JP4885766B2

JP4885766B2 - 半導体導波路素子及び半導体レーザ及びその作製方法

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Publication number: JP4885766B2
Application number: JP2007051174A
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Inventors: 伸浩布谷; 啓之石井
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Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2027-03-01
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Description

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源に関するものである。

通信情報量の増大に対して、光波長（周波数）多重通信システムの研究が行われているが、送信用光源および同期検波用可同調光源として広範囲な波長調整機能が要求されており、又、光計測の分野からも広域波長帯をカバーする波長可変光源の実現が望まれている。

これまでに、種々の可変波長光源が研究されてきたが、それらを大別すると、１つの発振モードで連続的に波長が変わるものと、モード跳びを伴って不連続に波長が変わるものとに分けることができる。実際のシステムへの応用を考えた場合、制御性の面から、連続的に波長が変わるものの方が好ましい。また、波長可変光源の波長を制御する手段としては、温度調整による光導波路層の屈折率変化を用いて発振波長を制御するものと、電流注入による光導波路層の屈折率変化を用いて発振波長を制御するものの二つが主に用いられている。波長変化速度の面では、電流注入による屈折率変化を用いる方がより速い波長切り替えが可能であり、好適である。

上述した電流注入による光導波路層の屈折率変化を用いて連続的に発振波長を変化させることができる波長可変光源としては、二重導波路レーザ（ＴＴＧレーザ）や分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）などの半導体レーザが研究されており、連続波長可変幅としてＴＴＧレーザでは７ｎｍ、ＤＢＲレーザでは４．４ｎｍという値が報告されている。近年では、ＤＢＲレーザのモード跳びを抑えるために、活性層領域を短くした、いわゆる短共振器ＤＲＢレーザも研究されている。

モード跳びをともなった不連続な波長可変幅としては、ＤＢＲレーザで１０ｎｍという値が得られている。また、不連続ではあるが広い波長可変幅が得られる半導体レーザとして、Ｙ分岐レーザ、超周期構造回折格子レーザなどが試作され、５０〜１００ｎｍの波長可変幅が得られている。

しかし、上述したような従来のＴＴＧレーザ、ＤＢＲレーザにおいては次のような問題があった。

ＴＴＧレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層に電流注入してレーザ発振動作を生じさせ、該活性導波路層のすぐ近くに形成される波長制御用非活性導波路層に独立に電流注入することにより、発振波長を変化させる。ここで、回折格子の周期をΛ、導波路の等価屈折率をｎとすれば、ブラッグ波長λｂは、以下に示す（１）式で表される。
λｂ＝２ｎΛ・・・（１）

レーザはこのブラッグ波長近傍の１つの共振縦モードで発振動作する。非活性導波路層に電流注入を行うと、導波路の等価屈折率が変化し、（１）式より、ブラッグ波長もそれに比例して変化する。ここで、ブラッグ波長の変化の割合Δλｂ／λｂは、以下に示す（２）式に示すように、等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎと等しくなる。
Δλｂ／λｂ＝Δｎ／ｎ・・・（２）

また、電流注入による等価屈折率の変化に伴い、共振縦モード波長も変化する。ＴＴＧレーザの場合、共振器全体の等価屈折率が一様に変化するので、共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは、（３）式に示すように等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎに等しくなる。
Δλｒ／λｒ＝Δｎ／ｎ・・・（３）

（２）式、（３）式より、ＴＴＧレーザでは、ブラッグ波長の変化と共振縦モードの変化が等しくなるので、最初に発振したモードが保たれたまま連続的に発振波長が変化するという大きな特徴を有する。

しかしながら、単一横モード発振動作をさせるためには二重導波路の幅は１〜２μｍにする必要があり、さらに活性層と波長制御層との間に形成されるｎ型スペーサ層の厚さを１μｍ以下まで薄くする必要があるため、通常の半導体レーザで用いられている埋め込み構造にすることができず、それぞれの導波路層に効率良く電流を注入するための構造にすることが、製作上非常に困難であるという問題があった。

それに対してＤＢＲレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層と非活性導波路層とが直列に結合されている構造なので、通常の半導体レーザと同様に電流狭窄を行うための埋め込みストライプ構造を用いることができ、更に各々の導波路層に独立に電流注入を行うことは、各々の導波路層の上方に形成される電極を分離することにより容易に実現される。

非活性導波路層への電流注入により、等価屈折率を変えてブラッグ波長を変化させる機構はＴＴＧレーザと同様であるが、等価屈折率の変化する領域が共振器の一部に限られているために、ブラッグ波長の変化量と共振縦モード波長の変化量とは一致しない。共振縦モード波長の変化の割合Δλｒ／λｒは、（４）式に示すように、全共振器長さＬに対する分布反射器の実効長Ｌｅの割合分だけ等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎよりも少なくなる。
Δλｒ／λｒ＝（Ｌｅ／Ｌ）・（Δｎ／ｎ）・・・（４）

したがって、（２）式、（４）式より、ＤＢＲレーザでは波長制御電流を注入するにつれてブラッグ波長と共振縦モード波長とが相対的に離れていくため、モード跳びを生じてしまうという欠点を持っていた。モード跳びを生じさせないためには、回折格子が形成されていない位相調整領域を設けて、そこへの電流注入により共振縦モードの変化量とブラッグ波長の変化量とを一致させる必要がある。

しかし、この方法では２つの電極への波長制御電流を制御するための外部回路が必要になり、装置構造、および制御が複雑になるという問題があった。また、モード跳びを生じさせないもう一つの方法として、共振器長を短くして縦モード間隔を広げる短共振器ＤＢＲレーザが考えられるが、活性層を短くする必要があるため、大きな出力を得るのが困難であるという問題点があった。

ＴＴＧレーザ及びＤＢＲレーザにおける連続波長可変幅は、波長制御層の屈折率変化量に制限され、その値は４〜７ｎｍ程度に留まっている。波長可変幅をさらに広くするには、モード跳びを許容し、波長フィルタの波長変化量が屈折率変化量よりも大きくなるような手段を用いる必要がある。Ｙ分岐レーザや、超周期構造回折格子レーザは、いずれも屈折率変化量よりもフィルタ波長変化量が大きくなる手段を用いている。これらのレーザでは、フィルタ波長を大きく変化させ、なおかつ十分な波長選択性を得るために、２つの電極に流す電流を制御する必要があり、さらに共振縦モード波長を制御するための電極も必要となる。その結果、発振波長を調整するのに３つの電極への注入電流を制御しなければならず、制御が非常に複雑になってしまうという問題があった。

これらの問題に対し、特許文献１、非特許文献１等には、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）が開示されている。分布活性ＤＦＢレーザは、一つの電極への注入電流制御により連続的に４〜７ｎｍ程度発振波長を変化させることができ、なおかつ活性導波路層及び非活性導波路層への電流注入も効率よく行える半導体レーザを得ることと、モード跳びを伴うけれども、二つの電極への注入電流制御により、５０〜１００ｎｍ程度の範囲にわたって発振波長を変化させることができるものである。このような構造によれば、活性層体積を十分確保できるため、高出力化を図ることが可能である。

図１７に非特許文献１において開示された分布活性ＤＦＢレーザの構造を示す。図１７（ａ）は分布活性ＤＦＢレーザの上面図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）におけるｘ−ｘ´断面図である。

図１７に示すように、分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド３０１上に、活性導波路層３０２と非活性導波路層（波長制御領域）３０３とをそれぞれ一定の長さＬａ、Ｌｔで、交互に周期的に直列結合した構造となっている。活性導波路層３０２および非活性導波路層３０３の上には上部クラッド３０４が形成され、活性導波路層３０２および非活性導波路層３０３と上部クラッド３０４との間には凹凸、すなわち回折格子３０５が形成されている。更に、上部クラッド３０４上には、活性導波路層３０２、非活性導波路層３０３に対応して活性層電極３０７、波長制御電極３０８がそれぞれ設けられている。また、下部クラッド３０１の下方には共通の電極３１０が設けられている。

図１７に示す分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路層３０２への電流Ｉａ注入により発光とともに利得が生じ、活性導波路層３０２と上部クラッド３０４との間に形成された回折格子３０５の周期に応じた波長のみが選択的に反射されてレーザ発振が起こる。

一方、非活性導波路層３０３への電流Ｉｔ注入により、該非活性導波路層３０３の屈折率はキャリア密度に応じて生じるプラズマ効果により変化するため、これに伴って、非活性導波路層３０３と上部クラッド３０４との間に形成された回折格子３０５の光学的な周期は変化する。そして、非活性導波路層３０３の等価屈折率が変化し、一周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。繰り返し構造の一周期の長さをＬ、波長制御領域長をＬｔとすれば、共振縦モード波長の変化の割合は、以下に示す（５）式で表される。
Δλｒ／λｒ＝（Ｌｔ／Ｌ）・（Δｎ／ｎ）・・・（５）

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流Ｉｔ注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造一周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合Δλｓ／λｓは、以下に示す（６）式で表される。
Δλｓ／λｓ＝（Ｌｔ／Ｌ）・（Δｎ／ｎ）・・・（６）

（５）式、（６）式より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。従って、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザの構造を図１８に示す。

この分布活性ＤＦＢレーザも図１７に示す分布活性ＤＦＢレーザと同様に、下部クラッド４０１上に、活性導波路層４０２と非活性導波路層４０３とをそれぞれ一定の長さＬａ、Ｌｔで、交互に周期的に直列結合した構造を有し、活性導波路層４０２および非活性導波路層４０３の上に上部クラッド４０４が形成され、活性導波路層４０２と上部クラッド４０４との間には凹凸、すなわち回折格子４０５が形成されている。更に、上部クラッド４０４上には、それぞれ活性導波路層４０２、非活性導波路層４０３に対応して活性層電極４０７、波長制御電極４０８が設けられている。また、下部クラッド４０１の下部には共通の電極４１０が形成されている。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子４０５を一部のみに形成しているが、図１７の分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。

また、特許文献１には、図１９に示すように、図１８に示す分布活性ＤＦＢレーザと同様の構造を有し、活性導波路層４０２と非活性導波路層４０３の繰り返し周期がそれぞれＬ１、Ｌ２である、異なる二つのレーザを直列結合した構造も開示されている。なお、図１８に示した部材と実質的に同一の部材については同一符号を付し、説明を省略する。

図１７乃至図１９に示した分布活性ＤＦＢレーザなどのように、活性導波路層３０２（又は４０２）と非活性導波路層３０３（又は４０３）とを交互に周期的に結合する手段としては、選択成長法を用いたバットジョイント（突合せ結合）技術が用いられている。特許文献２には、バットジョイントを行う場合に用いる選択成長マスクを島状にすることにより、活性導波路層と非活性導波路層との結合が光学的に均一化できることが述べられている。

特許第３２３７７３３号公報特公平７−１０９９２２号公報石井他著、「分布活性ＤＦＢレーザ(A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode(TDA-DFB-LD)）」、IEEE Photonics Letters、vol.10、no.1、1998年１月、p.30―32

上述した従来の分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性領域と非活性領域を短い領域長で交互に繰り返す構造となっていると共に、バットジョイント面が導波路方向に直交するように設けられているため、活性導波路層と非活性導波路層のバットジョイント結合における反射、散乱損失が、一結合当たりでは僅かな量であったとしても、素子全体では無視できない量となり、閾値電流の増大や、出力効率の低下などの問題を生じさせる虞がある。また同様に、バットジョイント時の選択成長における成長膜厚や組成の変動は散乱を増加させ、結合効率を悪化させる。特に上述の分布活性ＤＦＢレーザでは、反射ピーク間隔を広げるために各領域長を短くする必要があり、通常のバットジョイントを必要とする集積デバイスに比べて、選択成長におけるマスク脇の膜厚、組成ゆらぎの影響が相対的に大きくなることが考えられる。

本発明はこのような問題を解決するものであって、バットジョイント部の反射や散乱を抑える構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体導波路素子は、
第１の半導体クラッド層と、前記第１の半導体クラッド層より光学的屈折率が大きい光導波路層と、前記光導波路層より屈折率が小さい第２の半導体クラッド層とをそれぞれ１層以上含む光導波路が、三つ以上光導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子において、
前記光導波路層間の結合面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜し、
前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが互いに異なるか、前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが等しいときは前記結合面と該結合面に隣接する結合面との間隔ｘが「ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）」を満たす
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明において、前記結合面の法線が、導波路方向に対して５度以上傾斜していることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明において、前記結合面の法線が、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜していることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る半導体導波路素子は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記結合面の傾きが、全て等しいことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体導波路素子は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記結合面が、導波路方向に沿って連続する二面ごとに等しい傾斜角を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明に係る半導体導波路素子は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記結合面が、一面おきに等しい傾斜角を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明に係る半導体導波路素子は、第１乃至第６のいずれかの発明において、ルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明に係る半導体レーザは、第１乃至第７のいずれかの発明に係る半導体導波路素子からなることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第９の発明に係る半導体導波路素子の作製方法は、第１の半導体クラッド層と、前記第１の半導体クラッド層より光学的屈折率が大きい光導波路層と、前記光導波路層より屈折率が小さい第２の半導体クラッド層とをそれぞれ１層以上含む光導波路が、三つ以上光導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子を作製する方法において、
前記第１の半導体クラッド層上に第１の光導波路層を形成する工程と、
島状マスクを用いて前記第１の光導波路層をエッチングした後、第２の光導波路層を再成長させて、前記第１の光導波路層と前記第２の光導波路層との結合面を形成する工程とを有し、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜するようにし、
前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが互いに異なるか、前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが等しいときは前記結合面と該結合面に隣接する結合面との間隔ｘが「ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）」を満たす
ことを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザによれば、バットジョイント部の反射と散乱を抑えることができるため、活性領域と非活性領域が交互に繰り返される構造を有する分布活性ＤＦＢレーザなどの構造においても共振器全体の損失を低減し、閾値電流の増大や出力効率の低下を防止することができる。

本発明の実施の形態を、以下に示す実施例において詳細に説明する。

図１乃至図４に基づいて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。

図１（ａ）は本実施例に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｙ−ｙ´断面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のｚ−ｚ´断面図、図２（ａ）〜（ｃ）は本発明におけるバットジョイントの作製課程を表す説明図、図３は図２（ａ）の上面図、図４は屈折率が互いに異なる物質の境界面における光の屈折を示す説明図、図５はバンドギャップ波長と屈折率差との関係を示すグラフ、図６は入射角と反射率との関係を示すグラフ、図７は屈折率境界への入射角に対する反射波の結合率を示すグラフである。

図１に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰよりなる下部クラッド（半導体基板）１上に、下部クラッド１より光学的屈折率が大きい光導波路層１５と、この光導波路層１９より屈折率が小さい上部クラッド層４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層１９は、活性導波路層２と非活性導波路層３とを光の伝播方向に沿って交互に周期的に（図１では４周期）直列結合して構成されている。相互に隣接する活性導波路層２と非活性導波路層３との結合は、バットジョイントにより行われる。

活性導波路層２は、発振波長帯の光に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬａの活性領域である。また、非活性導波路層３は、光学的利得を持たず、活性導波路層２とは組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬｔの非活性領域であって、波長制御領域である。本実施例では、領域長Ｌａ，Ｌｔをそれぞれ２９．５μｍ、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰返し周期Ｌ（＝Ｌａ＋Ｌｔ）を５９μｍとした。

活性導波路層２および非活性導波路層３の上にはｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド４が形成され、光導波路層１９と上部クラッド４との間には、光の伝播方向（以下、導波路方向という）に対し、全長に亘って同一周期で凹凸を形成して光導波路層１９の等価屈折率を周期変調させた回折格子５が形成されている。本実施例では、発振波長１．５５μｍを得るために回折格子周期は２４３ｎｍとした。

上部クラッド４上には、活性導波路層２と非活性導波路層３とのオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓまたはその両方の多層構造からなるコンタクト層６を設け、更に、その上に活性導波路層２、非活性導波路層３にそれぞれ対応するように活性層電極７、波長制御電極８が設けられている。なお、活性層電極７と波長制御電極８とは、絶縁膜９によって電気的に分離されており、且つ、活性層電極７同士、波長制御電極８同士は各々一体化され、櫛形状を構成している。また、下部クラッド１の下方には共通の電極１０が設けられている。

更に、図１（ｃ）に示すように、幅Ｗｓの活性導波路層２（非活性導波路層３）の両側には電流ブロック層１３としてそれぞれＩｎＰからなるｐ型半導体１１およびｎ型半導体１２が交互に形成され、埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）となっている。これにより、活性導波路層２または非活性導波路層３に効率よく電流Ｉａ又はＩｔが注入される。本実施例では導波路の幅Ｗｓを１．５μｍとした。

更に図１（ｄ）に示すように、活性導波路２と非活性導波路３とは、その結合面１４（図１では７箇所）が導波路方向に直交する面に対して角度θで傾いている。換言すると、結合面１４の法線が、導波路方向に対して傾斜角θを有している。

活性導波路層２にバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層３にそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いると、レーザ発振の利得に寄与しなくなるために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流Ｉｔ注入により大きく屈折率を変化させることができる。

次に図２及び図３に基づいて本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザの作製方法の一例を説明する。作製は図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）の順で進行する。

図２（ａ）に示すように、まず、有機金属気相エピタキシャル成長法によりｎ型ＩｎＰ基板としての下部クラッド１上に、ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層２、及びＩｎＰ上部クラッド４の一部を成長したウエハを準備し、上部クラッド４上であって、活性導波路層２を残したい領域の直上にのみＳｉＯ₂もしくはＳｉＮによって島状マスク１５（図２では４つ）を作製する。ここで、本明細書において島状とは導波路方向に沿って間欠的に配置された状態を示すものとする。つまり、本実施例では導波路方向に沿って周期Ｌで間欠的に島状マスク１５を作製する。

島状マスク１５は、図３に示すように導波路方向と交差する端面の法線が導波路方向に対して角度θで傾斜している。本実施例において、島状マスク１５は同形状且つ同方向に配置され、隣り合う島状マスク１５の対向する端面が平行になるように設定されている。換言すると、島状マスク１５は平行四辺形状となっている。ここで、本実施例の場合、活性導波路層２の領域長Ｌａは２９．５μｍであるので、プロセス時のマージンを含める必要はあるが、島状マスク１５の導波路方向の長さはおよそ２９．５μｍである。また、島状マスク１５の間隔は非活性導波路層３の領域長Ｌｔに対応するので、本実施例の場合、およそ２９．５μｍである。また、マスク幅、即ち、島状マスク１５の導波路方向に直交する方向の長さは、３．５μｍとした。

次に、図２（ｂ）に示すように、島状マスク１５を用いて上部クラッド４の一部と活性導波路層２をエッチングする。更に、図２（ｃ）に示すように、島状マスク１５をそのまま用い、選択成長により非活性導波路層３と上部クラッド層４の一部を再成長する。この方法により、図１（ｄ）に示すように、活性導波路層２と非活性導波路層３とが、交互に、且つ結合面１４の法線が導波路方向に対して角度θで傾斜するように結合された集積導波路を作製することができる。

その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子パターンを作製し、これをマスクとして半導体をエッチングし回折格子５を形成する。更に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッドの一部を有機金属気相エピタキシャル成長により再成長した後、横モードを抑制するために、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして幅１．５μｍのストライプ状に導波路を加工する。そして、エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法によりストライプ状導波路の両側にｐ型半導体／ｎ型半導体よりなるＩｎＰ電流ブロック層を成長する。その後、選択成長マスクを除去し、残りのＩｎＰ上部クラッド４とＧａＩｎＡｓコンタクト層６を成長する。

次に、コンタクト層６と上部クラッド層４の一部をエッチングし、露出したコンタクト層６および上部クラッド層４の表面にＳｉＯ₂からなる絶縁膜９を製膜した後、該絶縁膜９の電流注入部に対応する部分に穴を開ける。そして、活性層電極７、非活性層電極８としての電極パターンをリフトオフにより形成する。活性層電極７、非活性電極８はそれぞれ活性導波路層２、非活性導波路層３の直上に設けられ、且つ、活性層電極７同士、非活性導波路８同士はそれぞれ一体化され、櫛形状となっている。

続いて、本実施例の作用効果について説明する。

本実施例では、活性導波路層２と非活性導波路層３とを相互に組成の異なるＧａＩｎＡｓＰ層としている。従って、バットジョイントは、屈折率が異なる層の結合となる。

屈折率が互いに異なる物質の境界面においては、一方の物質から他方の物質へ光が入射する際に光の反射が生じる。例えば、図４に示す屈折率Ｎ₁の物質１６と屈折率Ｎ₂の物質１７との境界面１８に、物質１６側から光が入射したとすると、結合界面における光の反射率Ｒは、以下の（７）式で表される。
Ｒ＝（（Ｎ₁−Ｎ₂）／（Ｎ₁＋Ｎ₂））² ・・・（７）

本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路領域と非活性導波路領域との屈折率差が小さいため、（７）式から反射率Ｒの絶対値は非常に小さくなる。しかしその一方で、図１に示したように、一つの素子（本実施例では分布活性ＤＦＢレーザ）には、屈折率が互いに異なる領域を結合した結合面１４が複数（図１では７面）存在する。このため、一つの素子全体では光の反射の影響が無視できない程度に大きくなる虞がある。従って、結合面１４を複数有する素子にあっては、反射率Ｒをできるだけ低く抑えるか、反射が起きたとしても反射波が導波路に結合しないようにすることが重要である。

屈折率が互いに異なる物質の境界面に対して光が斜めに入射した場合、入射角をθ₁、屈折角をθ₂とすると、スネルの法則に従い、以下の（８）式で表されるように、その境界面で屈折が生じる。なお、本実施例において入射角θ₁は、境界面１８の法線に対する光の伝播方向の傾斜角とする。
ｓｉｎθ₁／ｓｉｎθ₂＝Ｎ₂／Ｎ₁ ・・・（８）

ここで、入射角θ₁がブリュースター角θ_Bに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができる。ブリュースター角θ_Bは、以下の（９）式で表すことができる。
θ_B＝ｔａｎ^-1（Ｎ₂／Ｎ₁）・・・（９）

図５にＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓＰとバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓとの屈折率差と、該ＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長との関係を示す。伝播する光の波長は１．５５μｍとしている。図５に示すように、半導体の屈折率はバンドギャップ波長によって異なる。例えば、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体と、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体とでは、０．０９程度の屈折率差がある。

実際に導波路構造を作製する場合には、バンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓと、ＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓＰとをコアとして用い、これらよりも屈折率の低い半導体でコアに光を閉じ込める構造をとる。

例えば、簡単な導波路構造として、厚さ０．１５μｍのコアをＩｎＰのクラッドで挟んで構成される導波路構造の等価屈折率で考えると、バンドギャップ波長１．５５μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１２、バンドギャップ波長１．４０μｍの半導体をコアとして用いた場合の等価屈折率は３．１９となり、これらの導波路の等価屈折率差は０．０２程度以下になる。

図６に、図４に示した境界面１８に入射する光の入射角θ₁と反射率Ｒとの関係を示す。なお、入射角θ₁は、境界面１８に直交する方向と光の伝播方向との角度である。図６に示すグラフは、入射側の物質１６の屈折率をＮ₁＝３．２０、物質１６と物質１７の屈折率差ΔｎをそれぞれΔｎ＝Ｎ₁−Ｎ₂＝０．００５、０．０１、０．０１５、０．０２とした場合の例を示している。

本実施例においては、分布活性ＤＦＢレーザにおける活性導波路層２と非活性導波路層３との屈折率差が小さいため、（９）式から、ブリュースター角θ_Bはほぼ４５度となる。即ち、活性導波路層２と非活性導波路層３と結合面１４の傾斜角θがほぼ４５度の場合に反射率Ｒが０となり、また、傾斜角θ＝４５度近傍で反射率Ｒが非常に小さくなる。

屈折率差Δｎ＝０．０１の場合を例にとってみると、図６から、入射角θ₁が１０度以上５４度以下で反射率Ｒを低減できる。特に反射率Ｒを、光が境界面に対して垂直に入射したとき、即ち、入射角θ₁＝０の場合の半分以下に抑えるためには、入射角θ₁を２８度から５２度程度の間の値とすればよい。また、反射率Ｒを、入射角θ₁＝０における反射率Ｒの３分の１以下に抑えるためには、入射角θ₁を３３度から５１度程度の間の値とすればよい。なお、図６からわかるように、入射角θ₁がブリュースター角θ_Bより小さい範囲であるほうが、入射角θ₁がブリュースター角θ_Bより大きい場合に比較して、入射角θ₁に対する反射率Ｒの変化が緩やかになっている。

なお、必ずしも境界面における反射を全て抑える必要がなく、反射が起きても反射波が導波路に結合しなければよいような場合、以下のように入射角θ₁の選択範囲を広げることができる。

図７に、光モードフィールド幅を１．５μｍとした場合の境界面への入射角と、導波路への反射波の結合率との関係を示す。なお、反射波結合率は、境界面での屈折率差を考慮しなくてもいいように、入射角θ₁＝０のとき、すなわち、境界面が導波路方向に対して直交する場合における反射波の導波路への結合率を１として表示した。

図７から、入射角θ₁がおよそ５度以上あれば導波路への反射波結合率を半分に低減でき、反射波結合率を３０％程度以下にするためには入射角θ₁がおよそ７度以上あればよく、反射波結合率を一桁低減するには、入射角θ₁をおよそ９度以上とすればよいことがわかる。

以上のことから、図１に示す分布活性ＤＦＢレーザにおいて、活性導波路層２と非活性導波路層３との結合面１４が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を、例えば半分以下に抑制するためには、結合面１４の角度を導波路方向に対して５度以上９０度未満とする必要がある。また、結合面１４が導波路方向に対して直交する場合に比較して、反射波結合率を３０％以下に抑制するためには導波路方向に対する結合面の角度を７度以上９０度未満とする必要がある。また、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射波結合率を一桁低減するためには、導波路方向に対する結合面の角度を９度以上９０度未満とする必要がある。

また、活性導波路層２と非活性導波路層３との結合面１４における反射率Ｒを、結合面１４が導波路方向に対して直交する場合に比較して、例えば半分以下とするためには、結合面１４の傾斜角θを２８度乃至５２度程度、３分の１以下とするためには、結合面１４の傾斜角θを３３度乃至５１度程度、結合面が導波路方向に対して直交する場合に比較して反射率Ｒをほぼ０とするためには、結合面１４の傾斜角θを４５度とする必要がある。

なお、上述したような反射波の影響を抑制する効果は、結合する導波路の数が増えるほど大きくなることは明らかである。

従って、本実施例の場合、導波路に対して、屈折率境界面である結合面１４の傾斜角θが上記角度となるようにすれば、結合面１４における屈折率差により生じた反射率Ｒを低減し、反射波の導波路への結合を低減することができる。

また、本実施例においては、島状マスク１５の導波路方向と交差する両端面が導波路方向に対して同一の傾斜角に設定されているとともに、隣接する島状マスク１５の相互に対向する端面が平行になるように設定されている。これにより、島状マスク１５の導波路方向の長さが全て等しくなるとともに、非活性導波路層を選択成長する領域の導波路方向に沿った長さが一定になっている。

一般的に、選択成長においては、再成長時にマスク上に到達した原料が、マスク上では成長できずに、マスク上を半導体上まで移動し成長される。マスクサイズが大きいほど、マスク脇に成長する量が多くなり、マスクから離れた場所との成長量差が大きくなる。また、原料により移動する距離（マイグレーション長）が異なるため、マスク脇とマスクから離れた箇所との組成のばらつきも大きくなる。通常、マスクから数μｍ〜数十μｍ、条件によっては百μｍ以上の領域にわたり、成長膜厚や組成がばらつくことになる。

本実施例の分布活性ＤＦＢレーザのように、選択成長領域が短い間隔で繰り返されているようなデバイスの場合、隣接する島状マスク１５間の距離が１００μｍ以下と短く、選択成長領域は、両側の島状マスク１５からの影響を大きく受けるため、島状マスク１５の間隔が１００〜２００μｍ以下のときには、できるだけ揺らぎが小さくなるマスク形状とすることが重要となる。

本実施例のように島状マスク１５を設計すれば、島状マスク１５の導波路方向に沿った長さと、島状マスク１５の間隔が等しくなるので、平坦性が向上し、組成ばらつきも小さくすることが可能である。

更に、実際に導波路として活用する領域は、活性領域の中心付近の１μｍ幅程度である。特許文献２では、長さ２００μｍ、幅４０μｍのマスクが用いられており、幅４０μｍでも平坦性の効果はあるが、光フィールドの広がりやプロセス誤差を考えても、島状マスク１５の幅は１０μｍ以下で十分であり、島状マスク１５の幅ができるだけ狭い方が選択成長時の成長膜厚ゆらぎや組成ゆらぎへの影響が小さくなるため望ましい。このように、島状マスク１５の幅（導波路方向に直交する方向の長さ）は１．０μｍ以上１０μｍ以下が望ましい。

なお、本実施例においては、ｐ型半導体１１、ｎ型半導体１２を組み合わせて電流ブロックを実現しているが、電流ブロックとしては、Ｆｅ（鉄）やＲｕ（ルテニウム）などをドーピングした半絶縁性ＩｎＰを用いてもよい。

また、活性導波路層および非活性導波路層はバルク材料でなくともよく、例えば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、量子細線や量子ドットなど、更に低次元の量子井戸構造を備えたものであってもよい。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）などを導入してもよい。

更に、本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの別の半導体であってもよく、活性導波路層と非活性導波路層のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。

更に、半導体の成長法としては、上述した有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。

更に加えて、本実施例では分布活性ＤＦＢレーザにおいてバットジョイント面を導波路方向に対して傾斜させる例を説明したが、本発明は上述した実施例に限らず、領域が３つ以上あるその他の集積デバイスにおいて適用可能である。また、本実施例では、分布活性ＤＦＢレーザのために、２種類の導波路領域の交互繰り返しであり、一度の選択成長で全てのバットジョイントが形成される。３種類以上の導波路領域を有する構成とする場合、選択成長を２回以上行うことになるが、その場合であっても、バットジョイントの結合端面角度の配置について、本実施例と同様の配置にすることにより、本発明の効果を得ることができる。

図８及び図９に基づいて、本発明の第２の実施例を詳細に説明する。

図８（ａ）は本実施例に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のｙ−ｙ´断面図、図９は本実施例に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。

図８に示すように、本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザは、ｎ型ＩｎＰよりなる下部クラッド（半導体基板）１０１上に、下部クラッド１より光学的屈折率が大きい光導波路層１１９と、この光導波路層１１９より屈折率が小さい上部クラッド層１０４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層１１９は、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３とを光の伝播方向に沿って交互に周期的に（図８では４周期）直列結合して構成されている。相互に隣接する活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３との結合は、バットジョイントにより行われる。

活性導波路層１０２は、発振波長帯の光に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬａの活性領域である。また、非活性導波路層１０３は、光学的利得を持たず、活性導波路層１０２とは組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬｔの非活性領域であって、波長制御領域である。本実施例では、領域長Ｌａ，Ｌｔをそれぞれ４８．７μｍ、２４．３μｍ、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３の繰返し周期Ｌ（＝Ｌａ＋Ｌｔ）を７３μｍとした。

活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３の上にはｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド１０４が形成され、光導波路層１１９と上部クラッド１０４との間には、光の伝播方向（以下、導波路方向という）に対し、全長に亘って同一周期で凹凸を形成して光導波路層１１９の等価屈折率を周期変調させた回折格子１０５が形成されている。本実施例では、発振波長１．５５μｍを得るために回折格子周期は２４３ｎｍとした。

上部クラッド１０４上には、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３とのオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓまたはその両方の多層構造からなるコンタクト層１０６を設け、更に、その上に活性導波路層１０２、非活性導波路層１０３にそれぞれ対応するように活性層電極１０７、波長制御電極１０８（図８ではそれぞれ４つ）が設けられている。なお、活性層電極１０７と波長制御電極１０８とは、絶縁膜１０９によって電気的に分離されており、例えば、活性層電極１０７同士、波長制御電極１０８同士をそれぞれ素子外でワイヤーなどにより短絡すれば、実施例１と同様の動作が得られる。また、下部クラッド１０１の下方には共通の電極１１０が設けられている。

更に、活性導波路１０２と非活性導波路１０３とは、その結合面１１４が導波路方向に直交する面に対して傾いている。換言すると、結合面１１４の法線が、導波路方向に対して傾斜角を有している。

活性導波路層１０２にバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層１０３にそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いると、レーザ発振の利得に寄与しなくなるために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流Ｉｔ注入により大きく屈折率を変化させることができる。

次に本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザの作製方法の一例を説明する。

最初に有機金属気相エピタキシャル成長法によりｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド１０１上に、活性導波路層１０２を作製する。その後、非活性導波路層１０３をバットジョイントにより活性導波路層１０２に結合する。

バットジョイントにより活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３とを結合する過程は、図２に示し、実施例１において説明した過程と概ね同様であるが、本実施例においては、図９に示すように、島状マスク１１５（図９では４つ）の形状が実施例１において説明した島状マスク１５とは異なっている。即ち、島状マスク１１５の導波路方向と交差する端面は導波路方向に対して傾斜しており、島状マスク１１５は平行四辺形に形成されている。そして、実施例１において、図３に示したように隣り合う島状マスク１５が同向きで配置されているのに対し、本実施例では隣り合う島状マスク１１５が線対称になるように配置されている。マスク幅は６μｍとした。

次に、図９に示す島状マスク１１５を用いて上部クラッド１０４の一部と活性導波路層１０２をエッチングする。更に、島状マスク１１５をそのまま用い、選択成長により非活性導波路層１０３と上部クラッド層１０４の一部を再成長する。この方法により、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３とが、交互に、且つ結合面が導波路方向に対して傾斜するように結合された集積導波路を作製することができる。

その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子パターンを作製し、これをマスクとして半導体をエッチングし回折格子１０５を形成する。更に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド１０４の一部を有機金属気相エピタキシャル成長により再成長した後、横モードを抑制するために、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして幅１．５μｍのストライプ状に導波路を加工する。そして、エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法によりストライプ状導波路の両側にＲｕ（またはＦｅ）をドーピングした半導体よりなる半絶縁体電流ブロック層１１３を成長する。

その後、選択成長マスクを除去し、次に、各領域間の分離のためにコンタクト層１０６と上部クラッド層１０４の一部をエッチングして電流分離溝１１６（図８では７箇所）を形成すると共に、ＳｉＯ₂絶縁膜１０９を製膜し、活性導波路層１０２上と非活性導波路層１０３上の絶縁膜１０９に穴を開ける。活性層電極１０７同士、非活性層電極１０８同士を素子上で短絡するように電極パターンをリフトオフにより形成する。

なお、半絶縁体１１３のためにドーピングする材料としては、一般的にＦｅがよく使われているが、Ｒｕを用いることで、ｐ型ＩｎＰのドーパントであるＺｕとの相互拡散を抑制することができる。また、Ｒｕを用いることにより、ｐ型、ｎ型半導体よりなる電流ブロック層よりも容量が減るため、変調特性を向上することができる。これに加えて電流分離溝１１６による各領域１０２，１０３間の漏れ電流抑制により、変調特性を１０ＧＨｚ以上に向上できた。

本実施例による作用効果を説明する。本実施例によれば、特に、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３間のバットジョイントにおける反射率Ｒの低減については、上述した実施例１と同様の作用効果が得られる。更に、上述した実施例１に比較して以下に示すような作用効果が得られる。

即ち、実施例１では、再成長時の膜厚や組成の平坦性を重視して、図３に示すように、島状マスク１５を、隣接する島状マスク１５の端面間の距離が一定となるように配置した。実施例１に係る半導体導波路素子においては、島状マスク１５の端面を導波路方向に対して４５度程度傾斜するように設定すれば、結合面における反射率Ｒが小さくなると共に、導波路に結合する反射波が低減すると考えられる。

しかし、結晶成長においては、結晶方位の影響を受け、結晶方位によって成長速度などが異なる等の可能性があるため、必ずしもバットジョイント結合面が導波路方向に対して４５度傾斜するように導波路間の結合を行うことが最適であるとは限らない。そこで、実施例１で説明したように、導波路に結合する反射波を抑制可能な範囲で導波路方向に対する結合面の角度を選択する必要が生じる。しかし、実施例１に示した半導体導波路素子の場合、全てのマスク端面が平行であるため、導波路方向に対するマスク端面の傾斜角が垂直に近い場合には、同じ角度を持つ端面同士の共振が生じることも懸念される。

これに対し、本実施例は、実施例１と比較して、島状マスク１１５の導波路方向の長さ、及び、島状マスク１１５上の材料が半導体上に移動する量を一定に保ちつつ、隣り合う島状マスク１１５同士を相互に線対称に配置するものである。本実施例によれば、実施例１に係る半導体導波路素子に比較して、導波路方向に対して同じ傾斜を有する結合面の数を低減したことにより、平坦性は多少低下するが、結合面間の共振を減らして共振モードの安定化を図ることが可能である。

なお、島状マスクの導波路方向と交差する一対の端面を平行にし、島状マスク導波路方向の長さを一定とすることにより、島状マスク上の材料が半導体上に移動する量を等しく保つことは、島状マスクが一つであってもその効果が期待できる。

また、コンタクト層１０６と上部クラッド層１０４の一部をエッチングする方法としては、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３の長さが短く、繰返し周期も短いため、プラズマやイオンビームなどによるドライエッチングなどのサイドエッチング量の少ないエッチング方法が望ましいが、ウエットエッチングなどによる方法でも問題はない。

図１０及び図１１に基づいて、本発明の第３の実施例を詳細に説明する。

図１０（ａ）は本実施例に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のｙ−ｙ´断面図、図１１は本実施例に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。

図１０に示すように、本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザは、ｎ型ＩｎＰよりなる下部クラッド（半導体基板）２０１上に、下部クラッド１より光学的屈折率が大きい光導波路層２１９と、この光導波路層２１９より屈折率が小さい上部クラッド層２０４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層２１９は、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３とを光の伝播方向に沿って交互に周期的（図１０では４周期）に直列結合して構成されている。相互に隣接する活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３との結合は、バットジョイントにより行われる。

活性導波路層２０２は、発振波長帯の光に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬａの活性領域である。また、非活性導波路層２０３は、光学的利得を持たず、活性導波路層２０２とは組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬｔの非活性領域であって、波長制御領域である。本実施例では、領域長Ｌａ，Ｌｔをそれぞれ２２．３μｍ、４４．７μｍ、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３の繰返し周期Ｌ（＝Ｌａ＋Ｌｔ）を６７μｍとした。

活性導波路層２０２および非活性導波路層２０３の上にはｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２０４が形成され、光導波路層２１９と上部クラッド２０４との間には、光の伝播方向（以下、導波路方向という）に対し、全長に亘って同一周期で凹凸を形成して光導波路層２１９の等価屈折率を周期変調させた回折格子２０５が形成されている。本実施例では、発振波長１．５５μｍを得るために回折格子周期を２４１ｎｍとした。

上部クラッド２０４上には、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３とのオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓまたはその両方の多層構造からなるコンタクト層２０６を設け、更に、その上に活性導波路層２０２、非活性導波路層２０３にそれぞれ対応するように活性層電極２０７、波長制御電極２０８（図１０ではそれぞれ４つ）が設けられている。なお、活性層電極２０７、波長制御電極２０８は各々独立に配置され、絶縁膜２０９によって電気的に分離されており、例えば、活性層電極２０７同士、波長制御電極２０８同士をそれぞれ素子外でワイヤーなどにより短絡すれば、実施例１と同様の動作が得られる。また、下部クラッド２０１の下方には共通の電極２１１が設けられている。

更に、図１０（ｃ）に示すように、本実施例に係る半導体導波路素子は、幅Ｗｓの光導波路層１９０の両側にポリイミドを埋め込んだリッジ構造となっている。本実施例では導波路の幅すなわちリッジ幅Ｗｓを２．５μｍとした。

活性導波路層２０２にバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層２０３にそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いると、レーザ発振の利得に寄与しなくなるために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流Ｉｔ注入により大きく屈折率を変化させることができる。

最初に有機金属気相エピタキシャル成長法によりｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド２０１上に、活性導波路層２０２を作製する。その後、非活性導波路層２０３をバットジョイントにより活性導波路層２０２に結合する。

バットジョイントにより活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３とを結合する過程は、図２に示し、実施例１において説明した過程と概ね同様であるが、本実施例においては、図１１に示すように、島状マスク２１５（図１１では４つ）の形状が実施例１において説明した島状マスク１５とは異なっている。即ち、島状マスク２１５の導波路方向と交差する端面は導波路方向に対して傾斜しており、島状マスク２１５は導波路方向に直交する面に対して対称な台形形状となっている。実施例１においては、隣り合う島状マスク１５を同じ向きに配置し、実施例２では、隣り合う島状マスク１１５が線対称になるように配置したのに対し、本実施例では、台形形状の島状マスク２１５を用い、隣接する該島状マスク２１５が点対称に配置している。マスク幅は６μｍとした。

次に、図１１に示す島状マスク２１５を用いて上部クラッド２０４の一部と活性導波路層２０２をエッチングする。更に、島状マスク２１５をそのまま用い、選択成長により非活性導波路層２０３と上部クラッド層４の一部を再成長する。この方法により、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３とが、交互に、且つ結合面が導波路方向に対して傾斜するように結合された集積導波路を作製することができる。

その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子パターンを作製し、これをマスクとして半導体をエッチングし回折格子２０５を形成する。更に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２０４の一部を有機金属気相エピタキシャル成長により再成長した後、横モードを抑制するために、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして幅１．５μｍのストライプ状に導波路を加工する。

そして、選択成長マスクを除去し、ＳｉＯ₂もしくはＳｉＮ膜を製膜し、厚いレジストを用いてリッジ上部にのみ電極分離溝のパターンを形成する。次に、各領域間の分離のためにコンタクト層２０６と上部クラッド層２０４の一部をエッチングして電流分離溝２１６を形成する。続いて、ポリイミドをリッジの脇と分離溝に埋め込み、３５０度のオーブンで凝固させた後、ＳｉＯ₂絶縁膜を製膜し、活性導波路層２０２上と非活性導波路層２０３上の絶縁膜２０９に穴を開ける。活性層電極１０２同士、非活性層電極１０３同士を素子上で短絡するように電極パターンをリフトオフにより形成する。

なお、本実施例では売レジストをマスクとしてウエットエッチングによりリッジを形成したが、ＳｉＯ₂やＳｉＮをマスクとしてドライエッチングによりリッジを形成してもよい。

なお、本実施例では、容量の低減と、リッジ構造の保護のために誘電体を用いたが、両脇は空気としてもよい。また、誘電体として有機材料であるポリイミドを用いたが、ＢＣＢなど他の材料であってもよい。誘電体を用いることにより、電流ブロック層よりも容量が減るため、変調特性を向上することができる。これに加えて、電流分離溝２１６による各領域２０２，２０３間の漏れ電流抑制により、変調特性を１０ＧＨｚ以上に向上できた。

本実施例による作用効果を説明する。本実施例によれば、特に、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３間のバットジョイントにおける反射率Ｒの低減については、上述した実施例１、実施例２と同様の作用効果が得られる。更に、本実施例によれば、上述した実施例１及び実施例２に比較して以下に示すような作用効果が得られる。

即ち、実施例１では、再成長時の膜厚や組成の平坦性を重視して、図３に示すように、島状マスク１５を隣接する島状マスク１５の端面間の距離が一定となるように配置した。しかし、実施例１の場合、全ての端面が平行であり、角度が導波路に対して垂直に近い場合には、同じ角度を持つ端面同士の共振が生じる可能性があるため、実施例２では、平坦性は多少低減するが、島状マスク１１５の導波路方向の長さ、及び、島状マスク１１５上の材料が半導体上に移動する量は実施例１と同一に保ったまま、隣り合う島状マスク１１５を線対称で配置していくことにより、同じ角度を持つ結合面を減少させた。

これに対し、本実施例は、島状マスク２１５の導波路方向の長さ、及び、島状マスク２１５上の材料が半導体上に移動する量を一定に保つ一方、隣接する島状マスク２１５の端面間の距離が等しくなるように配置したものであり、同じ角度を持つ結合面を減らしつつ、組成の均一性、平坦性を確保することができる。

なお、活性導波路層および非活性導波路層はバルク材料でなくともよく、例えば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、量子細線や量子ドットなど、更に低次元の量子井戸構造を備えたものであってもよい。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）などを導入してもよい。

また、コンタクト層２０６と上部クラッド層２０４の一部をエッチングする方法としては、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３の長さが短く、繰返し周期も短いため、プラズマやイオンビームなどによるドライエッチングなどのサイドエッチング量の少ないエッチング方法が望ましいが、ウエットエッチングなどによる方法でも問題はない。

図１２及び図１３に基づいて本発明の第４の実施例を詳細に説明する。図１２は本発明に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの作製に用いるマスクの一例を示す説明図、図１３は本発明に係る半導体レーザの作製に用いるマスクの他の例を示す説明図である。

本実施例は、実施例１と比較して、光導波路層を構成する活性導波路層及び非活性導波路層をバットジョイント結合する際に用いるマスクの形状が異なるものであり、その他の構成、例えば、本実施例に係る半導体導波路素子のレーザ構造は、上述した実施例１と概ね同様であり、バットジョイントの作製工程も実施例１で図２を用いて説明した通りである。以下、実施例１においてした説明と重複する説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。

図１２に示すように、島状マスク３１５の導波路方向と交差する端面は導波路方向に対して傾斜を有している。本実施例において複数（図１２では４つ）の島状マスク３１５は、各々導波路方向に直交する面に対して非対称な台形形状であって、且つ、それぞれ異なる形状を有して導波路方向に間欠的に配置されている。なお、隣接する島状マスク３１５の相互に対向する端面は、それぞれ平行になるように設定されている。

実施例１では、隣接する島状マスク１５は同じ向きで配置されており、実施例２では、隣接する島状マスク１１５が線対称になるように配置されているが、実施例３では台形のマスクを用い、隣り合うマスクは点対称になるように配置している。これに対し、本実施例では、それぞれの島状マスク３１５の導波路方向に交差する一対の端面の角度が相互に異なる一方、隣接する島状マスク３１５間の間隔が一定になるように、隣接する島状マスク３１５の対向する端面の角度を同一とし、平行に設けている。なお、マスク幅は７．５μｍとした。

本実施例による作用効果を説明する。本実施例によれば、特に、活性導波路層と非活性導波路層間のバットジョイントにおける反射率Ｒの低減については、上述した実施例１乃至実施例３と同様の作用効果が得られる。更に、本実施例によれば、上述した実施例１乃至実施例３に比較して以下に示すような作用効果が得られる。

即ち、実施例１では、再成長時の膜厚や組成の平坦性を重視して、図３に示すように、島状マスク１５を隣接する島状マスク１５の端面間の距離が一定となるように配置した。しかし、実施例１の場合、全ての端面が平行であり、角度が導波路に対して垂直に近い場合には、同じ角度を持つ端面同士の共振が生じる可能性があるため、実施例２では、平坦性は多少低減するが、島状マスク１１５の導波路方向の長さ、及び、島状マスク１１５上の材料が半導体上に移動する量は実施例１と同一に保ったまま、隣り合う島状マスク１１５を線対称で配置していくことにより、同じ角度を持つ結合面を減少させた。更に実施例３では、マスクの導波路方向の長さは、マスク幅方向に沿って変化するが、隣接するマスク間の間隔は等しくなるように配置したことで、同じ角度を持つ結合面を減らしつつ、組成の均一性、平坦性を確保するようにした。

これに対し、本実施例は、隣接するマスク間の間隔が一定となるように配置しつつ、導波路方向に対して等しい傾斜を有する結合面を更に低減したことにより、反射による共振の影響をより低減することが可能となる。

なお、図１２に示した島状マスク３１５は、図１１に示し実施例３において説明した島状マスク２１５に比較して、それぞれの島状マスク２１５の端面の導波路方向に対する傾斜を変更したものであるが、図９に示し実施例２において説明した島状マスク１１５の一部を変更し、図１３に示すような形状とすることでも本実施例による作用効果を得ることができる。

即ち、図１３に示すように、島状マスク４１５の形状を、導波路方向に交差する両端面の角度を等しく、つまり平行四辺形にすると共に、隣り合う島状マスク４１５とは対向する端面の角度が異なるように、それぞれの島状マスク４１５の形状を相違させるのである。これにより、活性導波路層の導波路方向の長さを一定とする一方、活性導波路層と非活性導波路層との結合面の導波路方向に対する傾斜角をそれぞれの相違させることができ、島状マスク４１５上を移動する原料の島状マスク４１５端付近での影響は同じとしつつ、反射による共振を抑えることができる。

なお、本実施例では分布活性ＤＦＢレーザにおいてバットジョイント面を導波路方向に対して傾斜させる例を説明したが、本発明は上述した実施例に限らず、領域が３つ以上あるその他の集積デバイスにおいて適用可能である。また、本実施例では、分布活性ＤＦＢレーザのために、２種類の導波路領域の交互繰り返しであり、一度の選択成長で全てのバットジョイントが形成される。３種類以上の導波路領域を有する構成とする場合、選択成長を２回以上行うことになるが、その場合であっても、バットジョイントの結合端面角度の配置について、本実施例と同様の配置にすることにより、本発明の効果を得ることができる。

図１４に基づいて本発明の第５の実施例を詳細に説明する。図１４は本発明に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。

本実施例は、実施例２と比較して、光導波路層を構成する活性導波路層及び非活性導波路層をバットジョイント結合する際に用いるマスクの形状が異なるものである。また、レーザ構造は実施例２と同じであるが、活性層にＡｌを含む半導体を用い、半絶縁体層としてはＲｕをドーピングしたＩｎＰを用いた。これにより、高温度下においても閾値電流の増大を防ぐとともに、変調特性を向上させることができる。その他の構成は上述した実施例２と概ね同様であり、重複する説明は省略する。

図１４に示すように、島状マスク５１５の導波路方向と交差する端面は導波路方向に対して傾斜を有している。本実施例において複数（図１４では４つ）の島状マスク５１５の、導波路方向に交差する端面は、導波路方向に対して相互に異なる傾斜角を有し、導波路方向に間欠的に配置されている。

実施例１では、隣接する島状マスク１５は同じ向きで配置されており、実施例２では、隣接する島状マスク１１５が線対称になるように配置されている。また、実施例３では台形のマスクを用い、隣り合うマスクは点対称になるように配置している。実施例４では、島状マスク３１５間の間隔、もしくは島状マスク４１５の長さが、導波路方向に直交する方向に沿って一定となるようにして、活性導波路層と非活性導波路層との結合面の傾斜角が、連続する二つの結合面ごとに等しく、それ以外は傾斜角が異なるようにしている。これらに対し、本実施例では、各結合面の角度を全て異なるようにした。マスク幅は１０μｍとした。

本実施例による作用効果を説明する。本実施例によれば、特に、活性導波路層と非活性導波路層間のバットジョイントにおける反射率Ｒの低減については、上述した実施例１乃至実施例４と同様の作用効果が得られる。更に、本実施例によれば、上述した実施例１乃至実施例４に比較して以下に示すような作用効果が得られる。

即ち、実施例１では、再成長時の膜厚や組成の平坦性を重視して、図３に示すように、島状マスク１５を隣接する島状マスク１５の端面間の距離が一定となるように配置した。しかし、実施例１の場合、全ての端面が平行であり、角度が導波路に対して垂直に近い場合には、同じ角度を持つ端面同士の共振が生じる可能性があるため、実施例２では、平坦性は多少低減するが、島状マスク１１５の導波路方向の長さ、及び、島状マスク１１５上の材料が半導体上に移動する量は実施例１と同一に保ったまま、隣り合う島状マスク１１５を線対称で配置していくことにより、同じ角度を持つ結合面を減少させた。更に実施例３では、マスクの導波路方向の長さは、マスク幅方向に沿って変化するが、隣接するマスク間の間隔は等しくなるように配置したことで、同じ角度を持つ結合面を減らしつつ、組成の均一性、平坦性を確保するようにした。実施例４では、島状マスク３１５間の間隔、又は、島状マスク４１５の導波路方向の長さを、幅方向に沿って等しくなるようにしつつ、傾斜角が等しい結合面を更に減らしたことにより、反射による共振の影響をより低減することを可能とした。

これに対し、本実施例は、各結合面の傾斜角が全て異なるようにした。これにより、選択成長の均一性は若干低減するが、反射による共振の影響を更に低減できる。なお、本実施例では、最良の状態を得るために、図１４に示すように島状マスク５１５を配置し、各結合面の角度が全て異なるようにしたが、導波路方向に直交する面でない限り、ある程度離れた結合面が同じ傾斜角を有しても構わないことは言うまでもない。

具体的には、最も単純に考えた場合、同じ傾斜角を有する結合面間において一方の面で反射した光が他方の面に到達することを防止すればよいので、島状マスク５１５の導波路方向と直交する方向の幅をｄ、導波路方向に対するバットジョイント面の角度をθとすると、同じ傾斜角を有する結合面間の距離ｘが、以下の（１０）式の関係を満たせばよい。
ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）・・・（１０）

図１５及び図１６に基づいて本発明の第６の実施例を詳細に説明する。図１５は本発明に係る半導体レーザとしての分布活性ＤＦＢレーザの作製に用いるマスクの一例を示す説明図、図１６は本発明に係る半導体レーザの作製に用いるマスクの他の例を示す説明図である。

本実施例は、実施例３と比較して、光導波路層を構成する活性導波路層及び非活性導波路層をバットジョイント結合する際に用いるマスクの形状が異なるものである。その他の構成、例えば、レーザ構造は上述した実施例３と概ね同様であり、また、バットジョイントの作製工程についても実施例３と同様、実施例１で図２を用いて説明した通りであって、重複する説明は省略する。

図１５に示すように、島状マスク６１５の導波路方向と交差する端面は導波路方向に対して傾斜を有し、線対称な台形形状となっている。そして、本実施例においては全て（図１５では４つ）の島状マスク６１５が同一形状に形成され、同一方向に間欠的に配置されている。導波路方向に直交する端面は、導波路方向に対して相互に異なる傾斜角を有し、導波路方向に間欠的に配置されている。

実施例１では、隣接する島状マスク１５は同じ向きで配置されており、実施例２では、隣接する島状マスク１１５が線対称になるように配置されている。また、実施例３では台形のマスクを用い、隣り合うマスクは点対称になるように配置している。実施例４では、島状マスク３１５間の間隔、もしくは島状マスク４１５の長さが、導波路方向に直交する方向に沿って一定となるようにして、活性導波路層と非活性導波路層との結合面の傾斜角が、連続する二つの結合面ごとに等しく、それ以外は傾斜角が異なるようにしている。実施例５では、各結合面の角度が全て異なるようにしている。これらに対し、本実施例では、同一の台形形状である島状マスク６１５を間欠的に配置している。マスク幅は６．５μｍとした。

本実施例による作用効果を説明する。本実施例によれば、特に、活性導波路層と非活性導波路層間のバットジョイントにおける反射率Ｒの低減については、上述した実施例１と同様の作用効果が得られる。更に、本実施例によれば、上述した実施例１に比較して以下に示すような作用効果が得られる。

更に実施例３では、マスクの導波路方向の長さは、マスク幅方向に沿って変化するが、隣接するマスク間の間隔は等しくなるように配置したことで、同じ角度を持つ結合面を減らしつつ、組成の均一性、平坦性を確保するようにした。実施例４では、島状マスク３１５間の間隔、又は、島状マスク４１５の導波路方向の長さを、幅方向に沿って等しくなるようにしつつ、傾斜角が等しい結合面を更に減らしたことにより、反射による共振の影響をより低減することを可能とした。実施例５では、各結合面の傾斜角を全て異なるようにしてあり、選択成長の均一性は若干低減するが、反射による共振の影響を更に低減することが可能となった。

しかしながら、実施例２から実施例５の形状であると、この後の導波路の横方向閉じ込め構造、すなわち、リッジや埋め込みヘテロ構造のメサ構造などを作製する際に、導波路の設計位置からの位置ズレが生じると、活性導波路領域と非活性導波路領域の組からなる一周期の長さ、もしくは、活性導波路領域と非活性導波路領域の一周期中の割合が場所により異なってしまう。分布活性ＤＦＢレーザの場合、活性導波路領域と非活性導波路領域の比率は、共振縦（軸）モードの変化の割合と、反射ピークの変化の割合を一致させるために、全ての活性導波路領域と非活性導波路領域の組で等しくする必要がある。本実施例のように台形の島を並べて配置することにより、設計で想定した導波路とは平行にずれた場合でも、設計状の比率とは変わってしまうが、共振器内の全ての活性導波路領域と非活性導波路領域の組で同じ比率となる。

図１５は本実施例の考え方、すなわち、導波路と直交する方向に位置ズレをしても、活性導波路領域と非活性導波路領域の比率が一定となること、を明確にあらわすために、上底の端点にある二つの角の大きさが互いに等しく、下底の端点にある二つの角を互いに等しい、等脚台形を用いて説明したが、隣り合うマスクが同じ形であればよい。例えば、図１６に示すように、島状マスク７１５の導波路方向に対して交差する一対の端面が、導波路方向に対して相互に異なる傾斜角を有するようにしてもよい。

なお、上述した実施例１乃至実施例６においては、８つの光導波路が結合された半導体導波路素子について、その結合面を導波路方向に直交する方向に対して傾斜を付与する例を示したが、三つ以上の光導波路が結合された半導体導波路素子であれば、上述した実施例１乃至実施例６において説明した効果を得ることができる。

また、実施例１乃至実施例３において、回折格子を、上部クラッド層の一部を成長した後に形成する例を示したが、本発明は上述した実施例に限らず、活性導波路層を作製した後、上部クラッド層を形成する前に、島状マスクを用いて活性導波路層をエッチングし、島状マスクをそのまま用いて選択成長により非活性導波路層を再成長して、活性導波路層と非活性導波路層とを、交互に、且つ結合面が導波路方向に対して傾斜するように結合させた後、回折格子を形成する等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、例えば、光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源に適用可能である。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る半導体レーザの上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｙ−ｙ´断面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のｚ−ｚ´断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は本発明におけるバットジョイントの作製課程を表す説明図である。図２（ａ）の上面図である。屈折率が互いに異なる物質の境界面における光の屈折を示す説明図である。バンドギャップ波長と屈折率差との関係を示すグラフである。入射角と反射率との関係を示すグラフである。屈折率境界への入射角に対する反射波の結合率を示すグラフである。図８（ａ）は実施例２に係る半導体導波路素子の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のｙ−ｙ´断面図である。本発明の実施例２に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。図１０（ａ）は本実施例に係る半導体導波路素子の上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のｙ−ｙ´断面図である。本発明の実施例３に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。本発明の実施例４に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。本発明の実施例４に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの他の例を示す説明図である。本発明の実施例５に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。本発明の実施例６に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの一例を示す説明図である。本発明の実施例６に係る半導体導波路素子の作製に用いるマスクの他の例を示す説明図である。図１７（ａ）は従来の分布活性ＤＦＢレーザの上面図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）におけるｘ−ｘ´断面図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザを示す断面図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザを示す断面図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１，４０１下部クラッド
２，１０２，２０２，３０２，４０２活性導波路層
３，１０３，２０３，３０３，４０３非活性導波路層
４，１０４，２０４，３０４，４０４上部クラッド
５，１０５，２０５，３０５，４０５回折格子
６，１０６，２０６コンタクト層
７，１０７，２０７，３０７，４０７活性層電極
８，１０８，２０８，３０８，４０８波長制御電極
９，１０９，２０９絶縁膜
１０，１１０，２１０，３１０，４１０共通電極
１３電流ブロック層
１４結合面
１１３半絶縁体
２１３誘電体
１５，１１５，２１５，３１５，４１５，５１５，６１５，７１５島状マスク

Claims

第１の半導体クラッド層と、前記第１の半導体クラッド層より光学的屈折率が大きい光導波路層と、前記光導波路層より屈折率が小さい第２の半導体クラッド層とをそれぞれ１層以上含む光導波路が、三つ以上光導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子において、
前記光導波路層間の結合面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜し、
前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが互いに異なるか、前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが等しいときは前記結合面と該結合面に隣接する結合面との間隔ｘが「ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）」を満たす
ことを特徴とする半導体導波路素子。
前記結合面の法線が、導波路方向に対して５度以上傾斜している
ことを特徴とする請求項１記載の半導体導波路素子。
前記結合面の法線が、導波路方向に対して１０度以上５４度以下の角度で傾斜している
ことを特徴とする請求項１記載の半導体導波路素子。
前記結合面の傾きが、全て等しい
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体導波路素子。
前記結合面が、導波路方向に沿って連続する二面ごとに等しい傾斜角を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体導波路素子。
前記結合面が、一面おきに等しい傾斜角を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体導波路素子。
ルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備える
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体導波路素子からなる
ことを特徴とする半導体レーザ。
第１の半導体クラッド層と、前記第１の半導体クラッド層より光学的屈折率が大きい光導波路層と、前記光導波路層より屈折率が小さい第２の半導体クラッド層とをそれぞれ１層以上含む光導波路が、三つ以上光導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子を作製する方法において、
前記第１の半導体クラッド層上に第１の光導波路層を形成する工程と、
島状マスクを用いて前記第１の光導波路層をエッチングした後、第２の光導波路層を再成長させて、前記第１の光導波路層と前記第２の光導波路層との結合面を形成する工程とを有し、
前記結合面の法線は、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜するようにし、
前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが互いに異なるか、前記結合面の傾斜角θと該結合面に隣接する結合面の傾斜角θが等しいときは前記結合面と該結合面に隣接する結合面との間隔ｘが「ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）」を満たす
ことを特徴とする半導体導波路素子の作製方法。