JPH042188A - レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ素子及びその製造方法に関するもので
、特にレーザ活性層の実効屈折率に不連続部を有する位
相シフト型分布帰還型レーザ素子及びその製造方法に係
わる。

（従来の技術） 先導波路内に周期的屈折率変化構造（回折格子）を持つ
ＤＦＢ−ＬＤ　（分布帰還型レーザダイオード）は、長
距離大容量光通信等において既に必須のものとなってい
る。このＤＦＢ−ＬＤは、両端面に壁間面を用いた場合
には、必ずしも単一モードで発振しない。なぜなら、端
面での回折格子の位相が縦モードに影響を与えるからで
ある。

確実に単一縦モードで発振させる方法としてレーザ共振
器中央近傍において回折格子の位相をπ（発振波長の位
相にしてπ／２）だけシフトさせたλ／４シフト型ＤＦ
Ｂレーザが提案されている（これについては、例えばＥ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｓ　　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　　ｖ
ｏｌ、２０．Ｎ０２４゜１９８４．ｐｐ１００８〜１０
１０に記載されている。）。また、レーザ共振器中央近
傍において、導波路の幅を変えて活性媒質の実効屈折率
を変化させた等価屈折率型λ／４シフト型ＤＦＢレーザ
が提案されている。これは、実効屈折率を変化させた部
分の前後で導波光が位相の変化を経験し、等価的に回折
格子をシフトさせるのと同様の効果を得ることによる（
これについては、例えばＩＥＥＥ　　ＪＯＵＲＮＡＬ　
　ＯＦ　　ＱＵＡＮＴＵＭ　　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＥ
Ｓ、ＶＯＬ、ＱＥ−２３、ＮＯ６ＪＵＮＥ　　１９８７
　　ｐｐ８０４〜８１４に記載されている。）。

回折格子をシフトさせるλ／４シフト型ＤＦＢレーザで
は、光波のフィードバック量を示す結合係数にが大きい
場合には、第８図（ａ）及び（ｂ）に示すように、共振
器内を往復する光が回折格子のシフト部Ａに集中しやす
い。これによって、軸方向ホールバーニングを引き起こ
し光出力が飽和しやすい等、レーザの性能を大きく損な
っていた（これについては、例えばＩ　ＥＥＥＪＯＵＲ
ＮＡＬ　　ＯＦ　　ＱＵＡＮＴＡＮ　　ＥＬＥＣＴＲＯ
ＮＩＣＥＳ、ＶＯＬ、２４．Ｎ。

１１、Ｎｏｖｅｍｖｅｒ　　１９８８に記載されている
。）。ここで、■はＩｎＰ基板、２は導波層、３は活性
層、４はクラッド層、５はコンタクト層、６は電極、７
はＡＲ膜をそれぞれ示している。逆に、結合係数にが小
さい場合には、第９図（ａ）及び（ｂ）に示すように、
共振器内を往復する光が回折格子の端面Ｂに集中しやす
い。これによって、閾値電流の上昇や隣接モードとの抑
圧比がとれない等、結合係数にの調整が非常に難しくな
っていた。

また、製造工程においても、回折格子をシフトさせる方
法として、ネガレジストとポジレジストとを用いる方法
（これについては、例えばＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｓ　
　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　ｖｏ　１．２０．Ｎ０２４，１９
８４．ｐｐｌｏ０８〜１０１０に記載されている。）や
、位相シフト膜を用いる方法（これについては、例えば
電子情報通信学会研究報告　０ＱＥ８６−１５０に記載
されている。）等の種々の方法が考案されているが、歩
留りの良い確実な方法というものは未だ存在しない。ま
た、これらの回折格子を直接シフトさせる方法は、回折
格子の位相シフト部で段差を生じさせたり、そのシフト
部を境に回折格子形状を異ならしめる等の問題があった
。

一方、導波路の幅を変える位相シフト方法は、位相シフ
ト領域への光の集中という点では多少緩和されるが、現
在では、通常の均一な導波路め幅の制御でさえ困難であ
るのに、位相シフト部の幅、形状等を制御することは至
難の技である。即ち、この方法により、位相シフト量の
正確な調整を行うのは困難である。また、出力光のファ
ーフィールドパターンは、導波路の幅の変化部での放射
モードとの干渉のため、激しい凹凸を有することが多か
った。

ところで、導波路構造を変化させて、等価的に位相シフ
トを形成する方法としては、第８図又は第９図の分布帰
還型レーザ素子において、導波層２の厚さを変化させる
方法が考え出されている（これについては、例えば特開
昭６１−８８５８４号公報に記載されている。）。

しかしながら、この導波層２の厚さを変化させる方法に
は次に示すような欠点がある。即ち、基板ｌに位相シフ
トに対応する溝をつけ、次に成長する導波層２の厚さを
変化させるとすると、基板１に形成した回折格子は、従
来の工・ンチング方法では平坦になってしまい、位相シ
フト領域中には回折格子が存在しなくなる。また、回折
格子の存在する部分と平坦な部分とでは、露出している
部分の結晶の方位が異なるために、次に成長する導波層
２の結晶性が異なるばかりか、同じ厚さに結晶成長せず
、活性層２に段差が生じていた。また、成長層の厚さの
制御が難しく、所望の位相シフトを得ることが出来なか
った。このため、この構造は、とても実用的なものとは
言えなかった。

逆に、導波層２を成長してから回折格子を形成する方法
が考え出されている。これは、層構造が決定されている
ために、位相シフト量は制御し易い。しかし、この方法
では、例えば導波層２の厚さを変化させてから回折格子
を形成する場合、段差下部にはその上部に比べてフォト
レジストが厚く塗布されるため、下部では、回折格子の
形状や深さが違ったり、或いは回折格子が全く形成され
なかったりした。このように、段差上部と下部の両方に
関して、回折格子の形状や深さの制御性が全くなかった
。

なお、コヒーレント光通信等に用いるため、狭スペクト
ル線幅を得る方法として、共振器内に複数の位相シフト
構造を設ける方法が提案されている（これについては、
例えばＴ、Ｋｉｍｕｒａｅｔ、ｅｌ、、Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ、Ｉｅｔｔ。

ｖｏｌ　　２３．Ｔ）ｐ　１０１４，１９８７に記載さ
れている。）。これを実現するために、回折格子をシフ
トさせる方法を用いた場合には、回折格子のシフト部で
のホールバーニングのためにスペクトル線幅が計算値よ
りも広がってしまうという問題点があった。

一方、厚さの変化している部分の結合係数には、導波モ
ードの電界分布に影響されるため、他の領域と異なるこ
とになる。厚さの異なる領域での回折格子形状、深さの
コントロールは、このような電界分布の差による結合係
数にの変化を補償する上でも有用である。また、場合に
よっては位相シフト領域での光の集中、逆に光分布の落
ち込みに対して光分布を平坦化させて軸方向ホールパニ
ングを抑えるように位相シフト領域での結合係数にを調
節することも必要である。しかし、これらを自在に制御
できる構造、製造方法共に未だ存在していない。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来は、回折格子の位相を不連続とする位
相シフト方法には、その製造プロセスの複雑さを原因と
する段差や、シフト部を境にした回折格子形状の非対称
、及び結合係数に（回折格子の結合の強さ）を原因とす
る大きな素子性能の制約があった。また、導波路の幅を
変化させる方法では、位相シフト領域付近の各半導体層
の形状や、その制御性に問題があり実用性に乏しがった
。さらに、導波層の厚さを変化させる構造では、位相シ
フト領域での回折格子の形成に難点があった。つまり、
位相シフト領域と他の領域とで回折格子形状、深さを自
由にコントロールできない欠点があった。また、導波層
、活性層に段差を生じるという重大な欠点があった。

本発明は、上記欠点を解決すべくなされたものであり、
位相シフト量が可変で、しかも位相シフト部への光の集
中を抑えて、共振器内で平坦な光の分布を得ることの出
来るレーザ素子及びその製造方法を提供することを目的
とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明のレーザ素子は、導
波層に形成された所望の周期的凹凸構造によって光帰還
を行うもので、前記導波層の少なくとも一部の厚さが変
化しており、かつ、その一部にも所望の周期的凹凸構造
を有するものである。

また、本発明のレーザ素子の製造方法は、まず、半導体
基板上に活性層及び導波層を順次形成した後、前記導波
層に所望の周期的凹凸構造を形成する。次に、前記導波
層の少なくとも一部を前記周期的凹凸構造の形状を制御
しながら所望の厚さにエツチングする。次に、前記導波
層上にクラッド層及びコンタクト層を順次形成するとい
うものである。

（作用） 上記構成によれば、導波層の少なくとも一部の厚さが変
化しており、又その一部にも所望の周期的凹凸構造を有
している。即ち、その厚さを変化させた部分には位相シ
フトの効果があるため、位相シフト量が可変で、しかも
位相シフト部への光の集中を抑えて、共振器内で平坦な
光の分布を得ることができる。

また、上記方法によれば、導波層の少なくとも一部を、
周期的凹凸構造の形状を制御しながら所望の厚さにエツ
チングしている。即ち、導波層における段差の形成と周
期的凹凸構造の形成とを同時に行うことができる。この
ため、従来の段差部での問題等の解決を図ることができ
る。

（実施例） 以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について詳
細に説明する。なお、この説明において、全図にわたり
共通の部分には共通の参照符号を付することにする。

第１図は、本発明の第１の実施例に係わる位相シフト型
分布帰還素子について示すものである。

ここで、１１はＩｎＰ基板、１２はＧａ１ｎＡｓＰ活性
層、１３は光導波層、１４はクラッド層、１５はコンタ
クト層、１６ハ電極、１７はＡＲ膜をそれぞれ示してい
る。

即ち、この素子は、導波層（光導波路）１３に所望の周
期的凹凸構造を有しており、この周期的凹凸構造によっ
て光帰還を行う。また、導波層１３の一部の厚さが変化
、例えば共振器中央部の導波層１３が他部よりも薄くな
っており、その厚さの変化している部分には位相シフト
の効果がある。また、その厚さの変化している部分（位
相シフト領域）における導波層１３にも所望の深さ、形
状を有する回折格子が存在している。

第２図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施例に係
わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示す
ものである。

まず、同図（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１上にＧ
ａ　Ｉ　ｎＡｓ　Ｐ活性層１２及び導波層１３を順次結
晶成長させた後、レーザを用いた三光束干渉露光法で回
折格子を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、フ
ォトレジスト１８を用いて共振器中央近傍の位相シフト
領域のみを露出させる。次に、同図（Ｃ）に示すように
、硫酸系エッチャントを用いて所望の活性層の等偏屈折
率を得るだけの薄さにエツチングする。ここで、硫酸系
エッチャントを用いる理由を次に述べる。導波層１３上
に回折格子を製作する場合には、導波層１３の厚さが薄
い程、光の結合が大きくなりホールバーニングが発生し
易くなる。そこで、導波層１３の厚さが薄い領域での光
の結合を弱くするために、エツチング異方性の弱い硫酸
系エッチャントを用いて回折格子の凹凸を減じている。

次に、同図（ｄ）に示すように、クラッド層１４を結晶
成長させる。この時、クラッド層１４は、導波層１３の
位相シフト領域における段差に比べて十分に厚く結晶成
長させるために、クラッド層１４表面ではほぼ平坦にな
り、素子の電気的、力学的特性には何ら影響を与えない
。この後、コンタクト層１５を結晶成長させ、電極１６
を蒸着し、さらにはＡＲ膜（図示せず）を両端面に堆積
して素子化する。なお、素子化した状態での共振器長は
、約３００μｍである。

第３図は、本発明の第２の実施例に係わる位相シフト型
分布帰還素子について示すものである。

即ち、この素子は、前記第１の実施例とは逆に、共振器
中央部の導波層１３が他部よりも厚くなっており、その
厚くなった部分に位相シフトの効果を持たせている。ま
た、その厚くなった部分（位相シフト領域）以外の部分
にも所望の深さ、形状を有する回折格子が存在している
。

このような構成でも、前記第１の実施例と同様の効果を
得ることができる。

第４図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第２の実施例に係
わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示す
ものである。

まず、同図（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１上にＧ
ａ　Ｉ　ｎＡｓ　Ｐ活性層１２及び導波層１３を順次結
晶成長させた後、レーザを用いた三光束干渉露光法で回
折格子を形成する。ここで、位相シフト領域以外の導波
層１３は、エツチングにより薄くなるのであるから、こ
の導波層１３はあらかじめ厚めに形成しておくのがよい
。次に、同図（ｂ）に示すように、フォトレジスト１８
を用いて位相シフト領域となる共振器中央近傍を被覆す
る。次に、同図（ｃ）に示すように、臭化水素系エッチ
ャントを用いて位相シフト領域以外の導波層１３をエツ
チングし、所望の厚さにする。ここで、エッチャントと
して臭化水素系エッチャントを用いる理由は、エツチン
グにより厚さを薄くする導波層Ｉ３の回折格子の形状を
保護するためである。臭化水素系エッチャントは、エツ
チング異方性が強く、エツチングを行っても回折格子は
比較的もとの形状が保たれる。次に、同図（ｄ）に示す
ように、りラッド層１４を結晶成長させる。この時、ク
ラッド層Ｉ４は、導波層Ｉ３の位相シフト領域における
段差に比べて十分に厚く結晶成長させるために、クラッ
ド層１４表面ではほぼ平坦になり、素子の電気的、力学
的特性には何ら影響を与えない。この後、コンタクト層
１５を結晶成長させ、電極１Ｂを蒸着し、さらにはＡＲ
膜（図示せず）を両端面に堆積して素子化する。

前記第１及び第２の実施例に示す構成によれば、導波層
１３の一部所の厚さを変化させて位相シフト領域を形成
している。また、前記位相シフト領域にも回折格子が存
在し、しかもその領域における回折格子の深さ、形状等
を自由にコントロールすることができる。このため、位
相シフト量が可変で、しかも位相シフト部への光の集中
を抑えて、共振器内で平坦な光の分布を得ることができ
る。なお、回折格子の形状及び位相シフト領域の回折格
子の操作は、活性層、導波層を結晶成長させた後で行う
ため、活性層の結晶性や結晶界面には何ら影響を与えな
い。

また、前記第１及び第２の実施例に示すような方法によ
り、位相シフト領域にも所望の深さ、形状を有する回折
格子を形成することができる。

従来、段差部での問題のため、この領域に回折格子が形
成されている構造の例はない。つまり、本発明では、段
差の形成と回折格子の形成とを同時に行うことで、即ち
導波層１３の少なくとも一部を前記周期的凹凸構造の形
状を制御しながら所望の厚さにエツチングすることで、
製作における段差部での問題を解決している。また、こ
れか実現できるエツチングの方法として、第１の実施例
では、エツチング異方性の弱いエッチャント（硫酸系エ
ッチャント等）を用いている。また、第２の実施例では
、エツチング異方性の強いエッチャント（臭化水素系エ
ッチャント等）を用いている。さらに、詳しく述べると
、共振器内で位相シフトを設けたい部分の導波層１３、
又はレーザ活性層に隣接する半導体層を、フォトレジス
ト等を用いて露出又は被覆する。次に、これをエツチン
グし、位相シフト領域とその他の領域とに段差を設ける
。

このフォトレジスト等を用いて露出又は被覆した領域で
は、他の領域とは活性層の実効屈折率が異なり波動の伝
搬定数も異なる。このため、段差を設けた部分には、等
偏向に位相シフトの効果が現れる。なお、第１の実施例
では、位相シフト領域の数十μｍにわたっては活性層１
２の光の閉じ込めが他の領域よりも弱くなり、又数十μ
ｍでシフトさせるので、第５図（ａ）及び（ｂ）に示す
ように、共振器内で非常になだらかな光強度分布を持っ
た位相シフト型ＤＦＢ−ＬＤが実現できる。また、第２
の実施例では、位相シフト領域における活性層Ｉ２の実
効屈折率が変化するために位相シフト型のＤＦＢ−ＬＤ
が実現できる。この場合、前記第１の実施例に比べて、
位相シフト領域における活性層１２の光閉じ込めが他の
領域よりも強くなる。しかし、この位相シフト領域の光
の閉じ込めについては、前述したように、回折格子形状
、深さを変化させることにより、自由に調節することが
可能である。

このとき、位相シフト領域の実効屈折率をＮｅｆｆ１、
他の領域の実効屈折率をＮｅｆｆ２、位相シフト領域の
長さをＬ１発振波長をλ、位相シフト量をλ／ｎとすれ
ば、位相シフト量λ／ｎとシフト領域の長さしとの間に
は λ／ｎ−１（Ｎｅ　ｆ　ｆ　１−Ｎｅ　ｆ　ｆ　２）　
ｌ　ｘＬ・・・　（１） の関係がある。

式（１）において、ｎ−４とすれば、λ／４シフト型と
して必要な位相シフト領域の長さしが決定される。Ｎｅ
ｆｆ１及びＮｅｆｆ２は、素子の型式のモデルを作り、
計算により求めることもできるし、均一な回折格子を用
いた非シフト型ＤＦＢ−ＬＤの発振波長から実験的に求
めることもできる。

本発明のポイントとしては、均一に形成した回折格子の
一部の形状を、制御しながら所望の平均的な導波層の深
さ（０，１２μｍ程度）まで自由にエツチングできる技
術、即ち導波層の厚さを変化させる部分にも所望の深さ
、形状を有する回折格子が形成できる技術に負うところ
が大きい。

第６図は、本発明の第３の実施例に係わる位相シフト型
分布帰還素子について示すものである。

即ち、この素子は、１．２ｍｍ程度の共振器内に、前記
第１の実施例で示した位相シフト領域が複数箇所（例え
ば３ケ所）に設けられている。

なお、前記第２の実施例で示した位相シフト領域が複数
箇所に設けられた構造でもよいことは言うまでもない。

このような構成においても、前記第１又は第２の実施例
と同様の効果を得ることができる。

第７図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第３の実施例に係
わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法について示す
ものである。

まず、同図（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１上にＧ
ａＩｎＡｓＰ活性層１２及び導波層１３を順次結晶成長
させた後、レーザを用いた三光束干渉露光法で回折格子
を形成する。この時、共振器軸方向全体にわたってホー
ルバーニングを抑えるために回折格子の凹凸の深さは浅
めとするのがよい。

次に、同図（ｂ）に示すように、位相シフト領域を設け
る個数と位置に応じて、導波層１３上にフォトレジスト
１８を形成し、かつ、このフォトレジスト１８をバター
ニングする。次に、同図（Ｃ）に示すように、例えば硫
酸系エッチャントを用いて位相シフト領域における導波
層１３をエツチングし、所望の厚さにする。この時、位
相シフト領域における格子形状がなくなることはない。

次に、同図（ｄ）に示すように、クラッド層１４を結晶
成長させる。この時、クラッド層１４は、導波層１３の
位相シフト領域Ａ、〜Ａ３とその他の領域との段差に比
べて十分に厚く結晶成長させるために、クラッド層１４
表面ではほぼ平坦になり、素子の電気的、力学的特性に
は何ら影響を与えない。また、コンタクト層１５を結晶
成長させ、電極１６を蒸着し、さらにはＡＲ膜（図示せ
ず）を両端面に堆積して素子化する。

このような構成によれば、複数箇所に位相シフト領域Ａ
１〜Ａ、を待った、共振器長約１．２μｍのＤＦＢ−Ｌ
Ｄを製造した結果、同じ箇所で回折格子をシフトさせた
ＤＦＢ−ＬＤよりもスペクトル線幅の狭い素子を得るこ
とができる。つまり、本発明による位相シフト構造は、
軸方向ホルバーニングを抑えるのに顕著な効果があると
いえる。なお、位相シフト領域は、その位置をいろいろ
と変化させて、スペクトル線幅が最も狭くなるような位
置にした。また、３箇所の位相シフト領域Ａ１〜Ａ３の
位置は、共振器中央部に対して非対称とした。

なお、前記第１乃至第３の実施例では、活性層にＧａ１
ｎＡｓＰを用いたが、これに限られるものではない。例
えば、ＧａＡｌ）Ａｓ等を用いることもできる。

［発明の効果］ 以上、説明したように、本発明の分布帰還型レーザ素子
及びその製造方法によれば、次のような効果を奏する。

本発明を用いて位相シフト型ＤＦＢ−ＬＤを製造した結
果、高速、高出力動作時にも安定した単一モードで動作
する素子が歩留りよく得られた。

また、回折格子の深さ、即ち結合係数にを変化させて素
子を製造した結果、比較的結合係数にの値に関係なく安
定した単一モードで動作する素子が歩留りよく得られた
。ファーフィールドパターンも均一な回折格子を用いた
ものと同程度のものが得られた。つまり、従来の回折格
子の位相を直接変化させる位相シフト型ＤＦＢ−ＬＤ構
造で劣化していた性能が著しく改善されたのである。フ
ァーフィールドパターンの凹凸が少ない点から、活性層
付近の幅を変化させる構造に比べても優れた位相シフト
構造であるといえる。これは、位相シフト領域の境界で
回折格子がなめらかで連続的につながっているためであ
ると思われる。このとき、エツチングで薄くした位相シ
フト領域の導波層の厚さは約４００人、位相シフト領域
の長さしは約４５μｍであった。なお、本発明は特に光
通信用ＤＦＢレーザ素子の特性改選に多大な影響がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる位相シフト型分
布帰還素子を示す断面図、第２図は本発明の第１の実施
例に係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方法を示す
断面図、第３図は本発明の第２の実施例に係わる位相シ
フト型分布帰還素子を示す断面図、第４図は本発明の第
２の実施例に係わる位相シフト型分布帰還素子の製造方
法を示す断面図、第５図は本発明の第１の実施例に係わ
る位相シフト型分布帰還素子の共振器内の光強度分布に
ついて説明するための図、第６図は本発明の第３の実施
例に係わる位相シフト型分布帰還素子を示す断面図、第
７図は本発明の第３の実施例に係わる位相シフト型分布
帰還素子の製造方法を示す断面図、第８図及び第９図は
それぞれ従来の位相シフト型分布帰還素子について説明
するための図である。 １１−１　ｎ　Ｐ基板、Ｌ２−Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ　Ｐ活
性層、１３・・・先導波層、１４・・・クラッド層、１
５・・・コンタクト層、１６・・・電極、１７・・・Ａ
Ｒ膜、１８・・・レジスト。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 （Ｃ） 第 図 （ａ） （ｂ） 第２図 （ａ） （ｂ） 第４図 （Ｃ） （ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）導波層に所望の周期的凹凸構造を有し、前記周期
   的凹凸構造によって光帰還を行うレーザ素子において、
   前記導波層の少なくとも一部の厚さが変化しており、か
   つ、その一部にも所望の周期的凹凸構造を有することを
   特徴とするレーザ素子。
2. （２）半導体基板上に活性層を形成する工程と、前記活
   性層上に導波層を形成する工程と、前記導波層に所望の
   周期的凹凸構造を形成する工程と、前記導波層の少なく
   とも一部を前記周期的凹凸構造の形状を制御しながら所
   望の厚さにエッチングする工程と、前記導波層上にクラ
   ッド層を形成する工程と、前記クラッド層上にコンタク
   ト層を形成する工程とを具備することを特徴とするレー
   ザ素子の製造方法。