(57)【要約】【課題】  垂直方向でみたビーム発散を低減した半導体導波路デバイスを提供する。【解決手段】  半導体レーザーデバイスは、遠視野及びビーム発散を低減するためのビーム制御層（４２、４１）を備えている。ビーム制御層の内部において、半導体材の物理的特性がそのビーム制御層にわたり、深さの関数として変化している。このような特性の変化は、半導体材の特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第に変化する第１のサブ層（４２）、及び、半導体材の特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで変化する第２のサブ層（４１）を付与することにより為される。好ましい構成の場合、半導体材の伝導帯末端が、ビーム制御層にわたってＶ字状のプロファイルとなっている。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、導波層とを含む半導体光導波デバイスであって、
前記導波層は、前記第１、第２のクラッド層の間に配置され、前記第１、第２のクラッド層よりも実質上高い屈折率を有しており、
前記第１、第２のクラッド層の少なくとも一方は、ビーム制御層を含んでおり、
前記ビーム制御層は、半導体材の特性がそのビーム制御層にわたって深さの関数として変化しており、第１のサブ層と、第２のサブ層とを含んでおり、
前記第１のサブ層は、前記特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第に変化しており、
前記第２のサブ層は、前記特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで次第に変化している、
デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載されたデバイスであって、
前記第３のレベルは、前記第１のレベルに実質上等しい、
デバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたデバイスであって、
前記変化している特性は、材料の組成比である、
デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１のサブ層は、伝導帯末端を次第に減少させるものであり、
前記第２のサブ層は、伝導帯末端を次第に増大させるものである、
デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１のサブ層は、屈折率を次第に増大させるものであり、
前記第２のサブ層は、屈折率を次第に減少させるものである、
デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１、第２のサブ層は、隣接している、
デバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１のレベルは、隣接するクラッド層の特性のレベルに実質上等しい、
デバイス。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第３のレベルは、隣接するクラッド層の特性のレベルに実質上等しい、
デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１のサブ層の特性は、前記第１のレベル及び前記第２のレベルの間において、実質上直線状に変化している、
デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第２のサブ層の特性は、前記第２のレベル及び前記第３のレベルの間において、実質上直線状に変化している、
デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れかに記載されたデバイスであって、
前記第１、第２のクラッド層は、ＧａＡｓベースまたはＩｎＰベースの系から構成されている、
デバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れかに記載されたデバイスであって、
前記導波層は、量子井戸層である、
デバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れかに記載されたデバイスであって、更に基板を含んでおり、
前記第１のクラッド層は、基板からみて最も近位の層であり、
モード制御層は、前記第１のクラッド層の内部に設けられている、
デバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載されたデバイスであって、
前記基板は、ＧａＡｓを含んでおり、
前記第１のクラッド層及び前記ビーム制御層は、ｎ型ＡｌＧａＡｓを含んでおり、
前記第２のクラッド層は、ｐ−ドープされたＡｌＧａＡｓを含んでいる、
デバイス。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の何れかに記載されたデバイスであって、リッジ導波路を含んでいるデバイス。
【請求項１６】
請求項１乃至１５の何れかに記載されたデバイスであって、
前記特性は、屈折率であり、
屈折率の異なるサブ層を交互に重ね、それぞれのサブ層の厚みを変化させ、更に、交互に重ねられるサブ層に、それぞれ、光の波長よりも実質上小さい厚みを与えることにより、屈折率が、第１及び第２のビーム制御サブ層において次第に変化している、
デバイス。
【請求項１７】
請求項１２に記載されたデバイスであって、レーザー、光変調器または光増幅器を、１つまたは複数含んでいるデバイス。
【請求項１８】
半導体光導波デバイスの製造方法であって、
基板の上に第１のクラッド層を形成するステップと、
前記第１のクラッド層よりも実質上大きい屈折率を有する導波層を、前記第１のクラッド層の上に形成するステップと、
前記導波層よりも実質上小さい屈折率を有する第２のクラッド層を、前記導波層の上に形成するステップとを含んでおり、
前記第１のクラッド層を形成するステップの間に、そこにビーム制御層を形成し、
前記ビーム制御層の形成は、半導体材の特性がそのビーム制御層にわたって深さの関数として変化し、更に、そのビーム制御層が第１のサブ層と、第２のサブ層とを含み、前記第１のサブ層は、特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第に変化し、前記第２のサブ層は、特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで次第に変化するように、堆積条件を次第に変化させることによって行う、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体導波路デバイス(semiconductor waveguide devices)に関し、特に、半導体導波路デバイスからの光学的出力ビームの発散(divergence)を制御する方法に関する。
【０００２】
本発明は、限定されることはないが特に、通信及び印刷分野(printing applications)で使用するのに適した半導体レーザー、増幅器、変調器及び他の導波路を製造するのに利用することができる。通信及び印刷分野では、他の光学部品（光導波路など）に対する低い結合損失、及び、よじれなしの(kink-free)高い出力が要求される。より具体的には、本発明は、限定されることはないが特に、通信分野で用いられる９８０ｎｍの励起レーザー(pump laser)を製造するのに、及び、印刷分野で用いられる８３０ｎｍの高出力レーザーを製造するのに利用することができる。
【背景技術】
【０００３】
一般に、従来の半導体レーザーデバイスは、ほぼ楕円状の断面を有する光出力ビームを生じる。図１を参照すると、このような従来のレーザーデバイスは、典型的には、基板１０上に積み重ねられた一連の層を備えており、これらの層には、下部クラッド層(lower cladding layer)１１、光学的能動コア領域１２及び上部クラッド層１３(upper cladding layer)が含まれている。従来のリッジ型レーザー(ridge type laser)の場合、横方向の光閉じ込めは、リッジ導波路１４によって達成される。リッジ導波路１４の上には、適切な電気コンタクト材(electrical contact material)１５を付着させてもよく、これにより、電気注入(electrical injection)を行い、レーザー発振モード(lasering mode)を生じさせることができる。その結果としての光出力ビーム１６は、出力端１７から、図示のように長手方向つまりｚ軸に向かって生じる。
【０００４】
コア領域１２は、典型的には、複数の層を備えている。例えば、コア領域１２は、量子井戸を画定する中央層(central layer)１２ａ、及び、層内で深さの関数として変化する組成となっている２つまたはそれ以上の外側層１２ｂ、１２ｃを備えており、これにより、いわゆる屈折率分布型分離閉じ込めヘテロ構造(graded index separate confinement heterostructure)(GRINSCH)のコア領域１２を構成する。
【０００５】
図１の構造によれば、図２に示すような伝導帯末端のプロファイル(conduction band edge profile)が得られる。図２において、クラッド領域(cladding region)２０が下部クラッド層１１に相当し、クラッド領域２４が上部クラッド層１３に相当し、量子井戸領域２２が中央層１２ａに相当し、屈折率分布領域(graded index region)２１、２３がそれぞれ外側層１２ｂ、１２ｃに相当する。
【０００６】
この構造からの出力ビーム１６（図１）は、典型的には、垂直方向（図ではｙ方向として示されている）でみて３０度から４０度ほどのビーム発散を生じ、この結果、垂直方向の遠視野(large vertical far field)が大きくなる。垂直方向は、通常、図示のようにウェハの成長方向、つまり、基板の面に直交する方向として定義される。これに対し、水平方向つまり横方向（図示ではｘ方向として示されている）でみたビーム発散は、典型的には、５度から１０度ほどである。
【０００７】
垂直方向及び水平方向でみて極めて大きな遠視野を有する点及び非対称な遠視野を有する点は、幾つかの問題、例えば、レーザー出力部１７の下流における光学部品（光ファイバなど）との結合損失が高くなるといった問題、とりわけ、レーザーデバイスと、シングルモード・ファイバ（円状のビーム断面が要求される）との間で結合許容度(coupling tolerance)が低くなるといった問題を招く。
【０００８】
垂直方向でみた遠視野(far field)つまりビーム発散を低減し、これにより、遠視野の非対称性を低減するといった、幾つかの手法が提案されてきた。コア領域１２の厚みを減らすことだけでも、垂直方向遠視野をある程度低減することができる。しかし、この場合、量子井戸１２ａとの光学的な重なりも減ってしまい、延いては、レーザー閾値電流(laser threshold current)が増大し、インターバレンス帯(intervalence band)の吸収に関連した損失により、キャビティ損失(cavity loss)が生じる。しかも、高い電流注入レベルにおいて高次モードのレーザー発振が生じるため、よじれなしの高い発光出力を得るのが一層難しくなる。
【０００９】
遠視野を減らすような“モード尖鋭化(mode-shaping)”層を、半導体レーザー構造の内部に設けるといった、幾つかの様々なアプローチが提案されてきた。
【００１０】
例えば、米国特許明細書第5,815,521号には、クラッド層(cladding layers)の一層ごとにモード尖鋭化層を設けたレザーデバイスが記載されている。それぞれのモード尖鋭化層は、当該のクラッド層以外のクラッド層に対する屈折率を大きくした層を含んでおり、これにより、同特許明細書の図１に示されているような伝導帯末端のプロファイルを生じる。それぞれのモード尖鋭化層は、バンドエネルギーのレベルが局所的にみてステップ状(step)に変化していることに留意されたい。
【００１１】
米国特許明細書第5,923,689号には、量子井戸構造の両側に、屈折率を減らした一対の受動導波路(passive waveguide)を、バリア層(barrier layer)を介して互いに隔てた態様で設けるといった別の手法が記載されている。“Semiconductor lasers with unconventional cladding structures for small beam divergence and low threshold current”（Shun-Tung Yenら、Optical and Quantum Electronics ２８（１９９６年）１２２９頁〜１２３８頁）には、同様な構造が屈折率分布型の閉じ込め構造(graded index confinement structure)と組み合わされた態様で示されている。これらの文献は、何れも、クラッド層内部の屈折率を、局所的にみてステップ状(step-wise)に減少させることを主張している。
【００１２】
“Design and fabrication of 980nm InGaAs/AlGaAs quantum well lasers with low beam divergence”（Guowen Yangら、SPIE 第２８８６巻（１９９６年）２５８頁〜２６３頁）には、垂直方向でみたビーム発散を減らすため、クラッド層と、屈折率分布層(graded index layer)との間に２つの低屈折率層を挿入する点が記載されている。
【００１３】
更に、“Design and fabrication of 980nm InGaAs/AlGaAs quantum well lasers with low beam divergence”（Shun-Tung Yenら、半導体レーザー会議会報（１９９６年）、第１５回ＩＥＥＥ国際、１３頁〜１４頁）には、垂直方向でみた遠視野の分布を減らすため、
２つの低屈折率層を、それぞれ、屈折率分布層に隣接した態様で設ける点が記載されている。
【００１４】
米国特許明細書第6,141,363号では、コア領域の内部に複数の層、すなわち、高屈折率の層及び低屈折率の層を交互に重ねることによって、ビーム発散を減らす点を考察している。
【発明の開示】
【００１５】
本発明の課題は、垂直方向でみたビーム発散を低減した半導体導波路デバイスを提供することである。
【００１６】
本発明の１つの態様として提供される半導体光導波デバイスは、第１のクラッド層(first cladding layer)と、第２のクラッド層(second cladding layer)と、導波層とを含む。前記導波層は、前記第１、第２のクラッド層の間に配置され、前記第１、第２のクラッド層よりも実質上高い屈折率を有している。
【００１７】
前記第１、第２のクラッド層の少なくとも一方は、ビーム制御層を含んでいる。前記ビーム制御層は、半導体材の特性がそのビーム制御層にわたって深さの関数として変化しており、第１のサブ層(first sub-layer)と、第２のサブ層(second sub-layer)とを含んでいる。前記第１のサブ層は、特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第(gradually)に変化している。前記第２のサブ層は、特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで次第に変化している。
【００１８】
本発明のもう１つの態様として提供される半導体光導波デバイスの製造方法は、
基板の上に第１のクラッド層を形成するステップと、
前記第１のクラッド層よりも実質上大きい屈折率を有する導波層を、前記第１のクラッド層の上に形成するステップと、
前記導波層よりも実質上小さい屈折率を有する第２のクラッド層を、前記導波層の上に形成するステップとを含む。
【００１９】
そして、前記第１のクラッド層を形成するステップの間に、そこにビーム制御層を形成する。ビーム制御層の形成は、半導体材の特性がそのビーム制御層にわたって深さの関数として変化し、更に、そのビーム制御層が第１のサブ層と、第２のサブ層とを含み、前記第１のサブ層は、特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第に変化し、前記第２のサブ層は、特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで次第に変化するように、堆積条件(deposition conditions)を次第に変化させることによって行う。
【００２０】
次に、本発明の実施例について、添付図面を参照し、単なる例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図３を参照すると、本発明に係るデバイスの好ましい構成が模式的に示されている。基板３０は、下部クラッド層(lower cladding layer)３１、光学的能動コア領域(optically active core region)３２及び上部クラッド層(upper cladding layer)３３を支持する。好ましい構成では、リッジ導波路３４が横方向の光閉じ込めを構成する。リッジ３４の上には、適切な電気コンタクト材３５を付着させてもよく、これにより、電気注入を行い、レーザー発振モードを生じさせることができる。
【００２２】
本発明の原理は、例えば、埋め込み型へテロ構造レーザー(buried heterostructure laser)など、横方向の光閉じ込めを構成するような他の形態の構造を備えたレーザーダイオードにも適用し得ることに留意されたい。更に、本発明の原理は、一般に、レーザーダイオード以外の半導体導波構造にも適用し得ることに留意されたい。より具体的には、本発明の原理は、横方向に閉じ込める導波路構造を備えた能動的及び受動的光デバイスに適用できる。このようなデバイスとしては、増幅器、変調器及び受動導波路、例えば、単一の基板に集積され、集積光デバイスを構成するような増幅器、変調器及び受動導波路が含まれる。
【００２３】
結果としての光出力ビーム３６は、出力端３７から、図示のように長手方向つまりｚ軸に向かって生じる。
【００２４】
好ましくは、コア領域３２は、複数の層、例えば、量子井戸を画定する中央層３２ａ、及び、層内で深さの関数として変化する組成となっている２つまたはそれ以上の外側層３２ｂ、３２ｃを備えており、これにより、屈折率分布型分離閉じ込めヘテロ構造(GRINSCH)のコア領域３２を構成する。但し、本発明は、屈折率分布型のコア領域を利用しないレーザーデバイスにも適用できることが理解されよう。
【００２５】
下部クラッド層３１は、遠視野低減層(far field reduction layer)(“FRL”)つまりビーム制御層３８を備えている。この端部において、下部クラッド層は、２つのサブ層３１ａ、３１ｂを含んでおり、２つのサブ層３１ａ、３１ｂの間にビーム制御層３８が形成されている。ビーム制御層３８は、少なくとも２つのサブ層３８ａ、３８ｂを含んでいる。これらサブ層３８ａ、３８ｂのそれぞれは、半導体材料から構成され、その厚みにわたって特性が次第に変化している。特性が次第に変化している点については、後でより詳細に述べる。
【００２６】
図３に示した構造によれば、図４に示すような伝導帯末端のプロファイルが得られる。
下部クラッド領域(lower cladding region)４０〜４３は、下部クラッド層３１に相当する。より具体的には、領域４０が下部クラッドサブ層３１ａに相当し、領域４３が下部クラッドサブ層３１ｂに相当し、領域４１が下部ビーム制御サブ層３８ａに相当し、領域４２が上部ビーム制御サブ層３８ｂに相当する。クラッド領域４７は上部クラッド層３３に相当し、量子井戸領域４５は中央層３２ａに相当し、屈折率分布領域４４、４６はそれぞれ外側層３２ｂ、３２ｃに相当する。
【００２７】
８３０ｎｍレーザーの特に好ましい実施例において、レーザーデバイスの層構造は、下記のように与えられる。
【００２８】
【表１】
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図３及び図４に示された個々の層が、上記表の第２列で参照されている。
【００２９】
ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ堆積法(MOCVD or MBE deposition techniques)を用いることにより、ＧａＡｓ基板（１番目の層）の上に、８３０ｎｍレーザー技術に向けて厚さ８ｎｍのInGaAlAs圧縮歪み量子井戸(compressively strained quantum well)（１０番目の層）を備えた構造が形成される。量子井戸３２ａ、４５は、両側が１２０ｎｍの屈折率分布型分離閉じ込めヘテロ構造層３２ｂ、３２ｃ、４４、４６（７番目〜９番目及び１１番目の層）によって囲まれる。３番目及び６番目の層は、下部クラッドサブ層３１ａ、３１ｂであり、１２番目及び１３番目の層は、上部クラッド層３３、４７である。４番目及び５番目の層は、遠視野を低減するためのビーム制御サブ層である。更に、これらの層を用いることによって、高次モードのレーザー発振を抑制し、これにより、よじれなし(kink free)の出力を増大させることができる。
【００３０】
この実施例では、４番目、５番目及び６番目の層の厚さ、並びに、４番目及び５番目の層の中央部におけるＡｌのモル比率(mole fraction)が、次の基準を全て満たすように最適化される。
ｉ）垂直方向遠視野(vertical far field)の半値全幅（ＦＷＨＭ）(full width at half maximum)がおよそ２１度であること。
ii）ビーム制御層による光学的重なりの減少が極めて僅かであること。
iii）ウェハ成長トレランス(wafer growth tolerance)が層厚の±１０％、層モル比モル(layer mole fraction)の±１％といった優れたデバイス特性。
iv）高次モードのレーザー発振をかなり抑制すること。
【００３１】
通常のフォトリソグラフィー法と、乾式及び湿式エッチングとを用いた後、ウェハのシニング(thinning)と、金属コンタクトの付着とを行うことにより、デバイスを製造することができる。
【００３２】
図５及び図６は、２．５ｍｍ幅リッジのレザー装置における基本モードの場合の、シュミレーションによる近接場強度分布(near field intensity distribution)及び遠視野分布を示したものである。ここでは、近接場強度分布及び遠視野分布を、位置ｙによる関数として、ビーム制御層３８ａ、３８ｂ、４１、４２が有るときまたは無いときで示している。
【００３３】
図５において、破線は、ビーム制御層が無いときの近接場強度分布を表し、実線は、ビーム制御層が有るときの近接場分布を表す。ビーム制御層は、近接場強度分布にほとんど影響を与えないことがわかる。次に、図６において、破線は、ビーム制御層が無いときの遠視野強度分布を表し、実線は、ビーム制御層が有るときの遠視野強度分布を表す。ビーム制御層は、遠視野強度分布に著しい影響を与えることがわかる。すなわち、ピークがはるかに幅狭になると同時に、強度の最大値がかなり大きくなる。
【００３４】
レーザーデバイスにおけるリッジ３４のエッチングは、デバイスにおけるよじれなしの出力及び出力ビームの楕円度(ellipticity)に関し、重要な役割を担う。なぜなら、高次モードのレーザ発振及び水平方向の遠視野は、エッチングによる段差に大きく依存しているからである。
【００３５】
ビーム制御層を備えている構造を用いて製造したデバイスと、ビーム制御層を備えていない構造を用いて製造したデバイスとの間で比較することができる。より有意義に比較を行うため、同じ水平方向遠視野にするような基準を採用する。この場合、モード制御を行う構造として作製されるデバイスは、モード制御層を設けずに作製されるデバイスよりも、５０ｎｍほど大きい深さまでエッチングすることが必要となる。２．２ｍｍ幅のリッジ及び１．２ｍｍ長のキャビティを有するデバイスについて比較を示すことにする。
【００３６】
図７は、ビーム制御層３８ａ、３８ｂを備えたデバイスにおいて基本モード（一次モード）のときのレーザー出力を、駆動電流による関数として示したものである。図９は、ビーム制御層を備えていない対応デバイスにおいて基本モードのときのレーザー出力を、駆動電流による関数として示したものである。実質上、差がないことがわかる。
【００３７】
次に、図８は、ビーム制御層３８ａ、３８ｂを備えたデバイスにおいて高次モード（二次モード）のときのレーザー出力を、駆動電流による関数として示したものである。図１０は、ビーム制御層を備えていない対応デバイスにおいて高次モードのときのレーザー出力を、駆動電流による関数として示したものである。高次モードの観点からは、デバイスの特性に大きな差があることがわかる。より具体的に説明すると、ビーム制御層を備えたデバイス構造の場合、注入電流が６００ｍＡ以下では、出力歪み(power kink)が観測されない。これに対し、ビーム制御層を備えていないデバイス構造の場合、注入電流が１７５ｍＡに達しただけで、出力歪みが発生する。
【００３８】
先行技術では、一般に、クラッド層の屈折率がステップ状に変化して非連続的であるモード制御層を提案している。本発明は、分布型のビーム制御層(graded beam control layer)を用い、とりわけ、Ｖ字状プロファイルのビーム制御層を用いることで、デバイス特性が著しく向上することを見い出したものである。もう一つの利点は、本発明における分布型のビーム制御層によれば、所望のモード制御を達成するのに、成長条件をはるかに緩く(less tight)制御することしか要求されないことである。
【００３９】
このことは、下記の表に示されている。表は、ビーム制御層を備えたデバイス及びビーム制御層を備えていないデバイスの双方について、Ａｌのモル比率が１％変化したときの関数として垂直方向遠視野の変化及び光学的重なりの変化を示している。本発明の場合、垂直方向遠視野の変化及び光学的重なりの変化の双方を、はるかに精密に制御することができる。
【００４０】
【表２】
2007508687.tif 000004
【００４１】
Ｖ字状プロファイルのビーム制御層によるもう一つの利点は、ビーム制御層におけるキャリアトラップ現象(carrier trapping)に伴う潜在的な問題を解消し、これにより、キャリア移送(carrier transportation)が改善され、Ｌ−Ｉ（光強度−駆動電流）のスロープ効率(slope efficiency)が向上することである。
【００４２】
上述した実施例は、図示のように、ビーム制御層３８を用いたものである。第１（下部）のクラッド層３１は、２つのビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂを備えている。そして、各ビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂの電子的特性（伝導帯末端）及び光学的特性（屈折率）を変化させるように、半導体材の物理的特性（量論からみた比(stoichiometric ratio)）が、各ビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂにわたって深さｙの関数として変化するものである。
【００４３】
より具体的には、ビーム制御層３８における伝導帯末端４１、４２を実質上、直線的(linear)に減少させた後、増大させ、実質上Ｖ字状のプロファイルとなるように、ビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂの物理的特性が変化する。但し、プロファイルは変更され得ることを理解すべきである。
【００４４】
ビーム制御層における屈折率−深さプロファイルの有り得る選択例を、全てではないが図１１〜図１７に示す。図１１の場合、屈折率プロファイルは、実質上、図４に示された伝導帯末端プロファイルに対応しており、（ｉ）低屈折率の下部クラッド領域(lower cladding region)１１０と、（ｉｉ）屈折率がｙの関数として直線状に増大する下部ビーム制御サブ層領域１１１と、（ｉｉｉ）屈折率がｙの関数として直線状に減少する下部ビーム制御サブ層領域１１２と、低屈折率の下部クラッド領域１１３と、屈折率分布型閉じ込め領域(graded index confinement regions)１１４及び１１６と、量子井戸領域１１５と、上部クラッド領域１１７とを含んでいる。
【００４５】
より具体的には、ビーム制御層は、図１１〜図１７に示された屈折率プロファイルのそれぞれによって例示されているように、物理的特性が第１のレベルから第２のレベルまで次第に変化している第１のサブ層３８ａと、物理的特性が前記第２のレベルから第３のレベルまで次第に変化している第２のサブ層３８ｂとを含んでいる。
【００４６】
図１１〜図１５及び図１７に示されているように、下部クラッドサブ層３１ａ、３１ｂに、実質上同じ物理的特性を持たせ、第３のレベルを第１のレベルと同じにしてもよい。また、クラッド領域の一部分（例えば１１０）が、クラッド領域の他の部分（例えば１１３）とは異なる屈折率値を有していてもよい。より具体的には、図１６に示されているように、クラッド領域の下部（最外側）部分（例えば１１０）が、クラッド領域の他の部分（例えば１１３）よりも小さい屈折率値を有していてもよい。
【００４７】
物理的特性は、伝導帯末端及び／または屈折率が第１及び第２のサブ層にわたり深さの関数として非直線状に変化するように、非直線状の態様で変化してもよい。このような構成は、図１３に示されている。そこでは、ビーム制御層の第１のサブ層１３１において、屈折率が次第に、かつ、非直線状に増大している。同様に、ビーム制御層の第２のサブ層１３２において、屈折率が次第に、かつ、非直線状に減少している。
【００４８】
ビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂは、隣接(contiguous)していてもよい。すなわち、その間に更なるサブ層を設けない態様であり、図１１及び図１３〜図１７に示す通りである。但し、別の実施例では、ビーム制御サブ層３８ａ、３８ｂは、更なるサブ層を介して隔てられていてもよい。例えば、伝導帯末端について、平らな底部を有するように変形(flat-bottomed)されたＶ字状プロファイルを与え、または、屈折率について、平らな頂部を有するように変形(flat topped)された逆Ｖ字状プロファイル(inverted V-profile)を与えるものであり、図１２に示す通りである。図１２の場合、ビーム制御層は、屈折率が次第に増大する下部ビーム制御サブ層１２１、屈折率が次第に減少する上部ビーム制御サブ層１２３、及び、屈折率が実質上一定となる中間部ビーム制御サブ層１２２を与える。
【００４９】
ビーム制御層３８は、下部クラッド層３１または上部クラッド層３３の内部に設けられてもよい。また、下部クラッド層及び上部クラッド層の双方に、内部のビーム制御層が設けられてもよい。このような後者の例は、図１４の屈折率プロファイルで示されている。図１４には、下部クラッド層１４０、１４３の内部にサブ層１４１、１４２を備える第１のビーム制御層と、上部クラッド層１４４、１４７の内部にサブ層１４５、１４６を備える第２のビーム制御層とが示されている。
【００５０】
ビーム制御層は、量子井戸構造またはＧＲＩＮＳＣＨ構造に直接に隣接する態様でクラッド層に配置されていてもよく、図１７に示す通りである。図１７の場合、ビーム制御サブ層領域１７１、１７２が、下部クラッド領域１７０とＧＲＩＮＳＣＨ領域１７３との間に配置されている。
【００５１】
先に述べたように、横方向の光閉じ込め構造、例えば、量子井戸領域１１５は、屈折率分布領域１１４、１１６の間に配置される（例えば図１１）必要はない。図１５に示すように、量子井戸領域１１５は、屈折率をステップ状に変化(stepped index)させた閉じ込め領域１５４、１５６の間に配置されてもよい。
【００５２】
ビーム制御層は、一般には、ｐ型クラッド層(p-cladding layer)またはｎ型クラッド層(n-cladding layer)の何れにも配置することができるが、ｎ型クラッド層に配置するほうが好ましい。なぜなら、ｎ型クラッド層は、如何なるクラッドエッチングプロセス(cladding etch process)にも影響を与えないからである。
【００５３】
本発明に係る重要な実施態様の一つは、クラッド層に含まれるビーム制御層として、１つの大きな段差となるように特性を変化させるのではなく、次第に特性を変化させたビーム制御層を採用したものである。ビーム制御層で少なくとも５０ｎｍの厚さにわたり、特性を次第に変化させる。より詳しくは、厚さが少なくとも１００ｎｍのビーム制御サブ層にわたり、特性を、第１の方向に次第に変化させ、次に、厚さが少なくとも１００ｎｍのビーム制御サブ層にわたり、特性を、第１の方向とは反対の第２の方向に次第に変化させる。
【００５４】
このように“次第に変化させる”とは、そこを通過する光の光学的波長を基準とすることによって有効に定義されることに留意されたい。また、半導体層の屈折率を、このように次第に変化させることは、超格子型構造またはデジタルアロイ(digital alloy)を形成することによっても可能である。超格子型構造またはデジタルアロイにおいては、低屈折率材でなる層及び高屈折率材でなる層を、交互に重ね、かつ、局所的にみた平均厚み比(localised average thickness ratio)が、光の一波長以下程度の寸法にわたり実効屈折率を与えるような態様で形成する。このような原理は、図１８に示されている。
【００５５】
従って、低屈折率材のサブ層１８２と高屈折率材のサブ層１８１との間でのステップ状の変化を、次々に設け（参照符号１８０で示す）、更に、それぞれのサブ層に、光の波長よりも実質上小さい厚みを与えた構成によれば、サブ層１８３、１８４で示されているように、低屈折率サブ層と、高屈折率サブ層との厚みの比を緩やかに変化させることにより、屈折率を次第に変化させることができる。層の内部を伝播する光からみると、ネット効果(net effect)によって、屈折率１８５が次第に変化する。
【００５６】
また、ビーム制御層を形成するにあたり、材料特性（例えば屈折率）の小さなステップ状の増加または減少を、“一続きの階段(staircase)”状に連続して設け、更に、各ステップ(each successive step)を、その層を伝播する光の波長よりも実質上小さい厚みとすることによっても、このように次第に変化させることが一般的にできることが理解されよう。
【００５７】
現時点で好ましい実施形態の場合、屈折率を次第に変化させることにより、ビーム制御サブ層で少なくとも１００ｎｍの厚みにわたり、屈折率を少なくとも０．１％変化させることになる。
【００５８】
好ましい実施形態の場合、屈折率を望みに合わせて変化させる範囲において、屈折率の変化に応じたバンドギャップのプロファイルの変化、及び、半導体材の組成の変化は、屈折率の変化に対して実質上線形的(linear)となるように関連付けられる。
【００５９】
本発明は、様々な半導体材料系に適用することができる。限定するものではないが特に、下記の表に列挙された半導体材料系に適用することができる。
【００６０】
【表３】
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他の実施例は、添付された特許請求の範囲内に、意図的に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】リッジ導波路を備えた従来の半導体レーザーデバイスを示している。
【図２】図１に示された半導体デバイスにおける伝導帯末端を示す模式図である。
【図３】本発明の、現時点で好ましい実施形態に係る半導体レーザーデバイスを示している。この半導体レーザーデバイスは、遠視野低減層(far-filed reduction layer)を備えている。
【図４】図３に示されたデバイスにおける伝導帯末端を示す模式図である。
【図５】図１に示されたレーザーデバイス及び図３に示されたレーザーデバイスについて、それぞれの光出力による近接場光強度分布を、位置ｙによる関数として対比して示すグラフである。
【図６】図１に示されたレーザーデバイス及び図３に示されたレーザーデバイスについて、それぞれの光出力による遠視野光強度分布を、位置ｙによる関数として対比して示すグラフである。
【図７】図３に示されたレーザーデバイスについて、基本の横モード(fundamental transverse mode)のときの光強度出力を、駆動電流による関数として示すグラフである。
【図８】図３に示されたレーザーデバイスについて、第２次の横モード(second order transverse mode)のときの光強度出力を、駆動電流による関数として示すグラフである。
【図９】図１に示されたレーザーデバイスについて、基本の横モードのときの光強度出力を、駆動電流による関数として示すグラフである。
【図１０】図１に示されたレーザーデバイスについて、第２次の横モードのときの光強度出力を、駆動電流による関数として示すグラフである。
【図１１】図３に示されたデバイスの第１の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数（ｙ方向）として示す模式図である。
【図１２】図３に示されたデバイスの第２の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数として示す模式図である。
【図１３】図３に示されたデバイスの第３の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数として示す模式図である。
【図１４】図３に示されたデバイスの第４の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数として示す模式図である。
【図１５】図３に示されたデバイスの第５の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数として示す模式図である。
【図１６】図３に示されたデバイスの第６の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数（ｙ方向）として示す模式図である。
【図１７】図３に示されたデバイスの第７の構成において、屈折率プロファイルを深さの関数として示す模式図である。
【図１８】超格子構造を用いて半導体材における屈折率を変化させるという原理を示すのに有用な模式図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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