(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層構造及び波長λの放射を放出するよう層構造に電流を流すための接触を含み、層構造は本質的に均一な厚さとレーザ長に渡って延びる活性層（４２）を含み、更に前記活性層から離れ、周期的変化を含む回折格子領域（１１１）を含み、レーザには複素結合定数ｋ＝ｋ’＋ｉｋ’’が付随する半導体レーザを含む製品において、
前記回折格子領域は順に、
ｉ）  波長λの放射に対して、相対的に高い屈折率と損失を有するよう選択された組成の第１の周期的にパターン形成された半導体層（１２）；
ｉｉ）  波長λの放射に対して、相対的に低い屈折率と損失を有するよう選択された組成の第２の周期的にパターン形成された半導体層（１３）；を含み、
ｉｉｉ）  前記第１及び第２の周期的にパターン形成された層は２層合成を形成し、波長λの放射に対して、相対的に低い損失を与えるよう選択された組成Ｑ１の半導体材料（１１０）中に埋め込まれ、
ｉｖ）  前記第１及び第２の層の厚さは｜ｋ’｜＜｜ｋ’’｜であるように及び、前記２層合成のモード荷重実屈折率が前記２層合成が埋め込まれている組成Ｑ１の半導体材料のそれに実質的に等しくなるように選択されることを特徴とする製品。
【請求項２】
｜ｋ’｜≦０．５｜ｋ’’｜である請求項１記載の製品。
【請求項３】
｜ｋ’｜≦０．２｜ｋ’’｜である請求項２記載の製品。
【請求項４】
前記波長λは０．８、１．３及び１．５５μｍを含む波長範囲内にある請求項１記載の製品。
【請求項５】
前記層構造はＩＩＩ  −Ｖ半導体材料を含む請求項４記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明の分野
本発明は分布帰還（ＤＦＢ）レーザ及びＤＦＢレーザを含む製品（たとえば光ファイバ通信システム用送信機）に係る。
【０００２】
本発明の背景
ＤＦＢレーザは知られており、たとえば光ファイバ通信システムにおける信号放射源のような狭い線幅の電磁放射の安定な光源を必要とする用途で、次第にその使用が増している。
【０００３】
従来技術のＤＦＢレーザは一般に、屈折率結合を含む。すなわち、それらはレーザの屈折率の縦方向に周期的な変化を含み、構造の利得又は損失の周期的変化はない。そのようなレーザは、特に空間的なホールバーニングを起し、それによりそれらの有用性が低下する。レーザ構造の周期的に変化する領域は、一般に“回折格子”とよばれる。
【０００４】
損失（又は利得；以下一括して“損失”とする）結合ＤＦＢレーザも、知られている。たとえば、ケイ・デービッド（Ｋ．Ｄａｖｉｄ）ら、エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第２６巻、２３８頁（１９９０）を参照のこと、そのようなレーザは、レーザの縦方向に損失の周期的な変化を含む。それは典型的な場合、複素結合定数ｋ＝（ｋ’＋ｉｋ’’）で表わされる。
【０００５】
損失結合レーザは有利な特性を示すと、一般に信じられている。たとえば、空間的ホールバーニングが減少し、外部反射への感度が低下し、周波数チャープは低くなり、スペクトル安定性は増す。しかし、報告されている損失結合レーザにおいて、ｋの実部ｋ’は典型的な場合、本質的な大きさをもち、ｋ’＝０をもつレーザに期待される特性に比べ、折衷された特性を生じる。たとえば、ビー・ボーチャート（Ｂ．Ｂｏｒｃｈｅｒｔ）ら、アイ・イーイーイー・トランスアクションズ・フォトニック・テクロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）  、第３（１１）巻、９５５頁（１９９１）を、参照こと。これは本質的に等しい屈折率及び利得（損失）結合強度、すなわち約３０／ｃｍ、言いかえれば｜ｋ’｜〜｜ｋ’’｜を有する損失結合ＤＦＢレーザを、明らかにしている。興味のある他の発表の中には、ケイ・クドー（Ｋ．Ｋｕｄｏ）ら、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）  第２９（６）、１７６９頁（１９９３）がある。これは“波状”活性領域を有する“複合結合”（すなわち利得＋屈折率結合）レーザを、明らかにしている。ジェイ・クドー（Ｊ．Ｋｕｄｏ）ら、アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）  第６（４）巻、４８２頁（１９９４）も参照のこと。これは周期的に分割された活性層を有する複合結合（利得結合を含む）レーザを明らかにし、活性層上に、同一に分割された“圧縮層”を有する。
【０００６】
損失結合レーザに付随した有利な特性をみると、本質的に純粋な損失結合が可能な容易に作製できるレーザ構造が実現されることは、非常に望ましいであろう。本明細書は、そのようなレーザ構造を、明らかにする。
【０００７】
用語及び定義
もし、放射が材料の禁制帯を越えて電子を励起することにより、材料中に電子／正孔対を生成できないなら、波長λの放射に対して、半導体材料は“本質的に無損失”である。他方、もし放射が禁制帯を越えて電子を励起することにより、半導体材料中に電子／正孔対を生成させられれば、材料は放射に対して、“損失がある”。“本質的に無損失”又は“損失がある”というのに本質的に等価な用語は、上で規定した意味をもつものとする。
【０００８】
もし、第１の材料の誘電定数の実部が、第２の材料の誘電定数の実部より大きいなら、すべての与えられた波長λに対して、半導体材料は別の半導体材料に比べ、“相対的に高い”実屈折率を有する。
【０００９】
少なくともある種のＩＩＩ  ／Ｖ半導体系において、波長によって組成を指定するのが、従来の慣習である。すなわち、波長は与えられた組成の禁制帯に対応する。たとえば、ＩｎＰに格子整合し、波長１．１０μｍで指定されるＩｎＧａＡｓＰ組成は、Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ａｓ０．４  Ｐ０．６  で、１．３０μｍで指定される組成は、Ｉｎ０．７２Ｇａ０．２８Ａｓ０．６  Ｐ０．４  である。
【００１０】
本発明の要約
本発明は特許請求の範囲により、規定される。広義には本発明は、本質的に損失結合されたＤＦＢレーザを含む製品で、実施される。すなわち、それは｜ｋ’｜＜｜ｋ’’｜、典型的な場合｜ｋ’｜≦０．５｜ｋ’’｜、好ましくは｜ｋ’｜≦０．２｜ｋ”｜である構造を有する。ここで、棒は絶対値を表す。
【００１１】
より具体的には、レーザは層構造（典型的な場合、ＩＩＩ  −Ｖ半導体材料を含む）及びレーザが波長λの放射を放出するよう、層構造に電流を流すための接触を含む。波長は典型的な場合、通信波長０．８μｍ、１．３μｍ及び１．５５μｍを含む範囲内にある。層構造は本質的に均一な厚さを有し、レーザの長さ方向に延びる活性層を含み、更に活性層から分離された回折格子領域を含む。重要なことは、回折格子領域は第１及び第２の周期的にパターン形成された半導体層を含み、前記第１及び第２のパターン形成された層は、波長λの放射に対して、相対的に低損失であるように選択された組成Ｑ１  の半導体材料中に、埋め込まれることである。第１及び第２の周期的にパターン形成された半導体層はそれぞれ、波長λの放射に対する相対的に高い実屈折率及び損失と、波長λの放射に対する相対的に低い実屈折率及び損失をもつよう選択された組成を有する。更に、前記第１及び第２の周期的にパターン形成された半導体層の各厚さは、｜ｋ’｜＜｜ｋ’’｜、好ましくは｜ｋ’｜≦０．５｜ｋ’’｜あるいは更に０．２｜ｋ’’｜より小さくなるよう選択されている。典型的な場合、第１及び第２のパターン形成された層は、相互に接触し、同じ周期をもち、周期的にパターン形成された層間に含まれる位相シフトは、ゼロである。
【００１２】
ほとんどの場合、単一の第１の周期的にパターン形成された半導体層と、単一の第２のそのような層が存在することが予想されるが、必ずしもそうでなくてよい。少なくとも原理的には、厚さが結合定数の条件に合うように選択されるなら、第１の層は２ないしそれ以上の要素層を含み、第２の層は２ないしそれ以上の要素層を含んでよい。
【００１３】
上で述べた構造において、層組成及び層厚の適切な選択を通して、放射の適当なモードが、レーザの縦方向に沿って実屈折率の本質的な変化を経験しないように、それらの関係を調整することが可能である。従って、結合定数の実部（｜ｋ’｜）の絶対値は、小さくあるいはゼロにもすることができ、一方虚数部の絶対値（｜ｋ’’｜）は、本質的な大きさをもつようにできる。
【００１４】
本発明はたとえば１．３μｍ又は１．５５μｍで放射するよう設計されたＥＭＢＨ、ＣＭＢＨ及びリッジレーザを含むＤＦＢレーザの本質的に任意の型、あるいはＥＭＬ（電子吸収変調レーザ）のようなＤＦＢレーザを含むより複雑な構造で、実施できる。レーザはたとえばＡＲ／ＡＲ又はＨＲ／ＡＲといった任意の被覆方式を使用でき、たとえばＧａＡｓ、ＩｎＰ又はＩｎＧａＡｓＰといった任意の適当な材料系を基本にすることができる。回折格子はバルク回折格子でもあるいは多量子井戸回折格子でもよく、あるいは格子整合しても歪んでいても、活性領域の上でも下でもよい。本発明に従うレーザはたとえばディジタル又はアナログ光ファイバ通信システム中で使用でき、冷却する型でも冷却しない型でもよい。上で用いた略語は、当業者にはよく知られている。
【００１５】
実施例の詳細な記述
λ＝１．３μｍの波長の放射を放出するよう設計された本発明の実施例は、以下のように作られる。
通常のＩｎＰ基板（１０）上に、図１の層構造を形成した後、約０．２０３μｍの周期、５０％の衝撃係数をもつ回折格子が、図２に概略的に示されるように、従来のフォトリソグラフィ及びエッチング（たとえば反応性イオンエッチング）により、層構造中に形成される。先の図中で、参照数字１１−１３はそれぞれ、２０ｎｍＱ１  材料、３５ｎｍＱ２  材料及び６４．５ｎｍＩｎＰをさす。Ｑ１  及びＱ２  はそれぞれ１．２１μｍ及び１．４５μｍの波長で指定される組成の四元のＩＩＩ  ／Ｖ材料をさす。当業者は、組成Ｑ１  の材料及びＩｎＰは１．３μｍで本質的に無損失で、一方組成Ｑ２  の材料は１．３μｍで損失があることを、認識するであろう。更に、組成Ｑ２  の材料は、ＩｎＰに比べ１．３μｍにおいて相対的に大きな実屈折率を有する。
【００１６】
回折格子のエッチング後、回折格子を安定化させることが、一般に望ましい。これはたとえば、エッチされたウエハ表面上に、Ｇａの薄い層（１４）を堆積させることにより、達成される。その後、組成Ｑ１  の材料を堆積させ、図３に概略的に示されるように、本質的に平坦な表面（１１０）が生じるように、表面を平坦化する。
【００１７】
表面（１１０）上に図４に概略的に示されるように、通常の層構造を成長させることができる。図において、数字（１１１）は上述の回折格子構造をさし、数字（４０−４４）は３００ｎｍＩｎＰスペーサ層、組成Ｑ３  の５０ｎｍ下部閉じ込め層、多量子井戸活性領域、組成Ｑ３  の５０ｎｍ上部閉じ込め層、７００ｎｍＩｎＰクラッド層をさす。たとえば、活性領域は組成Ｑ４  、厚さ７ｎｍの７個の井戸及び組成Ｑ３  、厚さ１０ｎｍの６個の障壁層を含む。ここで、Ｑ３  は１．１２μｍに対応し、Ｑ４  は１．３８μｍに対応する。
【００１８】
このように生成した層構造は、適当な長さ（たとえば３００μｍ）と導波路幅（たとえば１．０μｍ）のレーザを生じるように、従来の方式で加工される。従来の方式で、ミラー及び接触（たとえば４５）を形成する。
【００１９】
図５は本発明に従うレーザの別の実施例の特徴を、概略的に描いたものである。図は図３に対応するが、第２の周期的にパターン形成された半導体層が、要素層（１３０）及び（１３１）に分割されている。
【００２０】
本発明の重要な特徴は、損失のある回折格子層（又は複数の層）及び本質的に無損失の回折格子層（又は複数の層）、たとえば図２及び３中の層（１２）及び（１３）の厚さの選択である。これらの厚さは、２層合成のモード荷重実屈折率が、たとえば組成Ｑ１  の材料のような、その合成が埋め込まれる本質的に無損失の材料のそれに、本質的に等しくなるよう選択される。適切な層厚を決めるプロセスについて、次に示す。
【００２１】
所望のレーザは、図４に概略的に示されるような構造をもち、ＩｎＰ基板を有し、波長１．３μｍの放射を放出するよう、設計されれている。回折格子は層構造から形成され、層構造は基板から上へ順に、組成Ｑ１  の２０ｎｍＩｎＧａＡｓＰ層（禁制帯１．１２μｍ、実屈折率３．３４９）、組成Ｑ２  の２０ｎｍＩｎＧａＡｓＰ（１．３８μｍ、実屈折率３．６４３）、決めるべき厚さのＩｎＰ及び組成Ｑ１  の２０ｎｍＩｎＧａＡｓＰから成る。ＩｎＰの禁制帯は０．９２μｍで、実屈折率は３．２０５である。
【００２２】
ＩｎＰ層（ｔＩｎＰ  ）の適切な厚さは、以下のように決められる。
ｔＩｎＰ  ＝ｔＱ２×（ｎＱ２−ｎＱ１）／（ｎＱ１−ｎＩｎＰ  ）
この式で、ｔＱ２はＱ２  層の厚さ、ｎＱ２、ｎＱ１及びｎＩｎＰ  はそれぞれＱ２  、Ｑ１  及びＩｎＰの実屈折率である。数値を入れると、以下のようになる。
ｔＩｎＰ  ＝２０ｎｍ×０．２９４／０．１４４＝４０．８ｎｍ
【００２３】
上で示した近似の扱いで、多くの場合、適切な結果が得られる。特に、活性領域及び回折格子間の間隔が、導波路モードの電界が回折格子領域全体で本質的に一定と仮定できるほど十分大きい場合には、適切である。もしこれがあてはまらないか、より高い精度が望ましい場合は、層の厚さを決めるため、他の周知の方法を用いることができる。それらの例は、回折格子に沿ったモード屈折率を計算するための二次元実効屈折率又は有限要素法である。たとえば、エム・ジェイ・ロバートソン（Ｍ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ）  ら、ジャーナル・ライトウェーブ・テクノロジー（Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第７（１２）巻、２１０５頁（１９８９）を参照のこと。
【００２４】
損失のある層（たとえば１２）の厚さは、所望の損失についての考察に基づき、典型的な場合あらかじめ選択できることが、理解できるであろう。活性領域と回折格子間の間隔は、図６が例を示すように、重要な設計パラメータであることも、理解されるであろう。この図はたとえばＬ＝３００μｍのレーザ長の例で、スペーサ厚層の３つの値に対し、ＩｎＰ回折格子層（たとえば１３）厚に対するｋ’Ｌ値を示す。図６からわかるように、例えば｜ｋ’Ｌ｜≦０．２を達成するためには、ＩｎＰ回折格子層の実際の厚さは、１４０、２８０及び４００ｎｍのスペーサ層厚に対し、目標値４０ｎｍのそれぞれ約±３、±５及び±８ｎｍ以内でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】製造の各種段階における本発明に従う回折格子構造の例を示す図である。
【図２】製造の各種段階における本発明に従う回折格子構造の例を示す図である。
【図３】製造の各種段階における本発明に従う回折格子構造の例を示す図である。
【図４】本発明に従うレーザの例の層構造を、概略的に示す図である。
【図５】回折格子構造の別の例を示す図である。
【図６】本発明に従うレーザの例におけるＩｎＰ回折格子層厚の関数として、実結合定数のデータを示す図である。
【符号の説明】
１０  ＩｎＰ基板
１１  Ｑ１  材料
１２  Ｑ２  材料、層、半導体層
１３  ＩｎＰ、層、半導体層
１４  層
４０  ＩｎＰスペーサ層
４１  下部閉じ込め層
４２  多量子井戸活性領域、活性層
４３  上部閉じ込め層
４４  ＩｎＰクラッド層
４５  接触
１１０  表面、半導体材料
１１１  回折格子構造、回折格子領域、半導体材料
１３０、１３１  要素層
【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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