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JP2019204814A - 半導体レーザ - Google Patents

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絵理奈 菅野
Erina Sugano
絵理奈 菅野
浩司 武田
Koji Takeda
浩司 武田
硴塚　孝明
Takaaki Kakizuka
孝明 硴塚
松尾　慎治
Shinji Matsuo
慎治 松尾
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Abstract

【課題】より容易に発振波長が精確に制御できるようにする。【解決手段】分布帰還活性領域１３１と、分布帰還活性領域１３１に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂとを備える。分布帰還活性領域１３１は、化合物半導体からなる活性層１０３および第１回折格子１２１を有する。第１回折格子１２１は、活性層１０３の上に形成された回折格子層１２１ａを貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。
現在、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化の要求に対し、様々な波長多重光源が開発されている。この要求の実現には、光源となるレーザの発振波長制御などが重要となる。例えば、関連する技術としては、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザがある（非特許文献１参照）。
ＤＦＢレーザは、活性層の上に回折格子を備えるレーザであり、回折格子のピッチと深さとにより発振波長が決定される。このレーザは、導波路構造を備え、この両端より発振光が出射するため、リングフィルタなどと集積する場合、一方の端部から出射する光は使われず、光を半分損失することになる。
上述した問題を解消するために、ＤＦＢレーザの一方の端部に、高反射率の分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector；ＤＢＲ）を接続し、他方の端部から光を出射する構成とした分布反射型（ Distributed Reflector；ＤＲ）レーザが提案されている（非特許文献２参照）。
また、ＤＦＢレーザの両方の端部に各々ＤＢＲを設け、一方のＤＢＲに対して他方のＤＢＲの反射率を低くし、他方のＤＢＲから光を出射させるＤＲレーザも提案されている（非特許文献３参照）。片側のみにＤＢＲを設けた構成に比較し、両側にＤＢＲを設ける構成では、発振しきい値利得を下げることができ、損失が大きい短共振器レーザの発振に有利となる。
K. Utaka et al., "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electrons, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042, 1986. K. Ohira et al., "GaInAsP/InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections", IEEE Electronic Express, Vol. 2, No. 11, pp. 356, 2005. K. Otsubo et al., "Low-Driving-Current High-Speed Direct Modulation up to 40 Gb/s Using 1.3-μm Semi-Insulating Buried-Heterostructure AlGaInAs-MQW Distributed Reflector (DR) Lasers," OSA/OFC/NFOEC, OThT6, 2009.
ところで、現在、ＤＦＢレーザを波長多重光源として用いたＷＤＭが、メトロネットワークに導入されているが、チップ間のような短距離通信の光インターコネクトへもＷＤＭを導入する試みが検討されている。チップ間光インターコネクトには、低消費電力な短活性層長のレーザが求められるため、ＤＦＢレーザ、片側ＤＲレーザよりも、発振しきい値利得を下げることができる両側ＤＲレーザが適している。これらＤＦＢレーザ、片側ＤＲレーザ、両側ＤＲレーザを用いた波長多重をさらに高密度にするためには、より精確な発振波長の制御が求められる。
しかしながら、従来の技術では、以下に示すことにより、発振波長の精確な制御が容易ではないという問題があった。従来では、一般に、活性層などを備える領域を構成しているＩｎＰなどの化合物半導体を、所定のマスクパターンを用いてエッチングすることで、所定の周期の凹凸を形成して回折格子としている。このため、回折格子の深さの制御が、エッチングの量によって決定されることになる。
しかしながら、よく知られているように、エッチングの量を精確に制御することは容易ではない。発振波長は、回折格子の結合係数によって決定され、回折格子の結合係数は、回折格子の深さに依存するため、上述したようにエッチングの量で決定される回折格子の深さを精確に制御することは容易ではない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に発振波長が精確に制御できるようにすることを目的とする。
本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された化合物半導体からなる活性層および第１回折格子を有する分布帰還活性領域と、活性層を導波方向に挟んで活性層に連続して形成されて、化合物半導体からなる２つのコア層、および各々のコア層に対応して形成された第２回折格子を有し、導波方向に分布帰還活性領域を挟んで分布帰還活性領域に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域とを備え、第１回折格子は、活性層の上に形成された回折格子層を貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成され、回折格子層は、分布帰還活性領域を構成する材料よりエッチングされにくい材料から構成されている。
上記半導体レーザにおいて、回折格子層は、分布帰還活性領域を構成する材料より低い屈折率の材料から構成されている。
上記半導体レーザにおいて、第１回折格子は、活性層の側方に形成され、第２回折格子は、コア層の側方に形成されていてもよい。
上記半導体レーザにおいて、回折格子層は、誘電体から構成されていればよい。
以上説明したことにより、本発明によれば、より容易に発振波長が精確に制御できるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図３Ｅは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造途中の状態を示す断面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１における他の半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１における他の半導体レーザの一部構成を示す断面図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの一部構成を示す構成図である。 図５は、回折格子の深さの誤差と発振波長の誤差との関係を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態１における他の半導体レーザの構成を示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３における半導体レーザの構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態おける半導体レーザについて説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における半導体レーザについて、図１を参照して説明する。
この半導体レーザは、分布帰還活性領域１３１と、分布帰還活性領域１３１に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂとを備える。この半導体レーザは、いわゆるＤＲレーザである。分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａおよび分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、導波方向に分布帰還活性領域１３１を挟んで分布帰還活性領域１３１に連続して配置されている。
分布帰還活性領域１３１は、化合物半導体からなる活性層１０３および第１回折格子１２１を有する。また、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂは、化合物半導体からなる２つのコア層１１３ａ，１１３ｂ、および各々のコア層１１３ａ，１１３ｂに対応して形成された第２回折格子１２２ａ，１２２ｂを有する。コア層１１３ａ，１１３ｂは、活性層１０３を導波方向に挟んで活性層１０３に連続して形成されている。
また、第１回折格子１２１は、活性層１０３の上に形成された回折格子層１２１ａを貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。なお、実施の形態１において、第２回折格子１２２ａ，１２２ｂは、コア層１１３ａ，１１３ｂの上面を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることなどにより形成されている。
また、回折格子層１２１ａは、分布帰還活性領域１３１を構成する材料よりエッチングされにくい材料から構成されている。また、回折格子層１２１ａは、分布帰還活性領域１３１を構成する材料より低い屈折率の材料から構成されているとよい。例えば、回折格子層１２１ａは、ＳｉＮ，ＳｉＯxＮy，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2などの誘電体から構成されていればよい。
なお、実施の形態１における半導体レーザは、第１回折格子１２１が、位相シフト部（λ／４シフト）１２１ｂを備える。位相シフト部１２１ｂは、第１回折格子１２１のブラッグ波長が均一となるように設定されている。
実施の形態１における半導体レーザは、例えば、第２回折格子１２２ａおよび第２回折格子１２２ｂの結合係数が、第１回折格子１２１の結合係数より高いものとされている。例えば、第２回折格子１２２ａおよび第２回折格子１２２ｂの凹凸の段差を、第１回折格子１２１の凹凸の段差より大きくすることで、上述した結合係数の関係とすることができる。なお、実施の形態１において、位相シフト部１２１ｂは、第１回折格子１２１の中央部に配置されている。
以下、図２Ａ，図２Ｂを用いて、より詳細に説明する。分布帰還活性領域１３１、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂは、同一の基板１０１の上に形成されている。分布帰還活性領域１３１は、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を備える。この例では、基板１０１の平面方向に、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が配置され、これらは、活性層１０３の側面に接して形成されている。
また、ｎ型半導体層１０５に電気的に接続するｎ型電極１０７と、ｐ型半導体層１０６に電気的に接続するｐ型電極１０８とを備える。この例では、基板１０１の平面方向（横方向）に電流が注入される。なお、ｎ型半導体層１０５の上に、より高濃度にｎ型不純物が導入されたｎ型コンタクト層を介してｎ型電極１０７を形成してもよい。同様に、ｐ型半導体層１０６の上に、より高濃度にｐ型不純物が導入されたｐ型コンタクト層を介してｐ型電極１０８を形成してもよい。
分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａにおいて、コア層１１３ａは、活性層１０３に連続して形成されている。また、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂにおいて、コア層１１３ｂは、活性層１０３に連続して形成されている。また、この例では、コア層１１３ａの上に第２回折格子１２２ａが形成され、コア層１１３ｂの上に第２回折格子１２２ｂが形成されている。
なお、基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。コア層１１３ａ，１１３ｂも下部クラッド層１０２の上に形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。
ここでは、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。なお、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａにおいて、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６は形成していない。
実施の形態における分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。なお、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂにおいて、ｎ型電極１０７およびｐ型電極１０８は形成していない。
また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３の上に回折格子層１２１ａが形成され、回折格子層１２１ａに第１回折格子１２１が形成されている。前述したように、回折格子層１２１ａを貫通して形成された凹部と、この凹部に隣接する凸部から第１回折格子１２１が構成されている。また、このように延在している活性層１０３に連続してコア層１１３ａ，１１３ｂが形成されている。第２回折格子１２２ａは、コア層１１３ａの上面に形成し、第２回折格子１２２ｂは、コア層１１３ｂの上面に形成している。例えば、第２回折格子１２２ａおよび第２回折格子１２２ｂの凹凸の段差は、第１回折格子１２１の凹凸の段差より大きくされている。
また、図示していないが、半導体レーザは、出力端面に、無反射膜が形成されている。
基板１０１は、例えば、シリコンから構成されている。下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成され、厚さ２μｍとされている。また、活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層が交互に積層された厚さ１５０ｎｍの量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、幅０．７μｍ程度とされている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂを合わせた厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６も、各々厚さ２５０ｎｍとされている。量子井戸構造とされている活性層１０３の発光波長は、１．５５μｍである。また、回折格子層１２１ａは、ＳｉＮから構成され、第１回折格子１２１は、ブラッグ波長が１．５５μｍとされている。
また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成されている。また、活性層１０３を挾む、一方のｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成され、他方のｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）から構成されている。
また、コア層１１３ａ，１１３ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成され、幅１．５μｍ程度とされ、厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、図示していないが、ｎ型コンタクト層、ｐ型コンタクト層は、例えば、ＩｎＧａＡｓから構成すればよい。
上述した半導体レーザは、高屈折率なＩｎＰの層の下部は、低屈折率な酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２が形成され、上部は、低屈折率な空気とされている。この結果、活性層１０３、コア層１１３ａ，１１３ｂへの強い光閉じ込めが実現され、レーザの低電力動作に有利である。また、第２回折格子１２２ａ，１２２ｂは、ＩｎＰの層と空気の層と高い屈折率差により形成されるため、１０００ｃｍ-1を超える高い結合係数を実現することができる。
以下、実施の形態における半導体レーザの製造方法について、図３Ａ〜図３Ｅを用いて簡単に説明する。図３Ａ〜図３Ｆは、実施の形態における半導体レーザの製造途中の状態を示す構成図であり、分布帰還活性領域１３１の、導波方向に平行な面の断面を模式的に示している。
例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。例えば、基板１０１の主表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０２を形成する。
一方で、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、半導体層１０４ａとなる化合物半導体層２０３、活性層１０３となる化合物半導体層２０４、コア層１１３ａ，コア層１１３ｂとなる化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。
次いで、このエピタキシャル成長した基板の最上面と、前述した基板１０１の下部クラッド層１０２の表面とを公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。この結果、図３Ａに示すように、分布帰還活性領域１３１においては、基板１０１の上に、下部クラッド層１０２、化合物半導体層２０３、化合物半導体層２０４が形成された状態となる。
次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作製したレジストパターンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた化合物半導体層２０３，化合物半導体層２０４などをパターニングし、図３Ｂに示すように、半導体層１０４ａ、活性層１０３からなる分布帰還活性領域１３１のストライプ構造を形成する。分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂでは、活性層１０３がない状態とする。なお、各パターンを形成した後は、レジストパターンを除去する。
次に、図３Ｃに示すように、形成した半導体層１０４ａ、活性層１０３の周囲より、アンドープのＩｎＰからなる化合物半導体層２０５を再成長させる。分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂでは、化合物半導体層２０５が下部クラッド層１０２の上に形成された状態となる。
次いで、例えば、イオン注入法により、活性層１０３の両脇の領域に選択的にｎ型の不純物およびｐ型の不純物を導入することで、分布帰還活性領域１３１では、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６を形成する。この結果、活性層１０３の上には、ノンドープのＩｎＰからなる半導体層１０４ｂが形成された状態となる。この段階において、分布帰還活性領域１３１を挾む分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂには、化合物半導体層２０５が残っている。
次に、半導体層１０４ｂおよび化合物半導体層２０５の上に、ＳｉＮからなる回折格子層１２１ａを形成し、分布帰還活性領域１３１における回折格子層１２１ａに、第１回折格子１２１を形成する。例えば、よく知られた堆積法によりＳｉＮを堆積することで回折格子層１２１ａを形成する。次いで、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第１回折格子１２１を形成する。この形成において、回折格子の凹部は、回折格子層１２１ａを貫通させる。
回折格子層１２１ａの下層の半導体層１０４ｂ，化合物半導体層２０５は、ＩｎＰから構成し、回折格子層１２１ａは、ＳｉＮから構成しているので、回折格子層１２１ａのパターニングおけるエッチング処理では、ＩｎＰがほとんどエッチングされず、半導体層１０４ｂがエッチングストップ層として機能するものとなる。このため、回折格子層１２１ａを貫通させる凹部の形成においては、精確なエッチングの量の制御が全く必要無い。
次に、第１回折格子１２１を形成するために用いたマスクパターンを除去した後、分布帰還活性領域１３１の領域を覆うマスクパターンを用いて回折格子層１２１ａをエッチングすることで、図３Ｅに示すように、分布帰還活性領域１３１のみに回折格子層１２１ａが形成された状態とする。なお、図３Ｅは、上記マスクパターンを除去した後の状態を示している。
この後、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂにおける第２回折格子１２２ａ，１２２ｂを形成する。例えば、よく知られたリソグラフィー技術により形成したレジストパターンをマスクとし、所定のエッチングにより、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂにおける化合物半導体層２０５をパターニングすることで、第２回折格子１２２ａ，１２２ｂを形成すればよい。なお、この段階では、コア層１１３ａ、コア層１１３ｂは形成されていない。
次に、分布帰還活性領域１３１を挾む導波方向の領域の化合物半導体層２０５を、前述同様にパターニングすることで、第２回折格子１２２ａ，１２２ｂを形成した部分にコア層１１３ａ、コア層１１３ｂを形成する。この構成によれば、電流注入のためのｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６の形成に用いた化合物半導体層２０５で、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂのコア層１１３ａ、コア層１１３ｂを形成するので、工程が簡略化できる。この後、ｎ型半導体層１０５の上にｎ型電極１０７を形成し、ｐ型半導体層１０６の上にｐ型電極１０８を形成する。
例えば、図４Ａに示す、ＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ１５０ｎｍの量子井戸を９層重ねた量子井戸構造の活性層１０３を用いた場合、図４Ｃに示すように、導波長２０μｍとした分布帰還活性領域１３１の一方に、導波長１７μｍの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを設け、他方に導波長５０μｍの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂを設けるとよい。この構成とすることで、発振しきい値利得は４６ｃｍ-1となり、活性層長が２０μｍの短いレーザも発振させることが可能である。
ここでは、図４Ｂに示すように、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂに、化学量論組成よりシリコンの量が多いＳｉＯxからなるスポットサイズ変換コア３０２を設けている。また、スポットサイズ変換コア３０２は、コア層１１３ｂの上にＳｉＯ2層３０１を介して形成している。また、分布帰還活性領域１３１には、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂから連続してＳｉＯ2層３０１が形成され、またスポットサイズ変換コア３０２を構成するＳｉＯx層３０２ａが形成されている。各寸法は、図４Ａ、図４Ｂに示す通りである。
また、分布帰還活性領域１３１における回折格子は、厚さ４１ｎｍの回折格子層１２１ａに形成されている（結合係数１４５ｃｍ-1）。また、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂでは、ＩｎＰからなるコア層１１３ａ，１１３ｂの上面を、深さ２５ｎｍの凹部を形成することで、回折格子を形成している（結合係数８６８ｃｍ-1）。
上述した実施の形態１によれば、回折格子の作製誤差による発振波長誤差を抑制することができる。ＤＦＢレーザなどの回折格子を有するレーザは、回折格子の結合係数によって発振波長が決定される。回折格子の結合係数は、半導体のエッチング深さに依存するため、回折格子の深さを制御することが発振波長の制御に重要である。分布帰還活性領域１３１を構成する化合物半導体層、例えば、半導体層１０４ａをエッチング加工して回折格子を形成する場合、このエッチング量を制御することが容易ではなく、回折格子の深さを制御することが容易ではない。
これに対し、実施の形態によれば、回折格子層１２１ａを貫通させた凹部により回折格子（第１回折格子１２１）を形成しているため、回折格子の深さは、回折格子層１２１ａの厚さで決定される。従って、実施の形態によれば、回折格子の所望の深さと同じ厚さに回折格子層１２１ａを形成すればよい。一般に、形成（成膜）する膜の厚さ制御は、エッチング量の制御より、容易に高い精度を得ることができる。例えば、よく知られたＥＣＲスパッタ法を用いれば、１ｎｍのオーダで回折格子層１２１ａの厚さが制御できる。このため、実施の形態によれば、回折格子の作製誤差に起因する発振波長の誤差を小さくすることができる。
なお、誘電体から回折格子を構成した場合、結合係数をあまり大きくすることができず、反射率が下がりしきい値利得は上がってしまう。このため、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂにおいては、第２回折格子１２２ａ，１２２ｂを化合物半導体から構成することで全体の反射率を上げ、レーザのしきい値利得を上げることなく回折格子の作製誤差による発振波長誤差を軽減することができる。
例えば、導波長１０μｍの分布帰還活性領域１３１の一方に２０μｍの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを配置し、他方に５０μｍの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂを配置する構成の場合、分布帰還活性領域１３１、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂともに、化合物半導体の層に回折格子を形成すると、発振しきい値利得５０ｃｍ-1を得るためには深さを２５ｎｍとする必要がある。
図５に示すように、回折格子の深さの誤差が２０％（設計値２５ｎｍに対し、実際の値が２０ｎｍまたは３０ｎｍの場合）、発振波長の誤差は５ｎｍとなる。一方、成膜における厚さの制御は、エッチング量の制御よりも精度が高く、１ｎｍオーダでの制御が可能であり、発振波長の誤差は１ｎｍ程度に抑えられる。なお、図５に示す結果は、図４Ａ、図４Ｂに示す各寸法によりシミュレーションした結果である。
なお、図６の平面図に示すように、分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３の側方に、第１回折格子２２１を形成し、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂにおいて、コア層１１３ａ，１１３ｂの側方に、第２回折格子２２２ａ，２２２ｂを形成してもよい。この場合においても、第１回折格子２２１は、活性層１０３の側方に形成した回折格子層２２１ａを貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成すればよい。このようにしても、前述した実施の形態と同様である。
また、図７に示すように、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂに、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア層２１３ａ，２１３ｂを形成し、バットジョイント埋め込み導波路してもよい。コア層２１３ａ，２１３ｂの上下には、ＩｎＰなどからなる半導体層が配置され、これらはクラッド層となる。この構成とすることで、分布帰還活性領域１３１と分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂとの等価屈折率が合致する状態なり、前述した実施の形態の効果に加え、反射による損失を抑制する効果が得られるようになる。なお、回折格子は、各領域の側方に設けられていてもよい。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における半導体レーザについて、図８を参照して説明する。この半導体レーザは、活性領域３３１と、活性領域３３１に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂとを備える。分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａおよび分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、導波方向に活性領域３３１を挟んで活性領域３３１に連続して配置されている。
活性領域３３１は、化合物半導体からなる活性層１０３を有する。また、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａ，１３２ｂは、化合物半導体からなる２つのコア層１１３ａ，１１３ｂ、および各々のコア層１１３ａ，１１３ｂに対応して形成された回折格子３２２ａ，３２２ｂを有する。コア層１１３ａ，１１３ｂは、活性層１０３を導波方向に挟んで活性層１０３に連続して形成されている。
また、回折格子３２２ａは、コア層１１３ａの上に形成された回折格子層３２３を貫通して形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。なお、実施の形態２において、回折格子３２２ｂは、コア層１１３ｂの上面またはコア層１１３ｂの情報の半導体層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることなどにより形成されている。
また、回折格子層３２３は、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを構成する材料よりエッチングされにくい材料から構成されている。また、回折格子層３２３は、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａを構成する材料より低い屈折率の材料から構成されているとよい。例えば、回折格子層３２３は、ＳｉＮ，ＳｉＯxＮy，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2などの誘電体から構成されていればよい。
実施の形態２における半導体レーザによれば、活性領域３３１の一方に接続する分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａは、回折格子３２２ａの結合係数が小さく、ストップバンドが小さい。一方、活性領域３３１の他方に接続する分布ブラッグ反射鏡領域１３２ｂは、回折格子３２２ｂの結合係数が大きく、ストップバンドが広い。この構成とすることで、発振波長は、分布ブラッグ反射鏡領域１３２ａの回折格子３２２ａによるブラッグ波長によって決定される。前述した実施の形態１で説明したように、回折格子層３２３を貫通して形成された凹部による回折格子３２２ａは、回折格子深さを高い精度で制御可能であり、回折格子深さの誤差による発振波長誤差を小さくすることができる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における半導体レーザについて、図９を参照して説明する。この半導体レーザは、分布帰還活性領域４３１と、分布帰還活性領域４３１に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａ，４３２ｂとを備える。この半導体レーザは、いわゆるＤＲレーザである。分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａおよび分布ブラッグ反射鏡領域４３２ｂは、導波方向に分布帰還活性領域４３１を挟んで分布帰還活性領域４３１に連続して配置されている。
分布帰還活性領域４３１は、化合物半導体からなる活性層４０３および第１回折格子４２１を有する。また、分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａ，４３２ｂは、化合物半導体からなる２つのコア層４１３ａ，４１３ｂ、および各々のコア層４１３ａ，４１３ｂに対応して形成された第２回折格子４２２ａ，４２２ｂを有する。コア層４１３ａ，４１３ｂは、活性層４０３を導波方向に挟んで活性層４０３に連続して形成されている。
また、第２回折格子４２２ａ，４２２ｂは、コア層４１３ａ，４１３ｂの上に形成された回折格子層４２３を貫通し、分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａ，４３２ｂの上面より深さ方向の一部にまで形成された凹部および凹部に隣接する凸部から構成されている。回折格子層４２３は、分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａ，４３２ｂを構成する材料よりエッチングされにくい材料から構成されている。また、回折格子層４２３は、分布ブラッグ反射鏡領域４３２ａ，４３２ｂを構成する材料より低い屈折率の材料から構成されている。回折格子層４２３は、ＳｉＮ，ＳｉＯxＮy，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3，ＨｆＯ2などの誘電体から構成されていればよい。
なお、実施の形態３において、第１回折格子４２１、分布帰還活性領域４３１の上面の半導体層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることなどにより形成されている。
上述した構成の実施の形態３によれば、回折格子層４２３を備える第２回折格子４２２ａ，４２２ｂは、回折格子がより深くなるので結合係数が高くなる。一方、第１回折格子４２１は、結合係数が低い状態である。このように、第２回折格子４２２ａ，４２２ｂの結合係数が、第１回折格子４２１の結合係数よりも高くなることにより、回折格子の損失によるレーザの発振しきい値利得の上昇を抑えることができる。なお、回折格子は、各領域の側方に設けられていてもよい。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ…半導体層、１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…ｎ型電極、１０８…ｐ型電極、１１３ａ，１１３ｂ…コア層、１２１…第１回折格子、１２１ａ…回折格子層、１２１ｂ…位相シフト部、１２２ａ，１２２ｂ…第２回折格子、１３１…分布帰還活性領域、１３２ａ，１３２ｂ…分布ブラッグ反射鏡領域。

Claims (4)

  1. 基板の上に形成された化合物半導体からなる活性層および第１回折格子を有する分布帰還活性領域と、
    前記活性層を導波方向に挟んで前記活性層に連続して形成されて、化合物半導体からなる２つのコア層、および各々の前記コア層に対応して形成された第２回折格子を有し、導波方向に前記分布帰還活性領域を挟んで前記分布帰還活性領域に連続して配置された２つの分布ブラッグ反射鏡領域と
    を備え、
    前記第１回折格子は、前記活性層の上に形成された回折格子層を貫通して形成された凹部および前記凹部に隣接する凸部から構成され、
    前記回折格子層は、前記分布帰還活性領域を構成する材料よりエッチングされにくい材料から構成されている
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    前記回折格子層は、前記分布帰還活性領域を構成する材料より低い屈折率の材料から構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 請求項１または２記載の半導体レーザにおいて、
    前記第１回折格子は、前記活性層の側方に形成され、
    前記第２回折格子は、前記コア層の側方に形成されている
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
    前記回折格子層は、誘電体から構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
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