JP4909159B2

JP4909159B2 - 半導体導波路素子およびその作製方法ならびに半導体レーザ

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Publication number: JP4909159B2
Application number: JP2007096681A
Authority: JP
Inventors: 伸浩布谷; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-04-02
Also published as: JP2008258274A

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半導体導波路素子およびその作製方法ならびに半導体レーザに関し、特に、光通信における光波長（周波数）多重システム用波長可変光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用波長可変光源に好適なものである。

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な波長調整機能が要求されており、また、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、波長変化を制御するために、温度を変化させて屈折率を制御するものと、電流注入による屈折率変化を用いるものの二つが主に使われているが、波長変化速度を考えると、電流注入による屈折率変化を用いた方が速い波長切り替えが可能である。

電流注入による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半導体レーザとしては、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や二重導波路レーザ（ＴＴＧレーザ）などが研究されており、連続波長可変幅としてＤＢＲレーザでは、４．４ｎｍ、ＴＴＧレーザでは７ｎｍ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押えるために、活性層領域を短くした、いわゆる短共振器ＤＢＲ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レーザでは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、５０ｎｍ〜１００ｎｍの波長可変幅が得られている。

しかし、上記従来技術においては、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、以下の（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は等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎと等しくなる。
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、最初に共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１μｍ〜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とすることができず、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。また、通常の半導体レーザ構造と異なるため、半導体光増幅器などとの集積化が困難であり、多機能な集積デバイスを構成できない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接続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、全共振器長さＬに対する分布反射器の実行長Ｌｅの割合分だけ等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎよりもすくなくなる。
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。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があった。

ＴＴＧレーザおよび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４ｎｍ〜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問題があった。

これらの問題を解決すべく、１つの電極への注入電流制御により連続的に４ｎｍ〜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および非活性導波路層への電流注入も効率良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、２つの電極への注入電流により、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の範囲に亘って発振波長を変化させることができる半導体レーザが開発されている。非特許文献１および特許文献１には、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造が開示されている。この構造によれば、活性層体積も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１３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１３（ａ）は分布活性ＤＦＢレーザの上面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）におけるｘ−ｘ´断面図である。

図１３に示すように、分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド６０１上に、活性導波路層６０２と非活性導波路層（波長制御領域）６０３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６０２および非活性導波路層６０３の上には上部クラッド６０４が形成され、活性導波路層６０２および非活性導波路層６０３と上部クラッド６０４との間には凹凸、すなわち回折格子６０５が形成されている。更に、上部クラッド６０４上には、活性導波路層６０２、非活性導波路層６０３に対応して活性層電極６０７、波長制御電極６０８がそれぞれ設けられている。また、下部クラッド６０１の下方には共通の電極６１０が設けられている。この分布活性ＤＦＢレーザにおいては、活性導波路層６０２への電流Ｉａの注入により発光とともに利得が生じ、活性導波路層６０２と上部クラッド６０４との間に形成された回折格子６０５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６０３への電流Ｉｔの注入により、該非活性導波路層６０３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６０３と上部クラッド６０４との間に形成された回折格子６０５の光学的な周期は変化する。そして、非活性導波路層６０３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１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１４に示す。
この分布活性ＤＦＢレーザも図１３に示す分布活性ＤＦＢレーザと同様に、下部クラッド７０１上に、活性導波路層７０２と非活性導波路層７０３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７０２および非活性導波路層７０３の上に上部クラッド７０４が形成され、活性導波路層７０２と上部クラッド７０４との間には凹凸、すなわち回折格子７０５が形成されている。更に、上部クラッド７０４上には、それぞれ活性導波路層７０２、非活性導波路層７０３に対応して活性層電極７０７、波長制御電極７０８が設けられている。また、下部クラッド７０１の下部には共通の電極７１０が形成されている。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子７０５を一部のみに形成しているが、図１３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１５に示すように、図１４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７０２と非活性導波路層７０３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１４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。

特許第３２３７７３３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

しかしながら、上述の分布活性ＤＦＢレーザの構造では、活性領域と非活性領域を短い領域長で交互に繰り返しているため、活性領域の電極から非活性流域へ流れる漏れ電流、または、その逆の非活性領域の電極から活性領域へ流れる漏れ電流が無視できない。相互に流れる漏れ電流があることにより、波長制御が正確に行えないことや、波長制御範囲が狭くなるという問題が生じる。

一般的に電極分離抵抗を増大する方法として、図１６に示すように活性領域と非活性領域の電極間隔Ｗｅを広げる方法があるが、上述の分布活性ＤＦＢレーザでは各領域長が短いため、各領域を有効に使うためには、できるだけ電極間隔を近接させた方が望ましい。一方で、図１７（ａ）のように電極間に分離溝９１４を設ける方法や、図１７（ｂ）に示すように、不純物イオンの注入により高抵抗化する方法がある。分離溝９１４の深さｄは深い方が電極分離抵抗を大きくすることができるが、深くしすぎると導波路を伝搬する光が半導体と分離溝９１４の屈折率差により反射波が増大することになる。また、不純物イオンの注入による方法であっても、屈折率変化の影響により、分離溝９１４と同じく反射の問題が生じる。このため想定外の共振モードが生じるなど、漏れ電流とは別の問題が生じることとなる。

そこで、本発明の目的は、前述した問題に鑑み提案されたもので、電極間隔を狭く保ちつつ、イオン注入や分離溝による反射波の影響を抑え、電極分離抵抗を増大する半導体導波路素子およびその作製方法ならびに半導体レーザを提供することである。

上述した課題を解決する第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、二つ以上導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子であって、前記光導波路にそれぞれ独立して電流を供給する電極と、前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に設けられ、当該第２の半導体クラッド層と異なる導電型の分離層または絶縁性の分離層とを有し、前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜し、隣接する分離層の傾斜角θが互いに異なるか、隣接する分離層の傾斜角θが等しいときは隣接する分離層の間隔ｘがｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）を満たすことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明に係る半導体導波路素子であって、前記分離層が、前記第２の半導体クラッド層に不純物をイオン注入または拡散することにより形成されることを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明または第２の発明に係る半導体導波路素子であって、前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に分離溝が設けられることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第３の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して５度以上傾斜することを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第３の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して２０度以上５５度以下の角度で傾斜することを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第５の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記分離層の導波路方向に交差する面の全てが、導波路方向に対して等しい傾斜角を有することを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第５の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記分離層の導波路方向に交差する面に対し一つおきに等しい傾斜角を有し、導波路方向に沿って隣接する前記分離層が導波路方向に直交する面に対して相互に対称であることを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第７の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記第２の半導体クラッド層の上面に設けた絶縁膜に形成された孔の導波路方向に交差する端部、または、前記電極の導波路方向に対して交差する端部、またはその両方が、各々が対応する前記分離層に対して平行に形成されることを特徴とする。

上述した課題を解決する第９の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第８の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、前記光導波路層の結合面が、前記分離層と等しい傾斜を有することを特徴とする。

上述した課題を解決する第１０の発明に係る半導体導波路素子は、第１の発明乃至第９の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子であって、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。

上述した課題を解決する第１１の発明に係る半導体レーザは、第１の発明乃至第１０の発明の何れか一つに係る半導体導波路素子を用いたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第１２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、二つ以上光導波路方向に直列に結合され、前記光導波路にそれぞれ独立して電流を供給する電極が設けられてなる半導体導波路素子を作製する方法であって、前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に不純物をイオン注入または拡散して、当該第２の半導体クラッド層と異なる導電型、または絶縁性であり、導波路方向に交差する方向に延びると共に、導波路方向に直交する方向に対して傾斜を有する分離層を形成する工程を備え、前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜させ、隣接する分離層の傾斜角θが互いに異なるか、隣接する分離層の傾斜角θが等しいときは隣接する分離層の間隔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、電極間隔を狭く保ちつつ、イオン注入や分離溝による反射波の影響を抑え、電極分離抵抗を増大す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相互の領域間で流れる漏れ電流を低減し、波長制御範囲を拡大するとともに、波長制御を正確に行うことができる。

本発明の最良の実施形態を、以下に示す実施例において詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、図１乃至図４に基づき詳細に説明する。

図１（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図であり、図１（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図１（ｄ）は本実施例に係る半導体レーザの電極および絶縁膜を除いた状態の上面図であり、図１（ｅ）は図１のｙ−ｙ´断面図であり、図２は本実施例に係る半導体レーザの他の例を示す上面図であり、図３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率を示す説明図であり、図４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であり、図５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よりなる第１の半導体クラッド層である下部クラッド（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１５より屈折率が小さい第２の半導体クラッド層である上部クラッド４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層１５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直列結合して構成されている。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。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とは組成の異なる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とし、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期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１５と上部クラッド４との間には、光の伝搬方向（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１５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。

活性領域と非活性領域の間には、ｎ型半導体になるようにＳｉ（シリコン）のイオン注入を行っている（イオン注入領域（導電型の分離層）１６）。

イオン注入により半導体の導電型を反転させる位置（導電型反転領域）は、活性領域と非活性領域との境界を中心として設けることにより、効率よく相互領域間の漏れ電流を防ぐことができるが、必ずしも活性領域と非活性領域との境界を中心に設ける必要は無く、どちらかの領域に片寄った位置に配設したとしてもイオン注入の効果は得られる。本実施例の分布活性ＤＦＢレーザの場合、活性領域には所望の発振出力を得るための十分な利得を発生させるために、比較的大きな電流を注入し、波長制御領域（非活性領域）においては、波長を制御するために比較的小さな電流から電流を制御する。

したがって、活性領域よりも非活性領域のバイアス電圧が低くなることにより、多くの場合、漏れ電流は活性領域から非活性領域へ流れることになる。この場合、イオン注入の中心を活性領域と非活性領域の接続部に配置するのではなく、活性領域側にずらすことにより、漏れ電流の抑止効果を高めることが可能である。

全ての活性層電極７同士、波長制御電極８同士は各々一体化され、互いに素子上で短絡された構成となっている。また、基板下部、つまり、下部クラッド１の下部には、共通の電極１０が形成されている。

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、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層２および非活性導波路層３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に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、さらに低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。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中間に屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）などを導入しても良い。

本素子を用いる半導体は、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良く、活性導波路層２と非活性導波路層３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。

図１（ａ）に示すように、活性電極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。図１（ｂ）に示すように、活性層電極７、波長制御電極８の下には絶縁膜９が形成されている。絶縁膜９には導波路の直上であって、活性領域、非活性領域にそれぞれ対応する部分に、図１（ｃ）に示すような電極窓としての孔９ａが開けられ、コンタクト層６が露出するようになっている。換言すると、孔９ａの下に、導波路方向に沿って形成された光導波路層１５が位置している。また、絶縁膜９の下方にあっては、各領域の導波路上のみにコンタクト層６を残すよう、図１（ｄ），図１（ｅ）に示すように、導波路方向に沿ってコンタクト層６を残すように深さｄでエッチングされている。

そして、図１（ｄ）に示すように、コンタクト層６が平行四辺形の島状に形成されている。これにより、各領域間には導波路方向に対して角度を持ったコンタクト層６を分離する分離溝１４が形成される。コンタクト層６以外の部分にイオン注入を行うことによって、イオン注入した場所は導電型が変わるため、例えば、あるコンタクト層６から隣のコンタクト層６までの間は、ｐ型、ｎ型、ｐ型というようになるので、電流が流れない。また、イオン注入する領域も導波路に対して角度を持っていることになる。本実施例では、イオン注入する領域は、島状のコンタクト層６以外の全てとしているが、少なくともコンタクト層６の周囲の導電型が反転すれば良い。コンタクト層６の幅Ｗａは５μｍとし、導波路に沿った隣り合うコンタクト層６の間隔は５μｍとした。島状のコンタクト層６から１μｍ離してイオン注入を行った。

さらに、図１（ｅ）に示すように、幅Ｗｓの光導波路層１５の両側に電流ブロック層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に効率良く電流が注入される。本実施例では、ｐ型ＩｎＰ，ｎ型ＩｎＰを組み合わせて電流ブロック層１３を実現しているが、Ｆｅ（鉄）やＲｕ（ルテニウム）などをドーピングした半絶縁性ＩｎＰを用いても良い。本実施例では、導波路の幅Ｗｓを１．５μｍとした。

図１（ｃ）に示すように、コンタクト層６および上部クラッド４を絶縁膜９で覆った後に、電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する絶縁膜９の部分にのみ孔９ａを形成する（図１では８箇所）。この孔９ａの形状は、通常長方形で形成される。長方形であっても本発明の効果を得られるが、コンタクト層６の形状と同じ平行四辺形とすることにより作製工程が容易となる。つまり、基板表面上には図１（ｅ）に示すように、コンタクト層６部分が凸状となった段差が生じており、ここにフォトレジストにより絶縁膜９に穴あけを行うパターンを形成することとなる。段差部分のレジスト厚は必ずしも均一ではなく、段差からの距離に応じて滑らかに厚さが変化している場合が多い。コンタクト層６形状と穴あけ形状を一致させることで、穴あけパターンは段差からの距離が一定となるため、パターンを均一に作製できる。

図１（ａ）に示すように、活性層電極７、波長制御電極８の電極パターンもコンタクト層６や絶縁膜９の形状を反映して、導波路方向に交差する面が、導波路方向に直交する方向に対して傾斜するように配線されている。活性層電極７、波長制御電極８は、孔９ａ同様に、導波路方向に直交する方向に電極を引き出しても良いが、電極パターンもフォトレジストを用いてリフトオンするかウエットエッチングにより形成するため、できるだけ段差の影響が少なくなるように配線することが望ましい。そのため、図１（ａ）に示す形状に代えて図２に示すような形状としても良い。

なお、本実施例のようにコンタクト層６の形状を上面視平行四辺形とする場合には、活性層電極７、波長制御電極８をどちら側に引き出すかにより、素子面積に影響が生じる。例えば、本実施例において、波長制御電極８を図１（ａ）中のｙ側で一体化し、活性層電極７を図１（ａ）中のｙ´側で一体化する構成とした場合、導波路方向、すなわち、光の伝搬方向前後に基板面積を更に大きくする必要があるため、余分な導波路を結合する必要が生じる。したがって、電極の引き出し方向を図１（ａ）に示すように、導波路方向に対して端部に位置する電極を素子の中心側へ傾斜させつつ引き出すことで、基板面積を小さくすることができる。

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１上に、活性導波路層２を作製する。次に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして活性導波路層２の一部をエッチングする。エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法により非活性導波路層３を作製する。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。

ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド４の一部を有機金属気相エピキタ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。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１１／ｎ型半導体１２よりなるＩｎＰ電流ブロック層１３を成長する。

その後、選択成長マスクを除去し、残りのＩｎＰ上部クラッド層４とＧａＩｎＡｓコンタクト層６を成長する。次に、ＳｉＮのマスクを用いて平行四辺形の島形状にコンタクト層６をエッチングし、更にそのＳｉＮマスクを用いてコンタクト層６以外の部分にＳｉイオンを注入する。イオン注入は、２段階に分けて行った。一回目のイオン注入は、加速電圧７０ｋｅＶでドーズ量５×１０¹³ｃｍ^-2の条件で行い、二回目のイオン注入は、加速電圧２００ｋｅＶでドーズ量１．０×１０¹⁴ｃｍ^-2の条件で行った。注入したイオンを７００度１分の熱処理により活性化させた後、ＳｉＯ₂絶縁膜９を製膜し、活性導波路層２上と非活性導波路層３上の絶縁膜９の電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する部分に孔９ａを開ける。活性層電極７同士、非活性層電極８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。

半導体の成長法としては、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良い。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他の手段を用いても良い。

また、コンタクト層６と上部クラッド４の一部をエッチングする方法としては、活性導波路層２と非活性導波路層３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。

イオン注入により、ｐ型をｎ型に反転させる際に用いるイオン種は、Ｓｉ（シリコン）でなくともＣ（炭素）やＳ（硫黄）などの他のイオンでも良い。また、本実施例では、ｎ型半導体基板を用いているため、クラッドにｐ型ＩｎＰを用いており、ｐ型をｎ型に反転させる必要があったが、ｎ型ＩｎＰクラッドの場合には、逆に、ｎ型をｐ型に反転させる必要があり、Ｂｅ（ベリリウム）やＭｇ（マグネシウム）などを注入すれば良い。また、Ｆｅ（鉄）やＲｕ（ルテニウム）などをイオン注入して半絶縁体としても良い。

本実施例においては、活性導波路層２と非活性導波路層３が交互に周期的に配置された構造を例として説明したが、領域間の相互に流れる漏れ電流を抑制すると共に、導波する光の反射を抑制するものであるので、活性導波路層２と非活性導波路層３の組み合わせに限らず、活性導波路層を複数の領域に分割したり、非活性導波路を複数の領域に分割したりして電極を各々設けた場合などであっても本発明を適用できる。

上述したように、領域が複数ある場合に漏れ電流の影響は顕著に現れるが、領域が二つしかない場合であっても、本発明によって相互に流れる漏れ電流を抑制し、且つ、導波する光の反射を抑制するために有用である。

本実施例では、分布活性ＤＦＢレーザへの適用例を示したため、活性導波路層２上の電極と、非活性導波路層３上の電極とが、それぞれ素子上で短絡された構造について説明したが、本発明は、それぞれの電極が独立していても適用できる。また、分布活性ＤＦＢレーザでなくとも、例えば、レーザと変調器を集積したデバイスにおけるレーザ部の電極と変調器の電極部などにも適用可能である。すなわち、直列接続された異なる導波路素子間の分離に適用可能である。

続いて、本実施例の作用について説明する。

イオン注入により不純物を注入すると、その領域はこれまでの材料とは異なる材料であるため屈折率が変化する。屈折率が互いに異なる物質の境界面において光の反射が生じる。例えば、図３に示すように、屈折率Ｎ₁の物質２０と屈折率Ｎ₂の物質２１との接合境界面１９に、物質２０側から光が入射したとすると、接合境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）

つまり、光の反射率Ｒは物質２０，２１の屈折率差によって決まる。そのため、導波路を伝搬する光は、イオン注入により屈折率が変化した領域にかかると反射が生じる。イオン注入の深さが深くなるほど、光フィールドに係る割合が大きくなり、等価屈折率の差は大きくなる。なお、イオン注入領域を導波路に垂直な形状とした場合には、反射により戻り光が発生するため、デバイス特性にモード不安定などの影響が生じてしまう。

本実施例に係る分布活性ＤＦＢレーザにおいては、イオン注入により生じる屈折率変化がそれほど大きくないため、屈折率差が小さく反射率の絶対値はとても小さくなる。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、分離領域が複数存在する。このため、一つ素子全体では光の反射を無視できない程度に大きくなる虞がある。したがって、分離領域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、または、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とし、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。
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４に、図３に示した境界面１９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、本実施例において入射角θ₁は、境界面１９の法線に対する光の伝播方向の傾斜角とする。図４に示すグラフは、入射側の物質２０の屈折率をＮ₁＝３．２０とし、物質２０と屈折率Ｎ₂の物質２１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、導波路部とイオン注入領域１６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、イオン注入領域１６の導波路方向に交差する面の傾斜角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４から、入射角θ₁が２０度以上５５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良い。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良い。なお、図４から分かるように、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より大きい場合と比較して、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５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良いように、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５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度以上あれば良く、反射波結合率を一桁低減するには、入射角θ₁をおよそ９度以上とすれば良いことが分かる。

従って、本実施例の場合、導波路方向に直交する方向に対して、屈折率境界面を上記角度を持つようにイオン注入領域１６を形成すれば、不純物による屈折率差により生じた反射率を低減し、反射波の導波路への結合を低減することができる。従って、分離抵抗を大きくするためにイオン注入の深さを深くして、等価屈折率の差が大きくなっても反射率を抑えることが可能となる。

本実施例では、半導体の導電型を変えるためにイオン注入を用いているが、領域が広がってしまう問題はあるものの、不純物の熱拡散を用いた方法によっても実現できる。その場合であっても、導波路から角度を用いた領域に拡散させることで、本実施例と同様の効果を得ることができる。

また、本実施例は、活性導波路層２と非活性導波路層３の接続時におけるバットジョイントの形状によらず独立して効果を得ることができる。バットジョイントは、形状によって反射を防止することも可能であるが、結晶の再成長が必要であり、成長条件によって最適な接続面角度があるため、必ずしも反射対策に最適な角度がよいとは限らないが、イオン注入の角度は領域分離と反射対策を考慮して独立に決定すればよい。

しかしながら、作製について考えると、バットジョイントの接続面では結晶成長面が平坦ではなく、また結晶も必ずしも高品質ではないため、接続面と交差するようにイオン注入を行うと、イオン注入が不均一になったり、バットジョイント面上のみに電流が流れる経路が生じたりする可能性がある。従って、バットジョイントの接続面に沿ってイオン注入領域を形成することによって、分離領域を確実に形成できる。

本発明の第２の実施例について、図６に基づき詳細に説明する。

図６（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図であり、図６（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図６（ｄ）は本実施例に係る半導体レーザの電極及び絶縁膜を除いた状態の上面図であり、図６（ｅ）は図６（ａ）のｙ−ｙ´断面図である。

図６に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰよりなる第１のクラッド層である下部クラッド（半導体基板）１０１上に、下部クラッド１０１より光学的屈折率が大きい光導波路層１１５と、この光導波路層１１５より屈折率が小さい第２のクラッド層である上部クラッド１０４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層１１５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直列結合して構成されている。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とし、２４．３μｍとし、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１１５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１１５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２４２ｎｍ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が設けられている。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。活性領域と非活性領域との間にあっては、コンタクト層１０６、及び上部クラッド１０４の一部にイオン注入を行っている。

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、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層１０２および非活性導波路層１０３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に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良い。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）などを導入しても良い。

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。

図６（ａ）に示すように、活性層電極１０７同士、波長制御電極１０８同士は各々独立に配置されている。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。図６（ｂ）に示すように、活性層電極１０７、波長制御電極１０８の下には絶縁膜１０９が形成されている。絶縁膜１０９には導波路の直上であって、活性領域、非活性領域にそれぞれ対応する部分に、図６（ｃ）に示すような電極窓としての孔１０９ａが開けられ（図６では８箇所）、コンタクト層１０６が露出するようになっている。換言すると、孔１０９ａの下に、導波路方向に沿って形成された光導波路層１１５が位置している。また、絶縁膜１０９の下方にあっては、各領域の導波路上のみにコンタクト層１０６があって、半絶縁体１２２で挟まれている。そして、各領域はイオン注入により半導体の導電型を反転させた領域で電気的に分離されている。

全ての活性層電極１０７および波長制御電極１０８は独立して配置される。活性層電極１０７同士、および波長制御電極１０８同士を素子外にて、例えばワイヤーなどにより短絡した構成とすることで、上述した本発明の第１の実施例と同様な動作が得られる。また、基板下部、つまり、下部クラッド１０１の下部には、共通の電極１１０が形成されている。

そして、図６（ｄ）に示すように、導波路上のコンタクト層１０６を分離するように、各領域間に導波路に対して角度を持ったイオン注入領域１１６が形成されている。これにより、イオン注入した領域１１６のみ半導体の導電型が変わるため、例えば、ある電極から隣の電極までの間が、ｐ型，ｎ型，ｐ型となり、電流が流れにくくなる。イオン注入を行う領域１１６は、コンタクト層１０６を残したままイオン注入しても良いが、ドーピング濃度の高いコンタクト層１０６を除去してからイオン注入を行うことにより効果が顕著に現れる。

さらに、図６（ｅ）に示すように、幅Ｗｓの光導波路層１１５の両側に電流ブロック層として半絶縁体１２２が形成され、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１０２または非活性導波路層１０３に効率良く電流が注入される。本実施例では、導波路の幅Ｗｓを１．８μｍとした。

イオン注入領域１１６における、導波路と垂直な方向の長さＷａは、少なくとも導波路の幅Ｗｓ＝１．８μｍよりも長く設定する必要がある。イオン注入領域１１６の長さＷａが導波路の幅Ｗｓより長いことによって生じる大きな問題は無いが、本実施例では、導波路層１１５に電流ＩａまたはＩｔを注入するためのコンタクト抵抗や電極の引き回し時に問題にならないサイズを考えて、イオン注入領域１１６の幅Ｗａを１０μｍとした。

図６（ｃ）に示すように、コンタクト層１０６、半絶縁体１１３およびイオン注入領域１１６を絶縁膜１０９で覆った後に、電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する絶縁膜１０９の部分にのみ孔１０９ａを形成する（図６では８箇所）。この孔１０９ａの形状は、通常長方形で形成される。長方形であっても本発明の効果を得られるが、コンタクト層１０６の形状と同じ平行四辺形とすることにより作製工程が容易となる。つまり、基板表面上には図６（ｅ）に示すように、コンタクト層１０６部分が凸状となった段差が生じており、ここにフォトレジストにより絶縁膜１０９に穴あけを行うパターンを形成することとなる。段差部分のレジスト厚は必ずしも均一ではなく、段差からの距離に応じて滑らかに厚さが変化している場合が多い。コンタクト層１０６形状と穴あけ形状を一致させることで、穴あけパターンは段差からの距離が一定となるため、パターンを均一に作製できる。

図６（ａ）に示すように、活性層電極１０７、波長制御電極１０８の電極パターンもコンタクト層１０６や絶縁膜１０９の形状を反映して、導波路方向に交差する面が、導波路方向に直交する方向に対して傾斜するように配線されている。活性層電極１０７、波長制御電極１０８は、孔１０９ａ同様に、導波路方向に直交する方向に電極を引き出しても良いが、電極パターンもフォトレジストを用いてリフトオンするかウエットエッチングにより形成するため、できるだけ段差の影響が少なくなるように配線することが望ましい。

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。次に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして活性導波路層１０２の一部をエッチングする。エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法により非活性導波路層１０３を作製する。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。

ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド１０４とＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層１０６を有機金属気相エピキタ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１．８μｍのストライプ状に導波路を加工する。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（ルテニウム）（またはＦｅ（鉄））をドーピングした半導体よりなる半絶縁体（半絶縁体電流ブロック層）１２２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を導波路に対して斜めにエッチングする。コンタクト層１０６を除去し、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１０４が露出している部分にＳｉイオンを注入し６５０度で５分間アニール処理してｎ型ＩｎＰにする。続いて、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の電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する部分に孔１０９ａを開ける。そして、電極をリフトオフにより形成する。

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。

イオン注入により、ｐ型をｎ型に反転させる際に用いるイオン種は、Ｓｉ（シリコン）でなくともＣ（炭素）やＳ（硫黄）などの他のイオンでも良い。また、本実施例では、ｎ型半導体基板を用いているため、クラッドにｐ型ＩｎＰを用いており、ｐ型をｎ型に反転させる必要があったが、ｎ型ＩｎＰクラッドの場合には、逆に、ｎ型をｐ型に反転させる必要があり、Ｂｅ（ベリリウム）やＭｇ（マグネシウム）などを注入すれば良い。

半絶縁体１２２のためにドーピングする材料としては、一般的にＦｅ（鉄）が良く使われているが、Ｒｕ（ルテニウム）を用いることで、ｐ型ＩｎＰのドーパントであるＺｎ（亜鉛）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。これにより、変調特性を１０ＧＨｚ以上に向上できた。

本実施例においては、活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３が交互に周期的に配置された構造を例として説明したが、領域間の相互に流れる漏れ電流を抑制すると共に、導波する光の反射を抑制するものであるので、図６に示した活性導波路層１０２と非活性導波路層１０３の組み合わせに限らず、活性導波路層を複数の領域に分割したり、非活性導波路を複数の領域に分割したりして電極を各々設けた場合などであっても本発明を適用できる。

本実施例において説明したように、一つの素子が複数の領域を有する場合に漏れ電流の影響は顕著に現れるが、領域が二つしかない場合であっても、相互に流れる漏れ電流を抑制し、且つ、導波する光の反射を抑制することができる本実施例は有用である。

また、本実施例では分布活性ＤＦＢレーザを例として説明したが、本発明はこれらに限らず、例えば、レーザと変調器を集積したデバイスにおけるレーザ部の電極と変調器の電極部などにも適用可能である。すなわち、直列接続された異なる導波路素子間の分離に適用可能である。

なお、本実施例による作用・効果は、上述した第１の実施例と概ね同様であり、重複する説明は省略する。

本発明の第３の実施例について、図７に基づき詳細に説明する。

図７（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図であり、図７（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図７（ｄ）は本実施例に係る半導体レーザの電極及び絶縁膜を除いた状態の上面図であり、図７（ｅ）は図７（ａ）のｙ−ｙ´断面図である。

図７に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰよりなる第１のクラッド層である下部クラッド（半導体基板）２０１上に、下部クラッド２０１より光学的屈折率が大きい光導波路層２１５と、この光導波路層２１５より屈折率が小さい第２のクラッド層である上部クラッド２０４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層２１５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に直列結合して構成されている。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とし、４４．７μｍとし、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２１５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２１５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は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が設けられている。また、下部クラッド２０１の下方には共通の電極２１０が設けられている。活性領域と非活性領域との間にあっては、コンタクト層２０６、及び上部クラッド２０４の一部にイオン注入を行っている。

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、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層２０２および非活性導波路層２０３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に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良い。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）などを導入しても良い。

図７（ａ）に示すように、活性層電極２０７同士、波長制御電極２０８同士は各々独立に配置されている。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。図７（ｂ）に示すように、活性層電極２０７、波長制御電極２０８の下には絶縁膜２０９が形成されている。絶縁膜２０９には導波路の直上であって、活性領域、非活性領域にそれぞれ対応する部分に、図７（ｃ）に示すような電極窓としての孔２０９ａが開けられ（図７では８箇所）、コンタクト層２０６が露出するようになっている。換言すると、孔２０９ａの下に、導波路方向に沿って形成された光導波路層２１５が位置している。また、絶縁膜２０９の下方にあっては、各領域の導波路上のみにコンタクト層２０６があって、ポリイミドなどの誘電体２２３で挟まれている。そして、各領域はイオン注入により半導体の導電型を反転させた領域で電気的に分離されている。

全ての活性層電極２０７および波長制御電極２０８は独立して配置される。活性層電極２０７同士、および波長制御電極２０８同士を素子外にて、例えばワイヤーなどにより短絡した構成とすることで、上述した本発明の第１の実施例と同様な動作が得られる。また、基板下部、つまり、下部クラッド２０１の下部には、共通の電極２１０が形成されている。

そして、図７（ｄ）に示すように、導波路上のコンタクト層２０６を分離するように、各領域間に導波路に対して角度を持ったイオン注入領域２１６が形成されている。これにより、イオン注入した領域２１６のみ半導体の導電型が変わるため、例えば、ある電極から隣の電極までの間が、ｐ型，ｎ型，ｐ型となり、電流が流れにくくなる。イオン注入を行う領域２１６は、コンタクト層２０６を残したままイオン注入しても良いが、ドーピング濃度の高いコンタクト層２０６を除去してからイオン注入を行うことにより効果が顕著に現れる。

さらに、図７（ｅ）に示すように、上部クラッド２０４の両側に誘電体２２３としてポリイミドを埋め込んだリッジ構造となっている。これにより、電流は、活性導波路層２０２または非活性導波路層２０３に効率良く注入される。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。

図７（ｃ）に示すように、コンタクト層２０６、誘電体２２３およびイオン注入領域２１６を絶縁膜２０９で覆った後に、電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する絶縁膜２０９の部分にのみ孔２０９ａを形成する（図７では８箇所）。この孔２０９ａの形状は、通常長方形で形成される。長方形であっても本発明の効果を得られるが、コンタクト層２０６の形状と同じ平行四辺形とすることにより作製工程が容易となる。つまり、基板表面上には図７（ｅ）に示すように、コンタクト層２０６部分が凸状となった段差が生じており、ここにフォトレジストにより絶縁膜２０９に穴あけを行うパターンを形成することとなる。段差部分のレジスト厚は必ずしも均一ではなく、段差からの距離に応じて滑らかに厚さが変化している場合が多い。コンタクト層２０６形状と穴あけ形状を一致させることで、穴あけパターンは段差からの距離が一定となるため、パターンを均一に作製できる。

図７（ａ）に示すように、活性層電極２０７、波長制御電極２０８の電極パターンもコンタクト層２０６や絶縁膜２０９の形状を反映して、導波路方向に交差する面が、導波路方向に直交する方向に対して傾斜するように配線されている。活性層電極２０７、波長制御電極２０８は、孔２０９ａ同様に、導波路方向に直交する方向に電極を引き出しても良いが、電極パターンもフォトレジストを用いてリフトオンするかウエットエッチングにより形成するため、できるだけ段差の影響が少なくなるように配線することが望ましい。

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。次に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして活性導波路層２０２の一部をエッチングする。エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法により非活性導波路層２０３を作製する。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。

ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド２０４とＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層２０６を有機金属気相エピキタ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２．５μｍのストライプ状に導波路を加工する。本実施例では、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良い。

その後、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ膜を製膜し、厚いレジストを用いてリッジ上部にのみ分離溝２１４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を斜めにエッチングし、Ｓｉイオンを注入し７００度で１０分間アニール処理してｎ型ＩｎＰにする。

続いて、ポリイミドをリッジの脇と分離溝２１４に埋め込み、３５０度のオーブンで凝固させた後、ＳｉＯ₂絶縁膜２０９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２０２同士、非活性層電極２０３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。

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。

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２２３を用いたが、両脇は空気としてもよい。また、誘電体２２３として有機材料であるポリイミドを用いたが、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）など他の材料であってもよい。誘電体２２３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、分離溝２１４による活性領域、非活性領域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。

本実施例においては、活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３が交互に周期的に配置された構造を例として説明したが、領域間の相互に流れる漏れ電流を抑制すると共に、導波する光の反射を抑制するものであるので、図７に示した活性導波路層２０２と非活性導波路層２０３の組み合わせに限らず、活性導波路層を複数の領域に分割したり、非活性導波路を複数の領域に分割したりして電極を各々設けた場合などであっても本発明を適用できる。

本発明の第４の実施例について、図８に基づき詳細に説明する。

図８（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図であり、図８（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図８（ｄ）は本実施例に係る半導体レーザの電極および絶縁膜を除いた状態の上面図であり、図８（ｅ）は図８のｙ−ｙ´断面図であり、図９は本実施例に係る半導体レーザの他の例を示す上面図であり、図１０は上部クラッド厚と等価屈折率との関係を示すグラフである。

図８に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰより下部クラッド（半導体基板）３０１上に、下部クラッド３０１より光学的屈折率が大きい光導波路層３１５と、この光導波路層３１５より屈折率が小さい上部クラッド３０４とをそれぞれ１層以上含むものである。

光導波路層３１５は、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３とを光の伝播方向に沿って交互に周期的に直列結合して構成されている。活性導波路層３０２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。非活性導波路層３０３は、光学的利得を持たず、活性導波路層３０２とは組成の異なる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とし、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３の繰り返し周期Ｌ（＝Ｌａ＋Ｌｔ）を５９μｍとした。

活性導波路層３０２および非活性導波路層３０３の上にはｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド３０４が形成され、光導波路層３１５と上部クラッド３０４との間には、光の伝搬方向（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３１５の等価屈折率を周期変調させた回折格子３０５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３０４上には、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３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３０６を設け、更に、その上に活性導波路層３０２、非活性導波路層３０３にそれぞれ対応するように活性層電極３０７、波長制御電極３０８が設けられている。

活性領域と非活性領域との間にあっては、コンタクト層３０６、及び上部クラッド３０４の一部に深さｄ＝２μｍ、幅Ｗｅ＝５μｍの電極分離溝（以下、単に「分離溝」という）３１４が形成されている（図８では７箇所）。分離溝３１４の深さｄは、該分離溝３１４を形成した後に、光導波路層３１５上に上部クラッド３０４が０．５μｍ残る深さである。

分離溝３１４の位置は、活性領域と非活性領域との境界を中心として設けることにより、効率よく相互領域間の漏れ電流を防ぐことができるが、必ずしも活性領域と非活性領域との境界を中心に設ける必要はなく、どちらかの領域に片寄った位置に配設したとしても分離溝３１４の効果は得られる。本実施例の分布活性ＤＦＢレーザの場合、活性領域には所望の発振出力を得るための十分な利得を発生させるために、比較的大きな電流を注入し、波長制御領域（非活性領域）においては、比較的小さな電流によって波長を制御する。

従って、活性領域に比較して非活性領域のバイアス電圧が低くなり、多くの場合、漏れ電流は活性領域から非活性領域へ流れることになる。この場合、分離溝３１４の中心を活性領域と非活性領域の接続部に配置するのではなく、活性領域側にずらすことにより、漏れ電流の抑止効果を高めることが可能である。

さらに、分離溝３１４の下にイオン注入を行っている（イオン注入領域３１６）。

全ての活性層電極３０７同士、波長制御電極３０８同士は各々一体化され、互いに素子上で短絡された構成となっている。また、基板下部、つまり、下部クラッド３０１の下部には、共通の電極３１０が形成されている。

活性導波路層３０２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３０３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、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層３０２および非活性導波路層３０３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に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、さらに低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。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中間に屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）などを導入しても良い。

本素子を用いる半導体は、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良く、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３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。

図８（ａ）に示すように、活性電極３０７同士、波長制御電極３０８同士は各々一体化され、櫛形状を構成している。図８（ｂ）に示すように、活性層電極３０７、波長制御電極３０８の下には絶縁膜３０９が形成されている。絶縁膜３０９には導波路の直上であって、活性領域、非活性領域にそれぞれ対応する部分に、図８（ｃ）に示すような電極窓としての孔３０９ａが開けられ、コンタクト層３０６が露出するようになっている。換言すると、孔３０９ａの下に、導波路方向に沿って形成された光導波路層３１５が位置している。また、絶縁膜３０９の下方にあっては、各領域の導波路上のみにコンタクト層３０６を残すよう、図８（ｄ），図８（ｅ）に示すように、導波路方向に沿ってコンタクト層３０６を残すように深さｄでエッチングされている。

そして、図８（ｄ）に示すように、コンタクト層３０６が平行四辺形の島状に形成されている。これにより、各領域間には導波路方向に対して角度を持ったコンタクト層３０６を分離する分離溝３１４が形成される。コンタクト層３０６の下部のＩｎＰからなる上部クラッド３０４の一部もエッチングした上、分離溝３１４の下部にイオン注入を行って、イオン注入領域３１６が形成される。これにより、電離分極抵抗が大きくなる。

さらに、図８（ｅ）に示すように、幅Ｗｓの光導波路層３１５の両側に電流ブロック層３１３としてそれぞれＩｎＰからなるｐ型半導体３１１およびｎ型半導体３１２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３０２または非活性導波路層３０３に効率良く電流が注入される。本実施例では、ｐ型ＩｎＰ，ｎ型ＩｎＰを組み合わせて電流ブロック層３１３を実現しているが、Ｆｅ（鉄）やＲｕ（ルテニウム）などをドーピングした半絶縁性ＩｎＰを用いても良い。本実施例では、導波路の幅Ｗｓを１．３μｍとした。

分離溝３１４における、導波路と垂直な方向の長さは、コンタクト層３０６の幅Ｗａに相当し、少なくとも導波路の幅Ｗｓ＝１．３μｍよりも長く設定する必要がある。この幅Ｗａが導波路の幅Ｗｓより長いことによって生じる大きな問題は無いが、本実施例では、光導波路層３１５に電流ＩａまたはＩｔを注入するためのコンタクト抵抗や電極の引き回し時に問題にならないサイズを考えて、分離溝３１４の幅Ｗａを４μｍとした。

図８（ｃ）に示すように、コンタクト層３０６および上部クラッド３０４を絶縁膜３０９で覆った後に、電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する絶縁膜３０９の部分にのみ孔３０９ａを形成する（図８では８箇所）。この孔３０９ａの形状は、通常長方形で形成される。長方形であっても本発明の効果を得られるが、コンタクト層３０６の形状と同じ平行四辺形とすることにより作製工程が容易となる。つまり、基板表面上には図８（ｅ）に示すように、コンタクト層３０６部分が凸状となった段差が生じており、ここにフォトレジストにより絶縁膜３０９に穴あけを行うパターンを形成することとなる。段差部分のレジスト厚は必ずしも均一ではなく、段差からの距離に応じて滑らかに厚さが変化している場合が多い。コンタクト層３０６形状と穴あけ形状を一致させることで、穴あけパターンは段差からの距離が一定となるため、パターンを均一に作製できる。

図８（ａ）に示すように、活性層電極３０７、波長制御電極３０８の電極パターンもコンタクト層３０６や絶縁膜３０９の形状を反映して、導波路方向に交差する面が、導波路方向に直交する方向に対して傾斜するように配線されている。活性層電極３０７、波長制御電極３０８は、孔３０９ａ同様に、導波路方向に直交する方向に電極を引き出しても良いが、電極パターンもフォトレジストを用いてリフトオンするかウエットエッチングにより形成するため、できるだけ段差の影響が少なくなるように配線することが望ましい。そのため、図８（ａ）に示す形状に代えて図９に示すような形状としても良い。

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３０１上に、活性導波路層３０２を作製する。次に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮをマスクとして活性導波路層３０２の一部をエッチングする。エッチングマスクをそのまま用い、選択成長法により非活性導波路層３０３を作製する。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３０５を形成する。

ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド３０４の一部を有機金属気相エピキタ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１．３μｍのストライプ状に導波路を加工する。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３１１／ｎ型半導体３１２よりなるＩｎＰ電流ブロック層３１３を成長する。

その後、選択成長マスクを除去し、残りのＩｎＰ上部クラッド層３０４とＧａＩｎＡｓコンタクト層３０６を成長する。次に、ＳｉＮのマスクを用いて平行四辺形の島形状にコンタクト層３０６と上部クラッド３０４の一部をエッチングする。その後、コンタクト層３０６以外の部分にＳｉイオンを注入し、７５０度１分アニールによりｎ型ＩｎＰとする。ＳｉＯ₂絶縁膜３０９を製膜し、活性導波路層３０２上と非活性導波路層３０３上の絶縁膜３０９の電流ＩａまたはＩｔ注入部に対応する部分に孔３０９ａを開ける。活性層電極３０７同士、非活性層電極３０８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。

また、コンタクト層３０６と上部クラッド層３０４の一部をエッチングする方法としては、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３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。

本実施例では、分離溝３１４を形成した後にイオン注入を行っている。イオン注入は通常チャネリングを避け基板面から７度程度傾けた角度でイオンを入射する。このため、分離溝３１４の形状によっては分離溝３１４の下部にイオンを適切に入射することができない。そこでイオン注入を行ってから分離溝を形成するなどしても良い。

本実施例においては、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３が交互に周期的に配置された構造を例として説明したが、領域間の相互に流れる漏れ電流を抑制すると共に、導波する光の反射を抑制するものであるので、活性導波路層３０２と非活性導波路層３０３の組み合わせに限らず、活性導波路層を複数の領域に分割したり、非活性導波路を複数の領域に分割したりして電極を各々設けた場合などであっても本発明を適用できる。

本実施例では、分布活性ＤＦＢレーザへの適用例を示したため、活性導波路層３０２上の電極３０７と、非活性導波路層３０３上の電極３０８とが、それぞれ素子上で短絡された構造について説明したが、本発明は、それぞれの電極が独立していても適用できる。また、分布活性ＤＦＢレーザでなくとも、例えば、レーザと変調器を集積したデバイスにおけるレーザ部の電極と変調器の電極部などにも適用可能である。すなわち、直列接続された異なる導波路素子間の分離に適用可能である。

続いて、本実施例の作用について説明する。

電気的に領域を分離するためには、分離溝を形成して、物理的に電流経路を遮断することが確実である。しかしながら、分離溝は空気や誘電体など、半導体以外の材料により構成されるため、屈折率が半導体とは大きく異なる。

ここで、図１０に、１．５５μｍで発光する８層の活性層とＳＨＣ層よりなる半導体基板の場合の上部クラッド厚と等価屈折率との関係を示す。本実施例のように、各領域間に分離溝３１４を形成することにより、分離溝３１４の下方に位置する上部クラッド厚（以下、分離溝部の上部クラッド厚と称す）が薄くなり、等価屈折率が低下する。導波路中を伝播する光のフィールド分布にもよるが、図１０から、本実施例では、分離溝部の上部クラッド厚がおよそ１０００ｎｍ程度より薄くなると急激に等価屈折率が低下することがわかる。

例えば、分離溝部の上部クラッド厚を２０００ｎｍとすると等価屈折率は３．１９７８であるが、分離溝部の上部クラッド厚を１５００ｎｍとすると等価屈折率は３．１９７７となり、また、分離溝部の上部クラッド厚を１０００ｎｍとすると等価屈折率は３．１９７４となり、分離溝部の上部クラッド厚を２０００ｎｍとした場合に比較して等価屈折率が０．０００４低下する。更に、分離溝部の上部クラッド厚を５００ｎｍとすると、等価屈折率は更に低下して３．１９４１となり、分離溝部の上部クラッド厚を２０００ｎｍとした場合に比較して等価屈折率は０．００３７低下する。したがって、分離溝３１４が深い場合には、反射が大きくなることになる。

一方、イオン注入により、ｐ−ｎ−ｐ接合とすることにより電気を流れにくくする方法は、屈折率の変化量は分離溝３１４よりも少ないが、分離溝３１４よりも電気は流れやすくなる。

そこで、本実施例では、反射がそれほど大きくない領域で分離溝３１４を用い、分離溝による反射が大きくなる領域では、イオン注入により分離を行うことにより、電極間の分離を向上させつつ、反射を軽減する。

また、第１の実施例から第３の実施例で説明したように、分離溝を導波路に対して斜めに形成すれば、さらに屈折率差による反射の影響を軽減することができる。

なお、本実施例における、分離溝３１４およびイオン注入領域３１６を導波路から傾けたことによる作用・効果は、上述した第１の実施例と概ね同様であり、重複する説明は省略する。

本発明の第５の実施例について、図１１に基づき詳細に説明する。

図１１（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図１１（ｂ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図１１（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極及び絶縁膜を除いた状態の上面図である。

本実施例は、例えば、実施例４において説明した、活性層電極３０７、波長制御電極３０８、絶縁膜３０９に形成される孔３０９ａ、および、分離溝３１４の形状を、それぞれ変化させたものである。その他の構成は概ね同様であり、重複する説明は省略する。図１１中、４０４は上部クラッド、４０６はコンタクト層、４０７は活性層電極、４０８は波長制御電極、４０９は絶縁膜、４０９ａは絶縁膜４０９に形成された孔である。

上述した実施例１乃至実施例４においては、該屈折率境界面における光の反射を抑制するために、屈折率境界面を導波路方向に対して傾斜させる目的で、イオン注入領域を導波路方向に直交する方向に対して傾斜するように設けた。しかし、全てのイオン注入領域を導波路方向に直交する方向に対して同一の角度で傾斜させた場合、共振が生じる可能性がある。

そのため、本実施例では図１１（ｃ）に示すように、隣接するコンタクト層４０６が異なる傾きを有するように構成した。これにより、イオン注入領域において反射が生じた場合であっても、共振を抑制することが可能となる。

なお、図１１においては分離溝およびイオン注入した面を、導波路方向に対する傾斜角が導波路方向に直交する面に対して対称になるように形成し、交互に傾斜角が等しくなるようにしたが、共振を抑制するためには分離溝またはイオン注入領域の傾斜角を全て異なる角度とすることが最も好適である。しかしながら、ある程度離れた位置にある分離溝であれば、相互に同一の傾斜角を有していたとしても問題は無い。

最も単純に考えた場合、同じ傾斜角を有する分離溝またはイオン注入領域が間欠的に配置されればよいので、分離溝またはイオン注入領域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分離溝またはイオン注入領域の角度をθとすると、同じ傾斜角を有する分離溝間またはイオン注入領域間の距離ｘが、以下の（１０）式の関係を満たすようにすることで、共振を抑制することができる。
ｘ＞２ｄ／ｓｉｎ（２θ）・・・（１０）

更に、本実施例のように、分離溝もしくはイオン注入領域の境界面の傾斜角を交互に正負を逆にすることにより、活性層電極４０７同士、波長制御電極４０８同士を一体化するために各々の電極４０７，４０８を引き出す際、図１１（ａ）に示すように、引き出し部４０７ａ，４０８ａの幅を実施例１乃至実施例４の場合に比較して広く形成することができ、パターン形成を容易にすることができる。

本発明の第６の実施例について、図１２に基づき詳細に説明する。

図１２（ａ）は本実施例に係る半導体レーザの上面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すｘ−ｘ´断面図であり、図１２（ｃ）は本実施例に係る半導体レーザの電極を除いた状態の上面図であり、図１２（ｄ）は本実施例に係る半導体レーザの電極及び絶縁膜を除いた状態の上面図であり、図１２（ｅ）は図１２（ａ）のｙ−ｙ´断面図である。

本実施例は、例えば、実施例３に比較して、活性層電極３０７、波長制御電極３０８、絶縁膜３０９に形成される孔３０９ａ、分離溝３１４、およびイオン注入領域３１６の形状が異なるものである。さらに、イオン注入後に実施例４の同様に分離溝を形成している。イオン注入を行うとイオン注入エネルギーやイオン注入回数にもよるが、基板表面に近い部分の注入不純物濃度が低くなる。通常、イオン注入エネルギーを変えて多数回注入を行うことによって、表面から所望の深さまでのイオン濃度を均一にする。したがって、イオン注入後に分離溝を形成することで表面の不純物濃度の低い部分を物理的に除去することになり、イオン注入回数を減らすことができるという効果もえることが可能である。

その他の構成は概ね同様であり、重複する説明は省略する。図１２中、５０１は下部クラッド、５０２は活性導波路層、５０３は非活性導波路層、５０４は上部クラッド、５０５は回折格子、５０６はコンタクト層、５０７は活性層電極、５０８は波長制御電極、５０９は絶縁膜、５０９ａは絶縁膜５０９に形成された孔、５１０は共通電極、５１４は分離溝、５１５は光導波路層、５１６はイオン注入領域、５２３は誘電体である。

上述した実施例１乃至実施例４においては、該屈折率境界面における光の反射を抑制するために、屈折率境界面を導波路方向に直交する方向に対して傾斜させる目的で、分離溝を導波路方向に直交する方向に対して同一の角度で傾斜するように設けた。しかし、全ての分離溝を導波路方向に対して同一の角度で傾斜させた場合、共振が生じる可能性がある。従って、実施例５では隣接する分離溝４１４の傾斜角が導波路方向に直交する面に対して対称となるように構成した。これにより、分離溝４１４において反射が生じた場合であっても、共振を抑制することを可能とした。これに対し、本実施例では、図１２においては分離溝５１４の導波路方向に対する傾斜角が全て異なるように構成している。

なお、ある程度離れた位置にある分離溝５１４同士においては、相互に同一の傾斜角を有していたとしても問題は無い。最も単純に考えた場合、同じ傾斜角を有する分離溝５１４が間欠的に配置されればよいので、分離溝５１４の導波路方向と直交する方向の幅をｄ、導波路方向に直交する方向に対する分離溝５１４の角度をθとすると、同じ傾斜角を有する分離溝５１４間の距離ｘが、上述した（１０）式の関係を満たすようにすることで、共振を抑制することができる。

更に、本実施例においては、図１２（ａ）に示すように、活性層電極５０７、波長制御電極５０８を、導波路方向に交差する面が導波路方向に対して直交するように形成している。これにより、電極５０７，５０８を引き出す際に、該電極５０７，５０８が分離溝５１４上に重なる状態となるため、作製工程はやや複雑になる可能性がある。しかしながら、分離溝５１４の傾斜角が全て異なるように構成する場合、全ての電極５０７，５０８を分離溝５１４の傾斜角に一致させると、電極幅が異なるために抵抗がばらつき、電流注入が不均一となる虞がある。従って、図１２（ａ）に示すように、電極５０７，５０８の導波路方向に交差する面を、導波路方向に対して直交するように形成し、電極５０７，５０８の形状を一定に保てば好適である。

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。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの説明図である。本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの他の例を示す上面図である。屈折率が互いに異なる物質の境界面における光の屈折率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。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。本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの説明図である。本発明の第３の実施例に係る半導体レーザの説明図である。本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの説明図である。本発明の第４の実施例に係る半導体レーザの他の例を示す上面図である。上部クラッド厚と等価屈折率との関係を示すグラフである。本発明の第５の実施例に係る半導体レーザの説明図である。本発明の第６の実施例に係る半導体レーザの説明図である。従来の分布活性ＤＦＢレーザの説明図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。従来の他の分布活性ＤＦＢレーザの断面図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１，５０１下部クラッド
２，１０２，２０２，３０２，５０２活性導波路層
３，１０３，２０３，３０３，５０３非活性導波路層
４，１０４，２０４，３０４，５０４上部クラッド
５，１０５，２０５，３０５，５０５回折格子
６，１０６，２０６，３０６，５０６コンタクト層
７，１０７，２０７，３０７，５０７活性層電極
８，１０８，２０８，３０８，５０８非活性層電極
９，１０９，２０９，３０９，５０９絶縁膜
９ａ，１０９ａ，２０９ａ，３０９ａ，５０９ａ孔
１０，１１０，２１０，３１０，５１０共通電極
１６，１１６，２１６，３１６，５１６イオン注入領域
１２２半絶縁体
２２３，５２３誘電体

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、二つ以上導波路方向に直列に結合されてなる半導体導波路素子であって、
前記光導波路にそれぞれ独立して電流を供給する電極と、
前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に設けられ、当該第２の半導体クラッド層と異なる導電型の分離層または絶縁性の分離層とを有し、
前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜し、
隣接する分離層の傾斜角θが互いに異なるか、隣接する分離層の傾斜角θが等しいときは隣接する分離層の間隔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。
請求項１に記載された半導体導波路素子であって、
前記分離層は、前記第２の半導体クラッド層に不純物をイオン注入または拡散することにより形成される
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１または請求項２に記載された半導体導波路素子であって、
前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に分離溝が設けられる
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して５度以上傾斜する
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して２０度以上５５度以下の角度で傾斜する
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記分離層の導波路方向に交差する面の全てが、導波路方向に対して等しい傾斜角を有する
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記分離層の導波路方向に交差する面に対し一つおきに等しい傾斜角を有し、導波路方向に沿って隣接する前記分離層が導波路方向に直交する面に対して相互に対称である
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記第２の半導体クラッド層の上面に設けた絶縁膜に形成された孔の導波路方向に交差する端部、または、前記電極の導波路方向に対して交差する端部、またはその両方は、各々が対応する前記分離層に対して平行に形成される
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
前記光導波路層の結合面は、前記分離層と等しい傾斜を有する
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載された半導体導波路素子であって、
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
ことを特徴とする半導体導波路素子。
請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載された半導体導波路素子を用いた
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、二つ以上光導波路方向に直列に結合され、前記光導波路にそれぞれ独立して電流を供給する電極が設けられてなる半導体導波路素子を作製する方法であって、
前記第２の半導体クラッド層における隣接する電極間に不純物をイオン注入または拡散して、当該第２の半導体クラッド層と異なる導電型、または絶縁性であり、導波路方向に交差する方向に延びると共に、導波路方向に直交する方向に対して傾斜を有する分離層を形成する工程を備え、
前記分離層の導波路方向に交差する面の法線が、導波路方向に対して傾斜角θだけ傾斜させ、
隣接する分離層の傾斜角θが互いに異なるか、隣接する分離層の傾斜角θが等しいときは隣接する分離層の間隔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。