(57)【要約】【課題】本発明は光伝送装置に関わり、分布反射型波長可変レーザにおいて、波長調整時の光出力変動を抑制しかつ波長可変幅の広い光源を提供する。【解決手段】本発明は、半導体基板上の所定領域で活性導波路と分布ブラッグ反射器とが光学的に結合された導波路型光素子において、前記分布ブラッグ反射器の一部又は全体に、一層以上の周期数でかつ前記活性導波路とは独立な構造の量子井戸層が形成されたことを特徴とする波長制御機能付き分布反射型レーザである。【選択図】  図３
2004273993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域を含む光導波路領域と、分布ブラッグ反射器とを光学的に結合して有し、
前記分布ブラッグ反射器の光導波路領域は、前記分布ブラッグ反射器の光軸に沿った方向の少なくとも一部領域に一層以上の周期数でかつ前記活性領域を含む光導波路領域とは独立な構造の量子井戸層を有し、前記ブラッグ反射器器の量子井戸層が当該波長可変分布反射型半導体レーザ装置の発振波長を増幅する機能を有することを特徴とする波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記活性領域を含む光導波路領域と前記分布ブラッグ反射器とがバットジョイントにて光学的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記活性領域を含む光導波路領域と分布ブラッグ反射器を有する光導波路構造の一端に、更に半導体光増幅器が光学的に結合されて有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記活性領域を含む光導波路領域と分布ブラッグ反射器を有する光導波路構造の一端に、更に半導体光変調器が光学的に結合されて有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記活性領域を含む光導波路領域と分布ブラッグ反射器との間に、位相調整領域が光学的に結合され、前記分布ブラッグ反射器の一部または全領域、及び位相調整領域に、一層以上の周期数でかつ前記活性導波路とは独立な構造の量子井戸層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記分布ブラッグ反射器は、前記分布ブラッグ反射器の有する回折格子が、少なくともその一部に周期の異なる回折格子領域を有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項７】
活性領域を含む光導波路領域と分布ブラッグ反射器とを光学的に結合された光導波路領域が並置して設けられ、前記分布ブラッグ反射器の他端が光結合器に光学的に結合され、且つ
前記分布ブラッグ反射器の光導波路領域は、前記分布ブラッグ反射器の光軸に沿った方向の少なくとも一部領域に一層以上の周期数でかつ前記活性領域を含む光導波路領域とは独立な構造の量子井戸層を有することを特徴とする波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記光結合器の一端に、更に半導体光増幅器が光学的に結合されて有することを特徴とする請求項８に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記活性領域を含む光導波路領域の両側に、各々第１及び第２分布ブラッグ反射器とを有し、
前記第１及び第２の分布ブラッグ反射器の各光導波路領域は、前記各分布ブラッグ反射器の光軸に沿った方向の少なくとも一部領域に一層以上の周期数でかつ前記活性領域を含む光導波路領域とは独立な構造の量子井戸層を有することを特徴とする請求項１に記載の波長可変分布反射型半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記活性領域を含む光導波路領域と前記第１及び第２の分布ブラッグ反射器との間の少なくともいずれか一方に、位相調整領域が光学的に結合され、前記分布ブラッグ反射器の一部または全領域、及び位相調整領域に、一層以上の周期数でかつ前記活性導波路とは独立な構造の量子井戸層が形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の波長可変分布反射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】
【従来の技術】
情報通信サービスの利用増大に伴い、それを支える光通信システムの高速・大容量化が進められている。なかでも、波長多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｏｍａｉｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式は、一本の光ファイバに複数の波長で光信号を伝送するものである。この方式は、光ファイバの増設をせずとも通信容量を劇的に改善することができため、ＷＤＭ方式の商用化がすでに進められている。
【０００２】
ＷＤＭ用の光伝送装置では、多くの場合、各波長チャンネルに応じた波長の半導体レーザが搭載される。しかし、すべてのチャネルに各々独立の半導体レーザを準備した場合、装置の大型化や価格上昇が避けられない。そこで、小型で廉価なＷＤＭ伝送装置を実現するため、一つの素子で複数の波長チャンネルに対応できる光源を開発し、ＷＤＭ装置の部品数、大きさ、価格を改善することが臨まれている。このような背景の中で、単一の素子で、波長を自在に調整できる光源、波長可変光源の開発が進められている。また、波長可変光源にもいくつかの種類があり、その開発例は、２００１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、講演番号Ｃ−４−３（非特許文献１）や、電子工学論文、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＬＩｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．５（１９９９年）、９１８−９２３頁（非特許文献２）等に記載されている。
【０００３】
これまでに開発が進められている波長可変光源のうち、波長の切り換えを高速で実現する有望な光源として、分布反射器型（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇ  Ｒｅｆｒａｃｔｏｒ）レーザがある。ＤＢＲ型レーザでは、活性領域とＤＢＲが集積されており、ＤＢＲ領域に電流を注入し波長が調整できる。ＤＢＲ型レーザでの波長調整原理は知られているため、ここでは概略のみ記述する。
【０００４】
ＤＢＲ領域には光導波路層と回折格子が形成され、ＤＢＲレーザの波長λＤＢＲは、前記の屈折率ＮＤＢＲと回折の周期Λの積によって決まる。ＤＢＲ領域に電流を注入すると、前記の光導波路層内に電子が蓄積されるため、その結果光導波路層の屈折率ＮＤＢＲが変化する。一般に、この効果はプラズマ効果とも言われている。一方、ＤＢＲの周期Λは電流注入では変化しないため、波長λＤＢＲの制御が可能となる。
【０００５】
ＤＢＲ領域に光の増幅作用を設ける概念は、１９９０年に発行された電子工学論文ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３巻、Ｎｏ．１０の８６６頁から８６８頁に報告されている（非特許文献３）。この報告例ではＤＢＲ領域にバルクで構成される活性層を設け、ＤＢＲ領域に増幅作用を持たせることが試みられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−５５６８９号公報（段落１１、図２）
【特許文献２】
特開平８−１３９４１３号公報（段落２３、図２）
【非特許文献１】
２００１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、講演番号Ｃ−４−３
【非特許文献２】
ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＬＩｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．５（１９９９年）、９１８頁−９２３頁
【非特許文献３】
ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第３巻、Ｎｏ．１０の８６６頁から８６８頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ＤＢＲレーザで波長を調整する場合、ＤＢＲ領域の光導波路層の中に電子が蓄積する。光導波路に蓄積した電子は、よく知られているように自由電子吸収を起こし、導波路を伝播する光（フォトン）を吸収する。この結果、ＤＢＲ領域を伝播する光の強度が減衰し、素子の出力は低下する。その実験結果の一例を図１および図２に示す。図１は実験に用いた素子構造図で、光共振器の光軸に平行な面での断面図である。図２はその素子特性の例である。
【０００８】
この素子構造は、通例のＤＢＲレーザと同じ構造である。即ち、ｎ型ＩｎＰ基板上に、活性領域とＤＢＲ領域が搭載される。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１０２、多重量子井戸活性層１０３及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１０４によって活性領域が構成される。他方、ｎ型ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１１１の上部にＩｎＧａＡｓＰ層によって回折格子層１１５が形成される。そして、前記活性領域と前記ＤＢＲ領域との上部に、共通のｐ型ＩｎＰのクラッド層が形成される。前記活性領域と前記ＤＢＲ領域の双方に対応して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２１、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１２２が酸化ケイ素膜１０８で分離されて形成される。更に、前記活性領域と前記ＤＢＲ領域の双方に対応して、各々ｐ極電極１３２、Ｐ極電極１３３、基板の裏面にｎ極電極１３１が形成される。発光端面を含む両結晶端面には、通例通り高反射膜１３５、低反射膜１３２が設けられている。
【０００９】
図２はその素子特性である。図２の（ａ）は、波長調整電流の注入に伴う電流−光出力特性、図２の（ｂ）は、波長調整電流を注入した際の、発振波長および光出力の取出し効率を示している。図２の（ａ）にみられるように、波長調整電流の注入に伴い、電流−光出力特性が変化している。そして、光出力が得られなくなる領域も発生する。図２の（ｂ）によれば、波長調整電流が０〜３０ｍＡ（ミリアンペア）の範囲において、波長は、約１５５９ｎｍから１５５１ｎｍ程度まで変化している。このとき、図２の（ｂ）に合わせて示した光出力効率は、約２ｄＢ（デシベル）低下している。
【００１０】
このような波長調整に伴う光出力の低下は、ＤＢＲレーザを波長可変光源として実用化する上で、素子の光出力を調整する回路を設けたり、波長調整範囲に制約が生じる等、新たな問題を生み出す。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発発明は、前述の課題を解決し、光出力の低下を抑えながら波長可変特性を最大限に引き出すことにある。この為、ＤＢＲ領域の光導波路構造内に量子井戸層を導入した構造を提案する。本発明の特徴は、ＤＢＲ領域に形成する量子井戸構造が以下の特性を持つ点にある。第１に、ＤＢＲ領域に形成された量子井戸層が、発振波長の光を増幅することである。そして、ＤＢＲ領域であるので、ＤＢＲ用の量子井戸層そのものは、レーザ発振しないことである。以上の特徴を有する本願発明により、波長調整時の光出力低下を抑えることができる。勿論、波長の制御は、従来通り、ＤＢＲ領域に電流を注入し発振波長を制御する。以下、本発明を説明する。
【００１２】
まず、ＤＢＲ領域に形成された量子井戸層の増幅作用は、前述の波長調整時に生じる光の減衰を補償できる。これにより、波長調整時の光出力低下は抑えられる。但し、ＤＢＲ領域に導入する量子井戸層は、発振しきい値利得を大きくし、前記のようにＤＢＲ領域がレーザ発振しない設計にしなければならない。ＤＢＲ領域でレーザ発振した場合、当該領域はもはやＤＢＲ領域ではなく、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザとなってしまう。この結果、波長調整が出来なくなり、ＤＢＲレーザ本来の目的は達成できない。
【００１３】
尚、ＤＢＲ領域に形成された量子井戸層での発振波長の光の増幅作用は、ＤＢＲ領域に形成された量子井戸層のバンドギャップ波長が、発振波長と重なっている場合に、発生する。通例、量子井戸のバンドギャップ波長は、ピーク波長を頂点としてある程度の広がりを持つ。このため、ＤＢＲの回折格子周期から決定される発振波長に対して、概ね±２０ｎｍ〜±３０ｎｍ程度の範囲に、上記量子井戸層のバンドギャップのピーク（利得ピーク）を設定するのが良い。
【００１４】
ＤＢＲ用量子井戸層そのものにレーザ発振を起させないための一方法として、具体的には、ＤＢＲ部分の量子井戸層数を少なくする方法が簡易で有効である。即ち、ＤＢＲ部分の量子井戸の発振しきい値利得が大きい構造を採用する必要がある。しきい値利得が大きいために、ＤＢＲ部で利得が発生しても、レーザ発振のしきい値に至らないことになる。
【００１５】
本発明において、ＤＢＲ部分の量子井戸層を活性領域の量子井戸層とは独立な量子井戸層としたのは、活性領域（発光領域）とＤＢＲ部で、しきい値利得が異なるようにするためである。活性領域は、容易に発振が起こるよう、しきい値利得が小さくなる量子井戸構造とし、他方、ＤＢＲ部は大きくなる量子井戸構造となす。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明するに先立って、本発明の作用、効果について詳細に説明する。
【００１７】
本発明では、ＤＢＲ領域への電流注入に伴う自由キャリア損失αｆｃを補償した結果、波長可変光源の特性として、次の二つの効果が現われる。
（１）波長調整時の光出力低下に対する抑制。
（２）波長可変幅の拡大。
【００１８】
前者は、前記のように自由キャリア損失αｆｃを低減した直接的な効果である。又後者は、αｆｃを低減したことによる付加的な効果であり、波長可変レーザ特性改善に大きく寄与する。
【００１９】
まず、αｆｃを低減されること、及びその直接的効果について説明する。ＤＢＲ領域への電流注入に伴って発生する自由キャリア吸収損失αｆｃは、一般に注入したキャリア密度ｎに比例するとされている。従って、係数をＡとして、αｆｃ＝Ａ×ｎ（ｃｍ−１）の関係が成り立つ。一方、量子井戸によって発生する増幅作用の大小は、利得係数ｇで表される。ＤＢＲ領域の利得係数ｇＤＢＲは、量子井戸に注入されるキャリア密度Ｎにほぼ比例するため、ｇＤＢＲ＝β×Ｎ（ｃｍ−１）の関係が成り立つ。ここでβは量子井戸構造によって決まる係数である。前述の係数Ａ、βの値および、Ｎとｎの関係は、ＤＢＲ領域に形成する量子井戸の設計により調整することができる。従って、ＤＢＲ領域の構造を適切に設計すれば、ｇＤＢＲ−αｆｃ≒０に近付けることができ、ＤＢＲで発生する自由キャリア吸収αｆｃをｇＤＢＲによって補償することができる。
【００２０】
次に、αｆｃが低減された場合に波長可変幅が大きくなる効果を説明する。ＤＢＲレーザがあるモードで発振するためには、活性領域でのそのモード利得Ｇｔｈｍが、レーザ内部の全損失（αｔｏｔ）に等しくならなければならない。
【００２１】
即ち、
αｔｏｔ＝Ｇｔｈｍ  ……（１）
の関係が成り立つ必要がある。
【００２２】
又、αｔｏｔは、
αｔｏｔ＝αｉ＋αＤＢＲ＋αｆｃ  ……（２）
で表される。ここで、αｉは導波路の内部損失、αＤＢＲは、ＤＢＲ反射鏡での反射損失である。そして、
αＤＢＲ＝（１／Ｌａｃｔ）×Ｌｎ（１／ＲＤＢＲ）  ……（３）
で与えられる。Ｌｎは自然対数を意味する。Ｌａｃｔは活性領域の長さ、ＲＤＢＲはＤＢＲ領域の回折格子の構造によって決まる反射率である。（２）式において、αｆｃを小さくできれば、αＤＢＲその分が大きくなったとしてもαｔｏｔは換わらずに済み、レーザ発振が可能である。これを（３）式についてみると、自由キャリア損失（αｆｃ）が小さいＤＢＲレーザでは、小さな活性領域の長さ（Ｌａｃｔ）においてもレーザ発振を実現できることが導ける。
【００２３】
一方、波長λで発振するＤＢＲレーザの発振波長モード間隔Δλは、
Δλ＝λ２／（２×Ｎ×Ｌａｃｔ）  ……（４）
で与えられる。従って、前述のようにαｆｃの低減により、小さい活性領域の長さ（Ｌａｃｔ）のレーザで発振が可能になれば、（４）式中のΔλも大きくなることがわかる。ＤＢＲレーザの連続波長可変幅は、ＤＢＲレーザの発振波長モード間隔に比例する。従って、（４）式の関係から、Ｌａｃｔの小さいレーザでは、連続波長可変幅も大きいことが理解されよう。
【００２４】
＜実施の形態１＞
本発明の第一の実施例は波長１．５５μｍ帯の波長可変レーザ装置である。
【００２５】
図３は本発明第一の実施例についてみた断面図である。図３の（ａ）は、導波路軸を横からみた断面図。図３の（ｂ）は、活性領域について、導波路の軸に垂直な方向からみた断面図である。各図の詳細は以下の製造工程の説明に従って説明される。
【００２６】
本例の波長可変レーザ装置は活性領域とＤＢＲ領域から形成され、それぞれ、活性領域用電極１３２と変調器用電極１３３が独立に形成されている。活性領域とＤＢＲの間は電気的に分離されている。
【００２７】
以下に、製造工程に従って簡単に説明する。図４は製造工程を示す素子の断面図である。まず、図４の（ａ）を参酌して理解されるように、第一の結晶成長工程で、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、活性領域の多層構造を形成する。活性領域の多層構造は、ｎ側閉じ込め層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ側光閉じ込め層１０４、ｐ型クラッド層１０５からなる。前記多重量子井戸活性層１０３には、厚さ６ｎｍのウエル層、厚さ１０ｎｍのバリア層を７対が周期的に積層されており、レーザとして充分な特性を実現できるよう設計した。活性領域のバンドギャップ波長は、１５５０ｎｍに設定した。
【００２８】
活性領域の多層構造を形成した後、第二の結晶成長工程で、ＤＢＲ領域の多層構造を形成する。第二の結晶成長工程で形成されるＤＢＲ領域の多層構造は、図４の工程で示すように、バットジョイント成長を用いて形成する。
【００２９】
尚、バットジョイント成長とは、複数の導波路を突き合せて成長・形成する成長方法である。その工程は、通例、第一の導波路構造の結晶成長、エッチング工程、第二の導波路の結晶成長の３段階で構成される。具体的には、図４と共に発明の実施形態１の中に記載されている。第一の結晶成長工程では、半導体基板上に、活性領域の積層構造を形成する。第二段階では、活性領域のみ前述の積層構造を残し、他領域をエッチングにより選択的に除去する。この後、第二の結晶成長工程において、ＤＢＲ部として所望の積層構造を成長させる。これにより、同一半導体基板上に、活性領域とＤＢＲ領域の積層構造が突き合せて形成される。
【００３０】
活性領域の多層構造の上部に窒化ケイ素（以下ｍＳｉＮと略記）を被覆し、レーザ部分に保護マスク１５１を形成する（図４の（ａ））。このＳｉＮマスク１５１を用いて、図４（ｂ）に示すように、活性領域の多層構造をエッチング除去する。エッチングはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１０２までをエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板上で選択的に停止させる。エッチングには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、又は、燐酸又は硫酸を主成分とする溶液を用いた選択性ウエットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法でもよい。
【００３１】
引き続き、図４（ｃ）に示すように、露出したｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、ＤＢＲ領域の多層構造を形成する。ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１１１、と量子井戸層１３１、光導波路層１１１を交互に積層した上に、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１１４、回折格子の為の層１１５、例えばバンドギャップ波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を形成する。光導波路層は、バンドギャップ波長が１．４０μｍから１．４３μｍ程度となるようにした。又、量子井戸層１３１のバンドギャップ波長は、ほぼ１５５０ｎｍ程度になるようにした。ＤＢＲ領域で所望の反射率を得るため、回折格子の為の層のバンドギャップ波長は、１．１５μｍに設定した。尚、バットジョイント成長については通例の方法で十分であり、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
ＤＢＲ領域の多層構造を形成した後、描画技術とエッチング技術を適用し、回折格子の為の層１１５を回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）構造に加工する。回折格子の周期は、室温（２５℃）でのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長が１５５０ｎｍとなるよう調整した。本実施例では、干渉露光による描画とウエットエッチングによる形成手法を用いているが、電子線描画やドライエッチング等、他の手法を用いることもできる。ＤＢＲ領域の回折格子を形成した後、第三の結晶成長工程で、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２１と、ｐ−ＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層１２２を形成する（図４（ｄ））。
【００３３】
第三の結晶成長工程に引き続き、図３の（ｂ）にあるような埋め込みヘテロ（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型の構造を形成する。光共振器の光軸方向に延在させるメサストライプ１５０の形成には、メタン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いた。ドライエッチングで生じる結晶表面のダメージを除去するためエッチング表面を臭化水素（ＨＢｒ）と臭素とを主成分とする溶液でわずかに処理した後、鉄（Ｆｅ）をドープした高抵抗ＩｎＰ１０７で活性層および光導波路層を埋め込んだ。以上の工程を経て埋め込みヘテロ（ＢＨ：ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造は完成する。
【００３４】
これに引き続き、ウエハ表面を酸化珪素（以下、ＳｉＯ２と略記する）１０８により結晶表面の絶縁化処理する。メサストライプ１５０の上部１０９は、通電のため絶縁膜を除去し、活性領域用のｐ側電極１３２、ＤＢＲ用のｐ側電極１３３を形成した。これらｐ電極の形成に引き続き、ウエハを１００μｍ程度に薄く研磨加工し、ＩｎＰ基板の裏面にｎ側電極１３１を形成する。ｎ側電極の形成後、個別の半導体レーザ装置毎に所望の長さにへきかいする。半導体レーザ装置の後端面には高反射膜１３５、前端面には低反射膜１３６をそれぞれ形成した。
【００３５】
本実施例の構造は、波長可変ＤＢＲレーザの波長調整時に、電流−光出力特性の劣化を抑える効果がある。特に、単位電流当りの光出力効率（スロープ効率）の劣化低減に効果を発揮する。
【００３６】
第一の実施例の変形例を図５に示す。本例は、ＤＢＲ領域と活性領域の間に、位相調整領域を設けた例である。図５は光共振器の光軸に平行な面での断面図である。波長可変ＤＢＲレーザにおける位相調整領域の役割は、通例のものと大差はないため、詳細な説明は省略する。図５の例では、位相調整領域にも量子井戸層１１２を導入している。この為、位相調整領域においても、本発明の目的である、自由キャリア損失の補償が可能となる。作製工程は、図３及び図４に示した実施例と同じ工程である。尚、図５においいて、符号１４１は位相調整領域のｐ極電極である。
【００３７】
又、図６は、ＤＢＲ領域を活性領域の前方及び後方に設けた例を示す。図６は光共振器の光軸に平行な面での断面図である。又、符号１４２は後方ＤＢＲ領域のｐ極電極である。更に、図７に例示するように、ＤＢＲ領域に周期がわずかに異なる回折格子を複数並べたサンプルド−グレーティング（ＳＧ：Ｓａｍｐｌｅｄ  Ｇｒａｔｉｎｇ）構造に本発明が適用できることは言うまでもない。ＳＧ構造の場合、周期の異なる回折格子１６１、１６２、１６３、１６４を並べ、それぞれを波長調整電極１７１、１７２、１７３、１７４で調整する構造である。この為、通常のＤＢＲに比べ、ＤＢＲ領域は長くなる。この場合、ＤＢＲ領域を伝播する光の減衰は大きな問題であるが、本発明のように、ＤＢＲ領域での光の減衰を補償する構造は、ＳＧ−ＤＢＲでは特に効果的である。本発明では前方に４種のＳＧを設けているが、発明の対象はＳＧの数をこれに限定するものではない。又、ＳＧ−ＤＢＲが活性領域の前後に設けられる場合には、更に本発明の効果を発揮できる。
【００３８】
又、半導体レーザ装置を構成する材料や素子の導波路構造についても、本発明の対象は、本実施例の材料系や構造に限定するものではない。活性領域、ＤＢＲ領域を構成する材料系について言えば、本実施例ではＩｎＧａＡｓＰ系材料を取り上げているが、前記活性領域やＤＢＲ領域の一部又は全体にＩｎＡｌＡｓ系材料やＩｎＧａＡｌＡｓ系材料等を用いることも可能である。導波路構造については、本実施例で示した埋め込みヘテロ構造以外にもリッジ導波路型構造にも適用可能である。
【００３９】
本実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系及びＩｎＧａＡｌＡｓ系材料で構成されるレーザを取り上げたが、本発明の構造は、上記の材料系に限らず、ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体などで形成されるＤＢＲ構造を有するレーザ全般に適用できる。
【００４０】
本実施例の効果を図１２お及び図１３を用いて説明する。図１２は、本発明を適用した波長可変レーザの波長可変特性について、その実験結果を示す図である。横軸はＤＢＲ領域に注入した電流を示し、縦軸は発振波長の変化量を示している。図１２には、本発明を適用したレーザの結果と共に、適用していないレーザの結果を比較の為に記載している。図に示されるように、ＤＢＲ領域に電流を注入するに従い、波長は短波長化している。ＤＢＲ領域への注入電流が１００ｍＡ程度での波長変化（可変）量は、本発明を適用した素子とＤＢＲ領域に量子井戸を挿入しない従来型素子とでほぼ同じ値である。
【００４１】
一方、図１３は、波長調整時に実測した素子の駆動電流を示す。図１２と同様に本発明のレーザと本発明を用いないレーザとを比較して示してある。横軸は波長の変化量、縦軸は＋３ｄＢｍの光出力を得るために活性領域に注入した駆動電流を示す。従来の素子では、波長変化量の増大と共に、駆動電流は増大する。波長可変量７ｎｍとした時、素子の駆動電流は初期よりも１．５倍以上に増大している。これに対し、本発明を適用した素子では、波長を７ｎｍ以上変えた場合においても、駆動電流の変化は１０％程度以下に抑えられている。これは、ＤＢＲ領域に挿入した量子井戸によって利得が発生し、波長調節時の損失が補償されたことを示すものである。
【００４２】
このように本発明は、波長可変レーザで、約７ｎｍ波長を変えながら、且つ、＋３ｄＢｍの光出力を得るための駆動電流は、従来に比べ約半分程度に低減する効果を持つことが確認された。
【００４３】
＜実施の形態２＞
本発明の第二の実施例は、ＤＢＲ波長可変レーザ装置に電界吸収型（ＥＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器を集積した構造の例である。図８は共振器の光軸に並行な面での断面図である。波長可変レーザ装置は活性領域とＤＢＲ領域から形成され、それぞれ、活性領域用電極１３２と変調器用電極１３３が独立に形成されている。ＥＡ変調器には変調器用の電極１９１が形成されている。活性領域とＤＢＲの積層構造および作製工程は第一の実施例と基本的に同じである。図９はその製造工程を示す素子断面図である。図９で同じ部位は同じ符号が用いられている。
【００４４】
まず、図９の（ａ）を参酌して理解されるように、第一の結晶成長工程で、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、活性領域の多層構造を形成する。活性領域の多層構造は、ｎ側閉じ込め層１０２、多重量子井戸活性層１０３、ｐ側光閉じ込め層１０４、ｐ型クラッド層１０５からなる。多重量子井戸活性層１０３には、厚さ６ｎｍのウエル層、厚さ１０ｎｍのバリア層の７対が周期的に積層されており、レーザとして充分な特性を実現できるよう設計した。
【００４５】
前記活性領域の多層構造を形成した後、第二の結晶成長工程で、ＥＡ変調器の多層構造を形成する。ＥＡ変調器の多層構造積層には、バットジョイント成長を用いている。活性領域の多層構造の上部に窒化ケイ素（以下、ＳｉＮと略記）を被覆し、レーザ部分に保護マスク１５１を形成する。このＳｉＮマスク１５１を用いて、図４の（ｂ）に示すように、活性領域の多層構造をエッチング除去する。エッチングはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層までをエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板上で選択的に停止させる。エッチングには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、又は、燐酸又は硫酸を主成分とする溶液を用いた選択性ウエットエッチング、更には両者の併用、いずれの手法でもよい。
【００４６】
引き続き、図９の（ａ）に示すように、露出したｎ型ＩｎＰ基板の上に、ＥＡ変調器の多層構造を形成する。ＥＡ変調器部分にはｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、光吸収層１８０が形成される。光吸収層１８０は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１８１、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌｓ）層１８２、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１８３の３層で形成される。ＭＱＷ層１８２は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料の井戸層（厚さ７ｍ）と障壁層（厚さ５ｍ）からなるＭＱＷ層を１０周期積層した。ＥＡ変調器のＭＱＷ構造は、本実施例の値に限定するものではない。所望の変調特性を得るために、井戸層および障壁層の厚さ、組成および周期数は所望に調整しても、本発明の効果に影響はない。
【００４７】
ＥＡ変調器の多層構造を形成した後、第三の多層成長工程として図９（ｂ）に示すように、ＤＢＲ領域の多層構造を形成した。ＤＢＲ領域の多層構造は、図９に示すようにバットジョイント成長を用いて形成する。活性領域およびＥＡ変調器の多層構造の上部に窒化ケイ素（以下、ＳｉＮと略記）を被覆し、レーザ部分に保護マスク１５２を形成する。このＳｉＮマスクを用いて、図９（ｂ）に示すように、活性領域の多層構造をエッチング除去する。エッチングはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層までをエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板上で選択的に停止させる。エッチングには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、又は、燐酸または硫酸を主成分とする溶液を用いた選択性ウエットエッチング、更には両者の併用、いずれの手法でもよい。
【００４８】
引き続き、図９（ｃ）に示すように、露出したｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、ＤＢＲ領域の多層構造を形成する。ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１１１、と量子井戸層１３１、光導波路層１１１を交互に積層した上に、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１１４、回折格子層１１５を形成する。光導波路層は、バンドギャップ波長が１．４３μｍ程度となるようにした。又、量子井戸層１３１のバンドギャップ波長は、ほぼ１５５０ｎｍ程度になるようにした。又、ＤＢＲ領域で所望の反射率を得るため、回折格子層のバンドギャップ波長は、１．１５μｍに設定した。
【００４９】
ＤＢＲ領域の多層構造を形成した後、通例の描画技術とエッチング技術を適用し、回折格子の為の層１１５をグレーテング（ｇｒａｔｉｎｇ）構造に加工した。回折格子の周期は、室温（２５℃）でのＤＦＢレーザの発振波長が１５５０ｎｍとなるよう調整した。本実施例では、干渉露光による描画とウエットエッチングによる形成手法を用いているが、電子線描画やドライエッチング等、他の手法を用いることもできる。ＤＢＲ領域の回折格子を形成した後、第三の結晶成長工程で、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２１と、ｐ−ＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層１２２を形成する。
【００５０】
第三の結晶成長工程に引き続き、第一の実施例と同様、図３（ｂ）に例示したような埋め込みヘテロ（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型の構造を形成した。メサストライプの形成には、メタン系ガスを用いた反応性イオンエッチングとを用いた。ドライエッチングで生じる結晶表面のダメージを除去するためエッチング表面をＨＢｒ系溶液でわずかに処理した後、鉄（Ｆｅ）をドープした高抵抗ＩｎＰ１０７で活性層および光導波路層を埋め込んだ。以上の工程を経て埋め込みヘテロ構造は完成する。これに引き続き、ウエハ表面を酸化珪素（以下、ＳｉＯ２と略記）１０８により絶縁化処理する。メサストライプの上部１０９は、通電のため絶縁膜を除去し、ｐ側電極１３２，１３３を形成した。ｐ電極の形成に引き続き、ウエハを１００μｍ程度に薄く研磨加工し、ｎ側電極１３１を形成する。電極形成後、素子を所望の長さにへきかいした。そして、レーザ装置の後端面には高反射膜１３５、全面には低反射膜１３６をそれぞれ形成した。
【００５１】
本実施例では、ＥＡ変調器を集積した形態を示しているが、ＥＡ変調器の代わりに、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を集積することも可能である。ＥＡ変調器部分のＭＱＷ構造をＳＯＡとして望ましい構造に変更するだけで、光増幅器は集積できる。又、当然ながら、光増幅器とＥＡ変調器両方を集積できる。
【００５２】
以上、第一、第二の実施例は活性領域が単一ストライプの実施形態を示しているが、図１０及び図１１に示すように複数チャンネルのＤＢＲレーザを並列に並べた形態とすることもできる。図１０、図１１の（ａ）は装置の平面図、図１０、図１１の（ｂ）は光共振器の光軸に平行な面での断面図である。
【００５３】
図１０の例では、４本のチャンネルのＤＢＲレーザは並列に集積化された例である。符号２０１、２０２、２０３、及び２０４はこれらの各チャンネルに対する電極を、符号１３３はＤＢＲ領域に対する電極である。更に、この例では４本のチャンネルが光結合器２１１に光学的に結合され、更に、光導波路２２１により外部に導出されている。その他、これまでと同じ部位は同じ符号で示されている。
【００５４】
図１１の例は、図１０の例での光導波路２２１の部分に、光増幅器が用いられた例である。ここでの光増幅によりより大きな光信号を得ることが出来る。その他、これまでと同じ部位は同じ符号で示されており、その詳細を省略する。
【００５５】
＜従来技術との比較検討＞
ＤＢＲ領域に光の増幅作用を設ける概念は、１９９０年に発行された電子工学論文ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３巻、Ｎｏ．１０の８６６頁から８６８頁（非特許文献３）に発表されている。この例ではＤＢＲ領域にバルクで構成される活性層を設け、ＤＢＲ領域に増幅作用を持たせることが試みられている。これに対し、本発明では、ＤＢＲ領域に量子井戸層を挿入している。量子井戸活性層を用いた本発明では、バルク活性層を用いたものに比べて、増幅作用を生み出すまでに必要な電流は、小さい。従って、本発明のように量子井戸層を挿入した構造では、より小さな電流で効果的にＤＢＲ領域での損失の補償効果を享受できる。
【００５６】
一方、ＤＢＲ領域に量子井戸層が存在する構造は、その導入の目的は異なるが、特開平５−５５６８９号公報（特許文献１）や特開平８−１３９４１３公報（特許文献２）においても提案されている。これらの構造と、本発明との差異を以下に述べる。
【００５７】
特開平５−５５６８９号公報（特許文献１）には、ＤＢＲ領域の光導波路に歪量子井戸構造を導入した構成が示されている。ＤＢＲ領域に歪量子井戸を導入した目的は、当該領域のプラズマ効果を促し、波長の調整効率が高めることにあると説明されている。このため、発振波長１．５５μｍ帯に対して、ＤＢＲ領域のバンドギャップ波長が１．３μｍに設定されている。これに対し、本発明の目的は、ＤＢＲ領域での波長調整に伴う光の減衰を抑えることである。ＤＢＲ領域の量子井戸バンドギャップ波長は、発振波長とほぼ等しい１．５５μｍ帯とする。これにより、ＤＢＲ領域では、発振波長の光に対して、増幅作用が得られる。この増幅作用を利用して、波長調整に伴う光のＤＢＲ領域での減衰を補償するものである。
【００５８】
又、特開平８−１３９４１３号公報（特許文献２）において、波長可変ＤＢＲレーザのバンドギャップ波長を制御する手法として、活性領域とＤＢＲ領域に共通の量子井戸構造を導入した構造が示されている。本例と比較し、本願発明では、ＤＢＲ領域が活性領域とは独立な構造の量子井戸層を有する構造である。本願発明は特許文献２に見られない効果を有している。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、光出力が大きく、高速な波長スイッチングが可能な分布反射型波長可変レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来の構造を説明する断面図である。
【図２】図２は従来の構造での特性を説明する断面図である
【図３】図３は本発明の実施例を説明するための図であり、（ａ）は素子を側面から見た断面図、（ｂ）は素子の光軸に垂直な断面図である。
【図４】図４は本発明の素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】図５は本発明の実施例を説明するための断面図である。
【図６】図６は本発明の実施例を説明するための断面図である。
【図７】図７は本発明の実施例を説明するための断面図である。
【図８】図８は本発明の実施例を説明するための断面図である。
【図９】図９は本発明の実施例を説明するため、素子の製造工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明の実施例を説明するための図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例を説明するための図である。
【図１２】図１２は波長可変レーザにおける波長可変特性を例示する図である。
【図１３】図１３は波長調整時の素子の駆動電流の変化を示す図である。
【符号の説明】
１０１…ｎ型ＩｎＰ基板、１０２…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、１０３…多重量子井戸活性層、１０４…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、１０５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１０７…Ｆｅ添加ＩｎＰ、１０８…酸化ケイ素膜、１０９…絶縁膜除去部、１１１…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、１１２…量子井戸層、１１４…ｐ型ＩｎＰスペーサ層、１１５…ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１２１…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１２２…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１３１…ｎ極電極、１３２…活性領域のｐ極電極、１３３…ＤＢＲ領域のｐ極電極、１３５…高反射膜、１３２…低反射膜、１４１…位相調整領域のｐ極電極、１４２…後方ＤＢＲ領域のｐ極電極、１６１…回折格子、１６２…回折格子、１６３…回折格子、１６３…回折格子、１７１…ＳＧ−ＤＢＲ用電極、１７２…ＳＧ−ＤＢＲ用電極、１７３…ＳＧ−ＤＢＲ用電極、１７４…ＳＧ−ＤＢＲ用電極、１８１…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、１８２…多重量子井戸光吸収層、１８３…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、１８４…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１９１…ＥＡ変調器部ｐ電極、２０１…第一チャンネル活性領域の電極、２０２…第二チャンネル活性領域の電極、２０３…第三チャンネル活性領域の電極、２０４…第四チャンネル活性領域の電極、２１１…光結合器、２２１…光導波路、２３１…光増幅器電極、２３２…光増幅器ｎ側光閉じ込め層、２３３…光増幅器量子井戸層、２３４…光増幅器ｐ側光閉じ込め層。
【図１】
2004273993.tif 000003
【図２】
2004273993.tif 000004
【図３】
2004273993.tif 000005
【図４】
2004273993.tif 000006
【図５】
2004273993.tif 000007
【図６】
2004273993.tif 000008
【図７】
2004273993.tif 000009
【図８】
2004273993.tif 000010
【図９】
2004273993.tif 000011
【図１０】
2004273993.tif 000012
【図１１】
2004273993.tif 000013
【図１２】
2004273993.tif 000014
【図１３】
2004273993.tif 000015