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JP5182362B2 - 光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、埋込回折格子を有する導波路型の光素子及びその製造方法に関する。
埋込回折格子を装荷した導波路型の光素子としては、例えば化合物半導体で構成されたＤＦＢレーザがある。
近年、ＤＦＢレーザにおいて、回折格子の帰還量を決定する結合係数を共振器方向で分布させる構造を採用することで、レーザ特性を向上させることが提案されている。
例えば、結合係数を共振器中央に向かって小さくなるように分布させた構造を採用することで、軸方向のホールバーニングを抑制し、高光出力時の縦モード安定性を向上させることが提案されている（例えば非特許文献１参照）。
また、ホールバーニングの発生を抑制するために、埋込回折格子の幅を共振器中央に向かって徐々に小さくしたり、埋込回折格子の幅を共振器中央に向かって徐々に大きくしたり、埋込回折格子の高さを共振器中央に向かって徐々に高くしたり、埋込回折格子の高さを共振器中央に向かって徐々に低くしたりすることも提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、共振器中央の結合係数を大きくし、両端の結合係数を中央に比べて小さくした構造にすることで、大きなしきい値利得差あるいは主副モード間利得差が得られることも提案されている（例えば非特許文献２〜５参照）。
また、共振器方向で駆動電極を３分割し、中央の電極の注入電流を変調することで、ＤＦＢレーザをＦＭ変調光源として用いる場合に、共振器長を長くすることで、スペクトル線幅を狭くすることが提案されている（例えば非特許文献６、特許文献２参照）。
なお、特許文献３には、活性層を上下に挟むように埋込回折格子が設けられたＤＦＢレーザが開示されているが、一方の回折格子は、外部から入力してくるレーザ光の反射戻り光を反射するようにレーザの前端面近傍に設けられており、また、発振波長が単一波長になるように上下の回折格子の位相が一致しないようにしている（段落００３６、００３７参照）。また、上記特許文献３に記載されているように、活性層の上下両側に埋込回折格子を設ける構造では、上下の回折格子の位相が同期するように精度良く作製するのは困難である。
特開平８−２５５９５４号公報 特許第２９６６４８５号公報 特開２００４−３５６５７１号公報 G. Morthier et al., "A New DFB-Laser Diode with Reduced Spatial Hole Burning", IEEE Photonics Technology Letter, vol. 2, no. 6, June 1990, pp.388-390 大橋他、「不均一な結合係数を有するＤＦＢレーザのモード解析」、１９８９年秋、応用物理学会学術講演会、３０ｐ−ＺＧ−１３ 小路他、「不均一深さ回折格子λ/4 シフトＤＦＢレーザの解析」、１９９１年秋、応用物理学会学術講演会、１０ｐ−ＺＭ−１７ 小滝他、「不均一深さ回折格子を有するＭＱＷ−ＤＦＢレーザ」、１９９１年春、応用物理学会学術講演会、２９ｐ−Ｄ−７ M. Matsuda et al., "Reactively Ion Etched Nonuniform-Depth Grating for Advenced DFB Lasers", 3rd International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, April 8-11, 1991, TuF.4 S. Ogita et al., "FM Response of Narrow-Linewidth, Multielectrode λ/4 Shift DFB Laser", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 2, no. 3, March 1990, pp. 165-166
ところで、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造を採用する場合、素子特性を向上させるために、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことが必要な場合がある。
しかしながら、例えば上記特許文献２や上記非特許文献４，５に記載されているように、ＩｎＰ基板の表面に凹凸を形成し、これを半導体層で埋め込むことによって形成される表面回折格子を用いて、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくするためには、結合係数を小さくする領域において回折格子の深さを非常に浅くすることが必要になる。
このような非常に浅い回折格子は精度良く安定して作製することが難しいため、結合係数にばらつきが生じてしまい、素子特性（ここではレーザの発振しきい値）が変動してしまうことになる。また、歩留まりも良くない。
また、例えば上記特許文献１に記載されているように、埋込回折格子の幅を変える場合、結合係数を最大にする領域の回折格子の幅は回折格子の周期の半分（デューティ比５０％）にし、それよりも回折格子の幅を広く（デューティ比５０％よりも大きく）又は狭く（デューティ比５０％よりも小さく）することで結合係数の小さい領域の回折格子を形成することになる。
しかしながら、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくするためには、結合係数を小さくする領域において回折格子の幅を非常に広くするか、又は、非常に狭くする必要がある。
回折格子の幅を非常に広くする場合、回折格子を形成するためのマスクの開口部が非常に狭くなるため、エッチングによって加工して回折格子を形成するのが困難である。一方、回折格子の幅を非常に狭くする場合、エッチングマスクの幅も非常に狭くすることになるが、例えば数％幅のマスクを精度良く安定して作製することは困難である。また、非常に幅の狭い回折格子が形成できたとしても、これを埋め込むと消えてしまう場合があり、安定して埋込回折格子を作製することが難しい。このため、歩留まりも良くない。
そこで、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造の光素子において、回折格子を精度良く安定して作製できるようにし、歩留まりを向上させるとともに、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことができるようにして、素子特性を向上させたい。
このため、本光素子は、光導波路と、光導波路に沿って設けられた複数の回折格子層とを備え、各回折格子層は、分断された一の半導体層と、一の半導体層と屈折率が異なり、一の半導体層を埋め込む他の半導体層とによって構成される回折格子を含み、複数の回折格子層は、回折格子が形成されている領域の長さが異なる少なくとも２つの回折格子層を含み、複数の回折格子層は、対応する領域に形成されている回折格子の位相、周期が同一であることを要件とする。
また、本光素子の製造方法は、基板上に、複数の層を積層し、表面上に、回折格子パターンを有する一のマスクを形成し、一のマスクを用いてエッチングして複数の層の中の一の層に回折格子パターンを転写し、一のマスクの一部の領域の表面を覆うように他のマスクを形成し、一のマスク及び他のマスクを用いてエッチングして複数の層の中の他の層に回折格子パターンを転写し、一のマスク及び他のマスクを除去し、他の層によって埋め込むことによって複数の回折格子層を形成することを要件とする。
したがって、本光素子及びその製造方法によれば、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造の光素子において、回折格子を精度良く安定して作製できるようになり、歩留まりが向上するとともに、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことができ、素子特性を向上させることができるという利点がある。
本発明の第１実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の構成を示す模式的断面図である。 図２（Ａ）〜図２（Ｅ）は、本発明の第１実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｅ）は、本発明の第１実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、本発明の第１実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の構成を示す模式的断面図である。 図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、本発明の第２実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は、本発明の第２実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、本発明の第２実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 本発明の第２実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の他の構成例を示す模式的断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の構成を示す模式的断面図である。 図１１（Ａ）〜図１１（Ｅ）は、本発明の第３実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｅ）は、本発明の第３実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）は、本発明の第３実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）の他の構成例を示す模式的断面図である。
符号の説明
１ 光導波路
２，３，２０，３０，４０，２１，３１ 回折格子層
２Ａ，３Ａ，２０Ａ，３０Ａ，４０Ａ，２１Ａ，３１Ａ 回折格子（埋込回折格子）
４，５，４１，４２，５１，４３，５２ スペーサ層
１０１，２０１，３０１ ｎ型ドープＩｎＰ基板
１０２，２０２，１０４，２０４，２０６，３０２，３０４ ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層
１０３，２０３，１０７，２０５，２１０，３０３，３０７ ｎ型ドープＩｎＰ層
１０５，２０７，３０５ 電子ビームレジストマスク
１０６，２０８，３０６ ポジ型フォトレジスト
１０６Ａ，２０８Ａ，３０６Ａ ポジ型フォトレジストマスク
１０８，２１１，３０８ 量子井戸活性層
１０９，１１４，２１２，３０９，３１４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１１０，２１４，３１０ ＳｉＯ２マスク
１１１，３１１ ｐ型ＩｎＰ層
１１２，３１２ ｎ型ＩｎＰ層
１１３，３１３ ｐ型ＩｎＰ層
１１５，２１３，３１５ ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１１６，２１６，３１６ ｐ側電極
１１７，２１７，３１７ ｎ側電極
１１８，１１９，２１８，２１９，３１８，３１９ 無反射コート
２０９ ネガ型フォトレジスト
２０９Ａ ネガ型フォトレジストマスク
２１５ Ｆｅドープ型ＩｎＰ電流狭窄層
以下、図面により、本実施形態にかかる光素子及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる光素子及びその製造方法について、図１〜図４（Ｅ）を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光素子は、例えば、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造を有するＤＦＢ（Distributed Feed-Back；分布帰還型）レーザ（レーザ素子；導波路型光素子；アクティブ型光素子；発光素子）であって、図１に示すように、光導波路１と、光導波路１に沿って設けられた複数（ここでは２つ）の回折格子層２，３とを備える。
ここでは、図１に示すように、複数の回折格子層として、第１回折格子層２と、第２回折格子層３とが設けられており、これらの回折格子層２，３は、光導波路１の下側（光導波路１に対して基板側；光導波路１の片側）に全て設けられている。なお、これらの回折格子層２，３は光導波路１に近接して装荷されている。
各回折格子層２，３は、図１に示すように、分断された一の半導体層１０２，１０４と、一の半導体層１０２，１０４と屈折率が異なり、一の半導体層１０２，１０４を埋め込む他の半導体層１０３，１０７とによって構成される回折格子（埋込回折格子；埋込型回折格子）２Ａ，３Ａを含むものとして構成される。
また、複数の回折格子層２，３は、対応する領域に形成されている回折格子２Ａ，３Ａの位相、周期、デューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）が同一になっている。なお、本実施形態では、各回折格子層２，３に備えられる回折格子２Ａ，３Ａのデューティ比は、それぞれ、一定になっている。
本実施形態では、第１回折格子層２は、図１に示すように、回折格子２Ａが光導波路１に沿う方向（共振器の長さ方向）の中央領域のみに形成されている。つまり、第１回折格子層２の回折格子２Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の中央領域である。
また、第２回折格子層３は、図１に示すように、回折格子３Ａが光導波路１に沿う方向の全長にわたって形成されている。つまり、第２回折格子層３の回折格子３Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の全領域である。
このように、本実施形態では、第１回折格子層２の回折格子２Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが、第２回折格子層３の回折格子３Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さよりも短くなっており、第１回折格子層２と第２回折格子層３とで回折格子２Ａ，３Ａが形成されている領域の長さが異なっている。この場合、これらの回折格子層２，３の対応する領域は、光導波路１に沿う方向の中央領域である。
なお、本実施形態では、複数の回折格子層として２つの回折格子層２，３を設けており、これらの回折格子層２，３の回折格子２Ａ，３Ａが形成されている領域の長さが互いに異なっているが、これに限られるものではない。例えば、第３回折格子層（回折格子が形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが第１回折格子層２と同じ層）をさらに設け、光導波路１に沿う方向の中央領域において、より結合係数を大きくするようにしても良い。このため、複数の回折格子層は、回折格子が形成されている領域の長さが異なる少なくとも２つの回折格子層を含んでいれば良い。
このように、本実施形態では、埋込回折格子を用い、埋込回折格子が形成されている領域を含む複数の回折格子層を多層化し、結合係数を最大にしたい領域では多層化された回折格子層のすべて（ここでは第１回折格子層２と第２回折格子層３の２つ）に埋込回折格子を形成し、結合係数をそれよりも小さくしたい領域では一部の回折格子層（ここでは第２回折格子層３）にだけ回折格子を形成するようにしている。
具体的には、図１に示すように、第１回折格子層２上に第２回折格子層３が積層されており、光導波路１に沿う方向の中央領域で、各回折格子層２，３の回折格子２Ａ，３Ａが積層された構造になっている。つまり、回折格子の積層数が光導波路１に沿う方向で異なるように構成されている。このようにして、光導波路１に沿う方向の中央領域の結合係数が大きくなり、この中央領域と比較してそれ以外の領域（両端面近傍領域）の結合係数が小さくなるようにしている。
また、本ＤＦＢレーザ（光半導体素子）は、波長1．５５μｍ帯で発振するＤＦＢレーザであって、図１に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板１０１上に、中央領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ２５ｎｍ）１０２を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；埋込層）１０３によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子２Ａを含む第１回折格子層２と、全領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ）１０４を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層１０７によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子３Ａを含む第２回折格子層３と、導波路コア層として量子井戸活性層１０８を含む光導波路１とを備えるものとして構成される。
このように、本実施形態の具体的構成例では、第１回折格子層２の回折格子２Ａを、組成波長１．２５μｍのｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層１０２とｎ型ドープＩｎＰ層１０３とによって構成し、第２回折格子層３の回折格子３Ａを、組成波長１．１５μｍのｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層１０４とｎ型ドープＩｎＰ層１０７とによって構成することで、第１回折格子層２の回折格子２Ａを構成する半導体層１０２，１０３の屈折率差を、第２回折格子層３の回折格子３Ａを構成する半導体層１０４，１０７の屈折率差よりも大きくしている。つまり、第１回折格子層２の厚さをそれほど厚くしないで結合係数を大きくして、結合係数が大きい領域と結合係数が小さい領域との間の結合係数差を大きくしている。
つまり、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０３のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２の間に埋め込まれた部分は回折格子２Ａを構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０７のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４の間に埋め込まれた部分は回折格子３Ａを構成する。
なお、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０３のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２の上側に形成される部分は第１回折格子層２と第２回折格子層３との間のスペーサ層４を構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０７のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４の上側に形成される部分は第２回折格子層３と活性層１０８との間のスペーサ層（クラッド層）５を構成する。なお、スペーサ層４の厚さは、エッチングのばらつきを吸収できる程度にできるだけ薄くするのが好ましい。
また、本実施形態の具体的構成例では、第１回折格子層２の回折格子２Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層１０２の厚さを２５ｎｍとし、第２回折格子層３の回折格子３Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層１０４の厚さ２０ｎｍとし、第１回折格子層２と第２回折格子層３とが異なる厚さを有するものとして構成されている。
また、第１回折格子層２の回折格子２Ａを構成する半導体層１０２，１０３の屈折率差を、第２回折格子層３の回折格子３Ａを構成する半導体層１０４，１０７の屈折率差よりも大きくし、第１回折格子層２と第２回折格子層３とが異なる屈折率差を有するものとして構成されている。
このため、第１回折格子層２と第２回折格子層３とは、回折格子２Ａ，３Ａのデューティ比が同一であるが、回折格子２Ａ，３Ａの結合係数は異なる。
このように、本実施形態の構成によれば、複数の回折格子層２，３を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、所望の要求を満たす素子を実現できるようになり、素子特性を向上させることができる。
本実施形態のように複数の回折格子層を積層することなく、例えば表面回折格子（基板表面に凹凸を形成し、これを半導体層で埋め込むことによって形成される回折格子、あるいは、一の半導体層の表面に凹凸を形成し、これを他の半導体層で埋め込むことによって形成される回折格子）のみを用いて結合係数のコントラストを大きくしようとすると、例えば、結合係数を大きくする領域の回折格子の深さを約１７ｎｍ程度に深くし、結合係数を小さくする領域の回折格子の深さを約７ｎｍ程度に浅くしなければならず、共に回折格子の深さが１ｎｍずれてしまうと結合係数の値が約４ｃｍ−１変動してしまうことになる。
つまり、このような回折格子を、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングを用いて加工する場合、上記非特許文献５によるとエッチレートは５５ｎｍ／ｍｉｎであるため、７ｎｍのエッチングに要する時間は約７．６秒と非常に短く、エッチングプラズマの立ち上がりのばらつきや高周波スイッチのオフのタイミングを０．１秒のオーダで制御することはほぼ不可能である。
このため、エッチング時間に換算すると大体±１秒の誤差が生じることと同等と考えることができ、この場合、エッチング深さのばらつきは約±１ｎｍとなり、これによる結合係数のばらつきは約±４ｃｍ−１となる。
この例の加工精度を仮に適用し、共振器内全体で結合係数が小さくなる方向に変動したとすると、発振しきい値利得が、変動しない場合と比べて約１．４倍の値となり、これはレーザの発振しきい値の上昇をもたらすことになる。
これに対し、本実施形態では、複数の回折格子層２，３を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、結合係数のコントラストを大きくするために回折格子の深さ（厚さ）を非常に浅く（薄く）する必要はない。このため、結合係数のばらつきが許容範囲内となるように回折格子の厚さを設定することで、レーザの発振しきい値の上昇を抑えることが可能である。
また、例えば表面回折格子のみを用いて結合係数のコントラストを大きくしようとすると、非常に深い部分と非常に浅い部分を含む凹凸を埋込層によって埋め込むことになるため、埋込層の厚さを厚くしないと、その表面が平坦にならない。しかしながら、埋込層の厚さを厚くすると、所望の結合係数が得られないことになる。
これに対し、本実施形態では、複数の回折格子層２，３を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、結合係数のコントラストを大きくするために埋込層によって埋め込まれる溝を非常に深い部分と非常に浅い部分とを含むものにする必要はない。このため、埋込層の厚さをそれほど厚くしなくても、その表面を平坦にすることができ、所望の結合係数が得られることになる。
また、本実施形態では、上述のように、分断されたＧａＩｎＡｓＰ層１０２，１０４をＩｎＰ層１０３，１０７によって埋め込むことによって形成される埋込回折格子２，３を用いているため、回折格子を精度良く安定して作製でき、歩留まりを向上させることができる。
まず、表面回折格子を用いる場合、基板の途中又は一の半導体層の途中でエッチングを止めることで回折格子の深さが規定されることになるため、結合係数を精度良く制御するのは難しい。
これに対し、分断された一の半導体層を他の半導体層によって埋め込むことによって形成される埋込回折格子を形成する場合、一の半導体層を分断するためのエッチングは、一の半導体層を全部除去し、その下側の半導体層の途中まで除去したところで止めれば良い。そして、その下側の半導体層と同じ半導体材料からなる他の半導体層によって埋め込むことで、エッチング深さのばらつきを吸収することができる。この場合、一の半導体層の厚さによって回折格子の深さが決まるため、結合係数を精度良く制御することが可能であり、歩留まりを向上させることができる。
次に、通常、表面回折格子を用いる場合、ＩｎＰ基板の表面上に凹凸を形成し、その上にＧａＩｎＡｓＰ四元混晶成長をさせることになるため、回折格子の深さが深くなるほど組成変調や結晶欠陥が発生しやすくなる。また、結晶成長昇温時にマストランスポートによりＩｎＰ基板上に形成された凹凸が変形してしまう場合がある。これらの結果、設計どおりの結合係数が得られにくい。
また、深い回折格子は採用しにくいため、大きな結合係数を得るために、ＩｎＰとの屈折率差ができるだけ大きな四元混晶半導体層を用いなくてはならない。この場合、組成波長１．３μｍよりも長波の組成の半導体材料を用いると、今度は光の吸収が増大してしまい、レーザ特性を劣化させることになる。
これに対し、分断されたＧａＩｎＡｓＰ層１０２，１０４をＩｎＰ層（埋込層）１０３，１０７によって埋め込むことによって形成される埋込回折格子２，３は、ＧａＩｎＡｓＰ四元混晶層をＩｎＰ埋込層で埋め込むため、基本的に分断されたＧａＩｎＡｓＰ層１０２，１０４の変形は生じない。
また、表面回折格子の場合と比較して、ＧａＩｎＡｓＰ層１０２，１０４に形成される溝の深さが深くても、ＩｎＰ埋込層１０３，１０７で埋め込むため、組成変調（屈折率変調）は発生しない。
このため、設計どおりの結合係数を得ることができ、歩留まりを向上させることができる。また、複数の回折格子層２，３を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、結合係数のコントラストを大きくするために一のＧａＩｎＡｓＰ層に形成される溝の深さを非常に深くする必要がないため、結晶欠陥が発生しにくく、また、ＩｎＰとの屈折率差がそれほど大きなものを用いなくても良いため、レーザ特性を劣化させることもない。
また、回折格子の変形、組成変調、結晶欠陥等が生じることなく、回折格子を形成することができるため、仮に埋込層を５０ｎｍ以上と厚くしても所望の結合係数が得られ、ＩｎＰ埋込層１０７の表面上に活性層１０８を成長しても結晶的に問題ない程度まで平坦にすることが可能となる。
さらに、ＩｎＰ埋込層１０７の厚さ（スペーサ層５の厚さ；活性層１０８と第２回折格子層３との間の間隔）を変化させることで、全体の結合係数の値を微調整することができる。
次に、本実施形態の具体的構成例にかかるＤＦＢレーザの製造方法について、図２（Ａ）〜図４（Ｅ）を参照しながら説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ２５ｎｍ；基板１０１と屈折率が異なる層）１０２、ｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；基板１０１と屈折率が同一の層）１０３、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ；基板１０１と屈折率が異なる層）１０４を、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、順次積層させる。なお、ｎ型ドープＩｎＰ基板１０１とｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層１０２との間にｎ型ドープＩｎＰクラッド層を形成しても良い。
次に、図２（Ｂ）に示すように、例えば、電子ビーム露光法によって、回折格子パターンを有し、電子ビームレジスト（日本ゼオン製ＺＥＰ５２０）からなるマスク１０５を、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４の表面上に形成する。
なお、ここでは、マスク１０５に形成された回折格子パターンには、個々の素子の共振器中央に位相がπラジアンの位相シフト（λ／４位相シフト）を形成するためのパターンが含まれている。
次いで、このマスク１０５を用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４及びｎ型ＩｎＰ層１０３の一部を除去する。
ここでは、図２（Ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４を分断し、ｎ型ＩｎＰ層１０３の途中でエッチングが停止するようにしている。これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４の全面に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４が分断されることになる。
次に、この表面上に、図２（Ｄ）に示すように、例えばポジ型フォトレジスト（東京応化製ＯＦＰＲ８６００；例えば厚さ３００ｎｍ）１０６を塗布する。なお、マスク１０５を構成する電子ビームレジストとポジ型フォトレジスト１０６は混ざり合うことはないため、マスク１０５が変形することはない。
次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、図２（Ｅ）に示すように、ポジ型フォトレジスト１０６の一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）を除去して、光導波路に沿う方向の両端側の部分を覆う（マスク１０５の一部の領域の表面を覆う；光導波路の両端側の領域に対応する領域の表面を覆う）ポジ型フォトレジストマスク１０６Ａを形成する。
その後、再び表面に露出した電子ビームレジストマスク１０５とポジ型フォトレジストマスク１０６Ａを用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＩｎＰ層１０３の残りの部分、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２及びｎ型ＩｎＰ基板１０１の一部を除去する。
ここでは、図３（Ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ層１０３とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２を分断し、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の途中（ここではエッチング深さ１０ｎｍの位置）でエッチングが停止するようにしている。
これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２の一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２が分断されることになる。
この場合、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４に形成される回折格子パターンと、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２に形成される回折格子パターンとは、同じマスク１０５を用いて形成されるため、後述のようにして形成される第１回折格子層２と第２回折格子層３とは、対応する領域に形成される回折格子２Ａ，３Ａの位相、周期、デューティ比が同一になる。
なお、ここでは、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２の厚さ及び屈折率（第１回折格子層２の厚さ及び屈折率差）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４の厚さ及び屈折率（第２回折格子層３の厚さ及び屈折率差）とは異なる。このため、第１回折格子層２に含まれる回折格子２Ａの結合係数と第２回折格子層３に含まれる回折格子３Ａの結合係数とは異なる。
ここで、各回折格子層２，３は、層内でデューティ比が一定になっている。この場合、エッチングマスクの回折格子パターン（マスクパターン）の幅を変化させる必要がないため、回折格子の加工精度が安定する。ここでは、各回折格子層２，３は、層内で厚さ及び屈折率差も一定であるため、層内で回折格子の結合係数は一定である。
そして、図３（Ｂ）に示すように、マスク１０５及びマスク１０６Ａを通常のレジスト剥離方法を用いて表面から除去する。
次いで、図３（Ｃ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、全面にｎ型ドープＩｎＰ層（基板１０１と屈折率が同一の層）１０７を成長させる。これにより、ｎ型ＩｎＰ層１０３の途中でエッチングが停止されて形成された溝、及び、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の途中でエッチングが停止されて形成された溝がｎ型ＩｎＰ層１０７によって埋め込まれる。
この結果、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０２がｎ型ＩｎＰ層１０７によって埋め込まれて、一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）に回折格子２Ａが形成されている第１回折格子層２が形成される。また、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層１０４がｎ型ＩｎＰ層１０７によって埋め込まれて、全面（光導波路に沿う方向の全長）に回折格子３Ａが形成されている第２回折格子層３が形成される。
さらに、第１回折格子層２と第２回折格子層３との間にはｎ型ＩｎＰ層１０３及びｎ型ＩｎＰ層１０７の一部によってスペーサ層４が形成される。また、第２回折格子層３の上側にはｎ型ＩｎＰ層１０７の一部によってスペーサ層５が形成される。
次に、図３（Ｄ）に示すように、量子井戸活性層１０８、ｐ型ドープＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２５０ｎｍ）１０９を、例えばＭＯＶＰＥ法によって順次積層させる。
ここで、量子井戸活性層１０８は、ＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体材料を用いて構成されている。つまり、量子井戸活性層１０８は、アンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（例えば、厚さ５．１ｎｍ、圧縮歪量１．０％）、及び、アンドープＧａＩｎＡｓＰバリア層（例えば、組成波長１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ）で構成され、量子井戸層の層数は６層であり、その発光波長は１５６０ｎｍである。
なお、量子井戸活性層１０８の上下に、量子井戸活性層１０８を挟み込むように、アンドープＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層（光ガイド層；例えば、波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ）を設けても良い。
その後、半導体表面に、図３（Ｅ）に示すように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）及びフォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ２からなるマスク（例えば、厚さ４００ｎｍ、幅１．６μｍのストライプ状のエッチングマスク）１１０を形成する。
そして、図４（Ａ）に示すように、例えばドライエッチング法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１０１が例えば０．７μｍ程掘り込まれる深さまで、上述のようにして形成された半導体積層構造をエッチングし、ストライプ状のメサ構造（メサストライプ）を形成する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、このメサ構造の両側に、ｐ型ＩｎＰ層１１１／ｎ型ＩｎＰ層１１２／ｐ型ＩｎＰ層１１３で構成される電流狭窄層を、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて成長させ、エッチングマスク１１０を例えばふっ酸で除去した後、図４（Ｃ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２．２μｍ）１１４、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（例えば厚さ３００ｎｍ）１１５を順次成長させる。
そして、図４（Ｄ）に示すように、ｐ側電極１１６及びｎ側電極１１７を形成した後、図４（Ｅ）に示すように、素子の両端面に無反射コート１１８，１１９を形成して、素子が完成する。
したがって、本実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法によれば、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造の光素子において、回折格子を精度良く安定して作製できるようになり、歩留まりが向上するとともに、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことができ、素子特性を向上させることができるという利点がある。
また、回折格子を精度良く安定して作製できるため、素子特性のばらつきを抑制することができ、素子特性を向上させることもできる。また、結合係数の制御性や結合係数の設計自由度も向上する。
特に、上述の実施形態の構成によれば、各回折格子層を構成する一の半導体層と他の半導体層との間の屈折率差、各回折格子層の厚さ、及び、各回折格子層の間隔（スペーサ層の厚さ）をすべて任意に設定可能であるため、例えば数ｃｍ−１から数１００ｃｍ−１に亘る、非常に広い範囲の値の結合係数を持つ回折格子を精度良く作製することが可能となる。この場合、複数の回折格子層の層数が多いほど設計可能な結合係数の範囲が拡大する。
また、上述の実施形態の製造方法では、複数の回折格子層の中で下側の回折格子層が回折格子が形成されていない領域を有するものとなるため、複数の回折格子層が光導波路に対して基板側に装荷されているほど設計可能な結合係数の範囲が拡大する。
なお、上述のように構成されるＤＦＢレーザは、例えば、上記非特許文献６あるいは上記特許文献２に記載されているように、共振器方向で駆動電極を３分割し、中央の電極の注入電流を変調することでＦＭ変調光源として用いることもできる。
このようなレーザ光源は、例えばコヒーレント光伝送に用いられる。変調効率の向上には中央電極への変調電流幅を増加させることが必要であるが、過剰に電流振り幅を増大させると軸方向ホールバーニングの影響を増幅してしまい、単一モード安定性が損なわれてしまう。そこで、ＦＭ変調効率を向上させるために、軸方向ホールバーニングが増大しても主モードと副モードの間のモード間利得差の減少を抑制する構造として、上述のような構造、即ち、共振器中央の結合係数が大きく、両端の結合係数が中央に比べて小さくなっている構造を用いることができる（上記非特許文献２参照）。
この構造によれば、縦モードの主副モード間の規格化しきい値利得差の値が１．７となり、通常のλ／４シフトＤＦＢレーザの０．７２に対して約２．４倍となるため、高電流注入時に軸方向ホールバーニングの影響によって規格化しきい値利得差が減少しても、通常のレーザの場合と異なり、単一モード動作を維持するために最低限必要な規格化しきい値利得差０．２を下回ることがなく（上記非特許文献３参照）、安定した単一縦モード動作を保ちながらＦＭ変調効率を向上させることが可能となる（上記非特許文献４参照）。
上述の実施形態のＤＦＢレーザにおいては、中央の回折格子が２層になっている領域の規格化結合係数κＬが５、両側の回折格子が１層になっている領域の規格化結合係数κＬが２、そして、両側の回折格子が１層になっている領域の全体の共振器長に対する長さの割合が０．１８となるように設計することによって、縦モードの主副モード間規格化しきい値利得差の値が１．７となり、通常のλ／４シフトＤＦＢレーザの０．７２に対して約２．４倍となるため、より安定した縦単一モード動作を実現することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光素子及びその製造方法について、図５〜図８（Ｅ）を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法は、上述の第１実施形態のものに対し、図５，図８（Ｅ）に示すように、３層の回折格子層２０，３０，４０を設けている点、ＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体材料を用いて量子井戸活性層２１１を構成している点、半絶縁性埋込ヘテロ構造（ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure；高抵抗埋込構造）を用いている点が異なる。
つまり、本実施形態にかかる光素子は、例えば、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造を有するＤＦＢ（Distributed Feed-Back；分布帰還型）レーザ（レーザ素子；導波路型光素子；アクティブ型光素子；発光素子；符号多重通信用デバイス）であって、図５に示すように、光導波路１と、光導波路１に沿って設けられた複数（ここでは３つ）の回折格子層２０，３０，４０とを備える。
ここでは、図５に示すように、複数の回折格子層として、第１回折格子層２０と、第２回折格子層３０と、第３回折格子層４０とが設けられており、これらの回折格子層２０，３０，４０は、光導波路１の下側（光導波路１に対して基板側；光導波路１の片側）に全て設けられている。
各回折格子層２０，３０，４０は、図５に示すように、分断された一の半導体層２０２，２０４，２０６と、一の半導体層２０２，２０４，２０６と屈折率が異なり、一の半導体層２０２，２０４，２０６を埋め込む他の半導体層２０３，２０７，２１０とによって構成される回折格子（埋込回折格子；埋込型回折格子）２０Ａ，３０Ａ，４０Ａを含むものとして構成される。
また、複数の回折格子層２０，３０，４０は、対応する領域に形成されている回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａの位相、周期、デューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）が同一になっている。なお、本実施形態では、各回折格子層２０，３０，４０に備えられる回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａのデューティ比は、それぞれ、一定になっている。
本実施形態では、第１回折格子層２０は、図５に示すように、回折格子２０Ａが光導波路１に沿う方向（共振器の長さ方向）の中央近傍領域のみに形成されている。つまり、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の中央近傍領域である。
また、第２回折格子層３０は、図５に示すように、回折格子３０Ａが光導波路１に沿う方向（共振器の長さ方向）の中央領域のみに形成されている。つまり、第２回折格子層３０の回折格子３０Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の中央領域である。
さらに、第３回折格子層４０は、図５に示すように、回折格子４０Ａが光導波路１に沿う方向の全長にわたって形成されている。つまり、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の全領域である。
このように、本実施形態では、図５に示すように、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが、第２回折格子層３０の回折格子３０Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さよりも短くなっている。また、第２回折格子層３０の回折格子３０Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さよりも短くなっている。つまり、第１回折格子層２０、第２回折格子層３０、第３回折格子層４０で回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａが形成されている領域の長さが異なっている。この場合、これらの回折格子層２０，３０，４０の対応する領域は、光導波路１に沿う方向の中央近傍領域である。
なお、本実施形態では、複数の回折格子層として３つの回折格子層２０，３０，４０を設けており、これらの回折格子層２０，３０，４０の回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａが形成されている領域の長さが互いに異なっているが、これに限られるものではない。例えば、第４回折格子層（回折格子が形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが第１回折格子層２０又は第２回折格子層３０と同じ層）をさらに設け、光導波路１に沿う方向の中央領域又は中央近傍領域において、より結合係数を大きくするようにしても良い。このため、複数の回折格子層は、回折格子が形成されている領域の長さが異なる少なくとも２つの回折格子層を含んでいれば良い。
このように、本実施形態では、埋込回折格子を用い、埋込回折格子が形成されている領域を含む複数の回折格子層を多層化し、結合係数を最大にしたい領域では多層化された回折格子層のすべて（ここでは第１回折格子層２０、第２回折格子層３０、第３回折格子層４０の３つ）に埋込回折格子を形成し、結合係数をそれよりも小さくしたい領域では、段階的に、一部の回折格子層（ここでは第２回折格子層３０、又は、第２回折格子層３０及び第３回折格子層４０）にだけ回折格子を形成するようにしている。
本実施形態では、図５に示すように、第１回折格子層２０上に第２回折格子層３０及び第３回折格子層４０が積層されており、光導波路１に沿う方向の中央近傍領域で各回折格子層２０，３０，４０の回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａが積層され、光導波路１に沿う方向の中央領域で各回折格子層３０，４０の回折格子３０Ａ，４０Ａが積層された構造になっている。つまり、回折格子の積層数が光導波路１に沿う方向で異なるように構成されている。このようにして、光導波路１に沿う方向の中央近傍領域の結合係数が大きくなり、段階的に、中央領域、両端面近傍領域の結合係数が小さくなるようにしている。
具体的には、本ＤＦＢレーザ（光半導体素子）は、図５に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板２０１上に、中央近傍領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ１５ｎｍ）２０２を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；埋込層）２０３によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子２０Ａを含む第１回折格子層２０と、中央領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ２０ｎｍ）２０４を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；埋込層）２０５によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子３０Ａを含む第２回折格子層３０と、全領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ１５ｎｍ）２０６を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層２１０によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子４０Ａを含む第３回折格子層４０と、導波路コア層として量子井戸活性層２１１を含む光導波路１とを備えるものとして構成される。
このように、本実施形態の具体的構成例では、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａを、組成波長１．２５μｍのｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層２０２とｎ型ドープＩｎＰ層２０３とによって構成し、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａを、組成波長１．１５μｍのｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層２０６とｎ型ドープＩｎＰ層２１０とによって構成することで、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａを構成する半導体層２０２，２０３の屈折率差を、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａを構成する半導体層２０６，２１０の屈折率差よりも大きくしている。このように、第１回折格子層２０の厚さをそれほど厚くしないで結合係数を大きくして、結合係数が大きい領域と結合係数が小さい領域との間の結合係数差を大きくしている。
また、ｎ型ＩｎＰ埋込層２０３のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の間に埋め込まれた部分は回折格子２０Ａを構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層２０５のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の間に埋め込まれた部分は回折格子３０Ａを構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層２１０のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の間に埋め込まれた部分は回折格子４０Ａを構成する。そして、ｎ型ＩｎＰ埋込層２０３のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の上側に形成される部分は第１回折格子層２０と第２回折格子層３０との間のスペーサ層４１を構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層２０５のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の上側に形成される部分は第２回折格子層３０と第３回折格子層４０との間のスペーサ層４２を構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層２１０のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の上側に形成される部分は第３回折格子層４０と活性層２１１との間のスペーサ層（クラッド層）５１を構成する。なお、スペーサ層４１，４２の厚さは、エッチングのばらつきを吸収できる程度にできるだけ薄くするのが好ましい。
本実施形態の具体的構成例では、ｎ型ドープＩｎＰ層２０３の厚さを１５ｎｍとし、ｎ型ドープＩｎＰ層２０５の厚さを１５ｎｍとし、スペーサ層４１とスペーサ層４２の厚さを同一にして、第１回折格子層２０、第２回折格子層３０、第３回折格子層４０を同一の間隔をあけて設けている。
また、本実施形態の具体的構成例では、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層２０２の厚さを１５ｎｍとし、第２回折格子層３０の回折格子３０Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層２０４の厚さ２０ｎｍとし、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層２０６の厚さを１５ｎｍとし、第１回折格子層２０又は第３回折格子層４０と第２回折格子層３０とが異なる厚さを有するものとして構成されている。つまり、複数の回折格子層は、厚さが異なる回折格子層を含み、一部の回折格子層の厚さが異なる。
また、第１回折格子層２０の回折格子２０Ａを構成する半導体層２０２，２０３の屈折率差、又は、第２回折格子層３０の回折格子３Ａを構成する半導体層２０４，２０５の屈折率差を、第３回折格子層４０の回折格子４０Ａを構成する半導体層２０６，２１０の屈折率差よりも大きくし、第１回折格子層２０又は第２回折格子層３０と第３回折格子層４０とが異なる屈折率差を有するものとして構成されている。つまり、複数の回折格子層は、屈折率差が異なる回折格子層を含み、一部の回折格子層の回折格子を構成する半導体層の屈折率差が異なる。
このため、第１回折格子層２０、第２回折格子層３０、第３回折格子層４０は、回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａのデューティ比が同一であるが、回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａの結合係数は異なる。
このように、本実施形態の構成によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、複数の回折格子層２０，３０，４０を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、所望の要求を満たす素子を実現できるようになり、素子特性を向上させることができる。
なお、その他の構成の詳細については、上述の第１実施形態の構成及びその具体的な構成例と同様であるため、ここでは、説明を省略する。
次に、本実施形態の具体的構成例にかかるＤＦＢレーザの製造方法について、図６（Ａ）〜図８（Ｅ）を参照しながら説明する。
まず、図６（Ａ）に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ１５ｎｍ；基板２０１と屈折率が異なる層）２０２、ｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；基板２０１と屈折率が同一の層）２０３、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．２５μｍ、厚さ２０ｎｍ；基板２０１と屈折率が異なる層）２０４、ｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ１５ｎｍ；基板２０１と屈折率が同一の層）２０５、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ１５ｎｍ；基板２０１と屈折率が異なる層）２０６を、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、順次積層させる。なお、ｎ型ＩｎＰ基板２０１とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２との間にｎ型ＩｎＰクラッド層を形成しても良い。
次に、図６（Ｂ）に示すように、例えば、電子ビーム露光法によって、回折格子パターンを有し、電子ビームレジスト（日本ゼオン製ＺＥＰ５２０）からなるマスク２０７を、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の表面上に形成する。
なお、ここでは、マスク２０７に形成された回折格子パターンには、個々の素子の共振器中央に位相がπラジアンの位相シフト（λ／４位相シフト）を形成するためのパターンが含まれている。
次いで、このマスク２０７を用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６及びｎ型ドープＩｎＰ層２０５の一部を除去する。ここでは、図６（Ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６を分断し、ｎ型ＩｎＰ層２０５の途中でエッチングを停止するようにしている。これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の全面に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６が分断されることになる。
次に、この表面に、図６（Ｃ）に示すように、例えばポジ型フォトレジスト（東京応化製ＯＦＲ８６００；厚さ３００ｎｍ）２０８を塗布する。なお、マスク２０７を構成する電子ビームレジストとポジ型フォトレジスト２０８は混ざり合うことはないため、マスク２０７が変形することはない。
次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、図６（Ｄ）に示すように、ポジ型フォトレジスト２０８の一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）を除去して、光導波路に沿う方向の両端側近傍部分を覆う（マスク２０７の一部の領域の表面を覆う；光導波路の両端側の領域に対応する領域の表面を覆う）ポジ型フォトレジストマスク２０８Ａを形成する。
その後、再び表面に露出した電子ビームレジストマスク２０７とポジ型フォトレジストマスク２０８Ａを用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＩｎＰ層２０５の残りの部分、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４、ｎ型ＩｎＰ層２０３の一部を除去する。
ここでは、図６（Ｅ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ層２０５とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４を分断し、ｎ型ＩｎＰ層２０３の途中でエッチングを停止するようにしている。
これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４が分断されることになる。
次に、この表面に、図７（Ａ）に示すように、例えばネガ型フォトレジスト（東京応化製ＯＭＲ８５；厚さ３００ｎｍ）２０９を塗布する。なお、マスク２０７を構成する電子ビームレジスト、マスク２０８Ａを構成するポジ型フォトレジスト２０８、ネガ型フォトレジスト２０９は混ざり合うことはないため、マスク２０７が変形することはない。
次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、図７（Ｂ）に示すように、ネガ型フォトレジスト２０９の一部（ここでは共振器中央部分に含まれる共振器中央近傍部分；光導波路に沿う方向の中央領域に含まれる中央近傍領域）を除去して、光導波路に沿う方向の両端側の部分を覆う（ポジ型フォトレジスト２０８の一部の領域の表面を覆う；光導波路の両端側の領域に対応する領域の表面を覆う）ネガ型フォトレジストマスク２０９Ａを形成する。
その後、再び表面に露出した電子ビームレジストマスク２０７、ポジ型フォトレジストマスク２０８Ａ及びネガ型フォトレジストマスク２０９Ａを用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＩｎＰ層２０３、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の一部を除去する。
ここでは、図７（Ｃ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ層２０３とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２を分断し、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の途中（ここではエッチング深さが１０ｎｍの位置）でエッチングを停止するようにしている。
これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の一部（ここでは共振器中央近傍部分；光導波路に沿う方向の中央近傍領域）に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２が分断されることになる。
この場合、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２に形成される回折格子パターンと、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４に形成される回折格子パターンと、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６に形成される回折格子パターンとは、同じマスク２０７を用いて形成されるため、後述のようにして形成される第１回折格子層２０、第２回折格子層３０、第３回折格子層４０とは、対応する領域に形成される回折格子２０Ａ，３０Ａ，４０Ａの位相、周期、デューティ比が同一になる。
なお、ここでは、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の厚さ（第１回折格子層２０の厚さ）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の厚さ（第３回折格子層４０の厚さ）とは同一であるが、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の屈折率（第１回折格子層２０の屈折率差）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の屈折率（第３回折格子層４０の屈折率差）とは異なる。このため、第１回折格子層２０に含まれる回折格子２０Ａの結合係数と第３回折格子層４０に含まれる回折格子４０Ａの結合係数とは異なる。
また、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の屈折率（第１回折格子層２０の屈折率差）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の屈折率（第２回折格子層３０の屈折率差）とは同一であるが、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の厚さ（第１回折格子層２０の厚さ）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の厚さ（第２回折格子層３０の厚さ）とは異なる。このため、第１回折格子層２０に含まれる回折格子２０Ａの結合係数と第２回折格子層３０に含まれる回折格子３０Ａの結合係数とは異なる。
また、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の厚さ及び屈折率（第２回折格子層３０の厚さ及び屈折率差）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６の厚さ及び屈折率（第３回折格子層４０の厚さ及び屈折率差）とは異なる。このため、第２回折格子層３０に含まれる回折格子３０Ａの結合係数と第３回折格子層４０に含まれる回折格子４０Ａの結合係数とは異なる。
ここで、各回折格子層２０，３０，４０は、層内でデューティ比が一定になっている。この場合、エッチングマスクの回折格子パターン（マスクパターン）の幅を変化させる必要がないため、回折格子の加工精度が安定する。ここでは、各回折格子層２０，３０，４０は、層内で厚さ及び屈折率差も一定であるため、層内で回折格子の結合係数は一定である。
そして、図７（Ｄ）に示すように、マスク２０７、マスク２０８Ａ及びマスク２０９Ａを通常のレジスト剥離方法を用いて表面から除去する。
次いで、図７（Ｅ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、全面にｎ型ドープＩｎＰ層（基板２０１と屈折率が同一の層）２１０を成長させる。これにより、ｎ型ＩｎＰ層２０５の途中でエッチングが停止されて形成された溝、ｎ型ＩｎＰ層２０３の途中でエッチングが停止されて形成された溝、及び、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の途中でエッチングが停止されて形成された溝がｎ型ＩｎＰ層２１０によって埋め込まれる。
この結果、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２がｎ型ＩｎＰ層２１０によって埋め込まれて、一部（ここでは共振器中央近傍部分；光導波路に沿う方向の中央近傍領域）に回折格子２０Ａが形成されている第１回折格子層２０が形成される。また、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４がｎ型ＩｎＰ層２１０によって埋め込まれて、一部（ここでは共振器中央部分；光導波路に沿う方向の中央領域）に回折格子３０Ａが形成されている第２回折格子層３０が形成される。さらに、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０６がｎ型ＩｎＰ層２１０によって埋め込まれて、全面（光導波路に沿う方向の全長）に回折格子４０Ａが形成されている第３回折格子層４０が形成される。
さらに、第１回折格子層２０と第２回折格子層３０との間にはｎ型ＩｎＰ層２０３及びｎ型ＩｎＰ層２１０の一部によってスペーサ層４１が形成される。また、第２回折格子層３０と第３回折格子層４０との間にはｎ型ＩｎＰ層２０５及びｎ型ＩｎＰ層２１０の一部によってスペーサ層４２が形成される。さらに、第３回折格子層４０の上側にはｎ型ＩｎＰ層２１０の一部によってスペーサ層５１が形成される。
ここで、第１回折格子層２０と第２回折格子層３０との間のスペーサ層４１の厚さはｎ型ＩｎＰ層２０３の厚さ（ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の上側に形成された部分の厚さ）によって決まり、第２回折格子層３０と第３回折格子層４０との間のスペーサ層４２の厚さはｎ型ＩｎＰ層２０５の厚さ（ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の上側に形成された部分の厚さ）によって決まり、いずれも１５ｎｍで同一であるため、各回折格子層２０，３０，４０は同一の間隔をあけて設けられていることになる。
次に、図８（Ａ）に示すように、量子井戸活性層２１１、ｐ型ドープＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２．５μｍ）２１２、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層２１３（例えば厚さ３００ｎｍ）を、例えばＭＯＶＰＥ法によって順次積層させる。
ここで、量子井戸活性層２１１は、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層（例えば、厚さ６．０ｎｍ、圧縮歪量１．０％）、及び、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層（例えば、組成波長１．０５μｍ、厚さ１０ｎｍ）で構成され、量子井戸層の層数は１０層であり、その発光波長は１３１０ｎｍである。
なお、量子井戸活性層２１１の上下に、量子井戸活性層２１１を挟み込むように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ（例えば、波長１．０μｍ、厚さ２０ｎｍ）を設けても良い。
その後、半導体表面に、図８（Ｂ）に示すように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）及びフォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ２からなるマスク（例えば、厚さ４００ｎｍ、幅１．３μｍのストライプ状のエッチングマスク）２１４を形成する。
そして、図８（Ｃ）に示すように、例えばドライエッチング法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１が例えば０．７μｍ程掘り込まれる深さまで、上述のようにして形成された半導体積層構造をエッチングし、ストライプ状のメサ構造（メサストライプ）を形成する。
次に、図８（Ｄ）に示すように、このメサ構造の両側に、Ｆｅドープ型ＩｎＰで構成される電流狭窄層２１５を、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて成長させ、エッチングマスク２１４を例えばふっ酸で除去した後、図８（Ｅ）に示すように、ｐ側電極２１６及びｎ側電極２１７を形成した後、素子の両端面に無反射コート２１８，２１９を形成して、素子が完成する。
したがって、本実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造の光素子において、回折格子を精度良く安定して作製できるようになり、歩留まりが向上するとともに、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことができ、素子特性を向上させることができるという利点がある。
また、回折格子を精度良く安定して作製できるため、素子特性のばらつきを抑制することができ、素子特性を向上させることもできる。また、結合係数の制御性や結合係数の設計自由度も向上する。
特に、本実施形態の素子では、上述の第１実施形態のものと比較して、結合係数がさらに中央に強く分布するように構成されているため、より高いＦＭ変調効率が得られ、また、単一モード発振の安定性も高まるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、各回折格子層２０，３０，４０は同一の間隔をあけて設けられているが、これに限られるものではない。例えば、上述の実施形態の構成において、図９に示すように、第１回折格子層２０と第２回折格子層３０との間隔（スペーサ層４１の厚さ；ｎ型ＩｎＰ層２０３のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０２の上側部分の厚さ）を例えば２５ｎｍとし、第２回折格子層３０と第３回折格子層４０との間隔（スペーサ層４２の厚さ；ｎ型ＩｎＰ層２０５のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層２０４の上側部分の厚さ）を例えば１０ｎｍとして、各回折格子層２０，３０，４０を、異なる間隔をあけて設けても良い。また、回折格子層を３層よりも多く設ける場合には、複数の回折格子層は、同一の間隔をあけて設けても良いし、異なる間隔をあけて設けても良いし、一部が異なる間隔をあけて設けても良い。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態にかかる光素子及びその製造方法について、図１０〜図１３（Ｅ）を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法は、上述の第１実施形態のものに対し、図１０に示すように、複数の回折格子層２１，３１に含まれる回折格子２１Ａ，３１Ａが積層されている領域を光導波路１に沿う方向の両端側の領域にしている点、及び、複数の回折格子層２１，３１の厚さを同一にしている点、複数の回折格子層２１，３１の間隔の大きさが異なる。
つまり、本実施形態にかかる光素子は、例えば、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造を有するＤＦＢ（Distributed Feed-Back；分布帰還型）レーザ（レーザ素子；導波路型光素子；アクティブ型光素子；発光素子；符号多重通信用デバイス）であって、図１０に示すように、光導波路１と、光導波路１に沿って設けられた複数（ここでは２つ）の回折格子層２１，３１とを備える。
ここでは、図１０に示すように、複数の回折格子層として、第１回折格子層２１と、第２回折格子層３１とが設けられており、これらの回折格子層２１，３１は、光導波路１の下側（光導波路１に対して基板側；光導波路１の片側）に全て設けられている。
各回折格子層２１，３１は、図１０に示すように、分断された一の半導体層３０２，３０４と、一の半導体層３０２，３０４と屈折率が異なり、一の半導体層３０２，３０４を埋め込む他の半導体層３０３，３０７とによって構成される回折格子（埋込回折格子；埋込型回折格子）２１Ａ，３１Ａを含むものとして構成される。
また、複数の回折格子層２１，３１は、対応する領域に形成されている回折格子２１Ａ，３１Ａの位相、周期、デューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）が同一になっている。なお、本実施形態では、各回折格子層２１，３１に備えられる回折格子２１Ａ，３１Ａのデューティ比は、それぞれ、一定になっている。
本実施形態では、第１回折格子層２１は、図１０に示すように、回折格子２１Ａが光導波路１に沿う方向（共振器の長さ方向）の両端側の領域のみに形成されている。つまり、第１回折格子層２１の回折格子２１Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の両端側の領域である。
また、第２回折格子層３１は、図１０に示すように、回折格子３１Ａが光導波路１に沿う方向の全長にわたって形成されている。つまり、第２回折格子層３１の回折格子３１Ａが形成されている領域は、光導波路１に沿う方向の全領域である。
このように、本実施形態では、第１回折格子層２１の回折格子２１Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが、第２回折格子層３１の回折格子３１Ａが形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さよりも短くなっており、第１回折格子層２１と第２回折格子層３１とで回折格子２１Ａ，３１Ａが形成されている領域の長さが異なっている。この場合、これらの回折格子層２１，３１の対応する領域は、光導波路１に沿う方向の両端側の領域である。
なお、本実施形態では、複数の回折格子層として２つの回折格子層２１，３１を設けており、これらの回折格子層２１，３１の回折格子２１Ａ，３１Ａが形成されている領域の長さが互いに異なっているが、これに限られるものではない。例えば、第３回折格子層（回折格子が形成されている領域の光導波路１に沿う方向の長さが第１回折格子層２１と同じ層）をさらに設け、光導波路１に沿う方向の両端側の領域において、より結合係数を大きくするようにしても良い。このため、複数の回折格子層は、回折格子が形成されている領域の長さが異なる少なくとも２つの回折格子層を含んでいれば良い。
このように、本実施形態では、埋込回折格子を用い、埋込回折格子が形成されている領域を含む複数の回折格子層を多層化し、結合係数を最大にしたい領域では多層化された回折格子層のすべて（ここでは第１回折格子層２１と第２回折格子層３１の２つ）に埋込回折格子を形成し、結合係数をそれよりも小さくしたい領域では一部の回折格子層（ここでは第２回折格子層３１）にだけ回折格子を形成するようにしている。
具体的には、図１０に示すように、第１回折格子層２１上に第２回折格子層３１が積層されており、光導波路１に沿う方向の両端側の領域で、各回折格子層２１，３１の回折格子２１Ａ，３１Ａが積層された構造になっている。つまり、回折格子の積層数が光導波路１に沿う方向で異なるように構成されている。このようにして、光導波路１に沿う方向の両端側の領域の結合係数が大きくなり、この両端側の領域と比較してそれ以外の領域（中央領域）の結合係数が小さくなるようにしている。
具体的には、本ＤＦＢレーザ（光半導体素子）は、図１０に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板３０１上に、両端側の領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ）３０２を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ２０ｎｍ；埋込層）３０３によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子２１Ａを含む第１回折格子層２１と、全領域で分断されたｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ）３０４を、屈折率が異なるｎ型ドープＩｎＰ層３０７によって埋め込むことによって形成された埋込回折格子３１Ａを含む第２回折格子層３１と、導波路コア層として量子井戸活性層３０８を含む光導波路１とを備えるものとして構成される。
また、本実施形態の具体的構成例では、図１０に示すように、ｎ型ＩｎＰ埋込層３０３のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２の間に埋め込まれた部分は回折格子２１Ａを構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層３０７のうち、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４の間に埋め込まれた部分は回折格子３１Ａを構成する。
なお、ｎ型ＩｎＰ埋込層３０３のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２の上側に形成される部分は第１回折格子層２１と第２回折格子層３１との間のスペーサ層４３を構成し、ｎ型ＩｎＰ埋込層３０７のうち、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４の上側に形成される部分は第２回折格子層３１と活性層３０８との間のスペーサ層（クラッド層）５２を構成する。また、スペーサ層４３の厚さは、エッチングのばらつきを吸収できる程度にできるだけ薄くするのが好ましい。
また、本実施形態の具体的構成例では、第１回折格子層２１の回折格子２１Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層３０２の厚さを２０ｎｍとし、第２回折格子層３１の回折格子３１Ａを構成するｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層３０４の厚さ２０ｎｍとし、第１回折格子層２１と第２回折格子層３１とが同一の厚さを有するものとして構成されている。
また、第１回折格子層２１の回折格子２１Ａを構成する半導体層３０２，３０３の屈折率差を、第２回折格子層３１の回折格子３１Ａを構成する半導体層３０４，３０７の屈折率差と同一にし、第１回折格子層２１と第２回折格子層３１とが同一の屈折率差を有するものとして構成されている。
このため、第１回折格子層２１と第２回折格子層３１とは、回折格子２１Ａ，３１Ａのデューティ比も同一であるため、回折格子２１Ａ，３１Ａの結合係数は同一である。
このように、本実施形態の構成によれば、複数の回折格子層２１，３１を積層することによって結合係数のコントラストを大きくすることができるため、所望の要求を満たす素子を実現できるようになり、素子特性を向上させることができる。
なお、その他の構成の詳細については、上述の第１実施形態の構成及びその具体的な構成例と同様であるため、ここでは、説明を省略する。
次に、本実施形態の具体的構成例にかかるＤＦＢレーザの製造方法について、図１１（Ａ）〜図１３（Ｅ）を参照しながら説明する。
まず、図１１（Ａ）に示すように、ｎ型ドープＩｎＰ基板３０１上に、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ；基板と屈折率が異なる層）３０２、ｎ型ドープＩｎＰ層（例えば厚さ２０ｎｍ；基板と屈折率が同一の層）３０３、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰ層（例えば、組成波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ；基板と屈折率が異なる層）３０４を、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、順次積層させる。なお、ｎ型ＩｎＰ基板３０１とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２との間にｎ型ＩｎＰクラッド層を形成しても良い。
次に、図１１（Ｂ）に示すように、例えば、電子ビーム露光法によって、回折格子パターンを有し、電子ビームレジスト（日本ゼオン製ＺＥＰ５２０）からなるマスク３０５を、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４の表面上に形成する。なお、ここでは、マスク３０５に形成された回折格子パターンには、個々の素子の共振器中央に位相がπラジアンの位相シフト（λ／４位相シフト）を形成するためのパターンが含まれている。
次いで、このマスク３０５を用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４及びｎ型ＩｎＰ層３０３の一部を除去する。
ここでは、図１１（Ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４を分断し、ｎ型ＩｎＰ層３０３の途中でエッチングが停止するようにしている。これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４の全面に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４が分断されることになる。
次に、この表面に、図１１（Ｄ）に示すように、例えばポジ型フォトレジスト（東京応化製ＯＦＰＲ８６００；例えば厚さ３００ｎｍ）３０６を塗布する。なお、マスク３０５を構成する電子ビームレジストとポジ型フォトレジスト３０６は混ざり合うことはないため、マスク３０５が変形することはない。
次に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、図１１（Ｅ）に示すように、ポジ型フォトレジスト３０６の一部（ここでは共振器の両端側部分；光導波路に沿う方向の両端側の領域）を除去して、共振器中央部分を覆う（マスク３０５の一部の領域の表面を覆う；光導波路の中央領域に対応する領域の表面を覆う）ポジ型フォトレジストマスク３０６Ａを形成する。
その後、再び表面に露出した電子ビームレジストマスク３０５とポジ型フォトレジストマスク３０６Ａを用いて、例えばエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＩｎＰ層３０３の残りの部分、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２及びｎ型ＩｎＰ基板３０１の一部を除去する。
ここでは、図１２（Ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ層３０３とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２を分断し、ｎ型ＩｎＰ基板３０１の途中（ここではエッチング深さ１０ｎｍの位置）でエッチングが停止するようにしている。
これにより、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２の一部（ここでは共振器の両端側部分；光導波路に沿う方向の両端側の領域）に回折格子パターンが転写され、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２が分断されることになる。
この場合、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４に形成される回折格子パターンと、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２に形成される回折格子パターンとは、同じマスク３０５を用いて形成されるため、後述のようにして形成される第１回折格子層２１と第２回折格子層３１とは、対応する領域に形成される回折格子２１Ａ，３１Ａの位相、周期、デューティ比が同一になる。
なお、ここでは、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２の厚さ及び屈折率（第１回折格子層２１の厚さ及び屈折率差）とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４の厚さ及び屈折率（第２回折格子層３１の厚さ及び屈折率差）とは同一である。このため、第１回折格子層２１に含まれる回折格子２１Ａの結合係数と第２回折格子層３１に含まれる回折格子３１Ａの結合係数とは同一である。
ここで、各回折格子層２１，３１は、層内でデューティ比が一定になっている。この場合、エッチングマスクの回折格子パターン（マスクパターン）の幅を変化させる必要がないため、回折格子の加工精度が安定する。ここでは、各回折格子層２１，３１は、層内で厚さ及び屈折率差も一定であるため、層内で回折格子の結合係数は一定である。
そして、図１２（Ｂ）に示すように、マスク３０５及びマスク３０６Ａを通常のレジスト剥離方法を用いて表面から除去する。
次いで、図１２（Ｃ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、全面にｎ型ドープＩｎＰ層（基板３０１と屈折率が同一の層）３０７を成長させる。これにより、ｎ型ＩｎＰ層３０３の途中でエッチングが停止されて形成された溝、及び、ｎ型ＩｎＰ基板３０１の途中でエッチングが停止されて形成された溝がｎ型ＩｎＰ層３０７によって埋め込まれる。
この結果、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０２がｎ型ＩｎＰ層３０７によって埋め込まれて、一部（ここでは共振器の両端側部分；光導波路に沿う方向の両端側の領域）に回折格子２１Ａが形成されている第１回折格子層２１が形成される。また、分断されたｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層３０４がｎ型ＩｎＰ層３０７によって埋め込まれて、全面（光導波路に沿う方向の全長）に回折格子３１Ａが形成されている第２回折格子層３１が形成される。
さらに、第１回折格子層２１と第２回折格子層３１との間にはｎ型ＩｎＰ層３０３及びｎ型ＩｎＰ層３０７の一部によってスペーサ層４３が形成される。また、第２回折格子層３１の上側にはｎ型ＩｎＰ層３０７の一部によってスペーサ層５２が形成される。
次に、図１２（Ｄ）に示すように、量子井戸活性層３０８、ｐ型ドープＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２５０ｎｍ）３０９を、例えばＭＯＶＰＥ法によって順次積層させる。
ここで、量子井戸活性層３０８は、アンドープＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（例えば、厚さ５．１ｎｍ、圧縮歪量１．０％）、及び、アンドープＧａＩｎＡｓＰバリア層（例えば、組成波長１．２μｍ、厚さ１０ｎｍ）で構成され、量子井戸層の層数は６層であり、その発光波長は１５６０ｎｍである。
なお、量子井戸活性層３０８の上下に、量子井戸活性層３０８を挟み込むように、アンドープＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ（例えば、波長１．１５μｍ、厚さ２０ｎｍ）を設けても良い。
その後、半導体表面に、図１２（Ｅ）に示すように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）及びフォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ２からなるマスク（例えば、厚さ４００ｎｍ、幅１．６μｍのストライプ状のエッチングマスク）３１０を形成する。
そして、図１３（Ａ）に示すように、例えばドライエッチング法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板３０１が例えば０．７μｍ程掘り込まれる深さまで、上述のようにして形成された半導体積層構造をエッチングし、ストライプ状のメサ構造（メサストライプ）を形成する。
次に、図１３（Ｂ）に示すように、このメサ構造の両側に、ｐ型ＩｎＰ層３１１／ｎ型ＩｎＰ層３１２／ｐ型ＩｎＰ層３１３で構成される電流狭窄層を、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて成長させ、エッチングマスク３１０を例えばふっ酸で除去した後、図１３（Ｃ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２．２μｍ）３１４、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層（例えば厚さ３００ｎｍ）３１５を順次成長させる。
そして、図１３（Ｄ）に示すように、ｐ側電極３１６及びｎ側電極３１７を形成した後、図１３（Ｅ）に示すように、素子の両端面に無反射コート３１８，３１９を形成して、素子が完成する。
したがって、本実施形態にかかる光素子（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、回折格子の結合係数を共振器内で分布させた構造の光素子において、回折格子を精度良く安定して作製できるようになり、歩留まりが向上するとともに、結合係数を大きくする領域と結合係数を小さくする領域とで結合係数の差を大きくする（結合係数のコントラストを大きくする）ことができ、素子特性を向上させることができるという利点がある。
また、回折格子を精度良く安定して作製できるため、素子特性のばらつきを抑制することができ、素子特性を向上させることもできる。また、結合係数の制御性や結合係数の設計自由度も向上する。
特に、本実施形態の素子では、素子端面側の結合係数が大きくなっているため、長共振器化して作製した場合でも軸方向のホールバーニングを抑制できる。このため、より高い光出力でも安定した単一縦モード動作を維持することができ、また、レーザの発振線幅をより狭くすることができる。
このため、例えば上記非特許文献１に記載されているような、結合係数を共振器中央に向かって小さくなるように分布させる構造の素子に適用して、軸方向のホールバーニングを抑制し、高光出力時の縦モード安定性を向上させることができる。
このような素子は、例えば、コヒーレント光伝送システム、あるいは、多値変調光通信システムのように、レーザの発振線幅が１００〜５００ｋＨｚと非常に狭いレーザ光源を必要とするシステムにおいて、そのレーザ光源として用いることができる。
レーザの発振線幅を狭くするためには、まずＤＦＢレーザのように単一縦モード動作することが必要であり、さらなる狭線幅化のためには、レーザの共振器長を長くすることが必要である。例えば、レーザの共振器長を１０００μｍ以上にすることで１ＭＨｚ以下の線幅にすることが可能である。
さらに、線幅はレーザの光出力の逆数に比例するため、より高い光出力で動作させるほど狭線幅化を実現できることになる。このため、さらなる狭線幅化のためには、さらにレーザの共振器長を長くし、かつ、できる限り高い光出力で動作させれば良いが、長くしすぎると、高光出力動作時にＤＦＢレーザにおける軸方向ホールバーニングの影響によって主モードと副モードの間のモード間利得差が減少していき、単一モード安定性が損なわれ、線幅が急激に太くなってしまうことになる。したがって、このような場合に、上述のように、高光出力動作時の軸方向ホールバーニングの影響を抑制できる構造が有効である。
［その他］
なお、上述の各実施形態及びその変形例では、各回折格子層は、層内で回折格子のデューティ比を一定にしているが、これに限られるものではない。
例えば、図１４に示すように、上述の第１実施形態の構成において、第２回折格子層３を、第１回折格子層２の回折格子２Ａが形成されている領域に対応する領域の回折格子３Ａのデューティ比（ここでは５０％）に対して、この領域以外の領域（光導波路に沿う方向の両端側の領域）の回折格子３Ａのデューティ比（ここでは２５％）が異なるように構成しても良い。つまり、複数の回折格子層のうち一の回折格子層を、デューティ比の異なる回折格子を含むものとして構成しても良い。なお、この変形例は上述の第２実施形態や第３実施形態の構成に適用することもできる。
また、例えば、複数の回折格子層を、対応する領域に形成されている回折格子のデューティ比が同一になるように構成する一方、各回折格子層は、層内で回折格子のデューティ比を、デューティ比が非常に大きくなったり、非常に小さくなったりしない範囲内で、変えても良い。
このように、複数の回折格子層を、デューティ比の異なる回折格子を含む回折格子層を少なくとも１層含むように構成することができる。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、複数の回折格子層は、対応する領域に形成されている回折格子のデューティ比が同一になっているが、これに限られるものではない。例えば、回折格子をエッチングによって形成した場合にその断面形状が矩形ではなく台形となり、この結果、対応する領域に形成されている回折格子のデューティ比が若干異なっていても、対応する領域に形成されている回折格子の位相、周期が同一であれば、上述の各実施形態及びその変形例のものとほぼ同様の効果が得られる。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、共振器中央に向かって結合係数が大きくなる構成（第１実施形態、第２実施形態）、共振器中央に向かって結合係数が小さくなる構成（第３実施形態）を例に挙げて説明しているが、これらに限られるものではなく、結合係数の共振器内での分布は任意であり、光素子の設計に応じて自由に設定可能である。
例えば、上述の各実施形態及びその変形例では、共振器方向に沿って共振器中央に対して結合係数の分布が対称になっている構造を例に挙げて説明しているが、共振器方向に沿って共振器中央に対して結合係数の分布が非対称、例えば戻り光耐性を高めるためにレーザ前端面側の結合係数を大きくした構造、逆に光出力を大きくするためにレーザ前端面側の結合係数を小さくした構造などを採用することも可能である。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、複数の回折格子層が光導波路の下側（光導波路に対して基板側）に装荷されている場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、光導波路の上側（光導波路に対して基板と反対側）に装荷されていても良く、この場合も上述の各実施形態の場合と同様の効果が得られる。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、共振器中央に位相がπの位相シフトを１つだけ有する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、位相シフトがない構造、位相シフトが複数個ある構造であっても良いし、また、１個又は複数個の位相シフトの量は任意に設定可能である。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、ｎ型ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体材料（第１実施形態、第３実施形態）又はＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体材料（第２実施形態）を用いた量子井戸活性層を形成してＤＦＢレーザを構成した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は光導波路の近傍に回折格子を装荷するデバイス（光素子）に広く適用することができる。
例えば、第１実施形態や第３実施形態の構成において、ＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体材料を用いて量子井戸活性層を構成しても良いし、第２実施形態の構成において、ＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体材料を用いて量子井戸活性層を構成しても良い。また、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ系化合物半導体材料などの他の化合物半導体材料を用いて量子井戸活性層を構成しても良い。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、例えば、素子を構成する材料は、光素子（半導体レーザ）を構成しうる材料を用いれば良い。例えば、他の化合物半導体材料を用いても良い。また、半導体材料だけでなく、有機物材料や無機物材料を用いることもできる。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、例えば、基板は、ｐ型の導電性を有する基板や半絶縁性の基板を用いても良い。この場合、基板上に形成される各層の導電性は全て逆になる。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、例えばＧａＡｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板上に結晶成長（例えばエピタキシャル成長）しうる半導体材料を用いて各層を形成しても良い。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、例えばシリコン基板上に貼り合わせの方法で作製しても良い。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、例えばバルク型の半導体材料を用いたバルク活性層や量子ドット活性層などの他の活性層構造を採用しても良い。この場合も、上述の各実施形態及びその変形例の場合と同様の効果が得られる。
また、上述の実施形態及びその変形例では、導波路構造としてｐｎ埋込構造又はＳＩ−ＢＨ構造を採用しているが、これに限られるものではなく、例えば、他の埋込構造を用いることも可能であるし、リッジ導波路構造などを用いることも可能である。
また、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector；分布ブラッグ反射型）レーザやＤＲ（Distributed Reflector；分布反射型）レーザなどの他の半導体レーザに本発明を適用することもできる。さらに、半導体レーザのようなアクティブ型の光素子のみならず、例えば光フィルタのようなパッシブ型の光素子に本発明を適用することもできる。これらの場合も、上述の各実施形態及びその変形例と同様の効果が得られる。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、両端面に無反射コートを施した構造を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、端面構造の組み合わせは無反射／劈開／高反射を任意に組み合わせて用いることができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態やその他の欄に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

Claims (10)

  1. 光導波路と、
    前記光導波路に沿って設けられた複数の回折格子層とを備え、
    前記各回折格子層は、分断された一の半導体層と、前記一の半導体層と屈折率が異なり、前記一の半導体層を埋め込む他の半導体層とによって構成される回折格子を含み、
    前記複数の回折格子層は、前記回折格子が形成されている領域の長さが異なる少なくとも２つの回折格子層を含み、
    前記複数の回折格子層は、対応する領域に形成されている前記回折格子の位相、周期が同一であることを特徴とする光素子。
  2. 前記複数の回折格子層は、前記対応する領域に形成されている前記回折格子のデューティ比が同一であることを特徴とする、請求項１に記載の光素子。
  3. 前記複数の回折格子層の前記対応する領域は、前記光導波路に沿う方向の中央領域であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
  4. 前記複数の回折格子層の前記対応する領域は、前記光導波路に沿う方向の両端側の領域であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光素子。
  5. 前記複数の回折格子層は、デューティ比の異なる回折格子を含む回折格子層を少なくとも１層含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光素子。
  6. 前記光導波路は、導波路コアとして活性層を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光素子。
  7. 前記複数の回折格子層は、厚さが異なる回折格子層を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光素子。
  8. 基板上に、複数の層を積層し、
    表面上に、回折格子パターンを有する一のマスクを形成し、
    前記一のマスクを用いてエッチングして前記複数の層の中の一の層に前記回折格子パターンを転写し、
    前記一のマスクの一部の領域の表面を覆うように他のマスクを形成し、
    前記一のマスク及び前記他のマスクを用いてエッチングして前記複数の層の中の他の層に前記回折格子パターンを転写し、
    前記一のマスク及び前記他のマスクを除去し、
    他の層によって埋め込むことによって複数の回折格子層を形成することを特徴とする光素子の製造方法。
  9. 光導波路を形成する工程を含み、
    前記一のマスクの前記光導波路の両端側の領域に対応する領域の表面を覆うように前記他のマスクを形成することを特徴とする、請求項８記載の光素子の製造方法。
  10. 光導波路を形成する工程を含み、
    前記一のマスクの前記光導波路の中央領域に対応する領域の表面を覆うように前記他のマスクを形成することを特徴とする、請求項８記載の光素子の製造方法。
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