(57)【要約】  １×１−ＭＭＩ導波路領域１１１と、この１×１−ＭＭＩ導波路１１１の両端部に接続されたシングルモード導波路領域１１２、１１３とから能動導波路が構成された半導体レーザーにおいて、シングルモード導波路領域１１２に、上記能動導波路を伝播する発振光の単一波長を選択するためのグレーティングを設ける。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの多モード干渉導波路と、該多モード干渉導波路の両端部または一方の端部に接続された少なくとも１つのシングルモード導波路とから能動導波路が構成される半導体レーザーであって、
前記能動導波路の一部に、当該能動導波路を伝播する発振光の単一波長を選択するためのグレーティングを有する半導体レーザー。
【請求項２】
前記グレーティングが、前記シングルモード導波路の領域に設けられている、請求項１に記載の半導体レーザー。
【請求項３】
前記シングルモード導波路が、前記能動導波路の両端部に設けられた一対のシングルモード導波路であり、
前記グレーティングが、前記一対のシングルモード導波路の少なくとも一方に設けられている、請求項２に記載の半導体レーザー。
【請求項４】
前記グレーティングが、前記多モード干渉導波路の領域に設けられている、請求項１に記載の半導体レーザー。
【請求項５】
前記グレーティングの幅が、前記シングルモード導波路の幅の２倍以内である、請求項４に記載の半導体レーザー。
【請求項６】
前記シングルモード導波路が、前記能動導波路の両端部に設けられた一対のシングルモード導波路であり、
前記グレーティングが、前記多モード干渉導波路の、前記一対のシングルモード導波路の延長線上の領域に設けられている、請求項５に記載の半導体レーザー。
【請求項７】
前記グレーティングが、前記能動導波路の長さ全体にわたって設けられている、請求項６に記載の半導体レーザー。
【請求項８】
前記グレーティング中に、位相調整領域が設けられている、請求項７に記載の半導体レーザー。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザーと、該半導体レーザーを駆動する回路とを収容する光通信モジュール。
【請求項１０】
少なくとも１つの多モード干渉導波路と、該多モード干渉導波路の両端部または一方の端部に接続された少なくとも１つのシングルモード導波路とから能動導波路が構成される半導体レーザーの製造方法であって、
半導体基板上の、前記シングルモード導波路が形成される領域に、該シングルモード導波路の幅より広い幅を有するグレーティング領域を形成する工程と、
前記グレーティング領域を、前記能動導波路の形状にエッチングする工程とを含む半導体レーザーの製造方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの多モード干渉導波路と、該多モード干渉導波路の両端部または一方の端部に接続された少なくとも１つのシングルモード導波路とから能動導波路が構成される半導体レーザーの製造方法であって、
半導体基板上の前記能動導波路が形成される領域に、前記シングルモード導波路の幅以上で、前記シングルモード導波路の幅の２倍以内の幅を有するグレーティング領域を、前記能動導波路の長さ全体にわたって形成する工程と、
前記グレーティング領域を、前記能動導波路の形状にエッチングする工程とを含む半導体レーザーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザーに関し、特に動的多モード光干渉型（アクティブＭＭＩ）半導体レーザーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の伸びに伴い、高速大容量通信を可能とする光通信技術は、基幹系（大都市間を指す）のみならず、いわゆるメトロ系（都市圏内を指す）やアクセス系（家庭やビル間を指す）といった領域にまで適用されるようになってきた。メトロ／アクセス系では、大量の利用が見込める（例えば「Fiber  to  the  Home(FTTH)」などの光通信技術のアクセス系への浸透に伴う加入者数の伸びが予測される）ことから、低コストで低消費電力の送信光源が要求される。その一方で、高光出力性能の送信光源も求められている。例えば、メトロ系であれば、高光出力性能を実現することで、伝送路途上に中継器を設置する必要が無くなり、システム全体を低コストで構築することが可能となる。【０００３】
ところで、光ファイバー伝送が行われる光通信において、送信光源に、発振波長に複数の波長を含む半導体レーザー、例えばファブリペロー型半導体レーザー（FP-LD）を用いた場合、光ファイバー中での伝播速度差に起因した波長分散が生じてしまい、高速信号通信ができなくなってしまう。このような光ファイバーの波長分散の影響を回避するために、通常は、送信光源として、単一波長（単一軸モード）での発振が可能な半導体レーザーが用いられる。【０００４】
単一波長での発振が可能な半導体レーザーとして、分布帰還型半導体レーザー（DFB-LD）が知られている。例えば、非特許文献（Govind  P.  Agrawal著、"Fiber-Optic  Communication  Systems,  WILEY-INTERSCIENCE社、p.  105等）には、発光層（活性層）の近傍（直下もしくは直上）にグレーティング層を設けたＤＦＢ−ＬＤが記載されている。しかし、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高光出力性能を有するＤＦＢ−ＬＤは、未だ実現されていないのが現状である。【０００５】
一方、ＦＰ−ＬＤではあるが、低消費電力特性、高光出力性能を実現可能な新しい半導体レーザーとして、アクティブＭＭＩ型半導体レーザーが、本出願の発明者である浜本らによって提案されている（特開平１１−６８２４１号公報参照）。このアクティブＭＭＩ型半導体レーザーは、シングルモード光を出力する半導体レーザーであって、活性層を含む能動導波路が、１×１−ＭＭＩ導波路と、その両端部に接続された１対のシングルモード導波路（基本モードだけが伝播するように設計された単一モード導波路）とからなる。１×１−ＭＭＩ導波路は、ＭＭＩ理論に基づき「１×１動作」が行われるように設計されたものである。以下に、ＭＭＩ理論を簡単に説明する。【０００６】
ＭＭＩ理論は、１×ＮもしくはＮ×Ｎの分岐・合流受動光導波路を設計する理論として知られている（例えば、「Lucas  B.  Soldano」著、「ジャーナル・オブ・ライトウェア・テクノロジー」、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．４、第６１５〜６２７頁、１９９５年を参照）。このＭＭＩ理論によって導かれるＭＭＩ長Ｌπは以下の式で与えられる。【０００７】
【数１】
2005060058.tif 000002
ここで、ＬはＭＭＩ領域の長さ、Ｗ１はＭＭＩ領域の幅、Ｎｒは導波領域の屈折率、Ｎｃはクラッド領域の屈折率、λ0は入射光波長である。σは、ＴＥモードのとき「０」、軸モードのとき「１」である。【０００８】
ＭＭＩ理論によると、【０００９】
【数２】
2005060058.tif 000003
という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域は１×Ｎ光導波路として動作する。また、【００１０】
【数３】
2005060058.tif 000004
という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域はＮ×Ｎ光導波路として動作する。この原理に基づき、両端部においてシングルモード光となるような１×１−ＭＭＩ導波路を設計することが可能である。【００１１】
上記のように能動導波路の一部がＭＭＩ導波路で構成されるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいては、導波路幅を広くする（活性層の面積を大きくする）ことができるので、シングルモード導波路のみで構成される同一素子長の既存の半導体レーザーに比べて、素子抵抗を小さくすることができ、低消費電力特性を実現することができる。このため、もしアクティブＭＭＩ型半導体レーザーで、単一波長での安定した発振を得られるような構造を実現することができれば、メトロ／アクセス系の将来の送信光源として有望と考えられる。【００１２】
ＭＭＩ導波路を有する半導体レーザーで、単一波長での発振が可能なものとして、例えば、特開２００３−４６１９０号公報に記載された半導体レーザーがある。この半導体レーザーは、ＭＭＩ導波路のみで能動領域（発光領域）を構成するものであって、その能動領域の後方の受動領域にグレーティングが設けられている。また、別の形態として、特開２００３−４６１９０号公報には、能動領域の後方に外部グレーティングを設けた構造も記載されている。
【発明の開示】
【００１３】
発明が解決しようとする課題は、上述した従来技術が有している以下の問題点である。
【００１４】
上記非特許文献に記載されたＤＦＢ−ＬＤは、単一波長での発振が可能であるが、導波路構造が幅の細いシングルモード導波路で構成されているため、以下のような問題がある。
【００１５】
低消費電力化を行うためには、素子抵抗を小さくして駆動電圧を低減させる必要がある。活性層（発光層）の面積を大きくすることで素子抵抗を小さくすることができるが、導波路構造が幅の細いシングルモード導波路よりなるＤＦＢ−ＬＤでは、そのような活性層の面積の増大は困難である。なお、素子長を長くすることで素子抵抗を小さくすることができるが、素子長の増大は、素子収量（生産量）の低下を招くため、コストが増大することになる。このように、ＤＦＢ−ＬＤでは、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高光出力性能を達成することができない、という問題がある。
【００１６】
特開平１１−６８２４１号公報に記載のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいては、活性層の面積を大きくすることができるため、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高光出力性能を達成することが可能であるが、単一波長での安定した発振を得られない、という問題がある。
【００１７】
なお、アクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいて、単一波長発振を行うために、ＤＦＢ−ＬＤのように活性層近傍にグレーティングを設けることが考えられる。しかし、主発光領域がＭＭＩ導波路よりなる構造では、ＭＭＩ導波路中に異なる複数の伝播モードが存在するため、単純に活性層近傍にグレーティングを設けても、安定した単一波長発振を実現することは困難である。
【００１８】
特開２００３−４６１９０号公報に記載の半導体レーザーにおいては、ＭＭＩ導波路に接続した受動導波路領域にグレーティングを設けるため、発光のための能動領域に加え、新たに受動領域を集積する必要がある。このため、受動領域での光損失が避けられず、大出力化に適した構造とは言えなかった。加えて、受動領域と能動領域とを同一素子内に作る必要があるため、低コスト化の面でも不利なものとなる。外部グレーティングを設ける構造においても、同様な問題を有する。
【００１９】
本発明の目的は、上記各問題を解決し、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高光出力性能を得られ、かつ、安定した単一波長発振を行うことのできる半導体レーザーを提供することにある。
【００２０】
本発明の別の目的は、そのような半導体レーザーを歩留まりよく低コストに製造することのできる半導体レーザーの製造方法を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、そのような半導体レーザーを備える光通信モジュールを提供する。
【００２２】
本発明の半導体レーザーの特徴は、少なくとも１つの多モード干渉導波路と、該多モード干渉導波路の両端部または一方の端部に接続された少なくとも１つのシングルモード導波路とから能動導波路が構成される半導体レーザーにおいて、前記能動導波路の一部に、当該能動導波路を伝播する発振光のうちの単一波長を選択するためのグレーティングを設けたことにある。
【００２３】
上記の構成によれば、グレーティングによって、能動導波路を伝播する発振光の単一波長（単一軸モード）が選択されるので、単一波長での安定したレーザー発振が可能である。よって、この構造を適用することで、単一波長発振が可能なアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを実現することができる。
【００２４】
また、多モード干渉導波路を備える能動導波路においては、活性層の面積を大きくして素子抵抗を小さくすることができるため、シングルモード導波路のみで構成される同一素子長の既存の半導体レーザーに比べて消費電力特性を大幅に改善することができる。よって、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性を達成することが可能である。
【００２５】
加えて、素子抵抗を小さくすることで、活性層にて発生する電流注入に伴う発熱量が下がるので、ＤＦＢ−ＬＤのキンク（光出力−動作電流特性における非直線性）の原因である、電流注入に伴う活性層自身の中心波長シフトが生じにくい。このため、高い注入電流に対しても安定した単一波長発振を達成することができ、これにより高出力特性が実現される。
【００２６】
上述した本発明の半導体レーザーにおいて、グレーティングをシングルモード導波路に設けてもよい。この構成によれば、シングルモード導波路にて単一波長が選択され、その選択された単一波長に対して多モード干渉導波路内でも誘導放出が生じる。よって、より安定した単一波長発振での高出力が可能となる。
【００２７】
また、グレーティングを多モード干渉導波路に設け、そのグレーティング幅をシングルモード導波路の幅の２倍以内としてもよい。この構成によれば、多モード干渉導波路中を伝播する複数の横モードのうち、単一横モードをグレーティング中心波長に対して反射させることができるため、安定した単一波長動作が実現される。なお、グレーティング幅がシングルモード導波路の幅の２倍の大きさを超えた場合は、多モード干渉導波路中を伝播する各横モードに対してグレーティング反射が生じるため、安定した単一波長発振を得ることは比較的困難である。
【００２８】
さらに、グレーティングを能動導波路の長さ全体にわたって設け、該グレーティングの、能動導波路の中間に位置する部分に位相調整領域を設けてもよい。この構成によれば、グレーティングの位相が位相調整領域の前後で反転するようになっているので、グレーティングで選択される単一横モードと、その他のモードとの間の利得差を十分に大きくとることが可能になる。よって、高い歩留まりでの単一波長発振を実現することができる。
【００２９】
本発明の光通信モジュールの特徴は、上述したいずれかの半導体レーザーと、該半導体レーザーを駆動する回路とを収容したことを特徴とする。上述した半導体レーザーを備えることで、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高光出力性能を有する光通信モジュールが実現される。
【００３０】
本発明の半導体レーザーの製造方法は、半導体基板上の、シングルモード導波路が形成される領域に、該シングルモード導波路の幅より広い幅を有するグレーティング領域を形成する工程と、その形成したグレーティング領域を能動導波路の形状にエッチングする工程とを含むことを特徴とする。この製造方法によれば、上述した本発明の半導体レーザーのうち、グレーティングをシングルモード導波路に設ける構造のものを、歩留まりよく低コストに製造することが可能である。
【００３１】
また、本発明の半導体レーザーの製造方法は、半導体基板上の能動導波路が形成される領域に、シングルモード導波路の幅以上で、シングルモード導波路の幅の２倍以内の幅を有するグレーティング領域を能動導波路の長さ全体にわたって形成する工程と、その形成したグレーティング領域を能動導波路の形状にエッチングする工程とを含むことを特徴とする。この製造方法によれば、上述した本発明の半導体レーザーのうち、グレーティングを多モード干渉導波路に設ける構造のものを、歩留まりよく低コストに製造することが可能である。
【００３２】
上述のように、本発明によれば、安定した単一波長発振が可能なアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを実現し、メトロ／アクセス系の送信光源に要求される低消費電力特性、高出力特性を達成することができる、という効果を奏する。
【００３３】
加えて、高出力特性を達成したことで、メトロ／アクセス系の通信システム、特にメトロ系通信システムにおいて、伝送路途上に中継器を設置する必要が無くなり、システム全体を低コストで構築することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面からみた場合の模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'における断面図である。
【図２】図１に示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの活性層の断面構造を示す模式図である。
【図３Ａ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、グレーティング形成領域の上面図である。
【図３Ｂ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、MO-VPE工程後の断面図である。
【図３Ｃ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、メサ作製用マスク形成後の上面図である。
【図３Ｄ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、メサ作製後の断面図である。
【図３Ｅ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、MO-VPE再結晶成長工程後の断面図である。
【図３Ｆ】図１Ａ〜図１Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造工程を説明するための図であって、電極形成後の断面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面からみた場合の模式図である。
【図４Ｂ】図４Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'における断面図である。
【図５】図４Ａ〜図４Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーのグレーティング領域幅を説明するための模式図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面からみた場合の模式図である。
【図６Ｂ】図６Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図である。
【図６Ｃ】図６Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'における断面図である。
【図７】図６Ａ〜図６Ｃに示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーのグレーティング領域幅を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０１  n-InP半導体基板
１０２  n-InGaAsPガイド層
１０３  n-InPクラッド層
１０４  活性層
１０５  p-InPクラッド層
１０６  p-InPクラッド層
１０７  p-InGaAsコンタクト層
１０８  InGaAsP-SCH層
１０９  InGaAsP/InGaAsP-MQW層
１１１  1x1-MMI導波路領域
１１２〜１１４  シングルモード導波路領域
１２０  グレーティング
１２１  λ／４位相調整領域
１２１  ＳｉＯ2膜
１３１  p-InP電流ブロック層
１３２  n-InP電流ブロック層
１３５、１３６  電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。【００３７】
（実施形態１）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面から見た模式図である。このアクティブＭＭＩ型半導体レーザーでは、活性層を含む能動導波路構造が、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１と、その両端部に設けられた一対のシングルモード導波路領域１１２、１１３とから構成されている。【００３８】
シングルモード導波路領域１１２の、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１と接続される側とは反対の端面が、素子の前方側の端面（以下、単に前方端面と呼ぶ）であり、ここからレーザー光が出射される。この前方端面（劈開面）には反射防止膜が設けられている。他方、シングルモード導波路領域１１３の、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１と接続される側とは反対の端面が、素子の後方側の端面（以下、単に後方端面と呼ぶ）である。この後方端面には高反射膜が設けられている。反射防止膜が設けられた前方端面と高反射膜が設けられた後方端面とで、レーザー共振器の前後の反射鏡を構成している。素子長は６００μｍ程度、シングルモード導波路領域１１２の長さは３００μｍ程度、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１の長さは２３０μｍ程度である。１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１の導波路幅は９μｍ程度で、シングルモード導波路領域１１２、１１３の導波路幅はともに２μｍ程度である。【００３９】
図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'での断面構造を模式的に示す。この断面は、シングルモード導波路領域１１２を素子の長手方向と交差する方向に切断したものである。シングルモード導波路領域１１２の導波路部は、n-InP半導体基板１０１上に、n-InGaAsPガイド層１０２、n-InPクラッド層１０３、活性層（発光層）１０４、p-InPクラッド層１０５を順次積層したものをメサ形状に形成した構造を有し、このメサ構造部の両側部には、p-InP電流ブロック層１３１、n-InP電流ブロック層１３２を順次積層した電流ブロック層が形成されている。活性層１０４は、半導体レーザーでよく知られた既存の構造のものであって、例えば図２に示すように、量子井戸を多層に積層したInGaAsP/InGaAsP-MQW（多重量子井戸）層１０９をその上下からInGaAsP-SCH（分離閉じ込めヘテロ構造）層１０８で挟んだ構造になっている。メサ構造部の上層と電流ブロック層の上層との面上には、p-InPクラッド層１０６、p-InGaAsコンタクト層１０７、電極１３５が順次積層されている。n-InP半導体基板１０１の裏面側には、電極１３６が形成されている。【００４０】
図１Ｃに、図１Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'での断面構造を模式的に示す。この断面は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１とシングルモード導波路領域１１２、１１３の導波路部分を素子の長手方向に沿って切断したものである。シングルモード導波路領域１１２の導波路部分は、その長手方向にわたって、n-InP半導体基板１０１とn-InGaAsPガイド層１０２の界面に周期的な凹凸を有するグレーティング１２０が形成されている。グレーティング１２０による規格化結合定数（ｋＬ）は２程度である。他方、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１とシングルモード導波路領域１１３の導波路部分は、シングルモード導波路領域１１２と同様な積層構造を有するが、グレーティング１２０は形成されていない。【００４１】
上述のように構成された本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーでは、電極１３５、１３６の間に所定のバイアス電圧を印加することで、電流ブロック層により制限された、メサ構造部の中央部の活性層１０４に電流が流れる。閾値電流未満では、自然放出と吸収が生じ、閾値電流以上になる（誘導放出が吸収を上回る）と、レーザー発振可能な状態になる。【００４２】
レーザー発振可能な状態になると、誘導放出により増幅された光は、ＭＭＩ理論により、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１では、マルチモード光として伝播するが、その両端部のシングルモード導波路領域１１２、１１３においては、シングルモード光として伝播する。シングルモード光がシングルモード導波路領域１１２を伝播する過程において、グレーティング１２０にて単一波長が選択され、この選択された単一波長でレーザー発振する。選択される単一波長は、グレーティング１２０にて反射率が最大となる波長であり、グレーティング１２０の間隔を調整することで任意に設定することができる。【００４３】
単一波長でレーザー発振した光の一部は、後方の１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１内を伝播し、さらにその後方のシングルモード導波路領域１１３内を伝播して後方端面に到達する。後方端面に到達した単一波長のシングルモード光は、そこで反射されて再びシングルモード導波路領域１１３及び１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１内を伝播した後、シングルモード導波路領域１１２に到達し、前方端面からレーザー光として出射される。この伝播過程において、シングルモード導波路１１２で選択された単一波長の光に対して、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１内でも誘導放出が生じるため、単一波長での安定したレーザー発振動作が実現される。【００４４】
また、能動導波路が１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１を含む構造であるため、上記の特徴に加えて、以下のような利点も有する。【００４５】
（１）導波路幅を広くする（活性層の面積を大きくする）ことで素子抵抗を小さくすることができるため、シングルモード導波路のみで構成される同一素子長の既存の半導体レーザーに比べて低消費電力特性に優れている。【００４６】
（２）通常のＤＦＢ−ＬＤのキンク（光出力−動作電流特性における非直線性）の原因である、電流注入に伴う活性層自身の中心波長シフトも生じにくいため、高い注入電流に対しても安定した単一波長発振が達成でき、高出力特性が実現される。【００４７】
上記（２）の利点について簡単に説明する。通常、活性層では、電流注入に伴う発熱によって屈折率が変化し、この屈折率変化により中心波長がシフトする。１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１を備える導波路構造によれば、活性層の面積を大きくして電気抵抗を小さくすることで発熱量がさがり、その結果、中心波長のシフト量が相対的に小さくなる。【００４８】
また、本実施形態のものでは、グレーティング付き受動導波路領域や外部グレーティング領域を集積する必要が無いため、半導体レーザーを歩留まり良く低コストで作製することができる。【００４９】
次に、上述した本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造方法について説明する。図３Ａ〜図３Ｆに、図１Ａ〜図１Ｃに示したアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの一連の製造手順を示す。図３Ａおよび図３Ｃは、導波路の上面側からみた模式図、図３Ｂ、図３Ｄ〜図３Ｆは導波路の断面図（図１Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'での断面部分に相当する）である。【００５０】
まず、図３Ａに示すように、n-InP半導体基板１０１上の一部に、電子ビーム露光法と通常のウェットエッチング法とによってグレーティング１２０を形成する。グレーティング１２０の形成範囲は、シングルモード導波路領域１１２を含む範囲であり、その幅（導波路の幅方向）は、シングルモード導波路領域１１２の幅より広い。【００５１】
次いで、図３Ｂに示すように、グレーティング１２０が形成されたn-InP半導体基板１０１上に、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）によって、n-InGaAsPガイド層１０２、n-InPクラッド層１０３、活性層１０４、p-InPクラッド層１０５を順次形成する。その後、図３Ｃに示すように、熱ＣＶＤ法を用いて、全面にＳｉＯ2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）とを用いてＳｉＯ2マスク１３０を形成する。このとき、ＳｉＯ2マスク１３０は、グレーティング１２０上にシングルモード導波路領域１１２が形成されるような導波路形状に作製する。【００５２】
次いで、図３Ｄに示すように、ＳｉＯ2マスク１３０を用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりメサを形成する。このメサの形成工程では、n-InP半導体基板１０１上の表面もエッチングされることから、グレーティング１２０の領域は、シングルモード導波路領域１１２と一致することとなる。メサ形成後、図３Ｅに示すように、ＭＯ−ＶＰＥ法を用いて、メサの周辺にp-InP電流ブロック層１３１、n-InP電流ブロック層１３２を形成し、メサ上部に残ったＳｉＯ2マスク１３０をバッファード沸酸を用いて除去し、全面にp-InPクラッド層１０６、p-InGaAsコンタクト層１０７を順次形成する。この後、図３Ｆに示すように、電子ビーム蒸着法で上面に電極１３５を形成し、n-InP半導体基板１０１の裏面を研磨して電極１３６を形成する。【００５３】
上述した図３Ａ〜図３Ｆの作製手順に従って、ウェーハ上に複数のレーザー素子が形成される。各レーザー素子間の境界に沿って劈開することで、図１Ａ〜図１Ｃに示したような構造を有するレーザー素子を得る。この劈開により、レーザー素子の後方端面、前方端面がそれぞれ形成される。最後に、前方端面に反射防止膜を、後方端面に高反射膜をそれぞれ形成して、素子の製造を終了する。【００５４】
上述の製造工程によれば、グレーティングを直接能動領域に設ける工程となっており、従来の半導体レーザー（特開２００３−４６１９０号公報参照）のように別途受動領域を集積する工程を含んでいないため、歩留まり良く、低コストでレーザー素子を製作することができる。【００５５】
以上説明した本実施形態の導波路構造およびその製造方法は一例であって、その構成および手順は適宜変更可能である。例えば、上述した製造工程において、結晶成長方法にＭＯ−ＶＰＥ法を用いるが、これに代えて、例えば分子線ビーム成長法（ＭＢＥ法）を用いても良い。また、メサ形成工程についても、ＩＣＰ法に限るわけではなく、ＲＩＥ法などを適用することも可能である。【００５６】
また、本実施形態の導波路構造では、活性層１０４下部の、n-InP半導体基板１０１の表面にグレーティング１２０を設ける構造としているが、本発明は、この構造に限定されるものではない。安定した単一波長発振が得られるのであれば、グレーティング１２０を他の部分に設けてもよい。グレーティング１２０の具体的な形成箇所としては、例えば、
ａ）n-InGaAsPガイド層１０２とn-InPクラッド層１０３の間
ｂ）n-InPクラッド層１０３と活性層１０４の間
ｃ）活性層１０４とp-InPクラッド層１０５の間
ｄ）p-InPクラッド層１０６とp-InGaAsコンタクト層１０７の間
など挙げられる。この他、p-InPクラッド層１０５とp-InPクラッド層１０６の間にn-InGaAsガイド層を設け、このn-InGaAsガイド層とp-InPクラッド層１０５またはp-InPクラッド層１０６の間にグレーティング１２０を設けるといった構造も考えられる。【００５７】
また、グレーティング１２０は、シングルモード導波路領域１１２の長さ全体にわたって形成されても、シングルモード導波路領域１１２の一部に形成されてもよい。【００５８】
さらに、グレーティング１２０は、シングルモード導波路領域１１２に代えてシングルモード導波路領域１１３に形成されてもよいし、シングルモード導波路領域１１２、１１３の両方に形成されてもよい。【００５９】
（実施形態２）
図４Ａは、本発明の第２の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面からみた場合の模式図である。図４Ｂは、図４Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'での断面図、図４Ｃは、図４Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'での断面図である。【００６０】
本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーも、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、活性層を含む能動導波路が、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１と、その両端部に設けられた一対のシングルモード導波路領域１１２、１１３とから構成されており、その導波路構造は、グレーティング１２０の形成部分が異なる以外は、基本的には、上述した第１の実施形態にものと同様である。素子長は、６００μｍ程度、シングルモード導波路領域１１２、１１３はともに、導波路の長さが１８５μｍ程度、幅が２μｍ程度である。１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１の長さは２３０μｍ程度で、幅は９μｍ程度である。【００６１】
本実施形態では、グレーティング１２０は、活性層１０４の下部の、n-InP半導体基板１０１の表面に、後方端面から前方端面にわたって形成されている。グレーティング１２０の、後方端面と前方端面との間には、λ／４位相調整領域１２１が形成されている。λ／４位相調整領域１２１は、グレーティング１２０のピッチをλ／４だけずらしたものであって、このλ／４位相調整領域１２１を挟んでグレーティング１２０の位相が反転するようになっている。グレーティング１２０の幅は、シングルモード導波路領域１１２、１１３では、これら導波路の幅（２μｍ程度）と同じであり、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１では、シングルモード導波路領域１１２、１１３の導波路幅の２倍（４μｍ程度）以内とされる。ここでは、グレーティング１２０の幅を３μｍ程度とし、規格化結合定数（ｋＬ）を１程度としている。なお、後方端面、前方端面には、ともに反射防止膜が設けられる。【００６２】
１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１中に、何の制約もなしにグレーティングを設けると、通常は、基本モードだけでなく、高次モードに対してもグレーティング反射が生じるため、安定した単一波長発振を得ることはできない。本発明者らによるこれまでの実験結果から、基本モードと高次モードの伝播定数が異なるために、結果として、単一波長発振を得られなくなる、という知見が得られている。本実施形態では、グレーティング１２０は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１の導波中心に形成されており、しかも、そのグレーティング幅は、シングルモード導波路１１２、１１３（これらは、単一横モード導波路に相当する）の導波路幅の２倍以内の幅とされている。この構造によれば、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１中において伝播する各横モードのうち、単一横モードをグレーティング中心波長に対して反射させることができるため、安定した単一波長動作が実現される。【００６３】
また、共振器中には、λ／４位相調整領域１２１が形成されており、このλ／４位相調整領域１２１を挟んでグレーティング１２０の位相が反転するようになっているので、これにより、いわゆる主−副モード間の利得差を十分に大きくとることが可能になる。よって、高い歩留まりでの単一波長発振を実現することができる。この他の利点については、上述した第１の実施形態のものと同様である。【００６４】
次に、上述した本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造方法について説明する。【００６５】
本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーも、基本的には、図３Ａ〜図３Ｆに示した工程で作製することができるが、グレーティング１２０の形成の仕方が前述の第１の実施形態の場合（図３Ａの工程）と異なる。すなわち、本実施形態では、図５に示すように、グレーティング１２０は、n-InP半導体基板１０１の表面の、能動導波路が形成される領域に、その能動導波路の長さ全体にわたって形成される。グレーティング１２０の幅Ａは、後の工程で形成されるシングルモード導波路１１２の導波路幅Ｂ（シングルモード導波路１１３の導波路幅と同じ）以上、導波路幅Ｂの２倍以内とされる。ここでは、シングルモード導波路１１２の導波路幅Ｂは２μｍ程度とされ、グレーティング１２０の幅Ａは３μｍ程度とされる。ただし、メサ形成工程における位置精度（グレーティング１２０とシングルモード導波路１１２、１１３との位置精度）を考慮すると、グレーティング１２０の幅Ａは、導波路幅Ｂより十分に大きくとることが望ましい。【００６６】
グレーティング１２０の形成後、図３Ｂ〜図３Ｆに示した工程が行われる。そして、劈開によりレーザー素子の後方端面、前方端面をそれぞれ形成し、両端面に反射防止膜を形成して素子の製造を終了する。こうして、図４Ａ〜図４Ｃに示した構造を有するレーザー素子を得る。【００６７】
上記の製造方法においても、前述した第１の実施形態における製造方法と同様、歩留まり良く、低コストな素子の製作が可能である。【００６８】
以上説明した本実施形態の導波路構造およびその製造方法は一例であって、その構成および手順は適宜変更可能である。例えば、上述した製造工程において、ＭＯ−ＶＰＥ法の代わりに、例えば分子線ビーム成長法（ＭＢＥ法）を用いたり、ＩＣＰ法の代わりにＲＩＥ法などを用いたりすることができる。【００６９】
また、グレーティング１２０の形成位置も、安定した単一波長発振が得られる範囲で変更可能である。例えば、グレーティング１２０は、前述の第１の実施形態で説明したａ）〜ｄ）の位置のいずれに設けられてもよい。また、グレーティング１２０は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１にのみ設けられてもよい。【００７０】
（実施形態３）
図６Ａは、本発明の第３の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを上面からみた場合の模式図である。図６Ｂは、図６Ａの一点鎖線Ａ−Ａ'での断面図、図６Ｃは、図６Ａの一点鎖線Ｂ−Ｂ'での断面図である。【００７１】
本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーは、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、前述した第２の実施形態の構造における１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１の部分を、２つの１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂと、これらを接続するシングルモード導波路領域１１４とで置き換えたものである。これ以外の部分は、基本的には、図４Ａ〜図４Ｃに記載した構造と同じになっている。素子長は、６００μｍ程度である。シングルモード導波路領域１１２、１１３はともに、導波路の長さが４０μｍ程度、幅が２μｍ程度である。１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂはともに、導波路の長さが２３０μｍ程度で、幅が９μｍ程度である。シングルモード導波路領域１１４の長さは６０μｍ、幅は２μｍ程度である。【００７２】
グレーティング１２０は、活性層１０４の下部の、n-InP半導体基板１０１の表面に、後方端面から前方端面にわたって形成されており、グレーティング１２０の共振器中には、λ／４位相調整領域１２１が形成されている。λ／４位相調整領域１２１は、グレーティング１２０のピッチをλ／４だけずらしたものであって、このλ／４位相調整領域１２１を挟んでグレーティング１２０の位相が反転するようになっている。グレーティング１２０の幅は、シングルモード導波路領域１１２、１１３では、これら導波路の幅（２μｍ程度）と同じであり、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１では、シングルモード導波路領域１１２、１１３の導波路幅の２倍（４μｍ程度）以内とされる。ここでは、グレーティング１２０の幅を３μｍ程度とし、規格化結合定数（ｋＬ）を１程度としている。なお、後方端面、前方端面には、ともに反射防止膜が設けられる。【００７３】
本実施形態においても、グレーティング１２０は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂにおいて、導波中心に形成されており、しかも、そのグレーティング幅は、シングルモード導波路１１２〜１１４の導波路幅の２倍以内の幅とされている。よって、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂ中において伝播する各横モードのうち、単一横モードをグレーティング中心波長に対して反射させることができるため、安定した単一波長動作が実現される。この他の利点については、上述した第１および２の実施形態のものと同様である。【００７４】
次に、上述した本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造方法について説明する。【００７５】
本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーも、基本的には、図３Ａ〜図３Ｆに示した工程で作製することができるが、１×１−ＭＭＩ導波路領域およびグレーティングを形成する領域が前述の第１および第２の実施形態の場合（図３Ａ、図５ａの工程）と異なる。すなわち、本実施形態では、図７に示すように、グレーティング１２０は、n-InP半導体基板１０１の表面の、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂおよびシングルモード導波路領域１１２〜１１４を含む能動導波路が形成される領域に、その能動導波路の長さ全体にわたって形成される。グレーティング１２０の幅は、後の工程で形成されるシングルモード導波路１１２〜１１４の導波路幅以上、該導波路幅の２倍以内とされる。ここでは、シングルモード導波路１１２〜１１４の導波路幅は２μｍ程度とされ、グレーティング１２０の幅は３μｍ程度とされる。【００７６】
グレーティング１２０の形成後、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂおよびシングルモード導波路領域１１２〜１１４を含む能動導波路が形成される。そして、劈開によりレーザー素子の後方端面、前方端面をそれぞれ形成し、両端面に反射防止膜を形成して素子の製造を終了する。こうして、図６Ａ〜図６Ｃに示した構造を有するレーザー素子を得る。【００７７】
上記の製造方法においても、前述した第１の実施形態における製造方法と同様、歩留まり良く、低コストな素子の製作が可能である。【００７８】
以上説明した本実施形態の導波路構造およびその製造方法は一例であって、その構成および手順は適宜変更可能である。例えば、上述した製造工程において、ＭＯ−ＶＰＥ法の代わりに、例えば分子線ビーム成長法（ＭＢＥ法）を用いたり、ＩＣＰ法の代わりにＲＩＥ法などを用いたりすることができる。【００７９】
また、グレーティング１２０の形成位置も、安定した単一波長発振が得られる範囲で変更可能である。例えば、グレーティング１２０は、前述の第１の実施形態で説明したａ）〜ｄ）の位置のいずれに設けられてもよい。また、グレーティング１２０は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂにのみ設けられてもよい。さらに、グレーティング１２０は、１×１−ＭＭＩ導波路領域１１１ａ、１１１ｂの一方にのみ設けられてもよい。【００８０】
さらに、１×１−ＭＭＩ導波路領域の数も、素子長が増大しない範囲で変更可能である。例えば、１×１−ＭＭＩ導波路領域は３つ以上設けられてもよい。【００８１】
上述した第１〜第３の実施形態では、活性層を含む能動導波路の一部を１×１−ＭＭＩ導波路により構成したものについて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば１×１−ＭＭＩ導波路に代えて、１×Ｎ−ＭＭＩ導波路やＮ×Ｎ−ＭＭＩ導波路を用いることも可能である。１×Ｎ−ＭＭＩ導波路を用いる場合は、「Ｎ」側が後方側、「１」側が前方側となり、後方側では、Ｎ分岐に対応する位置にそれぞれシングルモード導波路１１３を設ける。Ｎ×Ｎ−ＭＭＩ導波路を用いる場合は、前方側のＮ分岐に対応する位置にそれぞれシングルモード導波路１１２を設け、後方側のＮ分岐に対応する位置にそれぞれシングルモード導波路１１３を設ける。【００８２】
また、上述した各実施形態の導波路構造は、ＭＭＩ導波路の両端にシングルモード導波路を接続した構造になっているが、ＭＭＩ導波路の前方側または後方側のみがシングルモード導波路を持つような構造とすることも可能である。この場合は、ＭＭＩ導波路の、シングルモード導波路が設けられていない方の端面がレーザー素子端面とされる。例えば、後方側にシングルモード導波路を持たない場合は、ＭＭＩ導波路の後方側の端面がレーザー素子の後方側の端面となり、この端面に高反射膜が形成される。【００８３】
（モジュール構造）
以上説明した本発明のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを用いて、光送信モジュールや光送受信モジュールなどの光通信モジュールを構成することができる。光送信モジュールの場合は、本発明のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーと、これを駆動する回路とを搭載する。光送受信モジュールの場合は、本発明のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーと、これを駆動する回路と、外部から入力される光を受光する受光部とを搭載する。いずれの場合も、使用に応じた種々の他の回路（変調回路や波形整形回路など）を搭載することができる。これら光通信モジュールは、本発明のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを用いることで、低電圧での駆動が可能となっている。よって、従来にない、低消費電力化に優れたモジュールの提供が可能である。
【図１Ａ】
2005060058.tif 000005
【図１Ｂ】
2005060058.tif 000006
【図１Ｃ】
2005060058.tif 000007
【図２】
2005060058.tif 000008
【図３Ａ】
2005060058.tif 000009
【図３Ｂ】
2005060058.tif 000010
【図３Ｃ】
2005060058.tif 000011
【図３Ｄ】
2005060058.tif 000012
【図３Ｅ】
2005060058.tif 000013
【図３Ｆ】
2005060058.tif 000014
【図４Ａ】
2005060058.tif 000015
【図４Ｂ】
2005060058.tif 000016
【図４Ｃ】
2005060058.tif 000017
【図５】
2005060058.tif 000018
【図６Ａ】
2005060058.tif 000019
【図６Ｂ】
2005060058.tif 000020
【図６Ｃ】
2005060058.tif 000021
【図７】
2005060058.tif 000022
【国際調査報告】
2005060058.tif 000023
2005060058.tif 000024
2005060058.tif 000025
2005060058.tif 000026