(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された回折格子と、
前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
を備える分布帰還型の半導体レーザであって、
前記回折格子の一部に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部を備え、
前記回折格子の周期は、前記回折格子の全域で一定とされ、
前記λ／４位相シフト部と前記活性層の両端との間の各々に、複数の副位相シフト部を非周期的に設けることで、前記λ／４位相シフト部の位置から前記活性層の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされている
ことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(ＤＦＢ)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重（ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。
【０００３】
近年、光通信は、コアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、更にボード間、ボード内といった短距離のデータ通信にも適用されている。データ通信用の大容量化は急激に進んでいることから、今後はＷＤＭネットワークの適用が進むと考えられる。既に、１００Ｇｂイーサネット（登録商標）はＷＤＭ型の多波長アレイ光源を前提として標準化されており、この流れは今後も続くと考えられる。
【０００４】
データ通信用途においては、低消費電力化が重要である。半導体レーザの低消費電力化に向けては、小型化と共振器の高Ｑ値化が設計指針となる。このことから、小型かつ高Ｑ値を有する半導体レーザが検討されてきた。データ通信用の小型レーザとしては、活性層の上下に、周期的な屈折率構造を有する誘電体多層膜からなるブラッグ反射鏡を形成し、素子の表面から光を取り出す面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が実用化されている。反射率の高い反射鏡を形成し、活性層体積を小さくすることができるため、閾値電流が１ｍＡ程度の消費電力の小さいレーザが実現されている。
【０００５】
しかし、ＶＣＳＥＬは、結晶成長を用いた反射鏡の膜厚制御により発振波長の制御を行うため、モノリシック集積のアレイ型集積光源を実現するにあたっては、レーザ素子毎の波長制御が困難であるという課題がある。従って、モノリシック集積型のアレイ光源を実現するには、導波路型の波長多重変調光源が重要な役割を果たすと考えられる。
【０００６】
導波路型のＷＤＭ用光源として代表的なレーザは先述したＤＦＢレーザである（非特許文献１）。半導体レーザの共振器に屈折率の周期構造を形成し、単一モード化を実現する。以下、埋め込み型ＤＦＢレーザについて、図９Ａ、図９Ｂを用いて説明する。図９Ａは、典型的な埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す断面図であり、光出射方向に垂直な断面を示している。また、図９Ｂは、典型的な埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す斜視図である。
【０００７】
この埋め込み型ＤＦＢレーザは、ｎ型のＩｎＰからなる基板６０１の上に形成されたｎ型ＩｎＰからなるクラッド層６０２と、この上に形成された活性層６０３とを備える。活性層６０３は、光出射方向に延在するストライプ状に形成されている。また、活性層６０３の両脇は、ｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層６０４と、ｎ型のＩｎＰからなる電流阻止層６０５に埋め込まれ、いわゆるｐｎ埋め込み構造とされている。また、活性層６０３の上部には、図９Ｂに示すように、回折格子６２１が形成されている。また、活性層６０３の上には、ｐ型のＩｎＰからなるクラッド層６０６が形成されている。クラッド層６０６は、活性層６０３両脇の電流阻止層６０５の上にも形成されている。
【０００８】
また、クラッド層６０６の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６０７が形成され、コンタクト層６０７の上には、ＳｉＯ2からなる保護膜６０８が形成されている。また、保護膜６０８の開口部でコンタクト層６０７に接続するｐ電極６１１が形成され、基板６０１の裏面には、ｎ電極６１２が形成されている。
【０００９】
単一モード化に向けては、回折格子６２１が重要な役割を果たす。代表的な構造として、λ／４シフト（λ／４位相シフト）構造が実用化されてきた。図１０は、λ／４シフト構造の屈折率分布の例を示す。図１０において、（ａ）は回折格子６２１をサイン波形状で形成した場合を例示し、（ｂ）は、回折格子６２１を矩形形状で形成した場合を例示している。均一な周期で形成された回折格子６２１の一部（図１０中央部）に、位相がπ反転する部分を形成する。この部分の位相シフトにより、ブラッグ波長における単一モード発光が可能となる。
【００１０】
図１１は、発振付近の発光スペクトルを示す特性図である。素子長は５００μｍとし、回折格子６２１の結合係数は３０ｃｍ-1とした。λ／４シフトは、活性層６０３の中央部に形成してある。図１１に示すように、このレーザは、ストップバンドの中心波長において単一モードで発光する。回折格子６２１の位相シフトのパタンは、電子ビーム露光などのリソグラフィー技術を用いることで形成することができ、簡易に単一モード発振を得られるため、上記埋め込み型ＤＦＢレーザは、これまでＷＤＭシステムを始め、単一モード光源として多く実用化されてきた。
【００１１】
近年は、短共振器化により５０Ｇｂｉｔ／ｓで高速動作するＤＦＢレーザ（非特許文献２）や、電界変調器を集積したアレイ型光源も報告されている（非特許文献３）。今後はこれらを更に進展させた、データ通信に適用可能な超小型・低消費電力のＤＦＢレーザの実現が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】H. SODA and H. IMAI, "Analysis of the Spectrum Behavior Below the Threshold in DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-22, no.5, pp.637-641, 1986.
【非特許文献２】W. Kobayashi et al., "50-Gb/s Direct Modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-Based DFB Laser With a Ridge Waveguide Structure", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol.19, no.4, pp.1500908-1500908, 2013.
【非特許文献３】T. Fujisawa et al., "Ultracompact, 160-Gbit/s transmitter optical subassembly based on 40-Gbit/s × 4 monolithically integrated light source", OPTICS EXPRESS, vol.21, no.1, pp.182-189, 2013.
【非特許文献４】T. Simoyama et al., "40-Gbps Transmission Using Direct Modulation of 1.3-μm AlGaInAs MQW Distributed-Reflector Lasers up to 70℃", OFC/NFOEC 2011, OWD3, 2011.
【非特許文献５】M. Okai et al., "Corrugation-Pitch-Modulated MQW-DFB Laser with Narrow Spectral Linewidth (170 Khz)", IEEE Photonics Technology Letters, vol.2, no.8, pp.529-530, 1990.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＤＦＢレーザの更なる小型化に向けては、回折格子の結合係数κの値を増大させて反射率を上げることが設計指針となる。しかし、従来型のλ／４シフトＤＦＢレーザは、短共振器化、共振器の高Ｑ値化を行うと発振モードが不安定となる課題があった。
【００１４】
図１２Ａは、共振器長８０μｍ、κ＝６００ｃｍ-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内の電界分布のシミュレーション結果を示す特性図である。図１２Ａにおいて、半導体レーザの両端面からの右進行波の電界分布（Forward）は破線，左進行波の電界分布（Backward）は点線で示し、これらの合計（Total）を実線で示している。また、図１２Ｂは、共振器長８０μｍ、κ＝６００ｃｍ-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内のキャリア分布のシミュレーション結果を示す特性図である。位相シフトの位置は活性層中央である。
【００１５】
λ／４シフトレーザにおいては、位相シフト領域がいわゆる欠陥モードとして働くため、回折格子の結合係数を高くすればするほど、光が位相シフト領域付近に局在化する傾向がある。このため、図１２Ａに示すように、活性層中央部で光が集中する。一方で、図１２Ｂに示すように、活性層中央部でキャリアは減少している。これは、レーザ活性層内では、光強度の高い領域でキャリアが多く消費され、活性層中央部のキャリア密度は低下するためである。
【００１６】
このように、レーザ内の光強度分布により共振器内にキャリア分布が発生する現象を、空間ホールバーニングと呼ぶ。この状態では、活性層中央部のキャリア密度が低下することから、活性層中央部の屈折率が他領域に対して高くなる。すなわち、実効的なブラッグ波長は、活性層中央部が両端に対して長くなる。このように回折格子に屈折率分布が発生すると、反射波長の不均一性や反射率の低下によりモード選択性が著しく低下し、レーザの発振モードが不安定となる。
【００１７】
図１３Ａは、空間ホールバーニングが無い状態の発光スペクトルを示す特性図である。また、図１３Ｂは、空間ホールバーニングがある場合の発光スペクトル示す特性図である。空間ホールバーニングを含めない理想状態においては、図１３Ａに示すように、ストップバンドの中心のブラッグ波長で発光している。これに対し、空間ホールバーニングが生じると、図１３Ｂに示すように、λ／４モードでの発振が得られていない。
【００１８】
このときの共振器の状態と発光スペクトルの関係を図１４Ａ，図１４Ｂに示す。図１４Ａは，空間ホールバーニングのない均一キャリア時の理想状態の活性層内のストップバンドの状態と発光スペクトルとの関係を示す説明図である。また、図１４Ｂは、電流注入時の空間ホールバーニングがある場合のストップバンドと発光スペクトルとの関係を示す説明図である。図中「主モード」は、λ／４位相シフト構造としたＤＦＢレーザの主モードである。λ／４位相シフト構造のＤＦＢレーザは、縦モードとブラッグ波長が一致するために、ブラッグ波長が主モードとなる。
【００１９】
電流注入に伴い共振器両端のブラッグ波長が短波長化し、これに伴い主モードにおける実効的な共振器長が短くなり、Ｑ値が低下する。加えて、長波長側のストップバンドと主モードの波長間隔が近づき、両者の共振モードが競合する。このため、安定な単一モード発振が困難となる。
【００２０】
このように、λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、小型化に向けて回折格子の反射率を増大させた際の発振モードの安定化に課題があった。
【００２１】
また、ＤＦＢレーザのモード安定化に向けては、λ／４シフトを設けずに共振器の端面に反射を設けて単一モード発振を行う手法があるが、端面と回折格子間の位相制御が困難であり、歩留まりよく単一モード発振を得ることは難しい。
【００２２】
また、端面反射に変えてＤＦＢレーザの前後に回折格子を形成して高反射率を得る、いわゆる分布反射型（ＤＲ）レーザが提案されている（非特許文献４参照）。しかしながら、ＤＦＢ領域に電流注入を行った際、ＤＲ領域に対して発振波長が大きくずれるために、広い電流注入領域で安定な発振を得ることは困難である。
【００２３】
また、回折格子の位相シフトを緩やかにすることで活性層内の電界分布の均一化を図る非対称周期変調型（ＣＰＭ）回折格子が提案されている（非特許文献５参照）。しかしながら、電界分布の均一化の効果は位相シフト付近の領域に限られることから、この技術においても、ストップバンド端における発振抑制には至らない。
【００２４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された回折格子と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える分布帰還型の半導体レーザであって、回折格子の一部に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部を備え、λ／４位相シフト部の位置から活性層の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされている。
【００２６】
上記半導体レーザにおいて、回折格子の周期は、回折格子の全域で一定とされ、λ／４位相シフト部と活性層の両端との間の各々に、複数の副位相シフト部を非周期的に設けることで、λ／４位相シフト部の位置から活性層の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とする。
【００２７】
上記半導体レーザにおいて、活性層の両端における回折格子の周期長は、λ／４位相シフト部における周期長より長くされているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、回折格子の一部に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部の位置から活性層の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされているようにしたので、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における回折格子の状態を示す説明図である。
【図３Ａ】図３Ａは、キャリア分布が均一の場合の実施の形態１における分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、電流注入を行った場合の実施の形態１における分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。
【図４Ａ】図４Ａは、活性層１０３の中央部分に配置したλ／４位相シフト部よりも活性層１０３両側領域のブラッグ波長が長い、連続的なブラッグ波長分布を示す説明図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示したブラッグ波長分布を、式（２）に従って導出した位相分布の例を示す説明図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示したブラッグ波長分布を、式（２）に従って導出した位相分布の中央部分にπシフトを挿入した状態を示す説明図である。
【図５】図５は、位相関数を位相シフト量に応じて離散化し、活性層を複数領域に分割し、各領域間に位相シフトを設けた状態を説明するための説明図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態１におけるレーザの動作特性として電流注入量を２ｍＡとした場合の発光スペクトルを示す特性図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施の形態１におけるレーザの動作特性として電流注入量を５ｍＡとした場合の発光スペクトルを示す特性図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施の形態１におけるレーザの動作特性として電流注入量を１０ｍＡとした場合の発光スペクトルを示す特性図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２における回折格子の状態を示す説明図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明が適用可能な他の半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明が適用可能な他の半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【図９Ａ】図９Ａは、埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、λ／４シフト構造の屈折率分布の例を示す説明図である。
【図１１】図１１は、埋め込み型ＤＦＢレーザの発振付近の発光スペクトルを示す特性図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、共振器長８０μｍ、κ＝６００ｃｍ-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内の電界分布のシミュレーション結果を示す特性図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、共振器長８０μｍ、κ＝６００ｃｍ-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内のキャリア分布のシミュレーション結果を示す特性図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、空間ホールバーニングが無い状態のＤＦＢレーザの発光スペクトルを示す特性図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、空間ホールバーニングがある場合のＤＦＢレーザの発光スペクトル示す特性図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、空間ホールバーニングのない均一キャリア時の理想状態の活性層内のストップバンドの状態と発光スペクトルとの関係を示す説明図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、電流注入時の空間ホールバーニングがある場合のストップバンドと発光スペクトルとの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００３１】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す断面図であり、光出射方向に垂直な断面を示している。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体レーザの斜視図である。
【００３２】
この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された回折格子１３２と、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０５に接続するｎ型電極１０９と、ｐ型半導体層１０６に接続するｐ型電極１１０とを備える分布帰還型の半導体レーザである。
【００３３】
実施の形態１における半導体レーザは、回折格子１３２の一部に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部を備え、このλ／４位相シフト部の位置から活性層１０３（回折格子１３２）の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされている。
【００３４】
例えば、図２に示すように、回折格子１３２の周期は全領域にわたり均一周期Λで形成し、導波方向に６つの領域に分割する。６つの領域の領域長は、各々２２μｍ、１２μｍ、６μ、６μｍ、１２μｍ、２２μｍとする。各領域間に、位相シフト部を設け、活性層１０３（回折格子１３２）の中央部には、λ／４位相シフト部を設け、他の領域には位相差が０．２πの副位相シフト部を設ける。このように、λ／４位相シフト部と活性層１０３の両端との間の各々に、副位相シフト部を設けることで、λ／４位相シフト部の位置から活性層１０３の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とすることができる。
【００３５】
上述した 本発明のレーザの動作原理について図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、キャリア分布が均一の場合の活性層１０３内のストップバンドの分布を示すものである。太い２つの直線で分布を示している。本発明では、活性層１０３両側のブラッグ波長が、中央に配置したλ／４位相シフト部に対して長波長となるように設定する。活性層１０３の両端と、λ／４位相シフト部を配置した中央部のブラッグ波長の変調幅Δλbは、回折格子１３２のストップバンド幅の半分以下とするのが目安である。
【００３６】
一方、図３Ｂは、上記構成とした活性層１０３に電流注入を行った場合のストップバンドの分布と発光スペクトルである。光の共振に伴い活性層１０３中央部に光のモードが局在し、空間ホールバーニング効果により活性層１０３両側の屈折率が低下すると、図３Ｂの左側に太い２つの直線で示すように、活性層１０３内のブラッグ波長分布（ストップバンドの分布）が均一化し、理想状態のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器状態となる。従って、図３Ｂの右図に示すように、λ／４シフトモードでの単一モード発光スペクトルを得ることができる。
【００３７】
なお、基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。
【００３８】
ここでは、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。
【００３９】
また、ｎ型電極１０９は、ｎ型半導体層１０５にコンタクト層１０７を介して接続し、ｐ型電極１１０は、ｐ型半導体層１０６にコンタクト層１０８を介して接続する。この構成では、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。
【００４０】
また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域１３１において、活性層１０３の上に回折格子１３２が形成されている。なお、ここでは、半導体層１０４ｂの上面に回折格子１３２を形成している。
【００４１】
また、図１Ｂでは省略しているが、コンタクト層１０７とコンタクト層１０８との間の半導体層１０４ｂ、ｎ型半導体層１０５、ｐ型半導体層１０６の上面は、保護膜１１１により保護されている。また、半導体レーザは、共振器領域１３１の両端に、図示しない無反射膜が形成されている。
【００４２】
基板１０１は、例えば、シリコンから構成され、下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成されている。また、活性層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚６ｎｍの井戸層が６層、および層厚９ｎｍのバリア層が７層、交互に積層された量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、幅０．８μｍ程度とされている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂを合わせた厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６も、各々厚さ２５０ｎｍとされている。量子井戸構造とされている活性層１０３の発光波長は、１．５５μｍである。また、回折格子１３２は、ブラッグ波長が１．５５μｍとされている。
【００４３】
また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成され、ｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成され、ｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）から構成されている。
【００４４】
また、コンタクト層１０７は、Ｓｉが１×１０19ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）から構成され、コンタクト層１０８は、Ｚｎが１×１０19ｃｍ-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）から構成されている。また、保護膜１１１は、例えば、ＳｉＯ2から構成されている。
【００４５】
例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。
【００４６】
一方で、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａとなる化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。次いで、このエピタキシャル成長した基板の半導体層１０４ａ面と、前述したシリコン基板１０１の酸化シリコン面を公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作成したレジストパタンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた各化合物半導体の層をパターニングし、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａからなるストライプ構造を形成する。
【００４７】
次に、形成した半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、ｎ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層、ｐ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層を再成長させ、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７、およびｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成する。なお、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、アンドープのＩｎＰとＩｎＧａＡｓを再成長させた後、イオン注入や熱拡散などによりｎ型の不純物、ｐ型の不純物を導入することで、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７，ｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成してもよい。
【００４８】
次に、半導体層１０４ｂの表面に、回折格子１３２を形成する。例えば、電子ビーム露光によるリソグラフィーで形成したレジストパタンをマスクとし、所定のエッチングによりパターニングすることで、回折格子１３２を形成すれば良い。
【００４９】
次に、形成した回折格子１３２を覆うように、保護膜１１１を形成する。例えば、よく知られたスパッタ法やプラズマＣＶＤ法などによりＳｉＯ2を堆積することで、保護膜１１１を形成すれば良い。また、コンタクト層１０７の上にｎ型電極１０９を形成し、コンタクト層１０８の上にｐ型電極１１０を形成する。
【００５０】
上述した実施の形態１における半導体レーザによれば、半導体層１０４ｂと、ＳｉＯ2から構成された保護膜１１１との間の高い屈折率差を用いるため、高い結合係数を有する回折格子１３２を得ることができ、高いＱ値が得られる。
【００５１】
次に、実施の形態１における回折格子１３２について、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを用いてより詳細に説明する。図４Ａは、活性層１０３の中央部分に配置したλ／４位相シフト部よりも活性層１０３両側領域のブラッグ波長が長い、連続的なブラッグ波長分布を示している。ここで、ブラッグ波長λbは、実効屈折率ｎeq、位相φi、位置の関数ｚを用いて、以下の式（１）のように表される。従って、基準ブラッグ波長λb0を用いて素子内の位相分布を以下の式（２）で示されるように設計すれば、所望のブラッグ波長分布が得られる。
【００５２】
【数１】
0006510391.tif 000002
【００５３】
図４Ｂは、図４Ａに示したブラッグ波長分布を、式（２）に従って導出した位相分布の例である。更に、活性層１０３の中央部分にλ／４シフトを設けるには、図４Ｃに示すように、中央部分にπシフトを挿入すればよい。
【００５４】
実際の素子の作製にあたっては、連続的な位相シフトを行わなくとも、素子を領域分割して離散的に位相シフトを挿入することで所望の位相分布を作製することができる。具体的には、図５に示す通り、位相関数を位相シフト量に応じて離散化し、活性層を複数領域に分割し、各領域間に位相シフトを設ければよい。実施の形態１では、位相シフト量を０．２πで離散化した場合を例示している。図２を用いて説明した回折格子１３２の構成例は、ブラッグ波長の変調幅が４ｎｍ、放物線形状のブラッグ波長分布関数に対応する構成である。
【００５５】
次に、本発明の実施の形態１におけるレーザの動作特性について、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを用いて説明する。図６Ａは、電流注入量を２ｍＡとした場合の発光スペクトルである。図６Ｂは、電流注入量を５ｍＡとした場合の発光スペクトルである。図６Ｃは、電流注入量を１０ｍＡとした場合の発光スペクトルである。いずれもストップバンド中央部のλ／４シフトモード発振が得られた。図１４Ｂに示すスペクトルと比較すると本発明の効果は明らかである。このように、本発明により高いＱ値を有するλ／４シフトレーザにおいても安定な単一モード発振が得られる。
【００５６】
なお、活性層（回折格子）の分割数や位相シフト量、ブラッグ波長の変調幅や変調関数の形状は、実施の形態１で説明した値に限定されるものではない。本発明の主眼は、活性層両端のブラッグ波長をλ／４シフト位置のブラッグ波長よりも長波長化することにある。回折格子の形成におけるリソグラフィー技術の描画精度、レーザの共振器長や回折格子の結合係数により、各値を設計できることは、本発明の動作原理からも明らかである。
【００５７】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２における半導体レーザは、前述した実施の形態１と基本的な構成は共通である。実施の形態２では、活性層１０３の両端における回折格子の周期長を、λ／４位相シフト部における周期長より長くする。
【００５８】
実施の形態１では、ブラッグ波長分布を位相シフトにより形成したが、ブラッグ波長分布形成は、他の回折格子構造でも可能である。回折格子のブラッグ波長は、回折格子の周期長（一周期分の長さ）により規定できる。従って、回折格子の周期長を所望のブラッグ波長分布に応じて変えればよい。
【００５９】
活性層１０３両側のブラッグ波長を長波長化するためには、活性層１０３の両端における回折格子の周期長を、λ／４位相シフト部における周期長より長く（大きく）すればよい。周期長は連続的に変えていくことが理想的であるが、離散的でもよい。図７に、素子分割の例を示す。活性層１０３の中央部に、λ／４位相シフト部を設けている。図７に示すように、活性層１０３（回折格子１３２）を、複数の均一周期長回折格子からなる領域に分割する。導波方向に分割する。分割した領域毎にブラッグ波長を離散的に変化させている。この構成によっても、所望のブラッグ波長分布を得ることができ、前述した実施の形態１と同様に、安定な単一モード発振を得ることができる。
【００６０】
以上に説明したように、本発明によれば、回折格子の一部（例えば中央部）に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部の位置から活性層の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされているようにしたので、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるようになる。
【００６１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００６２】
例えば、上述では、回折格子の形状が矩形である場合を示したが、回折格子の形状は台形やサイン関数などの他の形状でも構わない。
【００６３】
また、本発明は、次に示す構成の半導体レーザに適用することもできる。図８Ａの断面図，図８Ｂの斜視図に示すように、基板２０１の上に形成された活性層２０３と、活性層２０３の上に形成された回折格子２３２と、活性層２０３に接して形成されたｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６と、ｎ型半導体層２０５に接続するｎ型電極２０９と、ｐ型半導体層２０６に接続するｐ型電極２１０とを備える。また、回折格子２３２の一部に設けられた位相がπ反転する部分であるλ／４位相シフト部を備え、このλ／４位相シフト部の位置から活性層２０３の両端に向かってブラッグ波長が増大する状態とされている。
【００６４】
この半導体レーザは、例えば鉄をドープすることで高抵抗とした半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１の上に形成されている。活性層２０３は、基板２０１から見て上下の方向に、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂに挾まれている。また、これらは、基板２０１から見て上下の方向に、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂに挾まれている。
【００６５】
また、半導体層２０４ａ，キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，活性層２０３，キャリア分離閉じ込め層２０２ｂ，半導体層２０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６に挾まれている。ｐ型半導体層２０６およびｎ型半導体層２０５は、基板２０１の平面に平行な方向で活性層２０３を挾んで形成されている。
【００６６】
また、ｎ型電極２０９は、ｎ型半導体層２０５にコンタクト層２０７を介して接続し、ｐ型電極２１０は、ｐ型半導体層２０６にコンタクト層２０８を介して接続する。この構成では、活性層２０３には、基板２０１の平面に平行な方向で電流が注入される。
【００６７】
また、活性層２０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域２３１において、活性層２０３の上に回折格子２３２が形成されている。半導体層２０４ｂの上面に回折格子２３２を形成している。
【００６８】
また、図８Ｂでは省略しているが、コンタクト層２０７とコンタクト層２０８との間の半導体層２０４ｂ、ｎ型半導体層２０５、ｐ型半導体層２０６の上面は、保護膜２１１により保護されている。また、半導体レーザは、共振器領域２３１の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
【００６９】
活性層２０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚６ｎｍの井戸層が１４層、層厚９ｎｍのバリア層が１５層、交互に積層された量子井戸構造とされている。また、活性層２０３は、幅０．８μｍ程度とされている。活性層２０３（量子井戸層）の発光波長は１．５５μｍである。また、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂは、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さ１３０ｎｍ程度とされている。
【００７０】
また、例えば、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂは、アンドープのＩｎＰから構成され、ｎ型半導体層２０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰから構成され、ｐ型半導体層２０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰから構成されている。
【００７１】
また、コンタクト層２０７は、Ｓｉが１×１０19ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓから構成され、コンタクト層２０８は、Ｚｎが１×１０19ｃｍ-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓから構成されている。また、保護膜２１１は、例えば、ＳｉＯ2から構成されている。
【００７２】
この半導体レーザの回折格子２３２に、本発明の構成を提供することによっても、高Ｑ値および単一モード発振の効果が得られる。
【００７３】
また、図９Ａ、図９Ｂを用いて説明した埋め込み型ＤＦＢレーザの回折格子に本発明の回折格子構造を適用しても同様の効果が得られる。また、他のリッジレーザなどの回折格子にも本発明を適用することができるのは言うまでもない。
【００７４】
また、上述では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体を用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系やＧａＡｓ系など、他の化合物半導体材料を用いることもできることは言うまでも無い。
【符号の説明】
【００７５】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ，１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７，１０８…コンタクト層、１０９…ｎ型電極、１１０…ｐ型電極、１１１…保護膜、１３１…共振器領域、１３２…回折格子。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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