり、活性層とその上下のクラッド層のいずれか一方との間に光導波層を設け、さらにこの光導波層の活性層とは反対側に、レーザ光の伝播方向に沿って一定の周期で形状が変化した回折格子を形成し、レーザ光の波長と同程度の周期で屈折率を変化させて、光を分布帰還させるようにしたものである。
【０００５】
しかしながら、上記屈折率結合型ＤＦＢレーザは、Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．４３，２３２７（１９７２）に記載されているように、最低の閾値利得を有する縦モードが２つ存在し、理論的にも２つのモードで発振してしまう。このため、このタイプのＤＦＢレーザにおいて単一軸モードの発振を確保するには、回折格子にシフト構造を導入する等、複雑なプロセスが必要であった。
【０００６】
これに対して、活性層の利得に直接的または間接的に周期的な変化を持たせた利得結合型ＤＦＢレーザがあり、このＤＦＢレーザは理論的に単一軸モードのみで発振する（Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．４３，２３２７（１９７２）参照）。特に最近では、吸収層を周期的に設けた吸収性回折格子による利得結合型ＤＦＢレーザでは、完全単一軸モード特性（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒｕｃｔｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０ｔｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｏｋｙｏ，ｐｐ．３２７参照）や戻り光雑音特性（１９９４年秋期応用物理学会学術講演会、２２ａ−Ｓ−７参照）等、様々な優れた特性を有することが実験的にも証明されている。
【０００７】
上記吸収性回折格子を有する利得結合型ＤＦＢレーザの従来例としては、その基本的な構造が特公平６−７６２４号公報に開示されており、図９は該公報記載のＤＦＢレーザの構造を示す斜視図である。
【０００８】
図において、９０は上記公報記載のＤＦＢレーザで、このＤＦＢレーザ９０では、ｐ−ＧａＡｓ基板９１上に、電流狭窄溝９１ａを有するｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層９２、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９３、ＡｌＧａＡｓ活性層９４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ光導波層９５およびｎ−ＧａＡｓ吸収層９６が順次形成されており、このｎ−ＧａＡｓ吸収層９６の表面には、凹凸状の回折格子が形成されている。
そして、該ｎ−ＧａＡｓ吸収層９６上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層９７及びｎ−ＧａＡｓコンタクト層９８が形成されている。なお、９０ａ，９０ｂはそれぞれ該ＤＦＢレーザの表面側電極及び裏面側電極である。
【０００９】
このような構造のＤＦＢレーザ９０では、吸収層９６の厚みが、誘導放出光の伝播方向に沿って一定の周期で変化させてあり、誘導放出光の利得または吸収係数がそれと同じ周期で変化する構造となっている。このため、このＤＦＢレーザ９０では、最低の閾値利得を有する縦モードが唯一しか存在せず、高速変調時のような非定常状態でも完全な単一軸モードでの発振を実現することができる。
【００１０】
また、上記のような吸収性回折格子を有する利得結合型ＤＦＢレーザの他の従来例としては、特開平４−３２６７８８号公報にその素子構造が開示されている。図１０はこの公報記載の素子構造を採用したＤＦＢレーザを説明するための図であり、図１０（ａ）は該ＤＦＢレーザの斜視図、図１０（ｂ）はその要部の断面図である。
【００１１】
図において、１００は上記公報記載の素子構造を有するＤＦＢレーザで、このＤＦＢレーザ１００では、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ活性層１０３、ｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０４が順次積層されており、このＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０４の表面には、鋸歯状の回折格子１１０が形成されている。そして、該光ガイド層１０４上には、量子効果が生じるような厚さであって約１５ｎｍ以下の平均厚さで、ＡｌＧａＡｓ等からなる光吸収層１０５が形成され、さらにその上にＡｌＧａＡｓクラッド層１０６が形成されている。なお、図示していないが、該クラッド層１０６上にはｎ−ＧａＡｓコンタクト層が形成されている。また、Ｌｄは誘導放出光の伝播方向である。
【００１２】
図１０（ｂ）に示すように、誘導放出光の伝播方向Ｌｄに沿って一定の周期を有する鋸歯状の回折格子１１０が形成された光ガイド層１０４上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により約１５ｎｍ以下の平均層厚で光吸収層１０５を結晶成長させた場合、該光吸収層の、光ガイド層の谷に相当する部分１０５ａの層厚ｔ２は、該光吸収層の、光ガイド層の山に相当する部分１０５ｂの層厚ｔ１に比べて厚くなる。このため、光吸収層の谷の部分１０５ａのバンドギャップＥｇ２は、その山の部分１０５ｂのバンドギャップＥｇ１に比べて小さくなる。
【００１３】
このように光吸収層の谷の部分１０５ａのバンドギャップＥｇ２とその山の部分１０５ｂのバンドギャップＥｇ１とを異ならせ、さらに、半導体層中のＡｌの含有量を変化させて活性層１０３のバンドギャップＥｇ３および光ガイド層１０４のバンドギャップＥｇ４と、上記谷の部分及び山の部分のバンドギャップとの大小関係を調節することにより、活性層１０３で発生する誘導放出光が光吸収層の谷の部分１０５ａのみで吸収されるようにすることができる。これにより、誘導放出光の利得結合をその伝播方向において周期的に行うことができるＤＦＢレーザが得られる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回折格子の形状変化の繰り返しピッチの最適値は、レーザの発振波長（誘導放出光の波長）から決められる一定の条件（ブラッグ条件）を満たす値に設定される。ところが、その最適値は非常に小さい値（約１２０ｎｍ）であるため、実際には回折格子は、該最適値のｍ倍（ｍは２以上の自然数）のピッチでつくられる。また、多くの場合、上記ピッチは最適値の２倍にしている。
【００１５】
このようなことから、上記図９および図１０に示したＤＦＢレーザにおいても、回折格子が誘導放出光に対する２次の周期，つまり上記最適値の２倍のピッチで作製されており、一定以上の利得結合定数κgを確保するためには、導波光の吸収も大きくさせなければならず、発振閾値が増加してしまうという問題があった。また、吸収性回折格子そのものを誘導放出光に対する１次の周期，つまり最適ピッチで作製する場合、約１００ｎｍの精度で回折格子を形成しなければならず、これは、プロセス上大変困難なことであり、素子の良品歩留まりが上がらないという問題があった。
【００１６】
本発明は上記のような従来の問題を解決するためになされたものであり、発振閾値が低く、単一軸モードに優れ、しかも歩留り良く作製することができる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。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の分布帰還型半導体レーザ装置は、誘導放出光を発生する活性層と、該活性層の上下に該活性層を挟持するようにそれぞれ配置された一対のクラッド層と、前記活性層上に配置された前記クラッド層の一方と前記活性層との間に配置され、線状凸凹形状が前記誘導放出光の伝播方向に周期的に形成されて相互に隣接する平坦な底部および平坦な頂部との間に斜面部がそれぞれ形成された回折格子が表面部分に設けられた光導波層とを有する分布帰還型半導体レーザ装置であって、該回折格子上に、該線状凸凹形状に沿って前記誘導放出光を吸収する材料からなる光吸収層が配置されており、該光吸収層は、前記誘導放出光に対する光吸収が生じる一定の層厚になるように形成された第１部分と、量子効果により前記誘導放出光に対する光吸収が生じないように前記第１部分よりも薄い層厚に形成された第２部分とを有し、前記光吸収層の光吸収が生じる一定の厚さに形成された前記第１部分は、前記線状凸凹形状の前記各底部上及び前記各頂部上にそれぞれ形成され、前記光吸収層の量子効果によって誘導放出光を吸収しない層厚に形成された前記第２部分は、前記線状凸凹形状の前記各斜面部上にそれぞれ形成されており、該第１部分と第２部分とが、前記回折格子の線状凸凹形状の繰り返し周期の半分の周期で形成されており、前記回折格子の線状凸凹形状の繰り返し周期が、前記誘導放出光のブラッグ条件を満たす最適値の２倍に設定されており、前記光吸収層の前記線状凸凹形状の前記各頂部上に位置する前記第１部分の層厚が、該線状凸凹形状の前記各底部上に位置する第１部分の層厚よりも厚くなっていることを特徴とする。
前記回折格子上に設けられた相互に層厚の異なる第１部分および第２部分を有する光吸収層が、該回折格子上において前記誘導放出光の伝播方向に連続して形成されていてもよい。
前記光吸収層が、平坦な表面を有する前記光導波層上に、該誘導放出光を吸収するように前記誘導放出光に対して透明な第１の光吸収層を表面が平坦になるように積層して、該積層構造をエッチングすることによって、前記線状凸凹形状の各頂部にのみ該第１の光吸収層がそれぞれ設けられた前記回折格子を形成し、その後に、該回折格子上に第２の光吸収層が１回の結晶成長によって形成されることによって形成されていてもよい。
【００２３】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２４】
この発明（請求項１，２，４）においては、光導波層の、光吸収層と接する表面部分を、線状凸凹形状が誘導放出光の伝播方向に一定の繰返し周期でもって形成されて回折格子が形成された構造とし、該光吸収層を、その線状凸凹形状の底部上及び頂部上での層厚と、該底部と該頂部の間の斜面部上での層厚とが異なったものとしたから、回折格子における線状凸凹形状の繰り返し周期を、該光吸収層の層厚が厚く該誘導放出光に対する光吸収が生じる部分と、該光吸収層の層厚の薄く該誘導放出光に対する光吸収が生じない部分とが誘導放出光の伝播方向に繰り返し配置される周期の倍の周期とすることができる。
【００２５】
つまり、回折格子における凸凹形状の１つの繰り返し周期内には、光吸収層の光吸収部と光非吸収部とが２周期分配列されることとなる。このため、回折格子の形状変化の繰り返し周期を、レーザの発振波長から決められる最適値の倍の周期にして形成しても、該回折格子上に形成される光吸収層の光吸収部と光非吸収部とはセルフアライン的に回折格子の半分の周期で形成されることとなり、プロセス上、回折格子の作製が容易となる。
【００２６】
また、光吸収層における光吸収部と光非吸収部との配列周期が、誘導放出光の波長から決まる最適値（１次の周期）である場合には、図８に示すようにデューティー比が多少ばらついても単一軸モードを達成するために必要な利得結合定数κgはあまり変化せず、素子の良品歩留りも十分確保される。
【００２７】
この結果、導波路での光吸収を最小に止め、かつ利得結合係数を十分確保できることから、発振閾値の低い単一モード特性に優れた分布帰還型半導体レーザを提供できる。
【００２８】
この発明（請求項３）においては、前記光吸収層を、前記線状凸凹形状の頂部上での層厚が、該線状凸凹形状の底部上での層厚より厚い構造としたので、光吸収層の、線状凸凹形状の頂部上部分での光閉じ込め係数と、光吸収層の、線状凸凹形状の底部上部分での光閉じ込め係数とを等しくすることが可能となる。
【００２９】
この発明（請求項５）においては、上記デューティ比を、０．２５〜０．４５の範囲に設定したので、安定な単一軸モード特性を得るために必要な利得結合係数κgとして０．５程度の値を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による分布帰還型半導体レーザ装置（ＤＦＢレーザ）の構造を示す断面図であり、図２は、その回折格子近傍の構造を拡大して示す断面図である。
【００３２】
図において、１０は本実施形態１のＤＦＢレーザで、このレーザ１０では、そのｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、ＡｌＧａＡｓ活性層１３、ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層１４、およびｐ−ＡｌＧａＡｓ光導波層１５が順次積層されている。この光導波層１５の表面部分には、誘導放出光の伝播方向（以下、光伝播方向という。）Ｌｄに、これと垂直なストライプ状の凸部１６ａが一定のピッチ間隔で形成されている。該各凸部１６ａは断面台形状を有しており、これらの凸部１６ａは回折格子１６を構成している。そして、該回折格子１６の上には、ｐ−ＧａＡｓ光吸収層１７、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１８およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９が順次積層されている。つまり、上記光導波層１５の、光吸収層１７と接する表面部分は、線状凸凹形状が誘導放出光の伝播方向Ｌｄに一定の繰返し周期でもって形成されて回折格子１６が形成された構造となっている。
【００３３】
ここで、上記凸部の配置の繰り返し周期（線状凸凹形状の繰返し周期）は、誘導放出光の波長に対して２次の周期Λ（該波長から決まる最適周期の２倍）となっている。上記光吸収層１７は、平均層厚が約２０ｎｍ以下であり、上記台形凸部１６ａの上面（線状凸凹形状の頂部上）での層厚ｄｆ1、および該隣接する台形凸部１６ａの間の部分上（線状凸凹形状の底部上）での層厚ｄｆ2がそれぞれ１５〜５０ｎｍの範囲に設定されている。また、上記光吸収層１７の該台形凸部１６ａの斜面部分（線状凸凹形状の底部と頂部との間の斜面部）上での厚みｄｒが５ｎｍ以下となっている。つまり上記光吸収層１７の厚みの変化は、誘導放出光の波長に対して１次の周期（該波長から決まる最適周期）で生じている。この光吸収層１７は、台形凸部の上面部分（線状凸凹形状の頂部）および台形凸部間の部分（線状凸凹形状の底部）で光吸収が生じ、台形凸部の斜面部分（線状凸凹形状の斜面部）では量子効果により光吸収が生じないため、上記光導波層１５の表面の凸凹部分上には、上記光吸収層１７による１次の周期を有する吸収性回折格子が形成されている。
【００３４】
次にこのＤＦＢレーザの製造方法について説明する。
【００３５】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層１２、Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１４およびｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光導波層１５を順次成長させる。
【００３６】
次に、この光導波層１５の表面部分に、ホログラフィック露光法およびＨ2ＳＯ4系エッチャントを用いたウェットエッチング等による処理を施して、高さｄが５０ｎｍであり断面台形状を有する線状の凸部１６ａを複数その長手方向が光伝播方向Ｌｄと直交するよう形成する。これにより上記光導波層１５の表面部分は、線状凸凹形状が誘導放出光の伝播方向Ｌｄに一定の繰返し周期でもって形成されて回折格子１６が形成されたものとなる。
【００３７】
続いて、減圧ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＡｓ等からなる光吸収層１７、ｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層１８およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層１９を順次成長させる。
【００３８】
回折格子１６上に光吸収層１７を形成する場合、適当な成長条件、例えば基板温度７５０℃、成長圧力５０ｔｏｒｒ、成長速度１０〜３０ｎｍ／ｍｉｎ．という条件を設定することにより、台形凸部１６ａの上面部分（（１００）面）、および該台形凸部間の領域（（１００）面）上での成長速度が、それ以外の台形凸部斜面（高次の面）上での成長速度よりも速くなる。このため、台形凸部の上面部分および隣接する台形凸部の間の部分のみで光吸収層の厚さを選択的に厚くして該光吸収層を光吸収が生じる程度の厚さに形成し、台形凸部の斜面部分では、光吸収層の厚さを光吸収が生じない位に薄くすることができる。
【００３９】
このような成長面方位依存性を利用することにより、図２に示したような回折格子状の光吸収層の構造、つまり一次の周期で光吸収層の厚みが光伝播方向Ｌｄにおいて変化した構造が得られる。
【００４０】
例えば、平坦な基板上では約１０ｎｍ程度の平均層厚となるようＧａＡｓを上記回折格子１６上に成長させた場合、台形凸部１６ａの斜面上でのＧａＡｓ層の層厚ｄｒは４ｎｍ以下になり、量子効果によって光吸収が生じなくなる。一方、台形凸部１６ａの上面部分と台形凸部間の部分とでは、その上のＧａＡｓ層の層厚ｄｆ1，ｄｆ2は、約１５ｎｍとなって、ＧａＡｓ層での光吸収が生じる。
【００４１】
このような構成のＧａＡｓ層では、誘導放出光に対する吸収係数、即ち利得係数の変化は、誘導放出光の伝播方向に沿って一次の周期で生じることとなり、一次の周期の吸収性回折格子を有する利得結合型ＤＦＢレーザを容易に作製することができる。
【００４２】
このようにして得られるＤＦＢレーザは、１次の周期の吸収性回折格子を有しているので、導波路での光吸収を最小限に止めても利得係数κgを十分確保でき、低閾値電流で単一軸モードの発振が可能である。また、２次の周期を有する回折格子上に、一次の周期を有する吸収性回折格子をセルフアライン的に形成できるので、ＤＦＢレーザを歩留り良く作製することができる。
【００４３】
ところで、この実施形態１のＤＦＢレーザ１０では、光吸収層の凸部上面部に成長した部分と、凸部間領域に成長した部分とでは、活性層１３からの距離が異なっているため、これらの部分では、誘導放出光の吸収係数または利得係数も異なったものとなる。
【００４４】
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、本実施形態１のＤＦＢレーザについて補足説明するための図である。
【００４５】
ここで、図３（ａ）は上記ＤＦＢレーザの回折格子及びその近傍部分を示しており、層厚１００ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光導波層１５の表面に、高さ５０ｎｍの複数の断面台形状凸部１６ａによる表面の形状変化が２次の周期を有する回折格子１６が形成され、凸部１６ａの上面上，および隣接する凸部１６ａ間の領域上に層厚１５ｎｍのＧａＡｓ吸収層１７ｃ，１７ａが形成されている。上記凸部１６の斜面上には層厚５ｎｍ以下の吸収層１７ｂが形成されている。そして、上記光吸収層上には表面全体が埋め込まれるようｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層１８が形成され、さらにその上にＧａＡｓ層１９が形成されている。
【００４６】
次にこのような実施形態１の構成における特性評価の結果について示す。ここでは、特性評価のための計算を容易に行うために、図３（ａ）に示すＤＦＢレーザの素子構造を、図３（ｂ）に示すようにモデル化し、該レーザを構成する各半導体層に図３（ｃ）に示すパラメータを設定して、光モード計算を行った。
【００４７】
なお、図３（ｂ）において、層１ａは上記ＧａＡｓ基板１１、層２ａは上記ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、層３ａは上記ＡｌＧａＡｓ活性層１３、層４ａは上記ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層１４に対応している。また、層５ａは、上記ＡｌＧａＡｓ光導波層１５の、凸部１６ａを除く部分に対応し、層６ａは、隣接する凸部１６ａ間に位置するＧａＡｓ吸収層１７ａと、その両側のＡｌ0.25Ｇａ0.75部分とを含む層に対応する。また層７ａは、該層６ａの上側に位置する、凸部１６ａを構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ部分と、該凸部間の領域を埋め込むＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ部分とを含む層に対応する。層８ａは、該層７ａの上側に位置する、光吸収層１７ｃとその両側のＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ層部分とからなる層に相当する。層９ａは該層８ａ上側のＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層部分、層１０ａはその上のＧａＡｓ層部分に対応する。また、ここでは、上記吸収層１７ｂは光吸収が起こらない程度に十分薄いので、該吸収層はないものとしている。
【００４８】
また、図３（ｃ）には、各半導体層についてのＡｌ混晶比Ｘ、屈折率ｎ、層厚ｄ、吸収係数αを示している。但し、回折格子１６を構成する半導体層６ａ〜８ａの屈折率ｎ及び吸収係数αについては、平均値を示している。
【００４９】
このモデルに基づいて計算を行ったところ、図３（ｄ）に示すように、凸部上側の層８ａの光閉じ込め係数Γ８ａと、凸部下端部分の層６ａの光閉じ込め係数Γ６ａとは異なったものとなる。ここでΓ７ａは、上記層６ａと層８ａとの間に位置する層７ａでの光閉じ込め係数、Γactは活性層の光閉じ込め係数、ｎeffは、本ＤＦＢレーザを構成する半導体層全体としての実効的な屈折率、αeffは、本ＤＦＢレーザを構成する半導体層全体としての実効的な吸収係数である。また、図３（ｅ）に示すように、光吸収によるロス、即ち利得係数も、上記層８ａと層６ａとで異なるものとなる。なお、図３（ｅ）では、誘導放出光のその伝播方向におけるロスの周期的分布を示しており、ａ2＝３／（２π）は理想的な波形を仮定して、図３（ｅ）の矩形波をフーリエ展開したときの２次分布、すなわち理想的な波の振幅を示している。さらに換言すれば、上記値ａ2＝３／（２π）は、吸収係数の大きさ、利得結合係数（κg）の大きさを示すものである。
【００５０】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、上記実施形態１の変形例について説明するための図である。
【００５１】
この変形例では、図４（ａ）に示すように、光吸収層の凸部上面部分（線状凸凹形状の頂部上部分）の層厚を、光吸収層の凸部間部分（線状凸凹形状の底部上部分）での層厚より厚くしている。その他の構成は図１に示す実施形態１の素子構造と同一である。
【００５２】
つまり、ここでは、その表面に予め層厚１０ｎｍの第１のＧａＡｓ吸収層２７を形成した層厚１００ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光導波層１５に対して、選択的なエッチング処理を施して、深さ５０ｎｍ程度の台形状凸部２６ａを複数形成して、回折格子２６を形成している。つまり、上記光導波層１５の、光吸収層と接する表面部分は、線状凸凹形状が誘導放出光の伝播方向Ｌｄに一定の繰返し周期でもって形成されて回折格子２６が形成された構造となっている。また、該凸部上面上（線状凸凹形状の頂部上）及び凸部間領域（線状凸凹形状の底部上）には、層厚１０ｎｍの第２のＧａＡｓ吸収層１７ｃ，１７ａが形成され、その上には全体を埋め込むようｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層１８が形成されている。また、該凸部２６ａの斜面部分上（線状凸凹形状の底部と頂部との間の斜面部上）には第２のＧａＡｓ層１７ｂが５ｎｍ以下の厚さに形成されている。
【００５３】
この素子構造では、凸部２６ａの上部には、光吸収層として第１のＧａＡｓ吸収層２７と第２のＧａＡｓ吸収層１７ｃとが形成されており、凸部２６ａの上部の光吸収層の厚さは２０ｎｍとなっており、凸部２６ａ間領域での光吸収層１７ａの厚さは１０ｎｍとなっている。
【００５４】
ここでは、特性評価のための計算を容易に行うために、図４（ａ）に示すＤＦＢレーザの素子構造を、図４（ｂ）に示すようにモデル化し、該レーザを構成する各半導体層に図４（ｃ）に示すパラメータを設定して、光モード計算を行った。これにより、図４（ｄ）に示すような結果が得られた。
【００５５】
なお、図４（ｂ）では、層１ｂは上記ＧａＡｓ基板１１、層２ｂは上記ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、層３ｂは上記ＡｌＧａＡｓ活性層１３、層４ｂは上記ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層１４に対応している。また、層５ｂは、上記ＡｌＧａＡｓ光導波層１５の、凸部２６ａを除く部分に対応し、層６ｂは、隣接する凸部２６ａ間に位置するＧａＡｓ吸収層１７ａと、その両側のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ部分とを含む層に対応する。また層７ｂは、該層６ｂの上側に位置する、凸部２６ａを構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ部分と、該凸部間の領域を埋め込むＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ部分とを含む層に対応する。層８ｂは、該層７ｂの上側に位置するＧａＡｓ吸収層２７及び１７ｃと、これらの両側のＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ層部分とからなる層に相当する。
【００５６】
なお、ここでは、上記吸収層１７ｂは光吸収が起こらない程度に十分薄いので、該吸収層はないものとしている。
【００５７】
また、図４（ｃ）には、各半導体層についてのＡｌ混晶比Ｘ、屈折率ｎ、層厚ｄ、吸収係数αを示している。但し、回折格子２６を構成する半導体層６ｂ〜８ｂの屈折率ｎ及び吸収係数αについては、平均値を示している。
【００５８】
この場合、図４（ｄ）から分かるように、層８ｂでの光閉じ込め係数Γ８ｂと、層６ｂでの光閉じ込め係数Γ６ｂとがほぼ等しくなる。なお、Γ７ｂは、上記層７ｂでの光閉じ込め係数、Γactは活性層の光閉じ込め係数、ｎeffは実効的な屈折率、αeffは実効的な吸収係数である。
【００５９】
また、この変形例では、図４（ｅ）に示すように、光吸収によるロス、即ち利得係数も光の伝播方向に沿って１次の周期でバランス良く変化している。なお、図４（ｅ）では、誘導放出光のその伝播方向におけるロスの周期的分布を示しており、ｂ2＝２／πは理想的な波形を仮定したときの波の振幅、すなわち吸収係数の大きさ、利得結合係数の（κg）の大きさを示すものである。図３で示した実施形態１と比較して利得結合係数が大きくとれ、しかも素子全体としての実効的な吸収係数（αeff）も小さくできることがわかる。
【００６０】
このような構成のＤＦＢレーザは、低電流動作が可能であり、さらに単一軸モード特性や製造歩留まりに優れたものとなる。
【００６１】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２による分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す断面図であり、図６はその回折格子近傍の構造を拡大して示す断面図である。
【００６２】
図において、５０は本実施形態２の分布帰還型半導体レーザ装置で、この半導体レーザ装置では、ｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、ＡｌＧａＡｓ活性層５３、ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層５４およびｐ−ＡｌＧａＡｓ光導波層５５が順次積層されている。そして、この光導波層５５の表面部分には、断面台形形状の複数の線状凸部（以下台形凸部という。）５６ａが誘導放出光の伝播方向に沿って一定のピッチ間隔で形成されており、これにより回折格子５６が形成されている。つまり、上記光導波層５５の、光吸収層５７と接する表面部分は、線状凸凹形状が誘導放出光の伝播方向Ｌｄに一定の繰返し周期でもって形成されて回折格子５６が形成された構造となっている。
【００６３】
該回折格子５６が形成された光導波層５５の上には、ｐ−ＧａＡｓ等からなる光吸収層５７、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層５８およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層５９が順次積層されている。
【００６４】
ここで、上記光導波層５５の表面部分の台形凸部５６ａは、誘導放出光の波長に対して２次の周期Λでもって光伝播方向Ｌｄに配置されている。また、該光吸収層５７は、台形凸部５６ａの上面上（線状凸凹形状の頂部上）、及び台形凸部５６ａ間の領域上（線状凸凹形状の底部上）では、その厚さｄｆが５ｎｍ以下となっており、また台形凸部５６ａの斜面上（線状凸凹形状の斜面部上）ではその厚さｄｒが１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度となっている。
【００６５】
従って、上記光吸収層５７の層厚は、光伝播方向Ｌｄにおいて誘導放出光に対して１次の周期で厚みの変化が生じている。従って、この光吸収層５７は、上記凸部上面部分及び凸部間部分では量子効果により光吸収が生じず、凸部斜面部では光吸収が生じる構成となっている。このため、本ＤＦＢレーザの回折格子は、誘導放出光に対して１次の周期を有する吸収性回折格子となっている。
【００６６】
次に、ＤＦＢレーザの製造方法について説明する。
【００６７】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層５２、Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層５３、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層５４およびｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光導波層５５を順次成長させる。
【００６８】
次に、この光導波層５５の表面に、ホログラフィック露光法およびＨ2ＳＯ4系エッチャントを用いたウェットエッチング等による処理を施して、高さｄが５０ｎｍの断面台形形状を有する線状凸部５６ａを複数形成して、該光導波層５５の表面部分に回折格子５６を形成する。このとき台形凸部５６ａの斜面が、（１１１）Ａ面となるようエッチングによる加工を行う。
【００６９】
その後、該光吸収層５５上にＭＯＣＶＤ法により、２０ｎｍ以下の平均層厚でｐ−ＧａＡｓ等からなる光吸収層５７を形成し、続いて、その上にｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層５８およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層５９を順次成長させる。
【００７０】
ここで、回折格子５６上に光吸収層５７を形成する際、基板温度を６５０〜７５０℃と低く設定し、台形凸部の斜面である（１１１）Ａ面での成長速度が台形凸部の上面部および台形凸部間の部分の（１００）面の成長速度よりも速くなるような成長条件を設定することにより、該台形凸部の斜面（（１１１）Ａ面）上には厚い光吸収層を選択的に形成することができる。
【００７１】
例えば、平坦部で約１０ｎｍ程度の平均層厚となるようＧａＡｓを回折格子５６上に成長させた場合、台形凸部の上面部及び台形凸部間の領域上でのＧａＡｓ層の層厚は３ｎｍ以下になり、これらの部分のＧａＡｓ層では量子効果によって光吸収が生じなくなる。一方、台形凸部の斜面上でのＧａＡｓ層の層厚は、約１０ｎｍとなって、この部分のＧａＡｓ層では光吸収が生じる。
【００７２】
これによって、光吸収層は、光伝播方向Ｌｄに沿って誘導放出光に対して一次の周期で吸収係数（利得係数）が変化する構造となり、一次の周期の吸収性回折格子を有する利得結合型ＤＦＢレーザを容易に作製することができる。
【００７３】
このようにして得られるＤＦＢレーザは、１次の周期の吸収性回折格子を有しているので、導波光の吸収を最小限に止めても利得係数κgを十分確保でき、低閾値電流で単一軸モードの発振が可能である。また、誘導放出光の波長に対して２次の周期となっている回折格子上に、一次の周期を有する吸収性回折格子をセルフアライン的に形成できるので、素子を歩留り良く作製することができる。
【００７４】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は上記実施形態２のＤＦＢレーザを補足説明するための図である。
【００７５】
ここで、図７（ａ）は、該ＤＦＢレーザの回折格子及びその近傍部分を示しており、層厚１００ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光導波層５５の表面部分には、高さ５０ｎｍの断面台形状の凸部５６ａが誘導放出光の波長に対して２次の周期で配置されており、該複数の凸部５６ａにより回折格子５６が形成されている。
【００７６】
上記台形凸部５６ａの斜面上には層厚１０ｎｍのＧａＡｓ吸収層５７ｂが形成されている。また、該凸部５６ａの上面上、及び該凸部間の領域上には、層厚５ｎｍ以下のＧａＡｓ吸収層５７ｃ，５７ａが形成されている。また、上記回折格子５６上には、各凸部５６ａを埋め込むようｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓクラッド層５８が形成されており、その上にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層５９が形成されている。
【００７７】
このような具体的な構造のレーザにおける特性の評価のための条件及びその結果について以下に示す。
【００７８】
ここで、特性評価のための計算を容易に行うために、図７（ａ）に示す素子構造を図７（ｂ）に示すようにモデル化し、図７（ｃ）に示すパラメータを設定して、特性評価のための計算を行った。
【００７９】
なお、図７（ｂ）において、層１ｃは上記ＧａＡｓ基板５１、層２ｃは上記ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、層３ｃは上記ＡｌＧａＡｓ活性層５３、層４ｃは上記ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層５４に対応している。また、層５ｃは、上記ＡｌＧａＡｓ光導波層５５の、凸部５６ａを除く部分に対応し、層６ｃは、該凸部５６ａを構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ部分、該凸部５６ａの斜面上のＧａＡｓ部分５７ｂ、及び該凸部間の領域を埋め込むＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ部分からなる層に対応する。また、層７ｃは、上記層６ｃの上側に位置する、クラッド層を構成するＡｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ部分に対応し、層８ｃは、該層７ｃ上側のＧａＡｓ層部分に対応する。また、ここでは、上記吸収層５７ａ，５７ｃは光吸収が起こらない程度に十分薄いので、該吸収層はないものとしている。
【００８０】
また、図７（ｃ）には、上記各半導体層１ｃ〜１０ｃについてのＡｌ混晶比Ｘ、屈折率ｎ、層厚ｄ、吸収係数αを示している。但し、回折格子５６を構成する半導体層６ｃの屈折率ｎ及び吸収係数αについては、平均値を示している。
【００８１】
図７（ｂ）に示すモデルについて特性評価のための計算を行ったところ、図７（ｄ）に示すように、上記層６ｃの光閉じ込め係数Γ６ｃは０．０１６４となり、この結果から、導波路損失が低く、かつ、光の伝播方向に沿って１次の周期で吸収係数が変調された吸収性回折格子を有する利得結合型ＤＦＢレーザが実現できることが分かる。なお、図７（ｄ）中、Γactは活性層５３の光閉じ込め係数、ｎeff及びαeffはそれぞれ、本実施形態２のＤＦＢレーザを構成する半導体層全体としての実効的な屈折率及び吸収係数である。
【００８２】
ところで、この実施形態２のように、光吸収層の層厚を、断面台形状の凸部の斜面上でのみ光吸収が生じるよう調節した分布帰還型半導体レーザ装置では、回折格子のデューティ比が、単一軸モード特性を確保するために必要な利得結合定数κgに影響する。ここでデューティ比は、図６に示すように、台形凸部の斜面部分の光伝播方向における寸法Ａと、台形凸部の斜面の最上位置からこの斜面に面する隣の台形凸部の斜面の最下位置までの光伝播方向Ｌｄにおける寸法Ｂとの比の値である。
【００８３】
図８（ａ）および（ｂ）に、共振器長で規格化した利得結合定数κgＬと、光吸収層が接する回折格子のデューティー比との関係を示す。図８（ａ）では、吸収層の厚さを一定（１５ｎｍ）とし、回折格子の深さ（台形凸部の高さ）をパラメータとしたもの、図８（ｂ）では、回折格子の深さ（台形凸部の高さ）を一定（５０ｎｍ）とし、吸収層の厚さをパラメータとしたものを示している。また、図８（ａ），（ｂ）ではいずれも回折格子の周期Λを２４０ｎｍとしている。
【００８４】
図８（ａ）および（ｂ）から理解されるように、利得結合定数κgＬは回折格子の深さや光吸収層の厚みによって変化する。しかし、光導波層の表面部分に形成された回折格子のデューティー比Ａ／Ｂが０．２５〜０．４５の範囲であれば、安定な単一軸モード特性を得るために必要な利得結合定数κgとして概ね０．５を確保することができる。
【００８５】
このようにしてレーザ素子をその構造パラメータを限定して作製することにより、低電流動作が可能であり、さらに単一軸モード特性やその製造歩留まりに優れた分布帰還型半導体レーザ装置を得ることが可能となる。
【００８６】
なお、上記各実施形態では、光導波層の表面部分に誘導放出光に対して２次の周期を持つ回折格子を形成して、１次の周期の回折格子構造を有する光吸収層を成長させたが、光導波層上面の回折格子を２ｍ次（ｍは１以上の整数）の周期で形成してもよい。その場合には、ｍ次の周期の吸収性回折格子が得られる。
【００８７】
また、上記実施形態では、活性層とその上側に形成されたクラッド層との間に光導波層および吸収層を形成したが、活性層の下側に形成されたクラッド層と活性層との間に形成してもよい。
【００８８】
また、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系材料を用いたが、これに限るものではない。
【００８９】
また、レーザを構成する半導体層に成長方法は、ＭＯＣＶＤ法に限るものではない。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置によれば、光導波層の、光吸収層と接する表面部分に、線状凸凹形状を、誘導放出光の伝播方向に沿って、誘導放出光の波長に対して２ｍ（ｍは自然数）次の周期でもって形成して回折格子を形成し、該回折格子が形成された光導波層の表面上に光吸収層を成長させることにより、ｍ次の周期を有する吸収性回折格子をセルフアライン的に形成することができる。
【００９１】
このため、製造プロセスを非常に簡単にすることができ、ＤＦＢレーザの良品歩留りを十分高くすることができる。
【００９２】
また、吸収性回折格子の周期を、パターニングにより光導波層表面に形成される回折格子の周期より小さくできるので、導波路における吸収を最小限に止めると共に、単一軸モード特性を得るために必要十分な利得結合定数κgを確保することができる。従って、発振閾値が低く、単一軸モード特性に優れたＤＦＢレーザを提供することができる。
【００９３】
このように優れた素子特性を有する本発明のＤＦＢレーザは、製造プロセスが簡単で量産性にも優れているので、ヘテロダイン検波方式を用いたコヒーレント通信や波長多重通信用、光情報処理や光計測用、あるいはレーザビームプリンタ用の光源として、極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による分布帰還型半導体レーザ装置（ＤＦＢレーザ）の構造を示す断面図である。
【図２】上記ＤＦＢレーザにおける、回折格子近傍の構造を拡大して示す断面図である。
【図３】上記実施形態１のＤＦＢレーザについて、その特性評価のための条件及びその結果の補足説明をするための図である。
【図４】上記実施形態１のＤＦＢレーザの変形例について、その特性評価のための条件及びその結果を含めて説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態２による分布帰還型半導体レーザ装置（ＤＦＢレーザ）の構造を示す断面図である。
【図６】上記実施形態２のＤＦＢレーザについて、回折格子近傍の構造を拡大して示す断面図である。
【図７】上記実施形態２のＤＦＢレーザについて、その特性評価のための条件及びその結果の補足説明をするための図である。
【図８】上記実施形態２のＤＦＢレーザについて、光導波層からなる回折格子のデューティー比と、共振器長で規格化した利得結合定数κgＬとの関係を示すグラフで示す図である。
【図９】従来の利得結合型ＤＦＢレーザの構造を示す斜視図である。
【図１０】従来の他の利得結合型ＤＦＢレーザの構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１０，５０  ＤＦＢレーザ
１１、５１  ＧａＡｓ基板
１２、５２  ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１３、５３  ＡｌＧａＡｓ活性層
１４、５４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
１５、５５  ｐ−ＡｌＧａＡｓ光導波層
１６、２６、５６  回折格子
１６ａ、２６ａ、５６ａ  台形凸部
１７、５７  ｐ−ＧａＡｓ等からなる光吸収層
１８、５８  ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１９、５９  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
【図１】
0003707846.tif 000002
【図２】
0003707846.tif 000003
【図３】
0003707846.tif 000004
【図４】
0003707846.tif 000005
【図５】
0003707846.tif 000006
【図６】
0003707846.tif 000007
【図７】
0003707846.tif 000008
【図８】
0003707846.tif 000009
【図９】
0003707846.tif 000010
【図１０】
0003707846.tif 000011