【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光多重伝送などに用いられる、異なる発振波長を有する複数の半導体レーザを同一基板上にアレイ状に形成した半導体レーザおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信において、伝送容量の拡大を目的として、波長もしくは周波数の異なる複数の光信号を１本の光ファイバを通して同時に伝送する、光多重伝送が重要になりつつある。 その光源としては、複数の半導体レーザモジュールを各々ファイバに接続してからファイバを１本に結合する方法もあるが、複数の半導体レーザを集積化した半導体レーザアレイを用いる方が実装が容易である。 さらに合波器がモノリシックに集積された半導体レーザアレイを用いれば、ファイバとの結合数が減少し実装が格段に容易になる。 こうした理由により、多波長半導体レーザアレイの研究開発が進められている。

【０００３】多波長半導体レーザアレイを製作するためには、発振波長を各チャンネルごとに変化させる必要がある。 その方法の一つとして、波長可変レーザをアレイ化することが挙げられる。 例えば４チャンネルの分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザと半導体光変調器、ならびに合波器を集積した半導体光集積回路が報告されている。 １２回アイイーイーイー セミコンダクターレーザカンファレンス テクニカル ダイジェスト １６０−
１６１頁（１９９０年）参照。 （Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈ
ｉ ｅｔ ａｌ． ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓ
ｔ，１２ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆ． ，Ｄａｖｏｓ，Ｓｗ
ｉｔｚｅｒｌａｎｄ，ｐｐ． １６０−１６１，１９９
０）。 その構造を図８に模式的に示す。 図８（ａ）に素子の平面図を示す。 ＤＢＲ半導体レーザはチャンネル（ｃｈ）１から４までの４素子からなり、それぞれが活性領域３１、位相制御領域３２およびＤＢＲ領域３３から構成されている。 一定の周期を有する回折格子１５をＤＢＲ領域３３に形成した後に、結晶成長工程を含む素子作製を行った。 素子特性を図８（ｂ）に示す。 ＤＢＲ
領域に電流Ｉ _dを注入することにより、発振波長を短波側にシフトさせることができる。 この素子では、各チャンネルについて８ｎｍ以上の波長シフト幅が得られた。
各チャンネルごとにＤＢＲ電流を調節することにより、
波長シフト幅の範囲内で等間隔の光信号が得られた。

【０００４】さらに広い波長分布を実現した例として、
２０チャンネルの分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザアレイがある。 エレクトロニクスレターズ ２８巻 ８２
４〜８２６頁（１９９２年）参照。 （Ｃ．Ｅ．Ｚａｈ
ｅｔ ａｌ． ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ，ｖｏ
ｌ． ２８，ｐｐ． ８２４−８２６，１９９２）。 ここでは図９（ａ）に模式的に示すように、電子ビーム露光を用いることによってチャンネルごとに異なる周期の回折格子１５を形成し、同時に結晶成長を行った。 図９
（ｂ）に模式的に示すように、回折格子の周期を変化させることによって発振波長をシフトさせることができる。 周期を２３２．５ｎｍから２４５．０ｎｍまで段階的に変化させることにより、８０ｎｍという広い波長分布範囲が得られ、波長間隔約３．７ｎｍの２０本の光信号が得られた。 さらにこの素子では、２０チャンネルの半導体レーザを１本に合波する合波器（スターカプラ）、および減衰した光信号を増幅する半導体光アンプを集積していた。

【発明が解決しようとする課題】ＤＢＲ半導体レーザなどの波長可変半導体レーザの波長可変範囲は一般に１０
ｎｍ以下に制御される。 このため波長可変半導体レーザを単にアレイ化しただけでは、広い波長範囲を得ることは困難である。 より広い波長範囲を得るためには、さらに複雑な回折格子パターンや電極構造が必要となり、素子の歩留まりや製造コストの点で課題が生じる。 また電子ビーム露光を用いる方法は描画に多大な時間を要するため、生産性の点で課題となる。

【０００５】

【発明を解決するための手段】上記の課題を解決するための半導体レーザアレイの構造および製造方法は以下の通りである。

【０００６】活性領域、位相制御領域ならびにＤＢＲ領域からなり、選択的に形成され少なくとも量子井戸構造からなる光導波層を有する半導体レーザが複数個並列に配置された半導体レーザアレイにおいて、複数の前記Ｄ
ＢＲ領域に形成された回折格子の周期がすべて同一であり、かつ前記光導波層の層厚が異なることを特徴とする、半導体レーザアレイである。

【０００７】または、上記の半導体レーザアレイにおいて、さらに半導体光変調器領域が形成されていることを特徴とする、半導体レーザアレイである。

【０００８】または、上記の半導体レーザアレイにおいて、さらに合波領域が形成されており、合波領域においては少なくとも量子井戸構造からなる光導波層が途切れることなく全面に形成されており、かつ合波領域内の光導波路領域に半導体クラッド層が選択的に形成され、前記光導波路領域が複数の半導体レーザを結合するように形成されていることを特徴とする、半導体レーザアレイである。

【０００９】表面が平坦な活性領域と位相制御領域、および表面に均一な周期を有する回折格子が形成されたＤ
ＢＲ領域とに分割された半導体基板の上に、間に光導波路領域を挟んで対向する２本の誘電体薄膜ストライプを複数組形成する工程と、前記誘電体薄膜ストライプ以外の前記半導体基板上に量子井戸層を含む光導波層を積層する選択結晶成長工程とを含み、かつ前記ＤＢＲ領域において、異なる光導波路領域に対向した前記誘電体薄膜ストライプの幅を変化させることを特徴とする、半導体レーザアレイの製造方法である。

【００１０】または、上記の半導体レーザアレイの製造方法において、活性領域、位相制御領域、ＤＢＲ領域に加えて半導体光変調器領域が形成され、前記半導体光変調器領域において誘電体薄膜ストライプの幅が前記活性領域より狭いことを特徴とする、半導体レーザアレイの製造方法である。

【００１１】または、上記の半導体レーザアレイの製造方法において、活性領域、位相制御領域、ＤＢＲ領域に加えて少なくとも合波領域が形成され、前記合波領域においては誘電体薄膜ストライプを形成せずに少なくとも量子井戸構造を含む光導波層を全面に積層した後、表面に２本の誘電体薄膜ストライプを形成し、前記誘電体薄膜ストライプに挟まれた光導波路領域に半導体クラッド層を選択的に形成する工程を含むことを特徴とする、半導体レーザアレイの製造方法である。

【００１２】または、上記の半導体レーザアレイの製造方法において、部分的に回折格子が形成された半導体基板上に全面に半導体ガイド層を含む半導体多層膜を積層した後に、誘電体薄膜ストライプを形成し、少なくとも量子井戸構造を含む半導体多層膜を選択的に形成して光導波層を構成することを特徴とする、半導体レーザアレイの製造方法である。

【００１３】または、上記の半導体レーザアレイの製造方法において、量子井戸構造を含む半導体多層膜を選択的に形成する際、成長圧力を成長層によって変化させ、
少なくとも量子井戸構造の成長時の圧力が他の半導体層の成長時の圧力より高いことを特徴とする、半導体レーザアレイの製造方法である。

【００１４】

【作用】ＤＢＲ半導体レーザなどの光半導体素子、ならびに半導体光集積素子の新しい作製方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いた選択成長による方法がある。 特開平４−１０５３８３号公報、特開平４−
３０３９８２号公報、特開平５−３７０９２号公報参照。 この方法は、一対の誘電体薄膜ストライプマスクに挟まれた導波領域に量子井戸（ＭＱＷ）構造などを含む光導波層を選択的に形成することにより、半導体のエッチングなしに光導波構造を形成できる特徴がある。 さらに、誘電体薄膜ストライプマスクの幅を変化させることにより、選択成長した量子井戸層の層厚および組成が変化するため、ストライプマスクの幅が導波路方向で変化したパターンを用いれば、１回の選択成長で異なるバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を導波路方向で有する光導波層を得ることができる。 このＥｇ制御技術によって、複雑な方法により製作していたバット−ジョイント構造などを用いることなく、ＤＢＲ半導体レーザなどの素子を高い均一性、歩留まりのもとに製作することができる。 一例として、選択成長時のマスク幅とバンドギャップエネルギーの関係に関する報告が、第４０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第１分冊２６４〜２６５
頁、３０ａ−ＺＲ−７、３０ａ−ＺＲ−８（１９９３
年）に記載されている。

【００１５】本発明ではストライプマスク幅が広いほど、光導波路領域に選択成長した半導体多層膜の層厚が増加することから、光導波路の等価屈折率が増加する。
したがって、図２にマスクパターンを示すように、ＤＢ
Ｒ半導体レーザのＤＢＲ領域３３におけるマスク幅Ｗ _m
を導波路間で変化させれば、同一の周期を有する回折格子を用いても、発振波長を変化させることが可能となる。

【００１６】こうしたマスク幅によって発振波長を変化させたＤＢＲ半導体レーザアレイは、さらに他の光半導体素子を集積することが可能である。 例えば半導体光変調器は、選択成長時のマスク幅を適当にとって量子井戸構造の吸収端が発振波長に対して一定の波長差になるようにすれば、まったく同じ作製プロセスでＤＢＲ半導体レーザに集積することが可能である。

【００１７】また複数の光導波路を合波する合波器を集積するためには、光導波層を全面に形成した後、半導体クラッド層を選択的に形成したリッジ構造（特開平４−
２４３２１６号公報に記載）を用いればよい。 ＤＢＲ半導体レーザと合波器を集積するためには、図５（ａ）に示すように誘電体薄膜ストライプ２０を部分的に形成することによって、量子井戸構造を含む多層構造をＤＢＲ
半導体レーザ領域などの電流注入領域３１〜３４および３６ではストライプマスク２０に挟まれた光導波路領域２１に選択的に形成する一方、合波器領域３５では全面に形成する。 次に図５（ｂ）に示すように、ストライプマスク２２を全領域に形成して、光導波路領域２３に半導体クラッド層を形成する。 このとき、半導体クラッド層はＤＢＲ半導体レーザ領域では選択的に形成された光導波路構造を埋め込むように成長し、一方合波器領域では全面に成長した光導波路構造の上に選択的に形成される。 このようにして、作製工程を変化させることなく合波器構造などを集積することが可能である。

【００１８】

【実施例】以下に本発明を用いた実施例について述べる。 図１はＤＢＲ半導体レーザアレイのＤＢＲ領域における断面図で、（ａ）がマスク幅の広いチャンネル、
（ｂ）が狭いチャンネルである。 また図２はその製造方法を示すマスクパターンである。 本素子は活性領域３
１、位相制御領域３２、ＤＢＲ領域３３からなる。 以下に製造工程を記す。 ｎ型ＩｎＰ基板１上のＤＢＲ領域３
３のみに一定の周期を有する回折格子１５を形成した後、ＳｉＯ ₂ストライプマスク２０を形成した。 マスクパターンは幅Ｗ ₀の導波領域２１を挟んで対向した一対のパターンがアレイ状に形成されており、そのマスク幅は活性領域３１でＷ _ma 、位相制御領域３２でＷ _mpと一定であるのに対し、ＤＢＲ領域３３ではＷ _{m 1} 、Ｗ
_{m 2} 、・・・Ｗ _mnと変化している。 ここではＷ ₀ ＝
１．５μｍ、Ｗ _ma ＝３０μｍ、Ｗ _mp ＝４μｍ、ＤＢ
Ｒ領域ではＷ _{m 1} ＝４μｍからＷ _{m 1 0} ＝２２μｍまで２μｍ間隔とした。

【００１９】このパターン上にＭＯＶＰＥ法により、ｎ
型ＩｎＧａＡｓＰガイド層２（層厚０．１５μｍ）、ｎ
型ＩｎＰスペーサ層３（層厚０．１μｍ）、ＭＱＷ導波層４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層５（層厚０．２μ
ｍ）、ｐ型ＩｎＰクラッド層６（層厚０．５μｍ）を選択成長した。 層厚はいずれも活性領域での値であり、Ｍ
ＱＷ導波層はＩｎＧａＡｓウェル８層とＩｎＧａＡｓＰ
バリアからなる。 ＩｎＧａＡｓウェルの厚さは活性領域では７ｎｍであるのに対し、ＤＢＲ領域ではマスク幅によって変化し、２．５ｎｍから５．５ｎｍの間となった。 他の成長層についても、マスク幅の広い領域ほど厚くなった。 次に、導波領域２１に接したマスクストライプ２０の内縁部をエッチングで除去し、導波領域２１の幅を６μｍに広くした。 一方、すべてのマスクストライプ２０の幅が１０μｍ以下になるように活性領域３１およびＤＢＲ領域３３のマスクストライプ２０の外縁部も除去した。

【００２０】次に、２回目の結晶成長として、ｐ型Ｉｎ
Ｐクラッド層７（層厚１．５μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓ
キャップ層８（層厚０．３μｍ）を、ＭＱＷ導波層４を含む光導波層を埋め込むように成長した。 結晶成長終了後に各領域間のｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層８を幅２０
μｍにわたって除去して素子分離を行った後、全面にＳ
ｉＯ ₂膜１２を形成し、各領域ごとにｐ型ＩｎＧａＡｓ
キャップ層８に面したメサ上部を窓開けした後にｐ側電極１３をパターン状に形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１を研磨後にｎ側電極１４を形成した。

【００２１】各素子は活性領域３１に電流注入することによってレーザ発振した。 発振しきい値電流は１０個のアレイにおいて８ｍＡから１５ｍＡの間であった。 また最大光出力は３０ｍＷから３８ｍＷであった。 図３は１
０本のアレイ素子における発信波長λ _bの変化を示している。 λ _bは約１．５２９μｍから１．５４７μｍの間で変化し、波長範囲は１８ｎｍ、素子間の波長差は約１．８ｎｍであった。 また各素子の発振波長はＤＢＲ領域および位相制御領域に電流注入することにより変化し、その波長変化量は３．５ｎｍから８ｎｍであった。
このことから、約２０ｎｍの波長範囲において、１０素子の波長間隔を高精度で等間隔に配置することが可能となった。

【００２２】次にＤＢＲ半導体レーザと半導体光変調器の集積素子の作製結果について述べる。 図４にマスクパターンを示すように、活性領域３１、位相制御領域３
２、ＤＢＲ領域３３からなるＤＢＲ半導体レーザに半導体光変調器領域３４が加わった構成となっていて、光変調器領域３４におけるマスク幅Ｗ _mmはゲインピーク波長が約１．４８μｍとなるように２０μｍとした。 その後の製作方法はＤＢＲ半導体レーザと同一である。 なお光変調器側の端面が低反射率となるように誘電体多層膜をコーティングした。

【００２３】この素子の光変調器側からの光出力は１０
本のアレイにおいて１２ｍＷから１８ｍＷであり、光変調器領域に−３Ｖの電圧を印加した時の消光比は１５ｄ
Ｂから１９ｄＢであった。 また発振波長の分布、波長可変特性等はＤＢＲ半導体レーザアレイの結果と同等であった。 なお本実施例では光変調器領域３４でのマスク幅Ｗ _mmはここでは一定としたが、吸収端波長が各チャンネルでの発振波長に合わせた最適値となるように、チャンネル間で変化させてもよい。

【００２４】次に４チャンネルのＤＢＲ半導体レーザと光変調器、それぞれの信号光を１本の導波路に合波する合波器、および信号光を増幅する半導体光アンプを集積した素子の作製結果について述べる。 図５（ａ）のように活性領域３１、位相制御領域３２、ＤＢＲ領域３３および半導体光変調器３４からなる素子４チャンネルと半導体光アンプ領域３６にストライプマスク２０を形成し、それぞれのストライプマスク２０に挟まれた幅１．
５μｍの導波領域２１には量子井戸層を含む多層構造を選択的に形成し、一方ストライプマスクのない合波領域３５および窓領域３７には全面に形成した。 半導体光アンプ領域３６のマスク幅は活性領域３１と同じ３０μｍ
とした。 次に全面にＳｉＯ ₂膜を形成した後、図５
（ｂ）に示すように、図５（ａ）の導波領域２１を挟むように幅１０μｍのストライプマスク２２を形成し、マスク２２に挟まれた導波領域２３が４本のＤＢＲ半導体レーザを合波して半導体光アンプに接続されるようにした。 この光導波路領域２３にｐ型ＩｎＰクラッド層およびｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層を選択的に形成した。

【００２５】領域３１、３２、３３、３４、および３６
にパターン電極を形成した後、窓領域側の側面に低反射膜を形成した。 こうして製作した素子の活性領域および光アンプ領域に電流を流して窓領域側からの発光を測定したところ、最大光出力２．５ｍＷが得られた。 このように本発明の半導体レーザアレイの製造方法を用いれば、合波器を集積した素子も同様の方法で製作できることが明らかとなった。 なお合波器構造は図６に示したようなスターカプラでもよい。

【００２６】なお上述の製造方法ではＤＢＲ半導体レーザと合波領域においてｐ型ＩｎＰクラッド層を同時に形成している。 別の方法として、図５（ａ）のマスクパターンを用いて量子井戸構造を含む多層膜を形成した後に、図７（ａ）に示すようにストライプマスク２２を形成して半導体レーザなどの電流注入領域のみにｐ型Ｉｎ
Ｐクラッド層およびｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層を形成し、続いて図７（ｂ）に示すように新しいマスクストライプ２２を形成して、合波領域などの受動領域にアンドープＩｎＰ層を選択的に形成する方法がある。 成長回数は１回増えることになるが、合波領域でのクラッド層における吸収係数の低減により、合波領域での導波損失が低下し、より高い光出力を得ることが可能となる。

【００２７】なお今までの実施例ではｎ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐガイド層２を含む多層構造を同時に形成していたが、
特開平４−３０３９８２号公報の例と同様に、まずｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層２とｎ型ＩｎＰスペーサ層３を全面に形成してから、ストライプマスク２０を形成し、
ＭＱＷ導波層４を含む多層構造を選択的に形成する方法でもよい。 但しこの場合は成長回数が１回多くなる。

【００２８】さらにＭＯＶＰＥ選択成長においては成長速度のマスク幅に対する変化量が成長圧力によって変わるため、成長の途中で成長圧力を層ごとに変化させれば、特定の層の層厚のみを大きく変化させ、その他の層厚はあまり変化させないことも可能である。 たとえばＭ
ＱＷ導波層の成長時には高い圧力のもとに成長を行ってＤＢＲ領域のゲインピーク波長が発振波長より充分短波長になるようにし、一方でガイド層２、閉じ込め層５などの成長時には比較的低い圧力を用いて成長し、層厚のもっとも薄いＤＢＲ領域においても光閉じ込め係数の値が小さくなりすぎないような層厚にすることなど、幅広い層構造の設計が可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の半導体レーザアレイおよびその製造方法を用いれば、発振波長の異なる半導体レーザからなるアレイ素子を作製するために回折格子の周期をチャンネルごとに変化させたり、
活性層を別々に形成する必要がなく、均一な回折格子のもとに１回の活性層の形成で比較的広い波長範囲を有するアレイ素子を実現することができる。 また半導体レーザに半導体光変調器、半導体光アンプなどの素子、さらには複数のチャンネルを結合する合波器をも集積化することが可能であり、本発明によって、半導体レーザアレイを含む半導体光集積素子を簡便かつ高均一な特性のもとで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザアレイを表わす断面図。

【図２】本発明の半導体レーザアレイの製造方法を表わす構造図。

【図３】本発明の半導体レーザアレイの波長分布を表わす図。

【図４】本発明の半導体レーザアレイと半導体光変調器の集積素子の製造方法を表わす構造図。

【図５】本発明の半導体レーザアレイと半導体光変調器、合波器および半導体光アンプによる集積素子の製造方法を表わす構造図。

【図６】本発明の半導体レーザアレイと半導体光変調器、合波器および半導体光アンプによる集積素子の製造方法を表わす構造図。

【図７】本発明の半導体レーザアレイと半導体光変調器、合波器および半導体光アンプによる集積素子の製造方法を表わす構造図。

【図８】従来の半導体レーザアレイの製造方法および動作特性を表わす図。

【図９】従来の別の半導体レーザアレイの製造方法および動作特性を表わす図。

【符号の説明】

１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層 ３ ｎ型ＩｎＰスペーサ層 ４ ＭＱＷ導波層 ５ ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 ６ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ７ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ８ ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層 １２ ＳｉＯ ₂膜 １３ ｐ側電極 １４ ｎ側電極 １５ 回折格子 ２０ ＳｉＯ ₂ストライプマスク ２１ 導波領域 ２２ ＳｉＯ ₂ストライプマスク ２３ 導波領域 ２４ スターカプラ ３１ 活性領域 ３２ 位相制御領域 ３３ ＤＢＲ領域 ３４ 半導体光変調器領域 ３５ 合波領域 ３６ 半導体光アンプ領域 ３７ 窓領域