(57)【要約】【課題】活性層に変調電流を注入した場合でも、発振波長の変化を低減でき、波長チャーピングを抑制することができる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層１５と、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２０と、活性層１７とを備える。更に、半導体レーザ素子１Ａは、回折格子層１３および該回折格子層１３上に設けられた接着層１４から成り、活性層１７との間にｎ型クラッド層１５を挟む位置に設けられた回折格子２４と、ｎ型クラッド層１５に接触するカソード電極２１と、ｐ型コンタクト層２０に接触するアノード電極２２とを備える。活性層１７は第１の光導波路を構成し、回折格子層１３および接着層１４は第２の光導波路を構成する。第１の光導波路と第２の光導波路とは、ｎ型クラッド層１５を介して光学的に結合し、レーザ共振器を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に積層された第１導電型半導体層および第２導電型半導体層と、
前記所定方向において前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、
光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有する回折格子層、および前記回折格子層上に設けられて前記回折格子層の前記凸部を埋め込む埋込層から成り、前記活性層との間に前記第１導電型半導体層を挟む位置に設けられた回折格子と、
前記第１導電型半導体層に接触する第１電極と、
前記第２導電型半導体層に接触する第２電極と
を備え、
前記活性層が第１の光導波路を構成し、
前記回折格子層および前記埋込層が第２の光導波路を構成し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが、前記第１導電型半導体層を介して光学的に結合し、レーザ共振器を構成することを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記回折格子層が半導体から成り、前記埋込層が誘電体から成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記誘電体が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、およびＴｉＯのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記回折格子層は、前記第１導電型半導体層における前記活性層と対向する面とは反対側の面上に堆積されたアモルファスシリコンをエッチングすることにより形成されており、
前記埋込層は、前記回折格子層を覆うように前記誘電体が堆積されて成ることを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記回折格子層が半導体から成り、前記埋込層がポリイミド樹脂またはＢＣＢ樹脂から成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記回折格子層と前記第１導電型半導体層とが前記埋込層を介して接合されていることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記回折格子層の屈折率ｎ１と、前記埋込層の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１が０．１５以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記回折格子層の厚さが２００ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記第１導電型半導体層の厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体基板上に形成された分布帰還型レーザ（ＤＦＢ laser：Distributed FeedBack laser）が記載されている。この分布帰還型半導体レーザでは、ｐ型ＩｎＰ基板上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層、光ガイド層、歪量子井戸活性層およびｎ型ＩｎＰクラッド層が、この順に形成されている。また、ｐ型ＩｎＰクラッド層と光ガイド層との界面には回折格子が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層およびｎ型ＩｎＰクラッド層の屈折率は、光ガイド層、歪量子井戸活性層の屈折率より小さい。つまり、この分布帰還型半導体レーザは、ｐ型ＩｎＰクラッド層、光ガイド層、歪量子井戸活性層およびｎ型ＩｎＰクラッド層からなる単一の光導波路を有しており、光ガイド層および歪量子井戸活性層がこの光導波路のコア領域として機能する。活性層にて生じた光は、ｐ型ＩｎＰクラッド層およびｎ型ＩｎＰクラッド層に挟まれた光ガイド層および歪量子井戸活性層に閉じ込められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４９８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されたような構造を備える従来のＤＦＢレーザには、次の問題がある。ＤＦＢレーザに変調電流を印加すると、変調された光信号が出力される。ところで、ＤＦＢレーザの活性層および光ガイド層の屈折率は、活性層および光ガイド層を流れる電流の大きさに応じて変化する。故に、高周波の変調電流をこの半導体レーザ素子に与えると、電流量の変化に応じて活性層および光ガイド層の屈折率も変化する。活性層および光ガイド層の屈折率が変化することにより、光導波路の実効屈折率が変化する。ｐ型ＩｎＰクラッド層と光ガイド層との界面に回折格子が形成されているので、光ガイド層を含む光導波路の実効屈折率が変化することにより、回折格子の反射波長が変化する。これに伴い、ＤＦＢレーザの発振波長が変化する、いわゆる波長チャーピングが生じる。この波長チャーピングにより、光通信システムにおいて、伝送距離や伝送速度が制限される。つまり、従来のＤＦＢ型半導体レーザ素子は、比較的短い距離での伝送速度の小さい光通信用光源としての用途に制限される。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、活性層に変調電流を注入した場合でも、発振波長の変化を低減でき、波長チャーピングを抑制することができる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、所定方向に積層された第１導電型半導体層および第２導電型半導体層と、所定方向において第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有する回折格子層、および回折格子層上に設けられて回折格子の凸部を埋め込む埋込層から成り、活性層との間に第１導電型半導体層を挟む位置に設けられた回折格子と、第１導電型半導体層に接触する第１電極と、第２導電型半導体層に接触する第２電極とを備え、活性層が第１の光導波路を構成し、回折格子層および埋込層が第２の光導波路を構成し、第１の光導波路と第２の光導波路とが、第１導電型半導体層を介して光学的に結合し、レーザ共振器を構成することを特徴とする。
【０００７】
この半導体レーザ素子は、活性層を中心とする第１の光導波路と、回折格子層および埋込層を中心とする第２の光導波路とを備える。そして、第１の光導波路と第２の光導波路とは、第１導電型半導体層を介して光学的に結合され、レーザ共振器を構成している。また、回折格子層は、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有する。回折格子層上に設けられた埋込層は、回折格子層の凸部を埋め込んで形成される。このような構成において、活性層にて生じた光は、第１の光導波路内を伝搬する。一方、この第１の光導波路内を伝搬する光の導波モード（以下、活性層モードという）とは別に、回折格子層を含む第２の光導波路内を伝搬する光の導波モード（以下、回折格子層モードという）が生じる。この回折格子層モードの分散曲線は、活性層モードの分散曲線と異なる。活性層モード及び回折格子層モードは互いに近接して、第１および第２の光導波路から成るレーザ共振器内を導波する。このとき、活性層モードの分散曲線と回折格子層モードの分散曲線とが交わる波長において、レーザ発振のための位相整合条件が満たされる。この位相整合条件が満たされる特定の波長（単一の波長）において、レーザ発振が生じる。ここで、回折格子層モードにて伝搬する光の波長は、回折格子の周期によって決定される。また、第１および第２の光導波路は、第１導電型半導体層を介して空間的に分離して設けられている。従って、活性層に電流が注入されると、活性層の屈折率変化に伴って第１の光導波路を伝搬する活性層モードの分散曲線が変化するが、回折格子層の屈折率はほとんど変化せず、第２の光導波路を伝搬する回折格子層モードの分散曲線および光の波長もほとんど変化しない。故に、上述した半導体レーザ素子によれば、活性層に変調電流を注入した場合でも、発振波長の変化を低減でき、波長チャーピングを抑制することができる。
【０００８】
また、半導体レーザ素子は、回折格子層が半導体から成り、埋込層が誘電体から成ることを特徴としてもよい。誘電体の屈折率は半導体の屈折率と比べて格段に小さいので、このような構成によれば、回折格子を構成する二つの材料の屈折率差を大きくすることができる。これにより、回折格子層モードにおける前進波と後進波との結合係数κが大きくなる。この結合係数κを大きくすることによって、回折格子層モードの分散曲線における伝搬定数の変化に応じた波長変化を小さくすることができる。この結果、電流注入による活性層の屈折率変化に起因する発振波長への影響を更に抑制することが可能となる。従って、この半導体レーザ素子によれば、波長チャーピングを更に低減できる。また、誘電体は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯのうち少なくとも一つを含むことが好ましい。
【０００９】
また、埋込層が誘電体から成る場合、回折格子層は、第１導電型半導体層における活性層と対向する面とは反対側の面上に堆積されたアモルファスシリコンをエッチングすることにより好適に形成されることができる。また、埋込層は、回折格子層を覆うように誘電体が堆積されることにより好適に形成されることができる。
【００１０】
また、半導体レーザ素子は、回折格子層が半導体から成り、埋込層がポリイミド樹脂またはＢＣＢ樹脂から成ることを特徴としてもよい。ポリイミド樹脂やＢＣＢ樹脂といった樹脂の屈折率は、半導体の屈折率と比べて格段に小さいので、このような構成によれば、回折格子を構成する二つの材料の屈折率差を大きくすることができる。これにより、回折格子層モードにおける前進波と後進波との結合係数κが大きくなるので、回折格子層モードの分散曲線における伝搬定数の変化に応じた波長変化を小さくすることができる。この結果、電流注入による活性層の屈折率変化に起因する発振波長への影響を更に抑制することが可能となるので、波長チャーピングを更に低減できる。また、このように、埋込層がポリイミド樹脂またはＢＣＢ樹脂から成る場合、回折格子層と第１導電型半導体層とは埋込層を介して接合されることができる。
【００１１】
また、半導体レーザ素子は、回折格子層の屈折率ｎ１と、埋込層の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１が０．１５以上であることを特徴としてもよい。回折格子層と埋込層との上記相対屈折率差が０．１５以上であれば、回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κが十分に大きくなり、活性層の屈折率変化による発振波長への影響を効果的に抑制できる。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、チャーピングをより効果的に低減できる。
【００１２】
また、半導体レーザ素子は、回折格子層の厚さが２００ｎｍ以上であることを特徴としてもよい。このように、回折格子層が厚いことによって、回折格子層モードを好適に発生させることができる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子は、第１導電型半導体層の厚さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴としてもよい。第１導電型半導体層がこのような厚さを有することによって、第１導電型半導体層は比較的薄いクラッドとして機能する。そして、このように比較的薄いクラッドを挟んで活性層と回折格子層とが配置されることによって、第１および第２の光導波路を効果的に分離できるので、活性層モードおよび回折格子層モードを好適に発生させ、且つこれらのモードを相互に結合させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による半導体レーザ素子によれば、活性層に変調電流を注入した場合でも、発振波長の変化を低減でき、波長チャーピングを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。図１（ａ）は、半導体レーザ素子の光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【図２】図２（ａ）は、半導体レーザ素子の積層方向における屈折率分布を示す図である。図２（ｂ）は、半導体レーザ素子に生じる導波モードを示す図である。
【図３】図３は、半導体レーザ素子に生じる伝搬光の周波数と伝搬定数との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、回折格子を構成する２つの材料のうち、屈折率が大きい材料の屈折率ｎ１と屈折率が小さい材料の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１と、群速度との関係、および該相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１と周波数差Δｆ２との関係を示している。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の一工程を示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のII−II線に沿った断面図であり、光伝搬方向に垂直な断面を示している。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図９】図９は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。図９（ａ）は、半導体レーザ素子の光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）のIV−IV線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の各工程を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の一工程を示す断面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面を示している。
【図１５】図１５（ａ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の作製方法の一工程を示す断面図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のVI−VI線に沿った断面を示している。
【図１６】図１６は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。図１６（ａ）は、半導体レーザ素子の光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のVII−VII線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの構造を示す断面図である。図１（ａ）は、半導体レーザ素子１Ａの光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【００１８】
半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層１５を備えている。ｎ型クラッド層１５は、本実施形態における第１導電型半導体層である。ｎ型クラッド層１５は、例えばｎ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成され、図示しないIII−Ｖ族化合物半導体基板上にエピタキシャル成長されたのち、該III−Ｖ族化合物半導体基板から分離された半導体層である。ｎ型クラッド層１５の好適な厚さは、通常のクラッド層よりも比較的薄く、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、一実施例では２５０ｎｍである。
【００１９】
また、半導体レーザ素子１Ａは、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２０を更に備えている。ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２０は、本実施形態における第２導電型半導体層である。ｎ型クラッド層１５、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２０は、所定方向（これらの層１５，１９および２０の厚さ方向）に積層されている。ｐ型クラッド層１９は、例えばｐ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成され、後述する上部光閉じ込め層１８上にエピタキシャル成長されたものである。ｐ型クラッド層１９の好適な厚さは、例えば１．５μｍである。ｐ型コンタクト層２０は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成され、ｐ型クラッド層１９上にエピタキシャル成長されて成る。ｐ型コンタクト層２０の好適な厚さは、例えば２００ｎｍである。
【００２０】
また、半導体レーザ素子１Ａは、下部光閉じ込め層１６、活性層１７、および上部光閉じ込め層１８を更に備えている。下部光閉じ込め層１６、活性層１７、および上部光閉じ込め層１８は、第１の光導波路を構成する。すなわち、下部光閉じ込め層１６、活性層１７、および上部光閉じ込め層１８は、ｎ型クラッド層１５とｐ型クラッド層１９との間に設けられた高屈折率領域であり、第１の光導波路のコア領域として機能する。
【００２１】
下部光閉じ込め層１６および上部光閉じ込め層１８の屈折率は、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１９の屈折率よりも大きい。下部光閉じ込め層１６および上部光閉じ込め層１８のバンドギャップエネルギーはｎ型クラッド層１５のバンドギャップエネルギーより小さく、そのバンドギャップ波長は例えば１．２μｍである。なお、バンドギャップエネルギーＥｇ（ｅＶ）とバンドギャップ波長λｇ（μｍ）とは、Ｅｇ＝１．２４／λｇの関係を有する。下部光閉じ込め層１６および上部光閉じ込め層１８は、例えばアンドープＩｎＡｌＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成される。下部光閉じ込め層１６及び上部光閉じ込め層１８の好適な厚さは例えばそれぞれ１００ｎｍである。下部光閉じ込め層１６は、ｎ型クラッド層１５上にエピタキシャル成長されて成る。上部光閉じ込め層１８は、活性層１７上にエピタキシャル成長されて成る。
【００２２】
活性層１７は、III−Ｖ族化合物半導体からなり、下部光閉じ込め層１６と上部光閉じ込め層１８との間に設けられている。好ましくは、活性層１７は、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。この多重量子井戸構造に含まれる量子井戸層及びバリア層は、例えば組成の異なるアンドープＩｎＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層の厚さは例えば５ｎｍである。バリア層の厚さは例えば８ｎｍである。バリア層を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーは量子井戸層を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい。井戸層を構成する半導体層のバンドギャップ波長は例えば１．６μｍである。バリア層を構成する半導体層のバンドギャップ波長は例えば１．２５μｍである。活性層１７の発光波長は、例えば１．５５μｍである。量子井戸層は圧縮歪み（例えば０．８％）を有する。一実施例では、量子井戸層は７層設けられ、バリア層は８層設けられる。
【００２３】
本実施形態において、下部光閉じ込め層１６、活性層１７、および上部光閉じ込め層１８は、ｎ型クラッド層１５上において光導波方向に延びる領域上に設けられており、メサ構造３２を構成している。メサ構造３２は、光導波方向に沿った側面３２ａ及び３２ｂを有する。また、ｐ型クラッド層１９およびｐ型コンタクト層２０は、上部光閉じ込め層１８上において光導波方向に延びる領域上に設けられており、メサ構造３３を構成している。メサ構造３３は、光導波方向に沿った側面３３ａ及び３３ｂを有する。なお、側面３３ａ及び３３ｂの間隔は、側面３２ａ及び３２ｂの間隔よりも狭い。側面３３ａ及び３３ｂの間隔は例えば１．５μｍであり、側面３２ａ及び３２ｂの間隔は例えば６μｍである。そして、メサ構造３３の両側面３３ａ，３３ｂから、上部光閉じ込め層１８上およびメサ構造３２の側面３２ａ及び３２ｂ上にわたって、半導体層を保護するための絶縁膜２３が設けられている。絶縁膜２３は、例えばＳｉＯ２といった絶縁性のシリコン化合物から成る。
【００２４】
また、半導体レーザ素子１Ａは、カソード電極２１およびアノード電極２２を更に備えている。カソード電極２１及びアノード電極２２は、活性層１７に電流を供給するための電極である。カソード電極２１は本実施形態における第１電極であり、アノード電極２２は本実施形態における第２電極である。カソード電極２１は、下部光閉じ込め層１６、活性層１７、および上部光閉じ込め層１８の周辺において絶縁膜２３から露出したｎ型クラッド層１５上に設けられており、ｎ型クラッド層１５とオーミック接触を成している。カソード電極２１は、例えばＡｕＧｅを含んで構成される。アノード電極２２は、メサ構造３３上に設けられており、絶縁膜２３に形成された開口を介してｐ型コンタクト層２０とオーミック接触を成している。アノード電極２２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ａｕによって構成される。
【００２５】
また、半導体レーザ素子１Ａは、基板１１、クラッド層１２、回折格子層１３、及び接着層（埋込層）１４を更に備えている。基板１１は、主面１１ａを有する。本実施形態の基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）から成る。なお、基板１１の構成材料はこれに限られず、クラッド層１２及び回折格子層１３を主面１１ａ上に堆積し得る様々な材料から成ることができる。
【００２６】
クラッド層１２は、誘電体から成る層であり、例えばＳｉＯ２といったシリコン化合物から成る。クラッド層１２の厚さは例えば１μｍである。回折格子層１３は、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有しており、本実施形態では、回折格子層１３は、当該周期でもって光伝搬方向に分割された複数の領域から成る。回折格子層１３は、クラッド層１２よりも屈折率が大きい材料から成り、例えば半導体であるＳｉから成る。クラッド層１２及び回折格子層１３がそれぞれＳｉＯ２およびＳｉから成る場合、回折格子層１３は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の表面Ｓｉ層をエッチングすることによって好適に形成される。
【００２７】
回折格子層１３の好適な厚さは２００ｎｍ以上であり、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層の厚さ（約１０ｎｍ）より格段に厚い。一実施例では、回折格子層１３の厚さは３００ｎｍである。また、回折格子層１３のバンドギャップ波長は例えば１．２５μｍであり、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップ波長（１．１μｍ）より長い。換言すれば、回折格子層１３のバンドギャップエネルギーは、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップエネルギーより小さい。そして、回折格子層１３のバンドギャップエネルギーは、その直下に位置するクラッド層１２のバンドギャップエネルギーより小さい。
【００２８】
接着層１４は、本実施形態における埋込層であり、回折格子層１３上に設けられて回折格子層１３の凸部を埋め込む。接着層１４は、回折格子層１３よりも屈折率が小さいポリイミドやＢＣＢ（Benzocyclobutene）といった樹脂から成り、一実施例ではＤＶＳ−ＢＣＢ（Divinyl-siloxane-bis-BCB）といったポリマーから成る。ポリイミドまたはＢＣＢは、活性層１７において生じる光の波長に対して透明であり、光損失が小さいので接着層１４の材料として好適である。接着層１４は、回折格子層１３と共に回折格子２４を構成する。上述したように接着層１４の屈折率は回折格子層１３の屈折率よりも小さいので、回折格子２４は、回折格子層１３の凸部の周期でもって光導波方向に沿って屈折率が周期的に変化する構造を有する。本実施形態の回折格子２４は、上記周期で分割された回折格子層１３と、当該分割された回折格子層１３の間、及び回折格子層１３の上に設けられた接着層１４によって構成されている。
【００２９】
なお、回折格子２４を構成する回折格子層１３と接着層１４との屈折率差が大きくなるように、接着層１４の材料を選択することが望ましい。後述するように、回折格子層１３の屈折率ｎ１と、接着層１４の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１は、０．１５以上であることが好ましい。つまり、接着層１４の屈折率ｎ０が、回折格子層１３の屈折率ｎ１の８５％以下であることが好ましい。本実施形態において、ポリイミドまたはＢＣＢの屈折率は約１．５であり、回折格子層１３の屈折率である約３．２と比べて格段に小さな値を有する。故に、相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１を、容易に０．１５以上とすることができる。
【００３０】
ここで、回折格子層１３および接着層１４は、第２の光導波路を構成する。すなわち、クラッド層１２及び接着層１４によって挟まれた高屈折率領域である回折格子層１３は、第２の光導波路のコア領域として機能する。下部光閉じ込め層１６、活性層１７および上部光閉じ込め層１８によって構成される第１の光導波路と、回折格子層１３および接着層１４によって構成される第２の光導波路とは、ｎ型クラッド層１５を介して光学的に結合される。なお、クラッド層１２及び回折格子層１３は、接着層１４によってｎ型クラッド層１５に接合されている。
【００３１】
半導体レーザ素子１Ａの発光波長は、回折格子２４の周期によって決定される。回折格子２４の周期は例えば０．２４μｍであり、回折格子２４のデューティ比（回折格子２４の一周期に占める回折格子層１３と回折格子層１３を埋め込む接着層１４との比）は例えば０．７１である。このときの回折格子２４の周期は、活性層１７において生じる波長に対して一次の回折が生じるように設定されるとよい。活性層１７において生じた光は、回折格子２４にて反射され、第２の光導波路内をレーザ共振器長方向（基板１１の主面１１ａに平行の方向）に伝搬することができる。
【００３２】
なお、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子では、回折格子層は下部光閉じ込め層の直下に設けられる。一方、本実施形態の回折格子層１３は、ｎ型クラッド層１５の下側に設けられている。従って、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、回折格子層１３と活性層１７との間隔が、一般的なＤＦＢレーザよりも大きくなっている。
【００３３】
図１（ｂ）に示されるように、光伝搬方向における半導体レーザ素子１Ａの両端面３４ａ及び３４ｂには、反射防止膜（ＡＲ膜）３５ａ及び３５ｂが設けられている。また、端面３４ａと端面３４ｂとの間に設けられた、活性層１７を含む第１の光導波路と回折格子層１３を含む第２の光導波路とによって、レーザ共振器が構成される。端面３４ａと端面３４ｂとの間隔（レーザ共振器長）は、例えば２５０μｍである。
【００３４】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの動作について説明する。図２（ａ）は、半導体レーザ素子１Ａの積層方向における屈折率分布を示す図である。図２（ａ）において、グラフの横軸は屈折率を示し、縦軸は半導体レーザ素子１Ａの厚さ方向における位置を示す。また、図２（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａに生じる導波モードを示す図である。図２（ｂ）において、グラフの横軸は導波光の強度を示し、縦軸は半導体レーザ素子１Ａの厚さ方向における位置を示す。図２に示されるように、半導体レーザ素子１Ａでは、活性層１７を中心とする導波モードである活性層モードＭ１と、回折格子層１３を中心とする導波モードである回折格子層モードＭ２といった２つの導波モードが生じる。回折格子層モードＭ２は、定在波としての性質を有する。回折格子層モードＭ２は、本実施形態のように回折格子層１３が厚く、更に回折格子層１３と活性層１７とが離れている場合に、顕著に発生する。回折格子層１３の厚さは、例えば２００ｎｍ以上である。更に、半導体レーザ素子１Ａの内部において、活性層モードＭ１と回折格子層モードＭ２とが互いに近接しながら平行に導波するので、これらのモードＭ１，Ｍ２は互いにカップリングされることが可能である。換言すれば、半導体レーザ素子１Ａの内部構造は、活性層モードＭ１と回折格子層モードＭ２とを結合する光結合器となることが可能である。
【００３５】
ここで、図３は、半導体レーザ素子１Ａがハイレベル（１レベル）とローレベル（０レベル）とを含むデジタル信号電流によって変調された場合における、半導体レーザ素子１Ａに生じる伝搬光の周波数と伝搬定数との関係を示すグラフである。図３において、縦軸は規格化された周波数を示し、横軸は規格化された伝搬定数を示している。ここで、レーザ光の周波数ｆは、レーザ光の真空中の波長λに対して、ｆ＝ｃ０／λの関係を有する。また、規格化周波数とは、ｆ／（ａ・ｃ０）で定義され、規格化伝搬定数とは、β・ａ／（２π）で定義されるパラメータである。ここで、ａは回折格子の周期を、βは伝搬定数を、ｃ０は真空中の光速度をそれぞれ表す。なお、規格化伝搬定数は、その値が０．５のときに、レーザ光の周波数がブラッグ周波数となるように規格化されている。また、図中に示されるグラフＧ１１は、半導体レーザ素子１Ａがハイレベルの信号電流で駆動されている場合（つまり、半導体レーザ素子１Ａからの送信光がハイレベルである場合）の活性層モードＭ１の分散曲線を示している。一方、グラフＧ１２は、半導体レーザ素子１Ａがローレベルの信号電流で駆動されている場合（つまり、半導体レーザ素子１Ａからの送信光がローレベルである場合）の活性層モードＭ１の分散曲線を示している。また、グラフＧ１３は、回折格子層モードＭ２の分散曲線を示している。なお、本実施形態では回折格子層１３には電流が流れないので、送信光のハイレベル／ローレベルによって回折格子層モードＭ２の分散曲線は変化しない。
【００３６】
活性層モードのみ存在する通常のＤＦＢレーザは、ブラッグ周波数でレーザ発振する。このことは、図３の活性層モードの分散曲線において、通常のＤＦＢレーザの動作点が、規格化伝搬定数β・ａ／（２π）が０．５となるポイントであることを表している。また、ブラッグ周波数は、活性層へ注入される電流変化に起因する屈折率変化に伴って変動する。具体的には、送信光がハイレベルである場合には図中のＡ１点でレーザ発振し、送信光がローレベルである場合には図中のＡ２点でレーザ発振する。この場合、Ａ１点における規格化周波数とＡ２点における規格化周波数との差Δｆ１が、発振周波数の大きな変化（チャーピング）となって現れる。
【００３７】
これに対し、活性層モードＭ１と回折格子層モードＭ２とが結合すれば、モードＭ１及びＭ２の位相整合条件が一致する動作点で発振することとなる。すなわち、送信光がハイレベルである場合には、グラフＧ１１とグラフＧ１３との交点（図中のＢ１点）で発振する。また、送信光がローレベルである場合には、グラフＧ１２とグラフＧ１３との交点（図中のＢ２点）で発振する。従って、Ｂ１点における規格化周波数とＢ２点における規格化周波数との差Δｆ２が、発振周波数の変化となって現れる。
【００３８】
この周波数差Δｆ２は、回折格子層モードＭ２の分散曲線であるグラフＧ１３の傾きが緩やかなほど小さくなる。すなわち、周波数差Δｆ２は、群速度ｖｇが小さいほど小さくなる。ここで、図４は、回折格子を構成する２つの材料の相対屈折率差（relative refractive index difference)と群速度（グラフＧ２１）との関係を表す。ここで、２つの材料の屈折率について、屈折率が大きい材料の屈折率をｎ１、屈折率が小さい材料の屈折率をｎ０とする。このとき、２つの材料の相対屈折率差は、（ｎ１−ｎ０）／ｎ１で表される。さらに、図４に、該相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１と周波数差Δｆ２との関係（グラフＧ２２）も示す。なお、図４において、横軸は相対的な屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１を示す。また、左の縦軸は、真空中の光速度ｃ０で規格化された規格化群速度（ｖｇ／ｃ０）を示し、一方、右の縦軸は、周波数差Δｆ２を示す。ここで、図４における周波数差Δｆ２は、図３の規格化周波数差Δｆ２を、実際の周波数差に換算してプロットしてある。
【００３９】
図４に示されるように、回折格子を構成する２つの材料の屈折率差が大きくなるほど、群速度が小さくなり且つ周波数差Δｆ２が小さくなる傾向がある。一般に、回折格子を有する光導波路を伝搬する光の群速度は、当該光導波路を伝搬する回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κが大きいほど小さくなる。つまり、図４においては、回折格子を構成する２つの材料の屈折率差を大きくして、当該回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κを大きくすることによって、伝播光の群速度を小さくし、周波数差Δｆ２を小さくできることが示されている。本実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、回折格子を構成する２つの材料の屈折率差を大きくし、さらに、回折格子層１３に形成する凹凸の深さを深くすることで、回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κを大きくしている。回折格子を構成する回折格子層１３はＳｉといった半導体により構成され、接着層１４は、例えばＢＣＢといった樹脂により構成される。接着層１４がＢＣＢにより構成される場合、その屈折率は、１．５程度である。回折格子層１３がＳｉにより構成される場合、その屈折率は、３．５程度である。従って、回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κを大きくできるので、周波数差Δｆ２が小さくなり、チャーピングを効果的に低減できる。
【００４０】
また、図４より、チャーピングを低減するために、回折格子を構成する２つの材料の相対屈折率差は０．１５以上であることが好ましい。その場合、回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κが十分に大きくなり、周波数差Δｆ２を１５ＧＨｚ以下とすることができる。また、相対屈折率差は０．４以上であることが更に好ましく、その場合、周波数差Δｆ２を６ＧＨｚ以下とすることができる。たとえば、本実施形態において、回折格子層１３がＳｉからなり、接着層１４がＢＣＢからなる場合の相対屈折率差は約０．５７となり、周波数差Δｆ２を十分小さくすることができる。なお、通常のＤＦＢ型半導体レーザ素子においては、チャーピングを表す周波数差Δｆ１は２０ＧＨｚ程度である。
【００４１】
また、本実施形態のように、ｎ型クラッド層１５の厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。厚さ５００ｎｍ以下といった比較的薄いｎ型クラッド層１５を挟んで活性層１７と回折格子層１３とが配置されることによって、第１および第２の光導波路を効果的に分離できるので、活性層モードＭ１および回折格子層モードＭ２を好適に発生させ、且つこれらのモードＭ１およびＭ２を相互に結合させることができる。また、ｎ型クラッド層１５の厚さが５０ｎｍ以上であることによって、カソード電極２１へ電流を効率良く流すことができる。
【００４２】
また、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層１５、活性層１７およびｐ型コンタクト層２０を含む半導体積層構造を有しており、ｎ型クラッド層１５にカソード電極２１が接触しており、ｐ型コンタクト層２０にアノード電極２２が接触している、いわゆる縦方向電流注入型の構成を備えている。これに対し、例えば活性層を含むメサ構造を形成し、該メサ構造の一方の側面に沿ってｎ型半導体を配置し、他方の側面に沿ってｐ型半導体を配置するといった、いわゆる横方向電流注入型の構成も考えられる。
【００４３】
しかし、このような横方向電流注入型の構成では、閾値が高く、また光電変換効率が抑えられるといった問題がある。すなわち、横方向電流注入型の構成では、活性層の一方の側面から他方の側面へ電流が流れるが、活性層の幅を狭くすることには限界があり、活性層における電流経路はキャリアの拡散長より長くなる。したがって、活性層中でのキャリア分布が不均一となり、発光効率が抑制され、或いは不安定となる傾向がある。また、アンドープの活性層とｐ型半導体との界面において、バンド構造のエネルギー不連続が大きいと、抵抗が大きくなって電流注入効率が低下する。横方向電流注入型の構成では、このようなエネルギー不連続を小さく抑える為にドーピング濃度や半導体組成を段階的に変化させるといった対応が難しい。
【００４４】
上述した問題に対し、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａは縦方向電流注入型の構成を備えているので、活性層の厚さを調整することによってキャリア分布を容易に均一にすることができる。また、活性層の上下においてエネルギー不連続を小さく抑える為にドーピング濃度や半導体組成を段階的に変化させることが容易である。したがって、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、閾値を低くすることができ、また光電変換効率を高めることが可能となる。
【００４５】
ここで、図５〜図８は、上述した本実施形態による半導体レーザ素子１Ａの作製方法の一例について説明するための断面図である。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）及び図６（ａ）は、光伝搬方向に沿った断面を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）のII−II線に沿った断面図であり、光伝搬方向に垂直な断面を示している。図７（ａ），図７（ｂ）及び図８（ａ），図８（ｂ）は、光伝搬方向に垂直な断面を示している。
【００４６】
この作製方法では、まず、図５（ａ）に示されるように、シリコン基板１１上にＳｉＯ２層（クラッド層１２）およびＳｉ層４１が設けられたＳＯＩ基板１０を用意する。次に、通常のフォトリソフラフィー技術を用いて、回折格子２４に応じたパターンを有するマスクをＳｉ層４１上に形成し、このマスクを介してＳｉ層４１をエッチングする。これにより、図５（ｂ）に示されるように、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有する回折格子層１３が形成される。一例では、このエッチング工程においてエッチング深さがクラッド層１２に達する。その結果、回折格子層１３が上記周期で分割される。こうして、シリコン基板１１、クラッド層１２及び回折格子層１３を有する第１基板生産物４０が作製される。なお、回折格子の形態は本実施形態に限られず、例えばＳｉ層４１の途中でエッチングが停止されることにより、回折格子層１３の上面（すなわちクラッド層１２と対向する面とは反対側の回折格子層１３の表面）に周期的な凸部を有する回折格子が形成されてもよい。
【００４７】
一方、第１基板生産物４０の作製工程とは別に、図５（ｃ）に示されるように半導体基板４３を用意し、この半導体基板４３の主面４３ａ上に、ｐ型コンタクト層２０、ｐ型クラッド層１９、上部光閉じ込め層１８、活性層１７、下部光閉じ込め層１６、及びｎ型クラッド層１５をこの順でエピタキシャル成長させる。半導体基板４３は、例えばＩｎＰ基板である。こうして、半導体基板４３および各半導体層１５〜２０を有する第２基板生産物５０が作製される。
【００４８】
続いて、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、第１基板生産物４０と第２基板生産物５０とを接着層１４を介して相互に接合する。具体的には、第１基板生産物４０の回折格子層１３と第２基板生産物５０のｎ型クラッド層１５との間にＢＣＢやポリイミドといった樹脂を挟み込み、この樹脂を硬化させることによって第１基板生産物４０と第２基板生産物５０とを接合する。このとき、樹脂の一部は回折格子層１３の複数の凸部の隙間に入り込み、回折格子層１３を埋め込む。こうして、回折格子層１３の凸部を埋め込む埋込層としての接着層１４が形成される。なお、回折格子層１３の各凸部の上面とｎ型クラッド層１５との間隔Ｄ１は、前述した活性層モードＭ１と回折格子層モードＭ２との良好なカップリングのために薄いことが好ましく、例えば５０ｎｍである。
【００４９】
続いて、図７（ａ）に示されるように、ｐ型コンタクト層２０上の半導体基板４３を除去する。この除去は、例えば半導体基板４３をエッチングすることによって好適に行われる。続いて、図７（ｂ）に示されるように、メサ構造３２及び３３を形成する。まず、メサ構造３３の平面形状に応じたパターンを有するマスクをｐ型コンタクト層２０上に形成し、このマスクを介してｐ型コンタクト層２０及びｐ型クラッド層１９をエッチングする。なお、このエッチングは上部光閉じ込め層１８に達することにより停止する。こうして、側面３３ａ，３３ｂを有するメサ構造３３が形成される。次に、メサ構造３２の平面形状に応じたパターンを有するマスクをｐ型コンタクト層２０上および上部光閉じ込め層１８上に形成し、このマスクを介して上部光閉じ込め層１８、活性層１７及び下部光閉じ込め層１６をエッチングする。なお、このエッチングはｎ型クラッド層１５に達することにより停止する。こうして、側面３２ａ，３２ｂを有するメサ構造３２が形成される。
【００５０】
続いて、図８（ａ）に示されるように、メサ構造３３の側面３３ａ，３３ｂから上部光閉じ込め層１８上を経てメサ構造３２の側面３２ａ，３２ｂに至る絶縁膜２３を形成する。具体的には、まず、絶縁材料（ＳｉＯ２など）をシリコン基板１１上の全面に堆積する。そして、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、メサ構造３３上およびメサ構造３２の周辺領域に開口を有するマスクを絶縁材料の上に形成する。このマスクを介して絶縁材料をエッチングすることにより、絶縁膜２３を形成する。
【００５１】
続いて、図８（ｂ）に示されるように、ｎ型クラッド層１５上にカソード電極２１を形成するとともに、メサ構造３３上にアノード電極２２を形成する。具体的には、カソード電極２１の平面形状に相当する開口を有するマスクを通常のフォトリソグラフィー技術を用いて形成したのち、カソード電極２１の金属材料をシリコン基板１１上の全面に蒸着する。そして、マスクを除去することによってカソード電極２１を除く金属材料を取り去り（リフトオフ）、アニール処理を行う。アノード電極２２もまた、これと同様にして形成することができる。その後、劈開によって図１（ｂ）に示された端面３４ａ，３４ｂを形成し、該端面３４ａ，３４ｂ上に反射防止膜３５ａ，３５ｂを形成する。こうして、図１に示された半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂの構造を示す断面図である。図９（ａ）は、半導体レーザ素子１Ｂの光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）のIV−IV線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【００５３】
半導体レーザ素子１Ｂは、ｎ型クラッド層１５、下部光閉じ込め層１６、活性層１７、上部光閉じ込め層１８、ｐ型クラッド層１９、ｐ型コンタクト層２０、カソード電極２１、アノード電極２２、及び絶縁膜２３を備えている。これらの構成は、前述した第１実施形態と同様である。但し、本実施形態では、ｎ型クラッド層１５の厚さは例えば４００ｎｍである。
【００５４】
また、半導体レーザ素子１Ｂは、回折格子層５３及び埋込層５４を更に備えている。回折格子層５３は、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有しており、本実施形態では、回折格子層５３は、当該周期でもって光伝搬方向に分割された複数の領域から成る。回折格子層５３は、ｎ型クラッド層１５よりも屈折率が大きい材料から成り、例えば非晶質半導体であるアモルファスシリコンから成る。回折格子層５３の好適な厚さは２００ｎｍ以上であり、一実施例では３００ｎｍである。また、回折格子層５３のバンドギャップ波長は例えば１．２５μｍであり、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップ波長（１．１μｍ）より長い。換言すれば、回折格子層５３のバンドギャップエネルギーは、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップエネルギーより小さい。そして、回折格子層５３のバンドギャップエネルギーは、その直上に位置するｎ型クラッド層１５のバンドギャップエネルギーより小さい。
【００５５】
埋込層５４は、回折格子層５３上に設けられて回折格子層５３の凸部を埋め込む。埋込層５４は、回折格子層５３よりも屈折率が小さい誘電体が回折格子層５３を覆うように堆積されて成ることができる。回折格子層５３を構成する誘電体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯのうち少なくとも一つの材料が含まれる。埋込層５４は、回折格子層５３と共に回折格子６４を構成する。上述したように埋込層５４の屈折率は回折格子層５３の屈折率よりも小さいので、回折格子６４は、回折格子層５３の凸部の周期でもって光導波方向に沿って屈折率が周期的に変化する構造を有する。本実施形態の回折格子６４は、上記周期で分割された回折格子層５３と、当該分割された回折格子層５３の間、及び回折格子層５３上に設けられた埋込層５４とによって構成されている。
【００５６】
なお、回折格子６４を構成する回折格子層５３と埋込層５４との屈折率差が大きくなるように、埋込層５４の材料を選択することが望ましい。第１実施形態において述べたように、回折格子層５３の屈折率ｎ１と、埋込層５４の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１は、０．１５以上であることが好ましい。つまり、埋込層５４の屈折率ｎ０が、回折格子層５３の屈折率ｎ１の８５％以下であることが好ましい。一実施例では、埋込層５４は、誘電体としてのＳｉＯ２から成る。この場合、埋込層５４の屈折率は約１．５であり、回折格子層５３の屈折率である３．２と比べて格段に小さな値を有する。この実施例における相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１は約０．５３である。
【００５７】
ここで、回折格子層５３および埋込層５４は、第２の光導波路を構成する。すなわち、ｎ型クラッド層１５及び埋込層５４によって挟まれた高屈折率領域である回折格子層５３は、第２の光導波路のコア領域として機能する。そして、下部光閉じ込め層１６、活性層１７および上部光閉じ込め層１８によって構成される第１の光導波路と、回折格子層５３および埋込層５４によって構成される第２の光導波路とは、ｎ型クラッド層１５を介して光学的に結合される。なお、本実施形態の埋込層５４は、回折格子層５３よりも十分に厚いことが好ましい。回折格子層５３と埋込層５４との界面と埋込層５４の表面（半導体レーザ素子１Ｂの裏面）との距離Ｄ２は、例えば０．４μｍである。このように埋込層５４が比較的厚く設けられることによって、埋込層５４は第２の光導波路におけるクラッド層として好適に機能する。
【００５８】
図９（ｂ）に示されるように、光伝搬方向における半導体レーザ素子１Ｂの両端面７４ａ及び７４ｂには、反射防止膜（ＡＲ膜）７５ａ及び７５ｂが設けられている。また、端面７４ａと端面７４ｂとの間に設けられた、活性層１７を含む第１の光導波路と回折格子層５３を含む第２の光導波路とによって、レーザ共振器が構成される。端面７４ａと端面７４ｂとの間隔（レーザ共振器長）は、例えば２５０μｍである。
【００５９】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ｂの動作について説明する。半導体レーザ素子１Ｂでは、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａと同様に、活性層１７を中心とする導波モードである活性層モードと、回折格子層５３を中心とする導波モードである回折格子層モードといった２つの導波モードが生じる。そして、半導体レーザ素子１Ｂの内部において、活性層モードと回折格子層モードとは互いに近接しながら平行に導波するので、これらのモードは互いにカップリングされることが可能である。換言すれば、半導体レーザ素子１Ｂの内部構造は、活性層モードと回折格子層モードとを結合する光結合器となることが可能である。
【００６０】
図３に示されたように、活性層モードと回折格子層モードとが結合すれば、これらのモードの位相整合条件が一致する動作点で発振することとなる。そして、送信光がハイレベルであるときの発振周波数とローレベルであるときの発振周波数との差Δｆ２は、回折格子層モードの分散曲線の傾きが緩やかなほど小さくなる。さらに、図４に示されたように、回折格子を構成する２つの材料の屈折率差が大きくなるほど、周波数差Δｆ２が小さくなる。本実施形態において、回折格子を構成する回折格子層５３はアモルファスシリコンといった半導体により構成され、埋込層５４は、例えばＳｉＯ２といった誘電体により構成される。埋込層５４がＳｉＯ２により構成される場合、その屈折率は、１．５程度である。回折格子層５３がアモルファスシリコンにより構成される場合、その屈折率は、３．５程度である。従って、周波数差Δｆ２が小さくなり、チャーピングを効果的に低減できる。
【００６１】
また、図４に示されたように、チャーピングを低減するためには、回折格子６４を構成する２つの材料の相対屈折率差は０．１５以上であることが好ましい。その場合、回折格子層モードの前進波と後進波の結合係数κが十分に大きくなり、周波数差Δｆ２を１５ＧＨｚ以下とすることができる。また、相対屈折率差は０．４以上であることが更に好ましく、その場合、周波数差Δｆ２を６ＧＨｚ以下とすることができる。たとえば、本実施形態において、回折格子層５３がアモルファスシリコンからなり、埋込層５４がＳｉＯ２からなる場合の相対屈折率差は約４．２となり、周波数差Δｆ２を十分小さくすることができる。
【００６２】
図１０〜図１５は、上述した本実施形態による半導体レーザ素子１Ｂの作製方法の一例について説明するための断面図である。なお、図１０〜図１３、図１４（ａ）および図１５（ａ）は、光伝搬方向に垂直な断面を示している。また、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のVI−VI線に沿った断面図であり、それぞれ光伝搬方向に沿った断面を示している。
【００６３】
この作製方法では、まず、図１０（ａ）に示されるように、半導体基板４３を用意し、この半導体基板４３の主面４３ａ上に、ｐ型コンタクト層２０、ｐ型クラッド層１９、上部光閉じ込め層１８、活性層１７、下部光閉じ込め層１６、及びｎ型クラッド層１５をこの順でエピタキシャル成長させる。半導体基板４３は、例えばＩｎＰ基板である。次に、図１０（ｂ）に示されるように、ｎ型クラッド層１５と第１仮基板４４とを、接着剤４５を介して相互に接合する。第１仮基板４４は、機械的強度を維持できる様々な材料から成ることができ、一実施例ではＳｉ基板である。
【００６４】
続いて、図１１（ａ）に示されるように、ｐ型コンタクト層２０上の半導体基板４３を除去する。この除去は、例えば半導体基板４３をエッチングすることによって好適に行われる。そして、図１１（ｂ）に示されるように、側面３２ａ及び３２ｂを有するメサ構造３２、並びに側面３３ａ及び３３ｂを有するメサ構造３３を形成する。なお、メサ構造３２及び３３の形成方法は第１実施形態と同様である。
【００６５】
続いて、図１２（ａ）に示されるように、メサ構造３３の側面３３ａ，３３ｂから上部光閉じ込め層１８上を経てメサ構造３２の側面３２ａ，３２ｂに至る絶縁膜２３を形成する。そして、図１２（ｂ）に示されるように、ｎ型クラッド層１５上にカソード電極２１を形成するとともに、メサ構造３３上にアノード電極２２を形成する。なお、絶縁膜２３、カソード電極２１およびアノード電極２２の形成方法は、第１実施形態と同様である。
【００６６】
続いて、図１３（ａ）に示されるように、メサ構造３２，３３と第２仮基板４７とが互いに対向するように、第１仮基板４４と第２仮基板４７とを接着剤４６を介して相互に接合する。その後、図１３（ｂ）に示されるように、第１仮基板４４をｎ型クラッド層１５から剥離する。そして、図１４に示されるように、ｎ型クラッド層１５上に回折格子層５３を形成する。具体的には、ｎ型クラッド層１５における活性層１７と対向する面とは反対側の面上にアモルファスシリコン膜を堆積させたのち、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、回折格子６４に応じたパターンを有するマスクをアモルファスシリコン膜上に形成する。そして、このマスクを介してアモルファスシリコン膜をエッチングする。これにより、図１４（ｂ）に示されるように、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有する回折格子層５３が形成される。
【００６７】
続いて、図１５に示されるように、ｎ型クラッド層１５上に埋込層５４を堆積させる。このとき、埋込層５４の一部は回折格子層５３の複数の凸部の隙間に入り込み、回折格子層５３を埋め込む。その後、第２仮基板４７を剥離し、劈開によって図９（ｂ）に示された端面７４ａ，７４ｂを形成し、該端面７４ａ，７４ｂ上に反射防止膜７５ａ，７５ｂを形成する。こうして、図９に示された半導体レーザ素子１Ｂが完成する。
【００６８】
以上に説明した作製方法のように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ｂを作製する際には、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと異なり、活性層を有する構造物と回折格子層を有する構造物とを相互に貼り合わせるといった工程を必要としない。したがって、接着層の厚さを制御する必要がなく、半導体レーザ素子を容易に作製することができる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
図１６は、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの構造を示す断面図である。図１６（ａ）は、半導体レーザ素子１Ｃの光伝搬方向に対して垂直な断面を示している。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のVII−VII線に沿った断面（すなわち光伝搬方向に沿った断面）を示している。
【００７０】
半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層８５を備えている。ｎ型クラッド層８５は、本実施形態における第２導電型半導体層である。ｎ型クラッド層８５は、例えばｎ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成され、主面８５ａ及び裏面８５ｂを有する。ｎ型クラッド層８５の好適な厚さは、例えば１００μｍである。
【００７１】
また、半導体レーザ素子１Ｃは、ｐ型クラッド層８９を更に備えている。ｐ型クラッド層８９は、本実施形態における第１導電型半導体層である。ｐ型クラッド層８９は、例えばｐ型ＩｎＰといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成され、後述する上部光閉じ込め層８８上にエピタキシャル成長されたものである。ｐ型クラッド層８９の好適な厚さは、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、一実施例では４００ｎｍである。
【００７２】
また、半導体レーザ素子１Ｃは、下部光閉じ込め層８６、活性層８７、および上部光閉じ込め層８８を更に備えている。下部光閉じ込め層８６、活性層８７、および上部光閉じ込め層８８は、第１の光導波路を構成する。すなわち、下部光閉じ込め層８６、活性層８７、および上部光閉じ込め層８８は、ｎ型クラッド層８５とｐ型クラッド層８９との間に設けられた高屈折率領域であり、第１の光導波路のコア領域として機能する。
【００７３】
下部光閉じ込め層８６および上部光閉じ込め層８８の屈折率は、ｎ型クラッド層８５およびｐ型クラッド層８９の屈折率よりも大きい。下部光閉じ込め層８６および上部光閉じ込め層８８のバンドギャップエネルギーはｎ型クラッド層８５のバンドギャップエネルギーより小さく、そのバンドギャップ波長は例えば１．２μｍである。下部光閉じ込め層８６および上部光閉じ込め層８８は、例えばアンドープＩｎＡｌＧａＡｓといったIII−Ｖ族化合物半導体によって構成される。下部光閉じ込め層８６及び上部光閉じ込め層８８の好適な厚さは例えばそれぞれ１００ｎｍである。下部光閉じ込め層８６は、ｎ型クラッド層８５上にエピタキシャル成長されて成る。上部光閉じ込め層８８は、活性層８７上にエピタキシャル成長されて成る。
【００７４】
活性層８７は、III−Ｖ族化合物半導体からなり、下部光閉じ込め層８６と上部光閉じ込め層８８との間に設けられている。なお、活性層８７の内部構成は、前述した第１実施形態の活性層１７と同様である。
【００７５】
下部光閉じ込め層８６、活性層８７、および上部光閉じ込め層８８は、ｎ型クラッド層８５上において光導波方向に延びる領域上に設けられており、メサ構造９２を構成している。メサ構造９２は、光導波方向に沿った側面９２ａ及び９２ｂを有する。また、ｐ型クラッド層８９は、上部光閉じ込め層８８上において光導波方向に延びる領域上に設けられており、メサ構造９３を構成している。メサ構造９３は、光導波方向に沿った側面９３ａ及び９３ｂを有する。なお、側面９３ａ及び９３ｂの間隔は、側面９２ａ及び９２ｂの間隔よりも狭い。側面９３ａ及び９３ｂの間隔は例えば１．５μｍであり、側面９２ａ及び９２ｂの間隔は例えば３．０μｍである。そして、メサ構造９２の側面９２ａ及び９２ｂ上からｎ型クラッド層８５上にわたって、半導体層を保護するための絶縁膜８３が設けられている。絶縁膜８３は、例えばＳｉＯ２といった絶縁性のシリコン化合物から成る。
【００７６】
また、半導体レーザ素子１Ｃは、アノード電極８１およびカソード電極８２を更に備えている。アノード電極８１およびカソード電極８２は、活性層８７に電流を供給するための電極である。アノード電極８１は本実施形態における第１電極であり、カソード電極８２は本実施形態における第２電極である。アノード電極８１は、メサ構造９３の側面９３ａ，９３ｂに沿って上部光閉じ込め層８８上に設けられており、ｐ型クラッド層８９の側面とオーミック接触を成している。アノード電極８１は、例えばＴｉ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ａｕによって構成される。カソード電極８２は、ｎ型クラッド層８５の裏面８５ｂ上の全面に設けられており、ｎ型クラッド層８５とオーミック接触を成している。カソード電極８２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／ＡｕやＴｉ／Ａｕによって構成される。
【００７７】
また、半導体レーザ素子１Ｃは、回折格子層１１３及び埋込層１１４を更に備えている。回折格子層１１３は、光伝搬方向に沿って所定の周期で配置された凸部を有しており、本実施形態では、回折格子層１１３は、当該周期でもって光伝搬方向に分割された複数の領域から成る。回折格子層１１３は、ｐ型クラッド層８９よりも屈折率が大きい材料から成り、例えば非晶質半導体であるアモルファスシリコンから成る。回折格子層１１３の好適な厚さは２００ｎｍ以上であり、一実施例では３００ｎｍである。また、回折格子層１１３のバンドギャップ波長は例えば１．２５μｍであり、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップ波長（１．１μｍ）より長い。換言すれば、回折格子層１１３のバンドギャップエネルギーは、一般的なＤＦＢ型半導体レーザ素子の回折格子層のバンドギャップエネルギーより小さい。そして、回折格子層１１３のバンドギャップエネルギーは、その直下に位置するｐ型クラッド層８９のバンドギャップエネルギーより小さい。
【００７８】
埋込層１１４は、回折格子層１１３上に設けられて回折格子層１１３の凸部を埋め込む。埋込層１１４は、回折格子層１１３よりも屈折率が小さい誘電体からなることができる。回折格子層１１３を構成する誘電体としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯのうち少なくとも一つの材料が含まれる。埋込層１１４は、回折格子層１１３と共に回折格子１２４を構成する。上述したように埋込層１１４の屈折率は回折格子層１１３の屈折率よりも小さいので、回折格子１２４は、回折格子層１１３の凸部の周期でもって光導波方向に沿って屈折率が周期的に変化する構造を有する。本実施形態の回折格子１２４は、上記周期で分割された回折格子層１１３と、当該分割された回折格子層１１３の間、及び回折格子層１１３上に設けられた埋込層１１４によって構成されている。
【００７９】
なお、回折格子１２４を構成する回折格子層１１３と埋込層１１４との屈折率差が大きくなるように、埋込層１１４の材料を選択することが望ましい。第１実施形態において述べたように、回折格子層１１３の屈折率ｎ１と、埋込層１１４の屈折率ｎ０との相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１は、０．１５以上であることが好ましい。つまり、埋込層１１４の屈折率ｎ０が、回折格子層１１３の屈折率ｎ１の８５％以下であることが好ましい。一実施例では、埋込層１１４は、誘電体としてのＳｉＯ２から成る。この場合、埋込層１１４の屈折率は約１．５であり、回折格子層１１３の屈折率である３．２と比べて格段に小さな値を有する。この実施例における相対屈折率差（ｎ１−ｎ０）／ｎ１は約０．４６である。
【００８０】
ここで、回折格子層１１３および埋込層１１４は、第２の光導波路を構成する。すなわち、ｐ型クラッド層８９及び埋込層１１４によって挟まれた高屈折率領域である回折格子層１１３は、第２の光導波路のコア領域として機能する。そして、下部光閉じ込め層８６、活性層８７および上部光閉じ込め層８８によって構成される第１の光導波路と、回折格子層１１３および埋込層１１４によって構成される第２の光導波路とは、ｐ型クラッド層８９を介して光学的に結合される。
【００８１】
図１６（ｂ）に示されるように、光伝搬方向における半導体レーザ素子１Ｃの両端面１３４ａ及び１３４ｂには、反射防止膜（ＡＲ膜）１３５ａ及び１３５ｂが設けられている。また、端面１３４ａと端面１３４ｂとの間に設けられた、活性層８７を含む第１の光導波路と回折格子層１１３を含む第２の光導波路とによって、レーザ共振器が構成される。端面１３４ａと端面１３４ｂとの間隔（レーザ共振器長）は、例えば２５０μｍである。
【００８２】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ｃでは、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａと同様に、活性層８７を中心とする導波モードである活性層モードと、回折格子層１１３を中心とする導波モードである回折格子層モードといった２つの導波モードが生じる。そして、半導体レーザ素子１Ｃの内部において、活性層モードと回折格子層モードとは互いに近接しながら平行に導波するので、これらのモードは互いにカップリングされることが可能である。換言すれば、半導体レーザ素子１Ｃの内部構造は、活性層モードと回折格子層モードとを結合する光結合器となることが可能である。
【００８３】
図３に示されたように、活性層モードと回折格子層モードとが結合すれば、これらのモードの位相整合条件が一致する動作点で発振することとなる。そして、送信光がハイレベルであるときの発振周波数とローレベルであるときの発振周波数との差Δｆ２は、回折格子層モードの分散曲線の傾きが緩やかなほど小さくなる。さらに、図４に示されたように、回折格子を構成する２つの材料の屈折率差が大きくなるほど、周波数差Δｆ２が小さくなる。本実施形態において、回折格子を構成する回折格子層１１３はアモルファスシリコンといった半導体により構成され、埋込層１１４は、例えばＳｉＯ２といった誘電体により構成される。埋込層１１４がＳｉＯ２により構成される場合、その屈折率は、１．５程度である。回折格子層１１３がアモルファスシリコンにより構成される場合、その屈折率は、３．５程度である。従って、周波数差Δｆ２が小さくなり、チャーピングを効果的に低減できる。
【００８４】
また、本実施形態の半導体レーザ素子１Ｃを作製する際には、前述した第１実施形態や第２実施形態とは異なり、基板を貼り付ける工程を必要としない。したがって、誘電体から成る埋込層１１４を備える構造を比較的容易に作製することができる。
【００８５】
本発明による半導体レーザ素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態では活性層等がIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザ素子を例示したが、本発明は、他の種類の半導体からなる半導体レーザ素子にも適用可能である。
【００８６】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ〜１Ｃ…半導体レーザ素子、１０…ＳＯＩ基板、１１…基板、１２…クラッド層、１３…回折格子層、１４…接着層、１５…ｎ型クラッド層、１６…下部光閉じ込め層、１７…活性層、１８…上部光閉じ込め層、１９…ｐ型クラッド層、２０…ｐ型コンタクト層、２１…カソード電極、２２…アノード電極、２３…絶縁膜、２４，６４…回折格子、３２，３３…メサ構造、３５ａ，３５ｂ，７５ａ，７５ｂ…反射防止膜、４０…第１基板生産物、４３…半導体基板、４４，４７…仮基板、４５，４６…接着剤、５０…第２基板生産物、５３…回折格子層、５４…埋込層。
【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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