JPH031588A - 分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法 - 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】 Ｃ発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、位相シフト部（位相の不連続部）を有する回
折格子を光導波路に沿って形成し、この回折格子により
光帰還を行う分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法に
関する。

（従来の技術） 近年、光通信システムや光学ディスク用のレーザ光源と
して、各種の半導体レーザ素子が盛んに使用されている
。

この半導体レーザ素子として、光導波路に沿ってブラッ
グ回折を行うための周期的摂動（回折格子）を設け、こ
の回折格子の波長選択性により、単一波長（単一縦モー
ド）での発振動作を可能とした分布帰還型半導体レーザ
（ＤＦＢ：Ｄｌｓｔｒｌｂｕｔｃｄ　）’ｃｃｄｂａｃ
ｋ、Ｉａｓｃｒ、以下、ＤＦＢレーザと称する）素子が
開発されている。

このようなりＦＢレーザ素子は、長距離高速光通信の光
源として、Ｇａ１ｎＡｓＰ／ｌｎＰ系材料を用いたもの
が実用化されている。また、ＤＦＢレーザ素子の構造の
巾でも、両へき開端面にＡＲ（ＡｎａｌＲｅｌ’１ｅｅ
Ｌｌｏｎ　）コート等によってその反射率を低下させ、
光導波路層の共振器り内申央部に回折格子の位相不連続
部を形成し、このときの位（Ｉシフト量が管内波長λの
１／４に相当するように形成した位相シフト型ＤＦＢレ
ーザ素子がある。

第５図（ａ）は、この位相シフト型ＤＦＢレーザ素子の
光導波路構造の断面を示す模式図で、ＩｎＰ基板１上に
はストライプ状の回折格子２が形成され、この回折格子
２上にＧａ１ｎＡｓＰ光導波路層３、Ｇａ１ｎＡｓＰ活
性層４、ｌｎＰクラッド層５、Ｇａ１ｎＡｓＰオ一ミツ
クコンタクト層６等が順次結晶成長により間層されてお
り、その両へき開端面にはＡＲコート７が施されている
。

このような位相シフト型ＤＦＢ半導体レーザ素子は、ブ
ラッグ波長（Ｌｈｅ　Ｂｒａｇｇ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔ
ｈ）での発振が可能であり、また他の縦モードとのゲイ
ン差が大きいため、単一縦モード動作に対して極めて有
利な構造である。

従来、このような位相シフト型ＤＦＢレーザを製作する
場合には、第５図（ｂ）に示すように、ｌｎＰ　ＪＡ板
１上に二光束干渉露光方法を用いて、回折格子２を形成
し、その上に光導波路層３、活性層４等の結晶層を順次
結晶成長したウェハ８を用いていた。ウェハ８上の一つ
のチップ９のレーザ・ストライプ１０の中央部には、回
折格子２の周期が管内波長λのｌ／４に相当する位相だ
けシフトした位相シフト領域１１が形成されている。ま
たこの位相シフト領域１１を挟んだ両側の領域では、回
折格子２の溝（グループ）の方向は、完全に一致してい
る。

このような位相シフト領域１１の形成方法は、ポジ型レ
ジストとネガ型レジストの両方を組合わせてこ光束干渉
露光を行う方法（例えば、宇高他、昭和Ｂθ年春季応用
物理学会講演予稿、講演番号２９ｐ−ＺＢ−１５）　、
あるいは、位相マスクを用いて二元干渉露光する方法（
例えば、白崎他、昭和６０年電子情報通信学会半導体材
料部門大会（秋）、講演番号３１１や、白崎他、昭和６
０年電子情報通信学会、光量子エレクトロニクス研究会
報告、０ＱＥ８５−ＧＯ）等により形成されていた。

特に、後者の位相マスクを用いて三光束Ｔ−渉露光する
方法について第５図および第６図を参照して説明する。

まず、第６図に示すような位相シフト間隔で、周期的に
短形状のギャップ１２が設けられた断面を有する位相板
（以下、位相マスクと称する）１３を用意し、この位相
マスク１３を、第７図に示すようにフォトレジストを塗
布した１０Ｐ基板１に密着させる。次に、ハーフミラ−
等で２つのビームに分けたレーザ光例えばｌ１ｅ−Ｃｄ
レーザ光ａをＩｎＰ基板１の法線方向に対して、互いに
異なる角度（θＲ１θＬ）で干渉させる。こうすると、
位相マスク１３のギャップ１２のある場所と無い場所即
ち位相マスク１３と基板１との密着部とて光路長が異な
り、ギャップ１２直下と密告部で回折格子２の位相をず
らすことができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような位相シフト形成方法では、位
相シフト量が位相マスクのギャップとレーザビームの入
射角で決定されるため、ウェハ内での位相シフト量は常
に一定となり、異なる位相シフト量を同一ウェハ内に形
成することができないという問題があった。また、位相
マスクのギャップとビームの入射角の調整には高精度の
技術が必要とされ、その調整に失敗すると所望の位相シ
フト瓜は全く得られず、製作歩留まり向上の大きな障害
になっていた。

また、回折格子の位相シフト量が異なるレーザ素子は発
振波長が異なるという特性を利用して、位相シフト量を
変化させて、波長多重用のレーザ素子を集積しようとし
た場合、上述した従来の方法では、同一ウェハ内で位相
シフト二を変化させることができないため、このような
レーザ素子の集積化は困難であった。

さらに、発振波長が微妙に（例えば数人）異なるＤＦＢ
レーザ素子は、光ヘテロダイン検波等のコヒーレント通
信用の光源としても、要求が大きいが、上述した方法で
は、そのように都合の好い波長で発振する素子を、歩留
まり良く製造することは困難であった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになさ
れたもので、ウェハ内で位相シフト量を変化させること
ができ、所望の位相シフト量を歩留まり良く選択でき、
さらに発振波長が微妙に異なるＤＦＢレーザ素子でも再
現性良く集積することが可能な分布帰還型半導体レーザ
素子の製造方法を１Ｕ（ｉｔすることを目的とするもの
である。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の第１の発明は、光帰還を行うストライプ状の回
折格子を発光層を含む光導波路に沿って形成し、この回
折格子の少なくとも一部に位相シフト領域を設けた分布
帰還型半導体レーザ素子の製造方法において、前記位相
シフト領域形成部を挟んだ両側の領域で、平均的な溝方
向が、互いに所定の角度だけ異なる回折格子をウェハ基
板上に形成する工程と、前記ウェハ基板上に形成される
複数のレーザ・ストライプが、前記所定の角度のずれに
より生じる位相シフト量を有する位相シフト領域を含み
、さらに前記各レーザ・ストライプの間隔の整数倍が、
前記所定の角度のずれにより生じる位相シフト間の変化
の半周期分の整数倍に一致するように形成する工程とを
備えていることを特徴する分布帰還型半導体レーザ素子
の製造方法である。

第２の発明は、位相シフト領域を設けた回折格子を有す
るストライプ状の発光結晶層をひとつのレーザ素子内に
複数列形成し、各発光結晶層毎で異なる波長のレーザ発
振が可能な如く構成した分布帰還型半導体レーザ素子の
製造方法において、前記位相シフト領域形成部を挟んだ
両側の領域で、平均的な溝方向が、互いに所定の角度だ
け異なる回折格子をウェハ基板上に形成する工程と、前
記複数の発光結晶層からなる発光結晶層群のウェハ基板
上での配列周期の整数倍が、前記所定の角度のずれによ
り生じる位相シフト量の変化の半周期分の整数倍に一致
するように形成する工程とを備えていることを特徴とす
る分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法である。

さらに第３の発明は、上記位相シフト領域形成部を挟む
両側の領域で、回折格子の平均的な溝方向が、所定の角
度だけ互いに異なるようにこれら回折格子をウェハ基板
上に形成する位相シフト回折格子の形成方法において、
上記回折格子を、前記位相シフトの間隔で周期的に矩形
状のギャップが設けられた断面を有し、前記ギャップが
奥行き方向で、連続的もしくはステップ状に変化してい
る透明な位相板を用いて二光束干渉露光により形成する
ことを特徴とする位相シフト回折格子の形成方法である
。

（作　用） 本発明は、位相シフト位置を挟む領域で、前記回折格子
の平均的な溝方向が、所定の角度だけ互いに異なるよう
に前記回折格子をウェハ基板上に形成する。つまり、二
つの領域の境界部分である位相シフトはウェハ基板内で
のその量を連続的もしくは離散的に変化させるものであ
る（ここで、平均的な溝方向という意味は、離散的に変
化している場合の平均的な溝方向をさす）。このとき、
各レーザ素子のストライプ間隔の整数倍が、所定の角度
のずれによる前記位相シフト量の変化の半周期分の整数
倍に一致するように形成すれば、そのシフト量を自由に
選ぶことができる。つまり、ウェハ基板内の一断面での
位相シフト量が分れば、そこを起点として離れた位置の
シフト量が計算できるため、所定のシフト量が周期的に
各レーザ・ストライプにおいて実現される。

また、複数の分布帰還型レーザ構造がまとまって集積さ
れたレーザ素子でも、各レーザ・ストライプ間で位相シ
フト量を変化させることができる。

従って、各素子ごとで発振波長を微妙に調整できる。こ
のレーザ構造の一群のウェハ基板上での周期が所定の角
度のずれによる前記位相シフト量の変化の半周期分の整
数倍に一致するように形成すれば、同様に波長多重用Ｄ
ＦＢレーザ・ウニ／＼が製作できる。

また、本発明では、上記所定の角度だけ互いに溝角が異
なる　２種類の領域を持つ回折格子をウェハ基板上に形
成する一つの方法をも具体的に提供するものである。こ
れは、位相シフト間隔で周期的に短形状のギャップが設
けられた断面を有し、且つ前記ギャップが奥行き方向で
、連続的もしくはステップ状に変化している透明な位相
板（位相マスク）を用いる方法である。つまり、位相マ
スクのギャップの奥行き方向の変化が、位相シフト位置
でのシフト量を可変している。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は実施例方法によりウェハ基板２１上に形成され
た回折格子２２の溝方向とレーザ・ストライプ２３の位
置関係とを示す平面図（第１図（ａ））と、夫々、０、
λ／２、３λハ位相シフト領域での回折格子２２の断面
を示す図（第１図（ｂ））である。

同図中、破線で示す長方形部は、このウェハ基板２１か
ら切出される　１個のレーザ・チップ２４を示しており
、その形状は例えば共振器長が３００μｍ１幅が４００
μ−の長方形状である。

このウェハ２１基板上に形成された回折格子２２は、３
つの領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃに分割されており、中
央部領域２２ｂを挟んだ両側の領域２２ａ、２２Ｃの回
折格子２２の溝は同位相であり、中央部領域２２ｂの回
折格子の溝は両側の領域２２ａ、２２ｃと同周期である
が溝の方向を僅かに傾けて形成されている。そして、ウ
ェハ２１上に形成される回折格子２２は、これら各領域
２２ａ、２２ｂ、２２ｃを順に繰返し形成することで構
成されている。

上記中央部領域２２ｂを形成する回折格子の溝と、その
両側領域２２ａ、２２ｂを構成する回折格子の溝の角度
の差は、４００μ厘で回折格子２２の半周期分（０，１
２μ■、：　　１．５５μｍ帯ＤＦＢレーザ用）即ち　
０．０１７度となるように設定してあり、レーザ・スト
ライプ２３上の２種類の領域の接点部が位相シフト領域
２５となる。

このような２種類の領域２２ａおよび２２ｃと、２２ｂ
をもつ回折格子２２の製作は、２回の二光束干渉露光に
より製作する。即ち、一方の領域例えば領域２２　ａ　
ｓ　２２　ｃを覆って、もう一方の領域例えば領域２２
ｂを露光し、次に、露光した領域例えば領域２２ｂを覆
って、未露光領域例えば領域２２　ａ　ｓ　２２　ｃを
露光する。このとき、溝の角度をずらすと、レーザ・ス
トライプ２３方向で回折格子２２の周期が、ずれた角度
の分だけ変化するが、これを避けて周期を２種類の領域
で一定にするために、干渉の角度を変えて露光し補正し
ている。

本実施例では、説明の便宜上、中央部領域２２ｂの回折
格子の傾斜角度を、各レーザ・ストライプ２３間で回折
格子の位相が半周期ずれるような角度に構成したが、こ
の中央部領域２２ｂの回折格子の傾斜角度を、レーザ・
ストライプ間隔の一周期に対して位相が４周期ずれるよ
うに構成すれば製作が大幅に容易となる。この理由は、
半周期に合せると、４Ｃｆｆｌに対して１２μｌのずれ
であるのに対し、４周期に合せると、４ＣＩ１１に対し
て９６μＩ（０，１３７５度）となり、製作精度上、有
利になるからである。

ところで、両端面の反射率を０．２％以下に下げたＤＦ
Ｂレーザ素子の場合、共振器中央部に設けた位相シフト
量：φが、 φ−（ｎ／２　＋１／４　）　−λ （λ：管内波長、ｎ：整数） であれば、最大の単一縦モード性を示し、（ｎ／２　＋
１／８　）　　・λ≦φ≦（ｎ／２　＋３／８　）　　
・λであれば、十分な単一モード性が得られる。

ところが、 φ−（ｎ／２）　　・λ では、二つの縦モードが同時に発振してしまい、単一縦
モード性が損なわれる。本実施例では、勿論、最大の単
一縦モード性を示す位相シフトａφ−（ｎ／２　＋ｌ／
４　）　・λ となる位置にストライプ間隔を合せた。この位置合せは
、ある−へき開断面の電子顕微鏡観察により得られた位
相シフト情報を用い、この断面からの最適ストライプ位
置を割出して行う。

単に、２回の二元干渉露光を行うだけでは、位相シフト
量はランダムになってしまい、制御困難であるが、本実
施例によれば、制御性良く所定の位相シフト量の設定が
可能である。

第２図は本発明の第２の実施例を示す図で、この実施例
方法によりウェハ２１上に形成された回折格子の溝方向
とレーザ・ストライプ２３の位置関係を示す平面図（第
２図（ａ））と、０、λ／２、λシフトおよびλハ、３
λハシフトの位置での回折格子の断面を示す図（第２図
（ｂ））である。

この実施例では、２回露光の長所を活かし、ウェハ２１
上の３つの領域３１ａ、３１ｂ、３１ｃのうち、中央部
領域３１ｂで規格化結合係数にＬ（結合係数にと共振器
長しとの積）を変化させたものである。これは、レジス
トの塗布条件、露光条件、エツチング条件等を制御する
ことで可能であった。本実施例では、中央部領域３１ｂ
の規格化結合係数にＬが両側の領域３１　ａ　ｓ　３１
　ｃよりも小さくなるように構成した。

ＤＦＢレーザ素子では、結合係数にの大きい方の端面か
らの出力を他方よりも大きくできるので、高出力化に有
効であった。

第３図は本発明の第３の実施例を示す図で、この実施例
方法によりウェハ２１上に形成された回折格子２２の溝
方向と　１つのチップ２４内に複数例えば５本のレーザ
・ストライプ４１ａ、４１ｂ。

４１ｃ、４１ｄ、４１ｅの位置関係を示す平面図（第３
図（ａ））と、夫々のレーザ・ストライプ４１　ａ　−
４１ｂ　ｓ　４１　ｃ　１４１　ｄ　ｓ　４１　ｅにお
ける発振しきい値ゲインと発振波長の関係を示すグラフ
（第３図（ｂ））である。

この実施例では、前述した第１の実施例と同様に溝方向
の血かに異なる　２種類の領域即ち２２ａおよび２２ｃ
と、２２ｂを持つウェハ２１を用いた場合に、十分な単
一縦モード性が得られる位相シフト量である、 （ｎ／２　＋ｌ／ａ　）−λ≦φ≦（ｎ／２　＋３／８
　）　　・λの位相シフト範囲に、５本のレーザ・スト
ライプ４１　ａ、　４　ｌ　ｂ、　４１　ｃ、　４１　
ｄ、　４１　ｅを設けている。このとき、各レーザ・ス
トライプ４１ａ。

４　ｌ　ｂ、　４１　ｃ、　４１　ｄ、　４１　ｅでは
位相シフト量が異なるので、夫々のレーザ・ストライプ
毎に発振波長が変化する。第３図（ｂ）は夫々のレーザ
・ストライプ４１　ａ　ｓ　４１　ｂ　ｓ　４１　ｃ　
１４１　ｄ　５４１ｅに対応した発振波長λを模式的を
示した図である。尚、このときの発振波長の間隔は、４
〜５人であった。このように、上記第３の実施例によれ
ば、波長多重用ＤＦＢレーザ・ウェハの製作が可能とな
る。

ところで、上述各実施例では、２回露光方法により　２
領域の回折格子を形成したが、１回の露光で第１図に示
した２領域の回折格子２１を形成することもできる。第
４図は、このような製造方法に用いる位相マスク５１を
示す斜視図である。

これは、位相マスク５１のギャップ部５２を、所定の角
度だけ互いに溝角が異なる　２種類の領域を持つ回折格
子がウェハ上に形成可能なように改良したものである。

要するに、位相シフト間隔で周期的に矩形状のギャップ
５２が設けられた断面を有してはいるが、このギャップ
５２が奥行き方向で、連続的もしくはステップ状に変化
しているものである。即ち、ギャップ５２の奥行きの方
向の変化ｔ　Ｉ　＝　ｔ　２が、位相シフト位置でのシ
フト量に対応するように変化している。本例では、ギャ
ップ５２の奥行き方向の変化を連続的としたが、段階的
に変化させても勿論良く、むしろ、段階的に変化させた
ものの方が、製作は８呂である。

この位相マスクを、従来の位相マスクと同様に用いれば
、第１図に示す２種類の領域２２ａｓ　２２ｂを持つ回
折格子２２を、１回の干渉露光により形成できる。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明の分布帰還型半導体レーザ
素子の製造方法によれば、異なる位相シフト量を同一ウ
エ／＼内で実現可能となり、また、所望のシフト量はウ
ニ／Ｘ内に必ず存在するので、それを正確に割出すこと
で、製作歩留まりを著しく向上させることができる。

さらに、発振波長が微妙に（例えば数人）異なるＤＦＢ
レーザ素子を再現性良く集積したり、これらレーザ素子
を個別に製作することもてきる。

また、適当な位相マスクによって一回の干渉露光で製作
が可能であり、製造を簡便化し、生産性の向上を図るこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の回折格子の溝方向とレーザ・
ストライプの位置関係を示す平面図と、夫々、Ｏ１λ／
２、λシフトおよびλハ、３λハシフトの位置での回折
格子の断面を示す図、第２図は本発明の第２の実施例の
回折格子の溝方向とレーザ・ストライプの位置関係を示
す平面図と、夫々、０、λ／２、λシフトおよびλ／２
．３λノ４シブトの位置での回折格子の断面を示す図、
第３図は本発明の第３の実施例である波長多重用ＤＦＢ
レーザ・ウェハを示す回折格子の溝方向とレーザ・スト
ライプの位置関係を示す平面図と、夫々のストライプに
おける発振しきい値ゲインと発振波長の関係を示すグラ
フ、第４図は実施例方法に用いる位相板（位相マスク）
の斜視図、第５図は従来例のλハ位相シフト型分布帰還
型レーザ素子の導波路構造の断面図と、従来例の位相シ
フト型分布帰還型レーザ素子を作製する際のＩｎＰ基板
上の回・折格子の甲面図および断面図、第６図は従来の
二光束干渉露光で位相シフトを形成する際に用いる位相
板（位相マスク）を示す斜視図、第７図は位相板を用い
て二光束干渉露光により位相シフトを形成する方法を説
明するための図である。 ２１・・・・・・・・・ウェハ基板 ２２・・・・・・・・・回折格子 ２３・・・・・・・・・レーザ・ストライプ２４・・・
・・・・・・チップ ２５・・・・・・・・・位相シフト領域５１・・・・・
・・・・位相板（位相マスク）５２・・・・・・・・・
ギャップ 第４図 へ努

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光帰還を行うストライプ状の回折格子を発光層を
   含む光導波路に沿って形成し、この回折格子の少なくと
   も一部に位相シフト領域を設けた分布帰還型半導体レー
   ザ素子の製造方法において、前記位相シフト領域形成部
   を挟んだ両側の領域で、平均的な溝方向が、互いに所定
   の角度だけ異なる回折格子をウェハ基板上に形成する工
   程と、前記ウェハ基板上に形成される複数のレーザ・ス
   トライプが、前記所定の角度のずれにより生じる位相シ
   フト量を有する位相シフト領域を含み、さらに前記各レ
   ーザ・ストライプの間隔の整数倍が、前記所定の角度の
   ずれにより生じる位相シフト量の変化の半周期分の整数
   倍に一致するように形成する工程とを備えていることを
   特徴する分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法。
2. （２）位相シフト領域を設けた回折格子を有するストラ
   イプ状の発光結晶層をひとつのレーザ素子内に複数列形
   成し、各発光結晶層毎で異なる波長のレーザ発振が可能
   な如く構成した分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法
   において、 前記位相シフト領域形成部を挟んだ両側の領域で、平均
   的な溝方向が、互いに所定の角度だけ異なる回折格子を
   ウェハ基板上に形成する工程と、前記複数の発光結晶層
   からなる発光結晶層群のウェハ基板上での配列周期の整
   数倍が、前記所定の角度のずれにより生じる位相シフト
   量の変化の半周期分の整数倍に一致するように形成する
   工程とを備えていることを特徴とする分布帰還型半導体
   レーザ素子の製造方法。
3. （３）上記位相シフト領域形成部を挟む両側の領域で、
   回折格子の平均的な溝方向が、所定の角度だけ互いに異
   なるようにこれら回折格子をウェハ基板上に形成する位
   相シフト回折格子の形成方法において、 上記回折格子を、前記位相シフトの間隔で周期的に矩形
   状のギャップが設けられた断面を有し、前記ギャップが
   奥行き方向で、連続的もしくはステップ状に変化してい
   る透明な位相板を用いて二光束干渉露光により形成する
   ことを特徴とする位相シフト回折格子の形成方法。