(57)【要約】【課題】λ／４位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現できる半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体基板１０１上にλ／４位相シフト部１０３を持つ回折格子１０２を形成し、その上に光ガイド層１０４を形成する。光ガイド層１０４の組成および厚さの少なくとも一方は、光導波路方向に沿って変調されている。光ガイド層１０４は、その全面にわたって回折格子１０２の山頂よりも低いレベルにある。回折格子結合係数κの変調プロファイルは、回折格子１０２の高さではなく、光ガイド層１０４によって精密に制御される。【選択図】　図１
2004134486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、λ／４位相シフト部あるいは位相調整領域を有する回折格子と、
前記回折格子に隣接して前記半導体基板上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層に隣接して形成された活性層とを備え、
レーザ光を伝播する光導波路が前記活性層を含んで形成されている半導体レーザにおいて、
前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記光ガイド層の前記回折格子の山部における厚さが、前記回折格子の谷部における厚さの半分以下とされている請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記光ガイド層の組成波長が当該半導体レーザの発振波長よりも短く、前記回折格子による分布帰還動作が主として屈折率の周期的な変化により実現される請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記回折格子の再成長界面における半導体変成層の厚さが、前記光ガイド層の体積の２０％以下に設定されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記位相シフト部が、前記光導波路に沿って当該半導体レーザの中央より後方の位置にあり、当該半導体レーザの後端から前端に向かって前記回折格子の結合係数（κ値）が連続的に減少せしめられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記光導波路方向でκ値が変化する領域が、前記光導波路の全長の１／１０以上、１／３以下の範囲に形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記活性層の両側にｐｎｐｎサイリスタ構成による電流狭窄構造が形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子が形成された半導体レーザに関し、特にλ／４位相シフト部や位相調整領域を有する回折格子を備えた半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特公平１−３７８７２号公報
【特許文献２】
特開２００１−３６１９２号公報
【特許文献３】
特開平２−１０５５９３号公報
λ／４位相シフト部をレーザ共振器の中央に配し、回折格子の位相の影響がないように両端面を無反射構造とした分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）では、理論的に１００％の単一モード歩留りが得られる。このような分布帰還型半導体レーザの一例を図１９に示す。
【０００３】
図１９に示すように、半導体基板１１０１の表面に発振波長を選択するための回折格子１１０２が所定周期で形成されている。この回折格子１１０２には、レーザ光の共振器内定在波に対する４分の１波長（回折格子１１０２の２分の１周期）にあたるλ／４位相シフト部１１０３が形成されている。λ／４位相シフト部１０３の位置は、レーザ共振器の中央である。回折格子１１０２の上には、光ガイド層１１０４が形成され、その上に多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ、ＭＱＷ）構造を持つ活性層１１０６と、クラッド層１１０７とが順に積層形成されている。クラッド層１１０７の上には、ｐ電極１１０９が形成されている。基板１１０１の裏面には、ｎ電極１１１０が形成されている。前端面と後端面は、いずれも無反射（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、ＡＲ）膜１１１１で覆われている。
【０００４】
図１９に示した従来の分布帰還型半導体レーザでは、信号光が出力される前方への光出力とモニタ光が出力される後方への光出力とが理論的には同一になるため、信号光の高出力化という点では、一方の端面を高反射膜（Ｈｉｇｈ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ、ＨＲ）で覆って高反射構造とした分布帰還型半導体レーザに比べて劣るという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するための一つの方法として、λ／４位相シフト部をレーザ共振器の中央より後方にずらして形成し、そのλ／４位相シフト部より前方で回折格子結合係数κの値が小さく後方で大きくなるように、レーザ共振器内に二種類の高さを持つ回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザが提案されている（特許文献１：特公平１−３７８７２号公報参照）。この構成を図２０に示す。
【０００６】
図２０の半導体レーザは、λ／４位相シフト部の位置が異なる以外は図１９の半導体レーザと構成が同じであるから、構成の同じ部分については、同一要素に同一符号を付してその説明を省略する。
【０００７】
図２０に示すように、回折格子１１０２Ａは、λ／４位相シフト部１１０３がレーザ共振器の中央よりわずかに後方にずらしてある。また、回折格子１１０２Ａの高さは、λ／４位相シフト部１１０３より前方では相対的に低く、λ／４位相シフト部１１０３より後方では相対的に高くしてある。このため、λ／４位相シフト部１１０３より前方では回折格子結合係数κの値が小さく、その後方では大きい。つまり、λ／４位相シフト部１１０３より前方の部分は低κ領域１１１２であり、λ／４位相シフト部１１０３より後方の部分は高κ領域１１１３である。その結果、図１９の従来の半導体レーザに比べて、レーザ共振器の前方に出力される信号光を多くすることができる、すなわち信号光の高出力化が達成できる。
【０００８】
しかしながら、図２０の構造では、位相シフト部１１０３の前後でκの値が急激に変化するため、設計通りの単一モード歩留りと高出力特性を得るためのκ値のトレランスが非常に狭い、という問題がある。また、κ値の制御を回折格子１１０２Ａの高さを変えることにより実現しているため、当該半導体レーザを高歩留りで製造することが困難である、という問題もある。
【０００９】
さらに、回折格子１１０２Ａの高さが異なる領域間で等価屈折率が僅かに異なるため、その結果として、単一モード特性が極端に劣化することになるうえに、高出力時においてはホールバーニングの影響によりブラッグ反射条件が変化するために、モード飛びが生じやすいという問題もある。
【００１０】
図１９の半導体レーザの持つ上記問題を解決するための他の方法として、レーザ共振器の後方から前方に向かって回折格子の高さを連続的に減少させると共に、位相シフト部をレーザ共振器の中央より後方にずらして形成した分布帰還型半導体レーザが提案されている（特許文献２：特開平２００１−３６１９２号公報参照）。この構成を図２１に示す。
【００１１】
図２１の半導体レーザは、λ／４位相シフト部の位置と回折格子の構成が異なる以外は図１９の半導体レーザと構成が同じであるから、構成の同じ部分については、同一要素に同一符号を付してその説明を省略する。
【００１２】
図２１に示すように、回折格子１１０２Ｂは、λ／４位相シフト部１１０３がレーザ共振器の中央より後方にずらしてある。また、回折格子１１０２Ｂの高さは、レーザ共振器の後方から前方に向かって連続的に減少している。その結果、図１９の従来の半導体レーザに比べて、設計通りの単一モード歩留りと高出力特性を得るためのκ値トレランス（許容幅）を拡大することができ、当該半導体レーザを高歩留りで作製できると期待される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２１の従来の半導体レーザにおいても、図２０の従来の半導体レーザと同様に、共振器に沿った所望κ値の変調プロファイルを回折格子高さの制御で実現していることには変わりがないから、κ値トレランスが図１９の半導体レーザの場合に比べて拡大するにもかかわらず、κ値を精密に制御することは困難であり、やはり当該半導体レーザを高歩留りに製造することはできない。
【００１４】
図２１に示した従来の半導体レーザにおける回折格子の具体的な形成方法は、次のようなものである。すなわち、まず、エッチングにより半導体基板１１０１の表面に回折格子１１０２Ｂを形成し、その後、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ、有機金属気相成長）法により、回折格子１１０２Ｂ上に光ガイド層１１０４を成長させる。この時、光ガイド層１１０４を形成する半導体結晶は、回折格子１１０２Ｂの凹部と凸部の双方に成長する。この光ガイド層１１０４は、成長工程の当初（光ガイド層１１０４の厚さが小さい間）には回折格子１１０２Ｂの凹凸を反映した凹凸を有しているが、やがて回折格子１１０２Ｂの凹凸を埋め込んでいく。この光ガイド層１１０４の成長工程において、待機条件を最適化することにより、回折格子１１０２Ｂの高さが所望の値となるようにする。つまり、光ガイド層１１０４の厚さが回折格子１１０２Ｂの頂部と同じレベルか、それより高いレベルとなるようにする。結局、図２１に示すように、回折格子１１０２Ｂの凹凸は光ガイド層１１０４によって埋め込まれる。
【００１５】
光ガイド層１１０４の成長工程において、待機条件を変えることによりマストランスポートを制御するこの方法では、回折格子１１０２Ｂの高さの精密な制御は困難である。したがって、回折格子１１０２Ｂの高さの変動により、共振器方向のκ変調プロファイルが大きく変動し、その結果、当該半導体レーザの発振特性や単一モード歩留りが多大な影響を受けてしまう。
【００１６】
本発明は、図２１に示した従来の半導体レーザの持つ上述した問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、λ／４位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる半導体レーザを提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、発振特性の再現性と均一性を向上することができる半導体レーザを提供することである。
【００１８】
ここに明記しない本発明のさらに他の目的は、以下の説明および添付図面から明らかになる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
（１）　本発明の半導体レーザは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、λ／４位相シフト部あるいは位相調整領域を有する回折格子と、
前記回折格子に隣接して前記半導体基板上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層に隣接して形成された活性層とを備え、
レーザ光を伝播する光導波路が前記活性層を含んで形成されている半導体レーザにおいて、
前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあることを特徴とするものである。
【００２０】
（２）　本発明の半導体レーザでは、前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにある。このため、回折格子結合係数κの値（κ値）の変調プロファイルは、前記回折格子の高さによってではなく、前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあり且つその組成および厚さの少なくとも一方が変調された前記光ガイド層によって精密に制御される。よって、κ値の変調プロファイルに対するトレランスが広くなる。
【００２１】
その結果、λ／４位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、κ変調プロファイルを高精度に実現できることにより、発振特性の再現性と均一性を向上することが可能となる。
【００２２】
（３）　なお、特許文献３（特開平２−１０５５９３号公報）には、回折格子を備えた半導体レーザにおいて、回折格子上に当該回折格子の山の高さよりも薄い膜厚でＩｎＧａＡｓＰ層を設けると共に、そのＩｎＧａＡｓＰ層の上に前記回折格子の山の高さと同程度もしくはそれ以上の膜厚で設けるという技術が開示されている。しかし、この技術は、回折格子の上に活性層を形成する際に、前記回折格子の影響を抑えてその活性層の結晶性を向上するためのものであるから、本発明とは明らかに異なる。
【００２３】
（４）　本発明の半導体レーザの好ましい例では、前記光ガイド層の前記回折格子の山部における厚さが、前記回折格子の谷部における厚さの半分以下とされる。
【００２４】
本発明の半導体レーザの他の好ましい例では、前記光ガイド層の組成波長が当該半導体レーザの発振波長よりも短く、前記回折格子による分布帰還動作が主として屈折率の周期的な変化により実現される。
【００２５】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記回折格子の再成長界面における半導体変成層の厚さが、前記光ガイド層の体積の２０％以下に設定される。
【００２６】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記位相シフト部が、前記光導波路に沿って当該半導体レーザの中央より後方の位置にあり、当該半導体レーザの後端から前端に向かって前記回折格子の結合係数（κ値）が連続的に減少せしめられる。
【００２７】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記光導波路方向でκ値が変化する領域（κ値変調領域）が、前記光導波路の全長の１／１０以上、１／３以下の範囲に形成される。
【００２８】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記活性層の両側にｐｎｐｎサイリスタ構成による電流狭窄構造が形成される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
（第１実施形態）
図１は、本発明第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの構成を示す、共振器（光導波路）に沿った概略縦断面図である。この分布帰還型半導体レーザの動作波長（発振波長）は、好ましくは、０．３〜１．７μｍの範囲に設定される。
【００３１】
図１に示すように、ｎ型ＩｎＰよりなる半導体基板１０１の（００１）面上に、発振波長を選択するための回折格子１０２が０．２４３μｍ程度の周期で形成されている。この回折格子１０２の高さは、レーザ共振器の後端面から前端面まで一定である。回折格子１０２には、その途中にλ／４位相シフト部１０３が形成されており、そのλ／４位相シフト部１０３によってレーザ光の共振器内定在波に対する４分の１波長（λ／４）（すなわち回折格子１０２の２分の１周期）分の位相ズレが付与されている。したがって、回折格子１０２は、λ／４位相シフト部１０３の両側において（λ／４）だけ位相がずれている。
【００３２】
当該半導体レーザの共振器（光導波路）の全長は６００μｍである。λ／４位相シフト部１０３の位置は、当該半導体レーザの信号光が出射される光出力の大きい側（図１では左側）を前方、モニタ光が出力される光出力の小さい側（図１では右側）を後方とし、前端面（図１では左側端面）を基準とすると、後方に向かって３６０μｍ程度の位置に形成されている。したがって、λ／４位相シフト部１０３は、共振器の中央より後方にある。
【００３３】
回折格子１０２が形成されたｎ型ＩｎＰ基板１０１上には、回折格子１０２に重なるようにｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層１０４が形成されている。この光ガイド層１０４の組成は、当該レーザの後端から前端に向かってバンドギャップ波長（波長組成）が１．１３μｍから１．０３μｍと徐々に短くなるように設定されている。また、光ガイド層１０４の厚さは、当該レーザの後端から前端に向かって３０ｎｍ程度から１０ｎｍ程度に徐々に小さくなるように設定されている。こうすることにより、光導波路に沿った屈折率変動は、主として、回折格子１０２の谷部にのみ存在する光ガイド層４０４分により実現される。
【００３４】
ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層１０４とそこから露出している回折格子１０２の上には、ｎ型ＩｎＰバッファ層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）１０５が形成されている。そのバッファ層１０５の上には、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる分離閉じ込めヘテロ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＳＣＨ）層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＭＱＷ構造（ウェル層：波長組成１．５μｍ、厚さ５ｎｍ程度、バリア層：波長組成１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ程度）からなるＭＱＷ活性層１０６が形成されている。活性層１０６の上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）１０７が形成されている。ｎ型ＩｎＰバッファ層１０５と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる活性層１０６と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７は、当該半導体レーザの前後方向に延在するストライプ状の光導波路を形成する。
【００３５】
以上のように構成することにより、回折格子１０２の結合係数κの値の分布は図５に示すようになる。すなわち、当該半導体レーザの前端面（距離＝０）ではκは１０ｃｍ−１程度、後端面（距離＝６００μｍ）では１００ｃｍ−１程度であって、前端面から後端面に向かって連続的に増加している。
【００３６】
第１実施形態の半導体レーザは、図１０に明瞭に示すように、ストライプ状のリッジ構造を有しており、バッファ層１０５と活性層１０６とクラッド層１０７の一部がそのリッジ構造の内部に位置している。リッジ構造の両側には、ｎ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１２１（厚さ：０．７μｍ程度）とｐ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１２２（厚さ：０．７μｍ程度）がこの順に積層形成されている。クラッド層１０７の残りの部分（厚さ：３μｍ程度）は、リッジ構造の上部だけでなく電流ブロック層１２２の上部にまで及んでいる。
【００３７】
クラッド層１０７の上には、ｐ型ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層１０８（厚さ：０．３μｍ程度）が形成されている。キャップ層１０８の上には、ＴｉＡｕからなるｐ電極１０８が形成されている。基板１０１の裏面には、同じくＴｉＡｕからなるｎ電極１０９が形成されている。
【００３８】
以上の構成を持つ半導体積層構造の前端面と後端面は、いずれも、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の積層膜からなり反射率０．１％以下の無反射（ＡＲ）膜１１１で覆われている。
【００３９】
次に、上記構成を持つ第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法について図２〜図１２を参照しながら説明する。
【００４０】
まず最初に、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰよりなる半導体基板１０１の（００１）面上に、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィと、ＨＢｒ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ系のエッチング液を用いるウェットエッチングにより、発振波長を選択するための回折格子１０２を周期０．２４３μｍ程度で形成する。このとき、回折格子１０２には、上述した位置にλ／４位相シフト部１０３が形成されるようにする。
【００４１】
その後、図３に示すように、回折格子１０２が表面に形成されたｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、ＳｉＯ２よりなる厚さ１００ｎｍの成長阻止マスク３０２を形成する。この成長阻止マスク３０２は、熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、および弗酸によるエッチングによってＳｉＯ２より作られる。マスク３０２は、ストライプ状の開口部３０４を中央に配した台形（テーパ）状の二つのマスク部から構成される。二つのマスク部は、開口部３０４に対して左右対象に形成されている。マスク３０２の各マスク部の幅、すなわちマスク幅３０３は、後端面から前端面に向かって約５０μｍから約３μｍに連続的に減少している。対向するマスク部分間の開口部３０４の幅は２．０μｍ程度であって、後端面から前端面まで一定である。開口部３０４は、後述するように光導波路用の所定の半導体層を選択成長させるために使用される。
【００４２】
続いて、選択ＭＯＶＰＥ成長により、成長阻止マスク３０２の開口部３０４より露出している回折格子１０２上に、図４に示すようにｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層１０４を成長させる。このとき、マスク３０２の台形状の二つのマスク部に起因して、光ガイド層１０４の組成は、後端面から前端面に向かって、１．１３μｍ波長組成から１．０３μｍ波長組成に連続的に変化せしめられる。また、光ガイド層１０４の厚さは、後端面から前端面に向かって、３０ｎｍ程度から１０ｎｍ程度に連続的に変化せしめられる。このように連続的に変化する波長組成と厚さを持つ光ガイド層１０４は、図３に示したマスク３０２を用いて、成長条件を適当に選定することにより得られる。
【００４３】
図４より明らかなように、光ガイド層１０４の厚さは、その全長にわたって回折格子１０２の山部の高さよりも小さい。これは、光ガイド層１０４用の上記選択ＭＯＶＰＥ成長プロセスにおいて、回折格子１０２の山部に成長するｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶の厚さがその谷部に成長するｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶の厚さの半分以下となるように、成長条件を最適化することにより、実現することができる。その結果、光導波路（レーザ共振器）に沿った屈折率変動は、主として、回折格子１０２の谷部に存在するｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶、すなわち光ガイド層１０４により実現される。また、図５に示すような回折格子１０２の結合係数κの分布が得られる。
【００４４】
回折格子１０２上へのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶の選択ＭＯＶＰＥ成長では、成長初期の段階において、回折格子１０２のステップ密度の高い面にはほとんど成長せず、供給された原料の大部分はステップ密度の低い面に成長する。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶によって回折格子１０２の谷部が埋まっていくにつれて徐々に、回折格子１０２の山部の上にもｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶が成長するようになる。このため、共振器に沿った方向のκ値の変調プロファイルを精密に制御することが可能となり、発振特性の再現性、均一性、単一モード歩留りを大幅に向上させることができる。
【００４５】
なお、回折格子１０２におけるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ結晶の再成長界面では、半導体変成層が生じるが、その厚さは、光ガイド層１０４の体積の２０％以下に設定するのが好ましい。図４に示すような所望の光ガイド層１０４が確実に得られるからである。また、光ガイド層１０４の組成と厚さの双方が、後端面から前端面に向かって変化せしめられているが、組成と厚さのいずれか一方が変化せしめられていればよい。
【００４６】
上記のようにして光ガイド層１０４を成長させた後、フォトリソグラフィと、弗酸を用いたウェットエッチングにより、回折格子１０２上にあるＳｉＯ２製の成長阻止マスク３０２を整形し、図６に示すような成長阻止マスク６０３を得る。すなわち、成長阻止マスク３０２の台形状のマスク部３０２を選択的にエッチングし、マスク幅３０３がレーザ共振器に沿った方向に一様に幅３μｍとなるようにする。その結果、ストライプ状の開口部６０５（幅２μｍ）の両側にストライプ状の二つのマスク部を配置してなる、図６に示すような成長阻止マスク６０３が得られる。各マスク部の幅すなわち、マスク幅６０４は、幅３μｍでその前端面から後端面まで一定である。
【００４７】
その後、ＳｉＯ２製の成長阻止マスク６０３を用いて選択ＭＯＶＰＥ成長により、図７に示すように、ｎ型ＩｎＰよりなるバッファ層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）１０５を形成し、その上にノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＳＣＨ層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）とノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＭＱＷ構造（ウェル層：波長組成１．５μｍ、厚さ５ｎｍ程度、バリア層：波長組成１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ程度）からなる活性層１０６を形成し、さらにその上にｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）の一部を形成する。
【００４８】
こうして形成したｎ型ＩｎＰバッファ層と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０６と、ｐ型ＩｎＰとは、光導波路を構成する。成長阻止マスク６０３のマスク部で覆われた箇所では、半導体結晶は成長しないので、こうして形成された光導波路は、基板１０１の前端から後端まで延在するストライプ状のリッジ構造となる。その後、弗酸を用いて成長阻止マスク６０３を除去する。この時の状態は図７に示す通りである。
【００４９】
続いて、熱ＣＶＤにより、基板１０１の全面にわたってＳｉＯ２膜（図示せず）を堆積させてから、そのＳｉＯ２膜を弗酸を用いてパターン化し、図８に示すように、リッジ構造（光導波路）の頂上のみを覆うストライプ状の成長阻止マスク８０１を形成する。そして、このマスク８０１を用いて選択ＭＯＶＰＥ成長を行い、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰよりなるバッファ層１０５の上に、ｐ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層（厚さ：０．７μｍ程度）１２１とｎ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層（厚さ：０．７μｍ程度）１２２を順に形成する。その結果、電流ブロック層１２１と１２２は、リッジ構造（光導波路）の両側に形成される。その後、成長阻止マスク８０１を除去する。この時の状態は図９のようになる。
【００５０】
次に、図１０に示すように、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１０７の残りの部分を厚さ３μｍ程度まで成長させる。クラッド層１０７の表面は平坦である。さらにその上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層１０８を厚さ０．３μｍ程度に成長させる。
【００５１】
続いて、キャップ層１０８の表面にＴｉＡｕからなるｐ電極１０８を形成し、基板１０１の裏面にＴｉＡｕからなるｎ電極１０９を形成する。その後、４３０℃でｐ電極１０９とｎ電極１１０の合金化のための熱処理を行う。こうして、半導体基板１０１上にレーザ構造が完成する。実際には、上述した工程を経て多数のレーザ構造が同時に半導体基板１０１上に形成されるので、共振器長が６００μｍとなるように各レーザ構造を分割する。その後、得られたレーザ構造の前後両端面にＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなる反射率０．１％以下の無反射（ＡＲ）膜１１１を塗布・形成すると、図１に示す構成を持つ第１実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。
【００５２】
以上の構成を持つ第１実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、光ガイド層１０４の組成および厚さの双方が、光導波路の方向に沿って変調されていると共に、光ガイド層１０４がその全面にわたって回折格子１０２の山頂よりも低いレベルに抑えられている。このため、回折格子結合係数κの値（κ値）の変調プロファイルは、回折格子１０２の高さによってではなく、回折格子１０２の山頂よりも低いレベルにあり且つその組成および厚さが変調された光ガイド層１０４によって精密に制御される。よって、κ値の変調プロファイルに対するトレランスが広くなる。
【００５３】
その結果、λ／４位相シフト部１−３がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、κ変調プロファイルを高精度に実現できることにより、発振特性の再現性と均一性を向上することが可能となる。
【００５４】
さらに、第１実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、回折格子１０２の結合係数κの値の小さな領域（低κ領域）１１２が前方に、結合係数κの値の大きな領域（高κ領域）１１３が後方にあるため、当該半導体レーザの内部における電界強度は、図１１に示すように、前方で大きく後方で小さくなる。また、単一モード歩留りを向上させるために導入するλ／４位相シフト部１０３（前端面からの距離３６０μｍの位置にある）では、電界強度のピークが生じている。つまり、λ／４位相シフト部１０３で電界集中が起こる。その結果、図１２に示すように、結合係数κの値がレーザ共振器内で一様な従来の構造に比べ、信号光が出射される素子前方の電流−光出力特性が向上する。
【００５５】
なお、第１実施形態では、光ガイド層１０４の波長組成と厚さの双方が後端面と前端面の間で連続的に変調されているが、光ガイド層１０４の波長組成または厚さを変調するだけでもほぼ同様の効果が得られる。
【００５６】
第１実施形態では、光導波路に沿った方向でκ値が変化する領域（κ値変調領域）が、その前記光導波路の全長に及んでいるが、これには限定されない。前記光導波路の全長の１／１０以上、１／３以下の範囲に限定して形成されてもよい。
【００５７】
（第２実施形態）
上述した第１実施形態では、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０５とノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０６とｐ型ＩｎＰクラッド層１０７からなる光導波路を、選択ＭＯＶＰＥ成長により直接形成しているが、本発明では、適当なマスクを用いたウェットエッチングやドライエッチングによって光導波路を形成することも可能である。第２実施形態の分布帰還型半導体レーザは、このような方法により製造されるものである。
【００５８】
第２実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を図１３〜図１５を参照しながら説明する。
【００５９】
半導体基板１０１上に回折格子１０２を形成する工程からその上に光ガイド層１０４を形成する工程までは、第１実施形態の場合と同じである。すなわち、まず、図２に示すように、第１実施形態の場合と同様にして、ｎ型ＩｎＰよりなる半導体基板１０１の（００１）面上に、λ／４位相シフト部１０３を持つ回折格子１０２を形成し、その後、ＳｉＯ２製の成長阻止マスク３０２を用いて、回折格子１０２の上に波長組成と厚さとが変調せしめられたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０４を成長させる。光ガイド層１０４の厚さは、その全長にわたって回折格子１０２の高さよりも小さい。
【００６０】
その後、成長阻止マスク３０２を完全に除去してから、ＭＯＶＰＥ成長により、光導波路層１３０を半導体基板１０１の全面にわたって形成する。光導波路層１３０は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０４の上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層１０５と、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０５の上に形成されたノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０６と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０６の上に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１０７の一部とから構成される。活性層１０６は、ここでは、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第１ＳＣＨ層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＭＱＷ構造（ウェル層：波長組成１．５μｍ、厚さ５ｎｍ程度、バリア層：波長組成１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ程度）と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第２ＳＣＨ層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）とから構成される。
【００６１】
続いて、図１３に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７の上に、光ガイド層１０４と共に回折格子１０２が形成された領域が完全に保護されるように、幅が２μｍのストライプ状のマスク２０１を形成する。そして、このマスク２０１をエッチング用マスクとして、光導波路層１３０を選択的にエッチングし、溝１３１を形成する。この溝１３１により、光導波路層１３０からストライプ状の光導波路（リッジ構造）が形成される。
【００６２】
その後、同じマスク２０１を成長阻止用マスクとして、ＭＯＶＰＥ選択成長により、図１４に示すように、溝１３１内に、ｐ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１４１とｎ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１４２をこの順に積層形成する。この時、電流ブロック層１４１と１４２により溝１３１の全体が埋め込まれないようにする。
【００６３】
さらに、マスク２０１を除去してから、半導体基板１０１の全面にｐ型ＩｎＰクラッド層１０７の残りの部分を形成して、溝１３１の全体を埋め込むと共に、その上に所定厚さのクラッド層１０７が配置されるようにする。クラッド層１０７の上には、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層１０８を形成する。
【００６４】
その後の工程は、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、キャップ層１０８の表面にＴｉＡｕからなるｐ電極１０８を形成し、基板１０１の裏面にＴｉＡｕからなるｎ電極１０９を形成してから、両電極１０９と１１０の合金化のための熱処理を行う。そして、共振器長が６００μｍとなるように基板１０１上の各レーザ構造を分割し、得られたレーザ構造の前後両端面に無反射（ＡＲ）膜１１１を塗布・形成すると、第２実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。この第２実施形態の半導体レーザの共振器に沿った断面は、図１に示すものと同一である。
【００６５】
以上の構成を持つ第２実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、半導体基板１０１上に第１実施形態の場合と同じ回折格子１０２と光ガイド層１０４とが形成されているので、第１実施形態の場合と同じ効果が得られる。
【００６６】
なお、第２実施形態では、電流ブロック層１４１と１４２とクラッド層１０７の残りの部分をＭＯＶＰＥ成長により形成しているが、ＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ、液相成長法）を用いて形成してもよい。
【００６７】
（第３実施形態）
上述した第１および第２の実施形態は、回折格子１０２がＭＱＷ活性層１０６の下方（基板１０１の側）に形成される構造であるが、本発明は、活性層成長後に回折格子を形成する構造においても有効である。第３実施形態の分布帰還型半導体レーザはそのような構成を持つものである。
【００６８】
第３実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を図１６〜図１８を参照しながら説明する。
【００６９】
まず、図１６に示すように、回折格子と光ガイド層を形成していないｎ型ＩｎＰ基板１０１の（００１）面上に、第１実施形態の場合と同様にして、ｎ型ＩｎＰよりなるバッファ層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）１０５を形成する。その後、バッファ層１０５の上に、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第１ＳＣＨ層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＭＱＷ構造（ウェル層：波長組成１．５μｍ、厚さ５ｎｍ程度、バリア層：波長組成１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ程度）と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第２ＳＣＨ層（波長組成：１．１μｍ、厚さ：５０ｎｍ程度）とをこの順に積層形成し、ＭＱＷ活性層１０６を形成する。さらに、ＭＱＷ活性層１０６の上に、ｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層（厚さ：０．１μｍ程度、不純物濃度：１×１０１８ｃｍ−３）１０７を形成する。こうして形成したｎ型ＩｎＰバッファ層１０５とノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１０６とｐ型ＩｎＰクラッド層１０７は、光導波路層１３０を構成する。バッファ層１０５とＭＱＷ活性層１０６とクラッド層１０７、すなわち光導波路層１３０は、基板１０１の全面にわたって形成される。
【００７０】
その後、ＥＢ露光とエッチングにより、クラッド層１０７の上に深さ３０ｎｍの回折格子（図示せず）を形成する。この回折格子は、λ／４位相シフト部を有しており、図１６の紙面に垂直方向に延在する。この回折格子の上には、成長阻止マスク２０２が形成される。成長阻止マスク２０２は、図３に示したマスク３０２と同様の構成を持つ。
【００７１】
続いて、選択ＭＯＶＰＥ成長により、最大厚さが回折格子の深さの５０％となるように、回折格子に重なるように光ガイド層を形成する。この時の状態は図４の場合と同様である。その後、成長阻止マスク２０２を除去する。
【００７２】
次に、先に形成したｐ型ＩｎＰクラッド層１０７の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７の残りの部分を厚さ３μｍ程度で成長させ、その上にさらにｐ型ＩｎＰキャップ層１０８を厚さ０．３μｍ程度で成長させる。ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７とｐ型ＩｎＰキャップ層１０８は、いずれも基板１０１の全面に形成する。この時の状態は図１７のようになる。
【００７３】
そして、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８の上に、ＳｉＯ２製のストライプ状のマスク部分を持つマスク２０３を形成した後、そのマスク２０３を用いてウェットエッチングまたはドライエッチングにより、導波路層１３０を選択的に除去する。こうして、図１８に示すように、ストライプ状のマスク部分の両側に溝１３１が形成され、それによってリッジ構造を持つ光導波路が形成される。
【００７４】
その後、溝１３１を埋め込むように、ｐ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１４１と、ｎ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１４２と、ｐ型ＩｎＰよりなる電流ブロック層１４３とをこの順に形成する。その結果、電流ブロック層１４１と１４２と１４３は、リッジ構造（光導波路）の両側に形成される。この時の状態は図１８のようになる。その後、成長阻止マスク２０３を除去する。
【００７５】
ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１４１とｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１４２とｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１４３は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１と共にｐｎｐｎサイリスタ構成を提供する。
【００７６】
その後のｐ電極１０８とｎ電極１０９の形成工程から、各レーザ構造の前後両端面に無反射（ＡＲ）膜１１１を塗布・形成する工程までは、第２実施形態の場合と同じである。こうして、第３実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。
【００７７】
以上の構成を持つ第３実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０７の上に第１実施形態の場合と同じ回折格子１０２と光ガイド層１０４とが形成されているので、第１実施形態の場合と同じ効果が得られる。
【００７８】
（第４実施形態）
上述した第１〜第３実施形態では、単一モード歩留りを向上させるために、回折格子の一部にλ／４位相シフト部を導入しているが、これに代えて、公知の周期変調回折格子による位相調整領域を導入してもよい。第４実施形態の分布帰還型半導体レーザは、λ／４位相シフト部をこの位相調整領域に置き換えたものであり、それ以外の構成は上記第１実施形態もしくは第２実施形態の分布帰還型半導体レーザと同じ構成を持つ。よって、図示およびその構成の説明は省略する。
【００７９】
位相調整領域では、回折格子の周期が他の部分よりも短くされ、回折格子周期変調領域における位相変化量の総和である累積位相変化量が、レーザ光の共振器内定在波の波長の４分の１（λ／４）となるように形成される。このようにして製造した半導体レーザでは、位相調整部での周期が短周期であり、また発振する波長は、回折格子の周期が均一な当該半導体レーザの前部と後部での周期よりもやや短周期として屈折率変化を感じるため、位相シフト量は当該半導体レーザの前部と後部での回折格子の周期に対してλ／４よりも若干大きな値となる。この半導体レーザでは、位相調整領域の電界集中が抑制されるため、第１実施形態または第２実施形態に示したλ／４位相シフト部を有する構造に比べて、光出力のより高い範囲まで安定な単一モード発振特性が得られる、という利点がある。
【００８０】
なお、位相調整領域における累積位相シフト量は、λ／４に限らず、３λ／４、５λ／４等にすることも可能である。また、安定した単一モード特性を高歩留りに得るためには、回折格子の位相調整領域が当該半導体レーザの全長の１／１０以上、１／３以下であることが望ましい。
【００８１】
（変形例）
上述した第１〜第４の実施形態では、本発明を分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザに適用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、半導体レーザと、回折格子が形成されたブラッグ導波路とを集積してなる分布ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、ＤＢＲ）型の半導体レーザや、半導体レーザと変調器とが集積された電界吸収型変調器集積型半導体レーザ等の光集積素子にも適用することができる。
【００８２】
また、上述した第１〜第４の実施形態では、ＭＱＷ活性層をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料により構成しているが、本発明はこれに限定されない。ＭＱＷ活性層は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系材料、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系、その他の化合物半導体材料を使用したものであってもよい。
【００８３】
本発明は、回折格子を有する半導体レーザだけでなく、その半導体レーザを集積化した変調器集積化光源等の光集積素子にも適用できる。
【００８４】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、適宜変更可能であることは言うまでもない。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザでは、λ／４位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、発振特性の再現性と均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの構成を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略斜視図で、図２の続きである。
【図４】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図３の続きである。
【図５】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの軸方向における結合係数κの分布を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図４の続きである。
【図７】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図６の続きである。
【図８】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図７の続きである。
【図９】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図８の続きである。
【図１０】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図９の続きである。
【図１１】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの共振器に沿った方向における規格化電界強度分布を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１実施形態の分布帰還型半導体レーザの前方光出力Ｐと注入電流Ｉとの関係（電流−光出力特性）を示すグラフである。
【図１３】本発明の第２実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図１３の続きである。
【図１５】本発明の第２実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図１４の続きである。
【図１６】本発明の第３実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図１６の続きである。
【図１８】本発明の第３実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図１７の続きである。
【図１９】従来の分布帰還型半導体レーザの一例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図２０】従来の分布帰還型半導体レーザの他の例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図２１】従来の分布帰還型半導体レーザのさらに他の例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【符号の説明】
１０１　半導体基板
１０２　回折格子
１０３　λ／４位相シフト部
１０４　光ガイド層
１０５　バッファ層
１０６　ＭＱＷ活性層
１０７　クラッド層
１０８　キャップ層
１０９　ｐ電極
１１０　ｎ電極
１１１　無反射（ＡＲ）膜
１１２　低κ領域
１１３　高κ領域
１２１、１２２　電流ブロック層
１３０　光導波路層
１３１　溝
１４１、１４２、１４３　電流ブロック層
２０１、２０２、２０３　マスク
３０２　マスク
３０３　マスク幅
３０４　マスク開口部
６０３　マスク
６０４　マスク幅
６０５　マスク開口部
８０１　マスク
【図１】
2004134486.tif 000003
【図２】
2004134486.tif 000004
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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