(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な第１の多重量子井戸活性層と、前記第１の多重量子井戸活性層の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層とを積層方向に直接接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層の間を、前記第１の多重量子井戸活性層と積層方向において直接接するように、前記第２の多重量子井戸活性層を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層で埋め込んだ、或いは、平坦な第１の多重量子井戸活性層と、前記第１の多重量子井戸活性層の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層とを積層方向に中間層を介して接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層の間を、前記第１の多重量子井戸活性層と積層方向において前記中間層を介して接するように、前記第２の多重量子井戸活性層を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層で埋め込んだ半導体レーザにおいて、前記第２の多重量子井戸活性層の前記第１の多重量子井戸活性層と近接する側と反対側に、前記光の伝搬方向に連続した前記埋込層より屈折率の大きな光導波層を近接して設けたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記光導波層は、前記第２の多重量子井戸活性層と近接して形成され、前記光導波層は、前記埋込層を構成する材料よりも禁制帯幅の小さな材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第２の多重量子井戸活性層の頂面と前記光導波層に近接され、前記埋込層を構成する材料より禁制帯幅の小さな材料からなる層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記埋込層が、ドーピングされていない材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１の多重量子井戸活性層の前記第２の多重量子井戸活性層と近接する側と反対側に、前記埋込層よりも屈折率の大きな材料からなる少なくとも一層以上の光導波層を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１の多重量子井戸活性層と第２の多重量子井戸活性層との間に、少なくとも一層以上の中間層を介在させたことを特徴とする請求項１乃至請求項５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】
本発明は半導体レーザに関するものであり、特に、光通信システムに用いる単一波長動作が可能な利得結合型ＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザにおける利得結合係数を大きくするとともに、散乱損失を減少させるための光導波路構造に特徴のある半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの高速化、高機能化に伴い波長安定性に優れた半導体レーザが必要とされており、特に、高出力動作のために後端面に高反射膜を施した場合や、外部反射による戻り光が生じた場合にも波長飛びが生じないことが求められている。
【０００３】
従来、モード安定性の良い単一波長レーザとして、共振器方向に周期的な利得変調を設けた利得結合ＤＦＢ半導体レーザが提案されている。
なお、本明細書における利得結合ＤＦＢ半導体レーザとは、屈折率結合と利得結合とを併せ持つ複素結合ＤＦＢ半導体レーザを含むものである。
【０００４】
この場合の利得変調を実現する方法には幾つかの方法があり、例えば、活性層厚若しくはガイド層厚を周期的に変調する方法、活性層に隣接して周期的な電流阻止層を設ける方法、或いは、活性層に隣接して周期的な光吸収層を設けるといった方法が挙げられる。
【０００５】
なかでも、活性層中に周期的に分割したＭＱＷ（多重量子井戸）層と平坦なＭＱＷ層を併せ持つ構造、即ち、ＭＱＷ回折格子構造は、他の方法に比べて比較的大きな利得結合係数を確保できること、利得結合と屈折率結合の位相が合致すること、さらには、余計な吸収が発生しないことといった利点を備えている。
【０００６】
ここで、図１０を参照して、従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを一例を説明する。
図１０参照
図１０は従来のＭＱＷ回折格子ＤＦＢ半導体レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上に第１ＭＱＷ層４２及び第２ＭＱＷ層を成長させたのち、第２ＭＱＷ層を選択的にエッチングすることによって周期的凸部からなるＭＱＷ回折格子４６を形成し、次いで、ＭＱＷ回折格子４６の間の凹部をｉ型ＩｎＰ層４７で選択的に埋め込んだのち、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層を成長させる。
この場合、平坦な第１ＭＱＷ層４２とＭＱＷ回折格子４６とによって、活性層を構成する。
【０００７】
次いで、図示は省略するものの、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクを用いてストライプ状メサを形成したのち、ストライプ状メサの側面をｐ型ＩｎＰ埋込層及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層で埋め込み、次いで、ＳｉＯ2 マスクを除去したのち、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層４８及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４９を順次成長させる。
【０００８】
最後に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４９に、ストライプ状開口を有するＳｉＯ2 膜を介してｐ側電極５０を設けるとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極５１を設けることによって、ＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの基本構造が完成する。
【０００９】
図１１（ａ）参照
この場合、第１ＭＱＷ層４２は、３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４を４層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３，４５で挟んで構成するとともに、ＭＱＷ回折格子４６も、３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４を４層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３，４５で挟んで構成し、両者に共通するＩｎＧａＡｓＰ障壁層４５を相対的に厚く形成することによって、ＭＱＷ回折格子４６を形成する際のエッチングが第１ＭＱＷ層４２を構成するＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４に達しないようする。
【００１０】
上述のように、ＭＱＷ回折格子４６の間の凹部は、ＭＱＷ回折格子４６より禁制帯幅の大きな材料であるｉ型ＩｎＰ埋込層４７で埋め込まれているので、禁制帯幅の差に起因する電位障壁によって、図において矢印で示すように、電流はＭＱＷ回折格子４６に効率的に注入され、周期的に変調された利得が生ずることになる。
一方、平坦な第１ＭＱＷ層４２は、活性層全体の平均的な利得に寄与することになる。
【００１１】
このように、利得結合に寄与するＭＱＷ回折格子４６と、利得結合には寄与しない第１ＭＱＷ層４２とを併設することによって、利得結合係数と活性層全体の利得を独立に制御することが可能になり、設計の自由度を高めることができる。
即ち、必要な素子特性に対して最適な利得結合係数が得られるようにＭＱＷ回折格子４６の構造としきい値キャリア密度を決定し、そのしきい値キャリア密度が得られるように活性層全体の平均利得を第１ＭＱＷ層４２で制御すれば良い。
【００１２】
なお、この様なＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいて、ＭＱＷ回折格子４６と第１ＭＱＷ層４２と構成する量子井戸構造は同じである必要はなく、各多重量子井戸構造を構成する井戸層及び障壁層は、互いに膜厚、材料組成、歪み量の少なくともいずれかが異なっていても良いものである（必要ならば、特願２０００−１２１４３６号参照）。
【００１３】
また、ＭＱＷ回折格子４６と第１ＭＱＷ層４２との間に、厚さが、６０ｎｍ程度の中間層を設けても良いものであり、それによって、ＭＱＷ回折格子４６を形成する際の分割加工が容易になり、素子特性の均一性を高めることが可能になる（必要ならば、特願２０００−７６９０８号参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいては、ＭＱＷ回折格子４６に効率的に電流を注入するために、ＭＱＷ回折格子４６の周囲をＭＱＷ回折格子４６を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料で埋め込む必要があり、それに伴って、利得結合係数を大きくしにくいという問題があるので、この事情を図１１（ｂ）を参照して説明する。
【００１５】
図１１（ｂ）参照
即ち、禁制帯幅の大きな埋込層の屈折率は一般に低く、図において平均屈折率分布に示すように、ｉ型ＩｎＰ埋込層４７或いはＭＱＷ回折格子４６の部分においては、導波光の感じる平均的な屈折率は小さくなりＭＱＷ回折格子４６での光閉じ込め効率は小さくなる。
この結果、導波光に対するＭＱＷ回折格子４６の利得が小さくなり、利得結合係数を大きくすることができなくなる。
【００１６】
また、ＭＱＷ回折格子構造では、伝搬方向に比較的大きな不連続が多数存在するため導波光が散乱される可能性が高くなる。
この場合、導波路不連続部分での散乱損失は、近似的に不連続前後での導波光の界分布の重なりに依存することになり、重なりが小さいほど損失が大きくなる。
【００１７】
再び、図１１（ｂ）参照
従来のＭＱＷ回折格子構造では、ＭＱＷ回折格子４６の存在する回折格子凸部とｉ型ＩｎＰ埋込層４７の存在する回折格子凹部における屈折率分布の中心軸がずれているため、導波光界分布の重なりが小さく散乱損失が大きくなってしまうという問題がある。
【００１８】
特に、上述のように第１ＭＱＷ層４２とＭＱＷ回折格子４６の間に中間層を設けた場合、中心軸の軸ずれｄが、例えば、７０ｎｍ程度と顕著になり、散乱損失がより大きくなる。
【００１９】
さらに、活性層全体の平均利得を大きくするためには、第１ＭＱＷ層４２の層数を増やしたり、或いは、第１ＭＱＷ層４２の下側に光閉じ込め層を設ければ良いが、この場合にも中心軸の軸ずれｄが増して、散乱損失が大きくなるという問題が生ずる。
【００２０】
したがって、本発明は、利得結合係数を大きくするとともに、中心軸の軸ずれによる散乱損失を低減することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上述の目的を達成するためには、本発明においては、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、周期的に分割した第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に直接接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において直接接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ、或いは、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に中間層を介して接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において前記中間層を介して接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ半導体レーザにおいて、第２の多重量子井戸活性層３の第１の多重量子井戸活性層２に近接する側と反対側に、光の伝搬方向に連続した前記埋込層５より屈折率の大きな光導波層６、例えば、バルク光導波層或いは平坦な第３の多重量子井戸層を設けたことを特徴とする。
【００２２】
この様に、周期的に分割した第２の多重量子井戸活性層３の上下にクラッド層７より高屈折率の第１の多重量子井戸活性層２及び光の伝搬方向に連続した光導波層６を設けることによって、第２の多重量子井戸活性層３の間に低屈折率の埋込層５が存在しても、第２の多重量子井戸活性層３と埋込層５の部分での光閉じ込め効率の低下を抑制することができるので、第１の多重量子井戸活性層２及び分割された第２の多重量子井戸活性層３からなる活性層４における利得結合係数を大きくすることができ、また、回折格子凸部と回折格子凹部における導波光の中心軸の軸ずれを小さくすることができるので、散乱損失を低減することができる。
【００２３】
なお、光導波層６は、バルク光導波層でも良いし、或いは、平坦な多重量子井戸層で構成しても良いものであり、平坦な多重量子井戸層で構成した場合には、屈折率分布の対称性をより高めることができる。
【００２４】
また、第１の多重量子井戸活性層２と第２の量子井戸活性層は直接接するように近接位置しても良いし、或いは、中間層を介して接するようにしても良く、直接接するようにした場合には、中心軸の軸ずれをより小さくすることができ、一方、中間層を介在させた場合には、第２の多重量子井戸活性層３の分割加工工程が容易になる。
【００２５】
また、第２の多重量子井戸活性層３は光導波層６と直接接するようにしても良いし、或いは、埋込層５を構成する半導体層又は光導波層６を構成する半導体層を介して接するようにしても良い。
埋込層５を構成する半導体層或いは光導波層６を構成する半導体層を介して接するようにした場合には、埋込層５の成長条件を緩和することができる。
【００２６】
また、第２の多重量子井戸活性層３の光伝搬方向と垂直な全ての側面を埋込層５で埋め込むことにより、分割された第２の多重量子井戸活性層３への電流注入効率を高めることができる。
【００２７】
なお、光通信システムへの適用を考慮するならば、半導体基板１としてはＩｎＰ基板が好適であり、また、多重量子井戸層を構成する井戸層及び障壁層としては、各種組成比のＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＡｓのいずれかが好適である。
また、埋込層５としてはＩｎＰが好適であり、光導波層６としては、ＩｎＧａＡｓＰ或いはＩｎＡｌＧａＡｓが好適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、まず、図２及び図３を参照して本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの製造工程を説明する。
なお、図２（ａ）乃至（ｄ）は光の伝搬方向に沿った概略的断面図であり、図３（ｅ）乃至（ｇ）は、光の伝搬方向に垂直な概略的断面図である。
【００２９】
図２（ａ）参照
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、第１ＭＱＷ層１２及び第２ＭＱＷ層１３を順次成長させる。
この場合、第１ＭＱＷ層１２及び第２ＭＱＷ層１３は、図２（ｃ）に示すように、各々バンドギャップ波長λg が１．５９μｍ組成で、厚さが、例えば、５ｎｍの３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層１７を、バンドギャップ波長λg が１．２５μｍ組成で、厚さが、例えば１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６と、厚さが、１５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８によって挟んで構成するものであり、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８が共有される構造となっており、発光波長は１．５５μｍとなる。
【００３０】
図２（ｂ）参照
次いで、レジストを塗布し、干渉露光法或いは電子ビーム露光法を用いて回折格子パターンを露光・現像することによって、回折格子周期が発振波長に対してブラッグ条件を満たすように、例えば、２４０ｎｍとしたレジストパターン１４を形成し、次いで、このレジストパターン１４をマスクとして、エタン＋水素＋微量酸素を用いた反応性イオンエッチングを施すことによって第２ＭＱＷ層１３を選択的に除去してＭＱＷ回折格子１５を形成する。
【００３１】
図２（ｃ）参照
図２（ｃ）は、図２（ｂ）における破線で示す円内の拡大図であり、両者が共有するＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８を厚く形成しているので、エッチングをＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８の中間部において再現性良く停止することができる。
【００３２】
図２（ｄ）参照
次いで、レジストパターン１４を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて第２ＭＱＷ層１３の除去部にｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的成長させて、ＭＱＷ回折格子１５の間をｉ型ＩｎＰ埋込層１９で埋め込む。
この場合、成長条件を制御することによって、第２ＭＱＷ層１３の除去部にのみｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させることができる。
【００３３】
引き続いて、バンドギャップ波長λg が、例えば、１．１５μｍ組成で、厚さが、例えば、１００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０、及び、厚さが、例えば、２００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２１を順次成長させる。
【００３４】
図３（ｅ）参照
次いで、ＣＶＤ法によって厚さ０．３μｍのＳｉＯ2 膜を堆積させたのち、フォトレジストを塗布し、露光・現像することによって光の伝搬方向に伸びるストライプ状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ2 膜の露出部をエッチングすることによってストライプ状のＳｉＯ2 マスク２２を形成し、次いで、ＳｉＯ2 マスク２２をマスクとして、エタン＋水素＋微量酸素からなるエタン系のガスを用いた反応性イオンエッチングを施すことによって、ｎ型ＩｎＰ基板１１に達するストライプ状メサ２３を形成する。
【００３５】
図３（ｆ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２２をそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によってｐ型ＩｎＰ埋込層２４及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２５を選択的に成長させて、ストライプ状メサ２３の側部を埋め込む。
【００３６】
図３（ｇ）参照
次いで、ＳｉＯ2 マスク２２を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層２６及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７を順次成長させる。
【００３７】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にストライプ状の開口部を有するＳｉＯ2 膜２８を介してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着させてｐ側電極２９を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ／Ａｕ電極を蒸着させてｎ側電極３０を形成することによってＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの基本的構成が完成する。
【００３８】
図４（ａ）参照
この様に製作したＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいても、ＭＱＷ回折格子１５の間の凹部は、ＭＱＷ回折格子１５より禁制帯幅の大きな材料であるｉ型ＩｎＰ層１９で埋め込まれているので、禁制帯幅の差に起因する電位障壁によって、図において矢印で示すように、電流はＭＱＷ回折格子１５に効率的に注入され、周期的に変調された利得が生ずることになる。
また、平坦な第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５とによって、活性層を構成する。
【００３９】
図４（ｂ）参照
この様に、周期的に分割したＭＱＷ回折格子１５の上下にｎ型ＩｎＰ基板１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層２１，２６より高屈折率の第１ＭＱＷ層１２及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けているので、ＭＱＷ回折格子１５の間に低屈折率のｉ型ＩｎＰ埋込層１９が存在しても、ＭＱＷ回折格子１５とｉ型ＩｎＰ埋込層１９の部分での光閉じ込め効率の低下を抑制し、利得結合係数を大きくすることができる。
また、回折格子凸部と回折格子凹部における伝播光の中心軸の軸ずれｄを小さく、例えば、３ｎｍ程度にすることができるので、散乱損失を低減することができる。
【００４０】
例えば、ＭＱＷ回折格子１５部分への平均的な光閉じ込め率は６．０％とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けない場合に比べて約１．５倍にすることが期待でき、その結果、利得結合効率が増大する。
【００４１】
また、この様なＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの後端面に高反射膜を施した場合にも、戻り光が発生しても単一波長性を良好に保つことができ、例えば、光出力２ｍＷでのサイドモード抑圧比は５０ｄＢ以上であり、光出力が３０ｍＷまで、安定な単一波長動作が可能になる。
【００４２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、中間層を設けた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図５参照
この第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５との間に、バンドギャップ波長λg が、例えば、１．２０μｍ組成で、厚さが、例えば、６０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３１からなる中間層を設けるとともに、第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５とをともに４層構造にしたものであり、また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０の厚さは、例えば、２００ｎｍとする。
なお、上記の第１の実施の形態におけるＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８は分割されて夫々ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６となる。
【００４３】
この場合、厚いｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３１からなる中間層を設けているので、ＭＱＷ回折格子１５を形成するエッチング工程における深さ許容度を大きくすることができ、素子特性の均一性を高めることができる。
【００４４】
この場合、回折格子凸部と回折格子凹部における伝搬光の軸ずれｄは５ｎｍ程度となり、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けない場合の軸ずれであるｄ≒７０ｎｍに比べて大幅に低減することができ、それによって、散乱損失が大幅に低減され、低しきい値電流、高効率が実現される。
【００４５】
したがって、共振器長を３００μｍにするとともに、前端面に無反射膜を設け、後端面に高反射膜を設けた場合に、しきい値電流５ｍＡ、スロープ効率０．３３Ｗ／Ａが可能になる。
【００４６】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、第１ＭＱＷ層１２の下側にも光導波層を設けた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図６参照
この第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰ基板１１と第１ＭＱＷ層１２の間に、バンドギャップ波長λg が、例えば、１．１０μｍ組成で、厚さが、例えば、１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けたものである。
【００４７】
この第３の実施の形態においては、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けているので、活性層全体の平均利得が大きくなり、しきい値キャリア密度を低減することが可能になる。
この場合、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けることによって、屈折率分布が下側に偏ることになるが、上側にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けているので、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けたことによる軸ずれの増大を抑制することができる。
【００４８】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、光導波層として第３ＭＱＷ層を用いた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図７参照
この第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させたのち、バンドギャップ波長λｇが１．２μｍ組成で、厚さが、例えば、１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層３３とバンドギャップ波長λｇが１．５９μｍ組成で、厚さが、例えば、５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層３４とを交互に成長させて第３ＭＱＷ層３５としたものである。
【００４９】
第４の実施の形態は、上記の第３ＭＱＷ層３５を第２ＭＱＷ層と異なった構成にすることによって、利得を持たない単なる光導波層としたものであり、屈折率分布の上下対称性を高めることができる。
【００５０】
次に、図８を参照して、本発明の第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、埋込層がＭＱＷ回折格子の頂面を覆う以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図８参照
この第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させる際に、ＭＱＷ回折格子１５の表面も薄く覆うようにしたものであり、この部分の厚さが伝搬光の波長程度に薄い場合には特段の問題は発生しない。
【００５１】
この第５の実施の形態においては、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を多少過剰成長させても良いので、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９の選択成長条件を緩和することができる。
【００５２】
次に、図９を参照して、本発明の第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、ＭＱＷ回折格子を形成する前に、第２ＭＱＷ層の上に、光導波層と同じ組成の半導体層を予め設けておく以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は簡単にする。
図９参照
この第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ＭＱＷ回折格子１５を形成する前に、第２ＭＱＷ層１３の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０と同じ組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６を予め設けておき、ＭＱＷ回折格子１５を形成する際に同時にパターニングするものである。
【００５３】
この第６の実施の形態においては、ＭＱＷ回折格子１５の頂面にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６を設けているので、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を過剰成長させても、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６の頂面がｉ型ＩｎＰ埋込層１９によって覆われることがなく、したがって、ＭＱＷ回折格子１５の側面を全てｉ型ＩｎＰ埋込層１９によって再現性良く覆うことができるので、ＭＱＷ回折格子１５への電流注入効率を高めることができる。
【００５４】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は、各実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、成長条件を制御することによってｉ型ＩｎＰ埋込層を選択的に成長させているが、電流ブロック層の成長工程と同様に、ＭＱＷ回折格子を形成する際にＳｉＯ2 マスクを用い、このＳｉＯ2 マスクを利用して選択成長させても良いものである。
【００５５】
また、上記の第１の実施の形態等においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３に共有されるＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８を他のＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６よりも厚く形成しているが、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６と同じ厚さにしても良いものであり、その場合には、製造マージンは低下するものの、軸ずれｄをより小さくすることができる。
【００５６】
また、上記の各実施の形態においては、ＭＱＷ回折格子１５の間を埋め込む埋込層及び光導波層を均一材料の単層で構成しているが、夫々複数の層によって構成しても良いものであり、或いは、積層方向に組成が連続的に変化するグレーデッド層によって構成しても良いものである。
【００５７】
また、上記の各実施の形態においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を同じ構造で構成しているが、互いに異なった構造としても良いものであり、例えば、各々の障壁層及び井戸層を互いに異なった組成或いは層厚の半導体層で構成しても良いものであり、また、層数もお互いに異なるように設定しても良いものである。
【００５９】
また、上記の各実施の形態においては、逆バイアスｐｎ接合によって電流狭窄構造を形成したＢＨ構造としているが、高速変調を行うためには電流ブロック層による寄生容量が問題となるので、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層によって埋め込んでも良いものである。
【００６０】
さらには、本発明は、ＢＨ構造に限られるものではなく、リッジ構造や、埋込リッジ構造等を用いても良いものであり、各種のストライプ構造が適用されるものである。
【００６１】
また、上記の各実施の形態においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を夫々３層構造或いは４層構造としているが、層数は任意であり、高出力化のためには長共振器長にするので、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を夫々２層構造としても良いものであり、また、高速変調化のためには短共振器長化が必要であるので、出力を稼ぐためには第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３の層数を多くすることになる。
【００６２】
また、上記の各実施の形態においては、ＭＱＷ層をＩｎＧａＡｓＰで構成しているが、ＩｎＧａＡｓＰに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＡｓで構成しても良いものであり、特に、ＩｎＡｓＰを用いた場合には温度特性を良好にすることができる。
【００６３】
また、上記の各実施の形態においては、光導波層をＩｎＧａＡｓＰで構成しているが、ＩｎＧａＡｓＰに限られるものではなく、ＩｎＡｌＧａＡｓによって構成しても良いものである。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に直接第１ＭＱＷ層１２を成長させているが、ｎ型ＩｎＰバッファ層を介して成長させて良いものである。
【００６５】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型ＩｎＰ基板１１側に平坦な第１ＭＱＷ層１２を成長させているが、ｎ型ＩｎＰ基板１１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層を設け、このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層上にＭＱＷ回折格子１５を設け、次いで、ＭＱＷ回折格子１５をｉ型ＩｎＰ層１９によって埋め込んだ後、平坦な第１ＭＱＷ層１２を成長させても良いものである。
【００６６】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型基板を用いたＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザとして説明しているが、ｐ型基板を用いても良いものであり、その場合には、全ての半導体層の導電型を反転させれば良い。
【００６７】
また、上記の各実施の形態においては、夫々の特徴点を単独に用いているが、互いに矛盾した構成とならない限り夫々の特徴点を組み合わせた構成としても良いものであり、例えば、上記の第４の実施の形態の第３ＭＱＷ層を設ける構成は、他の実施の形態にも適用されるものである。
【００６８】
ここで、再び、図１を参照して、本発明の詳細な特徴を説明する。
図１参照
（付記１）  平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に直接接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において直接接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ、或いは、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に中間層を介して接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において前記中間層を介して接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ半導体レーザにおいて、前記第２の多重量子井戸活性層３の前記第１の多重量子井戸活性層２と近接する側と反対側に、前記光の伝搬方向に連続した前記埋込層５より屈折率の大きな光導波層６を近接して設けたことを特徴とする半導体レーザ。
（付記２）  前記光導波層６は、前記第２の多重量子井戸活性層３と近接して形成され、前記光導波層６は、前記埋込層５を構成する材料よりも禁制帯幅の小さな材料からなることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記３）  前記第２の多重量子井戸活性層の頂面と前記光導波層に近接され、前記埋込層を構成する材料より禁制帯幅の小さな材料からなる層が形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記４）  前記埋込層が、ドーピングされていない材料で形成されていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記５）  前記第１の多重量子井戸活性層２の前記第２の多重量子井戸活性層３と近接する側と反対側に、前記埋込層５よりも屈折率の大きな材料からなる少なくとも一層以上の光導波層を設けたことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記６）  前記第１の多重量子井戸活性層２と第２の多重量子井戸活性層３との間に、少なくとも一層以上の中間層を介在させたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
（付記７）  前記分割された第２の多重量子井戸活性層３の前記光の伝搬方向に垂直な側面の全てが前記埋込層５によって覆われていることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の半導体レーザ。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＱＷ回折格子を挟んで両側に平坦なＭＱＷ層と光導波層とを設けているので、回折格子凸部への電流注入効率を大きく保ったまま、利得結合係数を大きくすることができ、且つ、同時に散乱損失を低減することができ、それによって、低しきい値電流で高効率、且つ、モード安定性に優れ、反射戻り光があっても波長安定性に優れるので、高出力動作の利得結合型ＤＦＢ半導体レーザを実現することができ、ひいては、光通信システムの高性能化、普及・発展に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】  本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。
【図３】  本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】  本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの特性の説明図である。
【図５】  本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図６】  本発明の第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図７】  本発明の第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図８】  本発明の第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図９】  本発明の第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図１０】  従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的断面図である。
【図１１】  従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの特性の説明図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  第１の多重量子井戸活性層
３  第２の多重量子井戸活性層
４  活性層
５  埋込層
６  光導波層
７  クラッド層
１１  ｎ型ＩｎＰ基板
１２  第１ＭＱＷ層
１３  第２ＭＱＷ層
１４  レジストパターン
１５  ＭＱＷ回折格子
１６  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１７  ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
１８  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１９  ｉ型ＩｎＰ埋込層
２０  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
２１  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２２  ＳｉＯ2 マスク
２３  ストライプ状メサ
２４  ｐ型ＩｎＰ埋込層
２５  ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
２６  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２７  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２８  ＳｉＯ2 膜
２９  ｐ側電極
３０  ｎ側電極
３１  ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
３２  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
３３  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
３４  ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
３５  第３ＭＱＷ層
３６  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
４１  ｎ型ＩｎＰ基板
４２  第１ＭＱＷ層
４３  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４４  ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
４５  ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４６  ＭＱＷ回折格子
４７  ｉ型ＩｎＰ埋込層
４８  ｐ型ＩｎＰクラッド層
４９  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
５０  ｐ側電極
５１  ｎ側電極
【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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