具有与导波耦合的衍射光栅的光学器件及其制造方法

摘要

本发明提供一种具有与导波耦合的衍射光栅的光学器件及其制造方法。该光学器件包括：形成于衬底之上的光学波导结构限定用于沿着平行于衬底表面的方向引导光而使导波的横向模式的光强度分布朝着光学波导路径的第一侧偏置的光学波导。主要衍射光栅至少设置于与第一侧相对的第二侧上并且与沿着光学波导传播的导波耦合。辅助衍射光栅设置于第一侧上并且使与主要衍射光栅耦合以及沿着光学波导传播的导波向与光学波导的延伸方向不同的方向衍射。本发明可以高效地抑制二阶或高阶横向模式的振荡。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于2007年2月16日提交的日本专利申请第2007-036158号并且要求该申请的优先权，通过援引将该申请的完整内容结合于此。

技术领域

本发明涉及一种光学器件及其制造方法，更具体地，涉及一种具有与在光学波导中传播的导波耦合的衍射光栅的光学器件。

背景技术

随着对于因特网需求的爆炸式增长，在光学通信和传输领域中对于超高速和大容量的研究十分活跃。特别是对于具有十亿比特传输频带的以太网(注册商标)而言，希望有能够在不低于10Gb/s的频率下直接调制而无需冷却的廉价半导体激光器件。满足这些需要的半导体激光器件包括分布反馈(DFB)式激光器件。

为了制造低成本的DFB激光器件，可以通过单个工艺中的晶体生长来制造脊型激光器件，即其不需要在蚀刻工艺之后用于晶体生长的工艺。从制造成本的观点来看，不在晶体的内部而是在脊的两侧上形成用于脊型激光器件分布反馈的衍射光栅是有利的。

图16是常规脊型DFB激光器件的透视图。在半导体衬底500上依次地堆叠有源层501和包覆层502。沿一个方向延伸的脊503形成于包覆层502上。衍射光栅504形成于脊503的侧壁上。有源区域501在脊503以下的部分用作光学波导。

图17示出了常规脊型DFB激光器件的另一例子。在图16中所示的脊型DFB激光器件中，衍射光栅504形成于脊503的侧壁上，而在图17中所示例子中，衍射光栅504A形成于脊503两侧的平坦表面上，用于取代衍射光栅504。其它结构与图16中所示激光器件的结构相同。

图18示出了在光学波导中传播的导波与衍射光栅之间的位置关系。衍射光栅504或者504A设置于脊503的两侧上。导波在基本横向模式中的光强度分布沿宽度方向在脊503的中心处具有最大强度，而光强度随着与中心之间距离的增大而降低，如实线510所示。在第一较高阶横向模式(下文简称为“二阶横向模式”)下的光强度分布沿宽度方向在脊503的中心处具有最小强度，光强度随着与中心之间距离的增大而增加，而光强度分布在中心的两侧具有最大强度，如实线511所示。在最大强度位置以外的区域中，光强度随着与脊503的中心的距离的增大而单调地降低。

在脊503的中心附近没有设置衍射光栅，而是在脊503的两侧上设置衍射光栅。因此，在设置有衍射光栅的区域中，二阶横向模式的光强度比基本横向模式的光强度更强。因此，二阶横向模式与衍射光栅之间的耦合系数约为基本横向模式与衍射光栅之间的耦合系数的1.5倍至2倍。

为了降低二阶横向模式与衍射光栅之间的耦合系数，有效的是，使脊503更窄以在脊503的中心设置衍射光栅。然而，随着脊503变窄，激光器件的电阻增加。使脊503变窄可能由于在注入大电流时的热生成而造成功率消耗的增加和光学输出的减少。

JP-A-2003-152273公开了一种能够抑制高阶横向模式的半导体激光器件。

图19是在JP-A-2003-152273中公开的半导体激光器件的脊部分的平面横截面图。衍射光栅521形成于脊520的侧壁上。具有振荡光吸收性的由InGaAs制成的光吸收层522形成于衍射光栅522的凹/凸外表面上。由于光吸收层522吸收高阶横向模式比基本横向模式更多，所以可以抑制高阶横向模式的振荡。

发明内容

根据一个实施例的一个方面，提供一种光学器件，包括：形成于衬底之上的光学波导结构，该光学波导结构限定用于沿着平行于衬底的表面的方向引导光而使导波的横向模式的光强度分布朝着光学波导的第一侧偏置的光学波导；主要衍射光栅，至少设置于与光学波导的两侧之中的第一侧相对的第二侧上并且与沿着光学波导传播的导波耦合；以及辅助衍射光栅，设置于光学波导的两侧之中的第一侧上并且使与主要衍射光栅耦合以及沿着光学波导传播的导波向与光学波导的延伸方向不同的方向衍射。

根据一个实施例的另一方面，提供一种用于光学器件的制造方法，包括以下步骤：在下包覆层之上形成具有比下包覆层的有效折射率更高的有效折射率的波导层；在波导层之上形成具有比波导层的有效折射率更高的有效折射率的上包覆层；通过干涉曝光在上包覆层之上形成沿着第一方向具有周期性的第一衍射光栅图案；用掩模膜覆盖在平行于第一方向的边界线的一侧上的区域中设置的第一衍射光栅图案；去除位于没有被掩模膜覆盖的区域中的第一衍射光栅图案；通过干涉曝光在上包覆层和掩模膜之上形成沿着第一方向具有周期性的第二衍射光栅图案；将掩模膜与形成于其上的第二衍射光栅图案一起去除；形成覆盖沿着第一方向延伸的带区域的脊图案，该脊图案至少部分地叠加于第一衍射光栅上；以及通过使用第一衍射光栅图案和第二衍射光栅图案以及脊图案作为蚀刻掩模来蚀刻上包覆层。

本发明可以高效地抑制二阶或高阶横向模式的振荡。

附图说明

图1是本发明人先前提出的脊型激光器件的透视图。

图2是示出了先前提出的脊型激光器件的主要和辅助衍射光栅与基本和二阶横向模式的光强度分布之间的位置关系的图。

图3是示出了在衍射光栅的占空比与衍射强度之间的关系的图，其中曲线c表示在垂直于导波传播方向的方向上的衍射强度，而曲线d表示在导波传播方向上的衍射强度。

图4是根据第一实施例的脊型激光器件的透视图。

图5是示出了在第一实施例的脊型激光器件的主要和辅助衍射光栅与基本和二阶横向模式的光强度分布之间的位置关系的图。

图6A至6E是脊型激光器件在制造过程中的透视图，用于描述根据第一实施例的器件的制造方法。

图7A至7H是脊型激光器件在制造过程中的透视图，用于描述制造根据第一实施例的器件的另一制造方法。

图8是根据第二实施例的脊型激光器件的透视图。

图9是根据第三实施例的脊型激光器件的透视图。

图10A至10G是脊型激光器件在制造过程中的透视图，用于描述根据第三实施例的器件的制造方法。

图11是根据第四实施例的脊型激光器件的透视图。

图12是示出了第四实施例的脊型激光器件的主要和辅助衍射光栅与基本和二阶横向模式的光强度分布之间的位置关系的图。

图13是根据第五实施例的脊型激光器件的透视图。

图14是根据第六实施例的脊型激光器件的透视图。

图15是根据第七实施例的DBR激光器件的横截面图。

图16是常规脊型激光器件的透射图。

图17是常规脊型激光器件的透视图。

图18是示出了在常规脊型激光器件的衍射光栅与导波的基本和二阶横向模式的光强度分布之间的位置关系的图。

图19是常规脊型激光器件的脊部分的平面横截面图。

具体实施方式

在描述实施例之前，将参照图1至图3描述本发明人先前提出的脊型激光器件。

图1是先前提出的脊型激光器件的透视图。由n型Al_0.5Ga_0.5As制成而厚度为1.5μm的下包覆层2、由n型Al_0.3Ga_0.7As制成而厚度为0.15μm的下光学引导层3、量子点有源层(光学波导层)4和由p型Al_0.3Ga_0.7As制成而厚度为0.15μm的上光学引导层5依次地堆叠在由n型GaAs制成的衬底1的主表面上。

量子点有源层4具有如下叠层结构：在厚度方向上将具有夹在GaAs层之间的多个InAs量子点的InGaAs层结构重复十次。

在一个方向上具有长度而高度为1.4μm和宽度为2μm的脊10设置于上光学引导层5上。在脊10的长度方向上具有周期性的主要衍射光栅11形成于脊10的两个侧壁上。主要衍射光栅11具有如下结构：在脊10的高度方向上延伸的凸部分和凹部分交替地设置于脊10的长度方向上。主要衍射光栅11的周期为198nm，而从凹部分的底部至凸部分的顶部的高度为500nm。

脊10具有由上包覆层6和形成于上包覆层6上的接触层7构成的两层结构。上包覆层6由p型Al_0.3Ga_0.7As制成并具有1.2μm的厚度。接触层7由p型GaAs制成并具有0.2μm的厚度。

在脊10的长度方向上具有周期性的辅助衍射光栅12形成在位于脊10的两侧上的上光学引导层5的平坦表面上。辅助衍射光栅12由在脊10的长度方向上以均匀间隔设置的多个凸部分构成。辅助衍射光栅12的周期为396nm，即主要衍射光栅11的两倍。构成辅助衍射光栅12的凸部分具有与脊10的两层结构相同的两层结构，而其高度与脊10的高度相同。凸部分在脊10的长度方向上的大小为198nm。凸部分在与脊10的长度方向垂直的方向上的大小为0.5μm。

辅助衍射光栅12的凸部分可以设置为具有与主要衍射光栅11的凸部分的前面相接触的端面，或者设置为在主要衍射光栅11的凸部分的端面与前面之间具有细微间隙。

上电极14形成于脊10上。下电极15形成于衬底1的底部上。上电极14和下电极15例如由AuZn/Au制成。激光器件的半导体表面一般用由氧化硅、氮化硅、苯并环丁烯(BCB)等制成的保护膜来覆盖。

量子点有源层4具有比下包覆层2、下光学引导层3、上光学引导层5和上包覆层6中任一层的折射率更高的有效折射率。量子点有源层4在脊10以下的区域作为用于在脊10的长度方向上引导光的光学波导。沿着光学波导传播的导波与主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12耦合。

主要衍射光栅11所选择导波的波长λ表示如下：

λ＝2×p₁×n_e

其中n_e为光学波导的等效折射率，而p₁为主要衍射光栅11的周期。当跨上电极14和下电极15施加电压时，载流子被注入到量子点有源层4中，而脊型激光器件在上述公式给定的波长λ振动。

在图1中，主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12以如下方式绘制：使得主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的较整个激光器件的大小而言相对更长。另外在本说明书的其它附图中，衍射光栅以如下方式绘制：使得衍射光栅的周期较整个激光器件的大小而言相对更长。

图2示出了先前提出的脊型激光器件的主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12与导波在横向方向上的光强度分布之间的位置关系的例子。主要衍射光栅11设置于脊10的两侧上，主要衍射光栅11具有高折射率区(凸部分)和低折射率区(凹部分)交替地设置这一周期结构。辅助衍射光栅12设置于主要衍射光栅11的外侧上，辅助衍射光栅12具有高折射率区(凸部分)和低折射率区(凹部分)交替地设置这一周期结构。

基本横向模式的导波的光强度分布以实线D₁表示，而二阶横向模式的导波的光强度分布以实线D₂表示。基本横向模式的光强度分布D₁在宽度方向上脊10的中心处具有最大强度，而光强度随着与中心之间距离的增大而降低。二阶横向模式的光强度分布D₂在宽度方向上脊10的中心处具有最小强度，而在脊10的侧平面附近具有最大强度。

二阶横向模式在设置有主要衍射光栅11的区域A和设置有辅助衍射光栅12的区域B中具有相对高的光强度。然而，基本横向模式在设置有辅助衍射光栅12的区域B中的光强度明显地低于基本横向模式在设置有主要衍射光栅11的区域A中的光强度。

因此，基本横向模式与辅助衍射光栅12之间的耦合系数小于基本横向模式与主要衍射光栅11之间的耦合系数。对照而言，二阶横向模式与主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12均强耦合。以下不等式成立：

(k11-k12)＞(k21-k22)

其中k11是在基本横向模式与主要衍射光栅11之间的耦合系数，k12是在基本横向模式与辅助衍射光栅12之间的耦合系数，k21是在二阶横向模式与主要衍射光栅11之间的耦合系数，而k22是在二阶横向模式与辅助衍射光栅12之间的耦合系数。

也就是说，基本横向模式受主要衍射光栅11的强影响，而很少受辅助衍射光栅12影响。二阶横向模式受主要衍射光栅11的强影响，并且也受辅助衍射光栅12的强影响。

接着，参照图3，将描述辅助衍射光栅12对具有主要衍射光栅11所选波长的导波的影响。

图3示出了辅助衍射光栅12的几何形状与衍射强度之间的关系。图3的横坐标代表以“％”为单位的占空比。占空比意味着一个周期内的凸部分与一个周期的辅助衍射光栅12之比。纵坐标代表任意单位的衍射强度。曲线c表示在垂直于衬底表面的方向上的衍射强度，而曲线d表示在导波的传播方向上的衍射强度。

在占空比为50％时，在衬底法向方向上的衍射强度为最大。在占空比偏离50％时，在法向方向上的衍射强度变弱，而在占空比为0％和100％时取零。在占空比为25％和75％时，在导波传播方向上的衍射强度变为最大。在占空比偏离25％和75％时，衍射强度变弱，而在占空比为0％、50％和100％时取零。

因此，在辅助衍射光栅12的占空比为50％时，导波的传播损耗变大。然而，由于基本横向模式很少受辅助衍射光栅12影响，所以基本横向模式的传播损耗没有增加。对照而言，二阶横向模式受辅助衍射光栅12的影响很大，并且在垂直于波导的方向上衍射，从而使传播损耗变大。

“辅助衍射光栅对二阶横向模式的再耦合强度”定义为通过耦合主要衍射光栅11沿着光学波导传播的二阶横向模式的导波与辅助衍射光栅12所衍射的光学波导再耦合的强度。“辅助衍射光栅对基本横向模式的再耦合强度”定义为通过基本横向模式的导波与辅助衍射光栅12所衍射的光学波导再耦合的强度。在第一实施例中，辅助衍射光栅对二阶横向模式的再耦合强度弱于辅助衍射光栅对基本横向模式的再耦合强度。因此可以抑制二阶横向模式的振荡。

为了充分地获得抑制二阶横向模式振荡的效果，辅助衍射光栅12的占空比优选地设置于在35％与65％之间的范围内。虽然辅助衍射光栅12的周期设置为两倍于主要衍射光栅11的周期，但是当辅助衍射光栅12的周期至少为主要衍射光栅11的周期的1.2倍长时，就可以充分地抑制二阶横向模式的振荡，因为导波以如下方式衍射：使衍射光不与波导再耦合。

已经通过在基本横向模式与二阶横向模式之间进行比较来描述先前提议。高于二阶横向模式的高阶横向模式与辅助衍射光栅12之间的耦合也比基本横向模式更强。因此，先前提出的脊型激光器件可以抑制高于二阶横向模式的高阶横向模式的振荡。例如，先前提出的脊型激光器件的高阶横向模式的振荡阈值可以设置约为常规激光器件的4倍至10倍。在这一情况中，基本横向模式的振荡阈值的增加可以被抑制为约几个％。在下文将要描述的实施例中，可以进一步增强对基本横向模式振动阈值的上升的抑制效果。

图4是第一实施例的脊型激光器件的透视图。由p型Al_0.35Ga_0.65As制成而厚度为2μm的下包覆层2、由p型Al_0.15Ga_0.85As制成而厚度为50nm的下光学引导层3、有源层4和由n型Al_0.15Ga_0.85As制成而厚度为50nm的上光学引导层5依次地堆叠在由p型GaAs制成的衬底1的主表面上。有源层4具有如下叠层结构：在厚度方向上将具有夹在GaAs层之间的多个InAs量子点的InGaAs层结构重复十次。

在上光学引导层5上，形成由n型Al_0.35Ga_0.65As制成而厚度(高度)为1μm和宽度为2μm的脊形包覆层6。脊形包覆层6沿着平行于衬底表面的直线设置。定义如下xyz正交坐标系，该坐标系以衬底1的主表面为xy平面、以脊形包覆层6延伸的方向为x轴，而以衬底1的主表面的法向方向为z轴。

在x方向上具有周期性的主要衍射光栅11形成于位于脊形包覆层6的两侧的上光学引导层5的表面上。主要衍射光栅11由在y方向上从脊形包覆层6的两个侧壁中的各侧壁突出的多个第一部件11a构成。各第一部件11a的高度与脊形包覆层6的高度相同，而在x方向上的大小(厚度)为99nm。在相邻两个第一部件11a之间的各间隔都被设置为99nm。也就是说，主要衍射光栅11的周期为198nm。设置于脊形包覆层6的一侧(第一侧S1)上的第一部件11a具有从脊形包覆层6的侧壁起500nm的突出量，而设置于另一侧(第二侧S2)上的第一部件11a具有10μm的突出量。

辅助衍射光栅12设置于位于脊形包覆层6的第一侧S1的上光学引导层5的表面上。辅助衍射光栅12由在x方向上设置的多个第二部件12a构成。各第二部件12a的高度与脊形包覆层6的高度相同，而在x方向上的大小(厚度)为198nm。在相邻两个第二部件12a之间的各间隔设置为198nm。也就是说，辅助衍射光栅12的周期为396nm。第二光学部件12a在y方向上的大小例如为9.5μm。辅助衍射光栅12设置为与设置于第一侧S1上的主要衍射光栅11接触，或者设置为在y方向上与主要衍射光栅11具有细微间隙。

由Si掺杂n型GaAs制成而厚度为0.4μm的接触层7设置于脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12上。接触层7具有与脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的平面形状相同的平面形状。

设置于脊形包覆层6的第一侧S1上的主要衍射光栅11的空间区和辅助衍射光栅12的空间区用第一掩埋部件21填充。第一掩埋部件21也覆盖上光学引导层5在辅助衍射光栅12以外的表面。设置于脊形包覆层6的第二侧S2上的主要衍射光栅11的空间区用第二掩埋部件22填充。第二掩埋部件22也覆盖上光学引导层5在主要衍射光栅11以外的表面。

第一掩埋部件21和第二掩埋部件22的上表面的水平可以近似与接触层7的上表面的水平相同，或者第一掩埋部件21和第二掩埋部件22可以覆盖接触层7的上表面。

第一掩埋部件21的折射率高于第二掩埋部件22的折射率。例如，第一掩埋部件21由TiO₂制成而第二掩埋部件22由SiO₂制成。TiO₂和SiO₂的折射率分别为2.3和1.5。作为主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的材料的Al_0.35Ga_0.65As的折射率约为3.23。

上电极14形成于覆盖脊形包覆层6的接触层7上，而下电极15形成于衬底1的底部上。上电极14和下电极15具有AuZn层和Au层的两层结构并且分别与接触层7和衬底1欧姆接触。

图5示出了在脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的平面布局与导波的基本和二阶横向模式的光强度分布之间的位置关系。脊形包覆层6的折射率约为3.23。构成主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的第一部件11a和第二部件12a的折射率也约为3.23。由于设置于第一侧S1上的第一掩埋部件21的折射率为2.3，所以设置于第一侧S1上的组件的平均折射率约为2.77。由于设置于脊形包覆层6的第二侧S2上的第二掩埋部件22的折射率约为1.5，所以设置于脊形包覆层6的第二侧S2上的组件的平均折射率约为2.37。

在y方向上的折射率分布表明脊形包覆层6的折射率高于设置于脊形包覆层6的两侧上的组件的平均折射率。沿着z方向的折射率分布表明折射率在有源层4的位置具有最大值。因此，有源层4用作限定光学波导的波导层，该光学波导用于在脊形包覆层6以下在x方向上引导波。

基本和二阶横向模式的光强度分布D₁和D₂扩展到设置有主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的区域。在脊形包覆层6的第一侧S1上的组件的平均折射率高于在第二侧S2上的组件的平均折射率。因此，影响导波的第一侧S1上的有效折射率高于第二侧S2上的有效折射率。由于有效折射率之间的差异，因此导波的横向模式的光强度分布朝着第一侧S1移位。

基本横向模式的光强度分布D₁并非左右对称，而是从脊形包覆层6的中心朝着第一侧S1略微移位。光强度分布D₂具有两个峰值，并且第一侧S1上的峰值高于第二侧S2上的峰值。

主要衍射光栅11设置为邻近于脊形包覆层6。在这一区域A中，基本横向模式的光强度在某一程度维持为高。因此，基本横向模式的导波与主要衍射光栅11相对强地耦合。对照而言，由于辅助衍射光栅12远离脊形包覆层6，所以在这一区域B中基本横向模式的光强度降低。在基本横向模式的导波与辅助衍射光栅12之间的耦合因此相对弱。导波在第二侧S2上的分量仅与主要衍射光栅11耦合而不与辅助衍射光栅12耦合。由于光强度分布朝着第一侧S1移位，所以基本横向模式的光强度在区域B中变大。然而，导波在这一区域B中的分量对应于光强度分布的边缘部分(skirt portion)，使得光强度的增加程度小。因此，与图1和图2中所示辅助衍射光栅12设置于脊形包覆层6的两侧的结构相比，基本横向模式的导波的传播损耗可以变小。

对照而言，由于二阶横向模式的光强度分布朝着第一侧S1偏置，所以构成第一侧S1上峰值的成分与辅助衍射光栅12之间的耦合变强。由于在第一侧S1上峰值的顶部附近的成分进入区域B，所以耦合显著变强。虽然第二横向模式没有在第二侧S2上与辅助衍射光栅12耦合，但是第二横向模式在第一侧S1上强耦合。因此，在二阶横向模式的导波与辅助衍射光栅12之间的耦合强度变得比在图1和图2中所示结构中的耦合强度更强。因此可以高效地抑制二阶横向模式的振荡。

如二阶横向模式一样，等于或者高于三阶的高阶横向模式的导波也可以维持与辅助衍射光栅12充分耦合强度。因此可以有效地抑制等于或者高于三阶的高阶横向模式的振荡。

如上所述，第一实施例的脊型激光器件在基本横向模式的导波的传播损耗方面小于图1和图2中所示激光器件。因此，有可能抑制由于设置辅助衍射光栅12而造成的振荡阈值的增加。没有设置辅助衍射光栅的常规脊型激光器件与第一实施例的脊型激光器件实际进行了比较。第一实施例的脊型激光器件的振荡阈值一般等于常规脊型激光器件的振荡阈值，或者第一实施例的脊型激光器件的振荡阈值增加量小于几mA或者与几mA相一致。

在第一实施例中，辅助衍射光栅12的周期与主要衍射光栅11的周期一样长。与在先前提出的脊型激光器件的情况中一样，当辅助衍射光栅12的周期至少为主要衍射光栅11周期的1.2倍时，可以充分地抑制二阶横向模式的振荡。优选地，将辅助衍射光栅12的占空比设置在35％与65％之间的范围内。为了将横向模式的光强度分布朝着第一侧S1充分地移位，优选的是，使第一掩埋部件21的折射率至少为第二掩埋部件22的折射率1.2倍。

接着，参照图6A至6E，将描述用于第一实施例的脊型激光器件的制作方法。

如图6A中所示，由p型Al_0.35Ga_0.65As制成而厚度为2μm的下包覆层2、由p型Al_0.15Ga_0.85As制成而厚度为50nm的下光学引导层3、量子点有源层4和由n型Al_0.15Ga_0.85As制成而厚度为50nm的上光学引导层5例如通过分子束外延(MBE)而形成于由p型GaAs制成的衬底1的主表面上。构成图4中所示脊形包覆层6等的由n型Al_0.35Ga_0.65As制成而厚度为1μm的上包覆层6a和由n型GaAs制成而厚度为0.4μm的接触层7通过MBE形成于上光学引导层5上。

如图6B中所示，电子束曝光抗蚀剂膜(electron beam exposure resist film)50形成于接触层7上。

如图6C中所示，抗蚀剂膜50被曝光和显影以形成抗蚀剂图案50a。例如，使用电子束直写技术等来曝光抗蚀剂膜50。抗蚀剂图案50a具有与图4中所示脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的平面形状相同的平面形状。

如图6D中所示，通过使用抗蚀剂图案50a作为蚀刻掩模来蚀刻接触层7和上包覆层6a。这一蚀刻可以通过使用Cl₂作为蚀刻气体的干蚀刻来执行。以这一方式，形成由n型AlGaAs制成的脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12，而n型GaAs的接触层7保持于其上。在这一蚀刻之后，去除抗蚀剂图案50a。

如图6E中所示，由TiO₂制成的第一掩埋部件21沉积于位于脊形包覆层6的第一侧S1的上光学引导层5上，而由SiO₂制成的第二掩埋部件22沉积于第二侧S2上。设置于第一侧S1上的主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的空间区用第一掩埋部件21填充，而设置于第二侧S2上的主要衍射光栅11的空间区用第二掩埋部件22填充。在下文中，将描述形成第一掩埋部件21和第二掩埋部件22的方法。

首先，TiO₂膜以如下方式沉积于上光学引导层5的整个表面上：使主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的空间区被TiO₂膜完全填充。沉积于第一侧S1上的TiO₂膜被抗蚀剂图案覆盖，而沉积于第二侧S2上的TiO₂膜被去除。随后，SiO₂膜以如下方式沉积于整个衬底表面上：使设置于第二侧S2上的主要衍射光栅11的空间区被SiO₂膜完全填充。在用抗蚀剂图案覆盖沉积于第二侧S2上的SiO₂膜之后，去除沉积于第一侧S1上的SiO₂膜。以这一方式可以形成第一掩埋部件21和第二掩埋部件22。

如图4中所示，形成上电极14和下电极15。例如通过真空蒸发来形成这些电极。可以例如通过剥离方法(lift-off method)来限定各电极的平面形状。在形成上电极14和下电极15之后，通过分裂使半导体衬底1分离成单位单元。在将衬底分离成单位单元之后执行棱面(facet)工艺。例如，前棱面受到非反射涂覆，而后棱面受到高反射涂覆。分裂的表面本身可以暴露于后棱面上。

在上述方法中，使用图6C中所示的抗蚀剂图案50a作为蚀刻掩模。可以使用硬掩模如SiO₂作为蚀刻掩模。

在所述方法中，虽然通过电子束曝光来形成蚀刻掩模，但是可以使用干涉曝光。接着参照图7A至7H，将描述通过使用干涉曝光来形成蚀刻掩模的方法。

如图7A中所示。通过在接触层7的表面上涂覆正型光致抗蚀剂来形成抗蚀剂膜60。通过两光束干涉曝光来曝光和显影抗蚀剂膜60。

如图7B中所示，因此形成由抗蚀剂材料制成的第一衍射光栅图案60a。第一衍射光栅图案60a的周期设置为与主要衍射光栅11的周期相同。

如图7C中所示，用由SiN制成而厚度为200nm的掩模膜61覆盖将要形成主要衍射光栅11和脊形包覆层6的区域。也就是说，用掩模膜61覆盖位于图4中所示的在主要衍射光栅11与辅助衍射光栅12之间的边界线的一侧的区域，该一侧是主要衍射光栅11所在的一侧。可以通过在整个衬底表面上沉积SiN膜并且使用普通光刻以及利用缓冲氢氟酸的湿蚀刻来形成掩模膜61。

如图7D中所示，通过使用氧气的反应离子蚀刻来去除没有被掩模膜61覆盖的第一衍射光栅图案60a。

如图7E中所示，通过涂覆正型光致抗蚀剂材料，在整个衬底表面上形成抗蚀剂膜64。抗蚀剂膜64通过两光束干涉曝光被曝光、然后被显影。

如图7F中所示，因此形成由抗蚀剂材料制成的第二衍射光栅64a。第二衍射光栅64a具有与辅助衍射光栅12的周期相同的周期。通过使用缓冲氢氟酸的湿蚀刻来去除掩模膜61。在这一情况中，也去除在掩模膜61上形成的第二衍射光栅图案64a。

如图7G中所示，因此在将要形成第一衍射光栅11和脊形包覆层6的区域中暴露第一衍射光栅图案60a。第二衍射光栅图案64a保留于将要形成辅助衍射光栅12的区域中。

如图7H中所示，形成由SiO₂或者SiN制成的脊图案65。脊图案65设置于在第一衍射光栅图案60a与第二衍射光栅图案64a之间的边界线的一侧上，该一侧是第一衍射光栅图案60a所在的一侧。脊图案65具有与脊形包覆层6相对应的平面形状。可以通过在整个衬底表面上沉积由SiO₂或者SiN制成的绝缘膜以及通过使用普通光刻和利用缓冲氢氟酸的湿蚀刻来形成脊图案65。与在图6C中所示抗蚀剂图案50a的情况一样，可以使用第一衍射光栅图案60a和第二衍射光栅图案64a以及脊图案65作为蚀刻掩模。

在图7A至7H中，没有绘出设置于图17中所示的激光器件衍射光栅504A以外并且具有与脊502的高度相同的高度的脊形部分。实际上，与在图17中所示激光器件的两侧上的脊形部分相对应的区域保留于图7A至7H中所示器件的两侧上。

图8是第二实施例的脊型激光器件的透视图。在关注与第一实施例的脊型激光器件的不同点的情况中进行描述。在第一实施例中，辅助衍射光栅12具有与脊形包覆层6和主要衍射光栅11的高度相同的高度。在第二实施例中，辅助衍射光栅12具有比脊形包覆层6和主要衍射光栅11的高度低的高度，辅助衍射光栅12的高度例如为100nm。设置于脊形包覆层6的第一侧S1上的第一掩埋部件21的上表面在与接触层7的上表面相同的水平上。其它结构与第一实施例的脊型激光器件的结构相同。

关注比辅助衍射光栅12的上表面更高的区域，将折射率为2.3的TiO₂沉积于第一侧S1上，而将折射率为1.5的SiO₂和折射率为3.23的AlGaAs沉积于第二侧S2上。因此在平均折射率之间没有大的差异。然而，关注比辅助衍射光栅12的上表面更低的区域，与在第一实施例的情况中一样，第一侧S1上的平均折射率高于第二侧S2上的折射率。

就厚度方向而言，沿着光学波导传播的导波限制于有源层4附近的区域中。因此，设置为比辅助衍射光栅12的上表面更低的区域内的材料的折射率极大地影响导波。与在第一实施例的情况中一样，同样在第二实施例中，第一侧S1上的有效折射率因此高于第二侧S2上的有效折射率。因此，导波的横向模式的光强度分布朝着第一侧S1偏置。因此可以获得与第一实施例相同的效果。

主要衍射光栅11的高度和辅助衍射光栅12的高度可以颠倒过来。也就是说，主要衍射光栅11设置为低于脊形包覆层6，而辅助衍射光栅12的高度设置为等于脊形包覆层6的高度。主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12均可以设置为低于脊形包覆层6。

图9是第三实施例的脊形激光器件的透视图。在关注与图4中所示第一实施例的脊型激光器件的不同点的情况下进行描述。

半导体衬底1由n形InP制成。取代第一实施例的下包覆层2，设置由n型InP制成而厚度为500nm的缓冲层2。半导体衬底1和缓冲层2用作下包覆层。位于缓冲层2上的下光学引导层3由n型GaInAsP制成。下光学引导层3的跃迁波长为1050nm，而其厚度为50nm。

有源层4由十个量子阱层和十一个阻挡层构成，并且具有量子阱层和阻挡层交替层叠的多量子阱结构。量子阱层由GaInAsP制成并且具有1310nm的发射波长和6nm的厚度。阻挡层由跃迁波长为1050nm的n型GaInAsP制成并且具有10nm的厚度。

上光学引导层5由跃迁波长为1050nm的p型GaInAsP制成并且具有800nm的厚度。

脊形包覆层6和主要衍射光栅11由p型InP制成并且具有200nm的周期和750nm的高度。辅助衍射光栅12由与上光学引导层5的材料相同的材料制成并且具有400nm的周期和与脊形包覆层6的高度相同的高度。由与脊形包覆层6的材料相同的材料制成的上包覆层6b设置于主要衍射光栅11与接触层7之间以及辅助衍射光栅12与接触层7之间。

取代了第一实施例的第一掩埋部件21和第二掩埋部件22，设置由苯并环丁烯(BCB)制成的掩埋部件23。

在第一实施例中，通过利用第一掩埋部件21和第二掩埋部件22的不同折射率使脊形包覆层6的第一侧S1和第二侧S2上的有效折射率不同。对照而言，在第三实施例中，不同折射率被用于主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的材料以获得相似优点。

接着参照图10A至10G，将描述用于第三实施例的脊形激光器件的制造方法。

如图10A中所示，通过金属有机气相外延附生(MOVPE)在由n型InP制成的半导体衬底1的主表面上形成由n型InP制成而厚度为500nm的缓冲层2、由跃迁波长为1050nm的n型GaInAsP制成而厚度为50nm的下光学引导层3以及多量子阱层4。高折射率层5a形成于多量子阱层4上，高折射率层5a由跃迁波长为1050nm的p型GaInAsP制成而厚度为800nm。

如图10B中所示，由SiO₂制成的掩模图案70形成于高折射率层5a上。掩模图案70覆盖将要形成辅助衍射光栅12的区域。通过包括SiO₂膜沉积工艺、光刻工艺和蚀刻工艺的公知工艺来形成掩模图案70。

如图10C中所示，通过使用掩模图案70作为蚀刻掩模来蚀刻高折射率层5a。在这一情况下，厚度为50nm的高折射率层5a保留于没有被掩模图案70覆盖的区域中。其余的高折射率层5a构成图9中所示的上光学引导层5的部分。

如图10D中所示，通过MOVPE在上光学引导层5上有选择地生长由p型InP制成的低折射率层6a。控制低折射率层6a的厚度，使得低折射率层6a的上表面处于与被掩模图案70覆盖的区域中的高折射率层5a的上表面相同的水平。随后去除掩模图案70。

如图10E中所示，通过MOVPE，在高折射率层5a和低折射率层6a上形成由p型InP制成而厚度为0.2μm的上包覆层6b和由p型GaInAs制成而厚度为0.3μm的接触层7。在接触层7上形成电子束曝光抗蚀剂膜72。

如图10F中所示，电子束曝光抗蚀剂膜72使用电子束直写技术来曝光并且被显影以形成抗蚀剂图案72a。抗蚀剂图案72a具有与脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的平面形状相同的形状。当曝光抗蚀剂膜72时，执行位置对准，使得与主要衍射光栅11与辅助衍射光栅12之间的边界相对应的位置与高折射率层5a与低折射率层6a之间的边界近似地重合。

通过使用抗蚀剂图案72a作为蚀刻掩模来蚀刻接触层7、上包覆层6b和高折射率层5a以及低折射率层6a。在这一情况下，在低折射率层6a的底部停止蚀刻。在蚀刻之后去除抗蚀剂图案72a。

如图10G中所示，因此形成脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12。在设置有辅助衍射光栅12的区域中，保留由高折射率层5a的下层部分构成的光学引导层5。上包覆层6b保留于脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12上，而接触层7保留于上包覆层6b上。

如图9中所示，主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的空间区域被掩埋部件23填充。掩埋部件23也形成在位于形成有主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的区域以外的区域中的上光学引导层5上。与在第一实施例的情况中一样，形成上电极14和下电极15。

在第三实施例中，通过使主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的材料不同，来获得第一侧S1与第二侧S2之间的折射率差异。掩埋部件23因此不是必须的。例如，主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12的空间区可以用大气空气填充。

另外，与在第一实施例的情况中一样，设置于第一侧S1上的掩埋部件的折射率可以设置为高于设置于第二侧S2上的掩埋部件的折射率。利用这一配置，在第一侧S1与第二侧S2之间的有效折射率差异变大，使得可以增加光强度分布的移位程度。

在第三实施例中，在图10F中，虽然使在具有相对高折射率的高折射率层5a与具有相对低折射率的低折射率层6a之间的边界与在主要衍射光栅11与辅助衍射光栅12之间的边界重合，但是也可以使边界不重合。例如，可以使在高折射率层5a与低折射率层6a之间的边界与第一侧S1上脊形包覆层6的侧壁重合。可选地，在高折射率层5a与低折射率层6a之间的边界可以定位在位于第一侧S1上的主要衍射光栅11内部的区域中或者位于辅助衍射光栅12内部的区域中。

图11是第四实施例的脊型激光器件的透视图。在关注与图4中所示第一实施例的脊型激光器件的不同点的情况下进行描述。在第一实施例中，主要衍射光栅11设置于脊型包覆层6的两侧上，而在第四实施例中，主要衍射光栅11仅设置于第二侧S2上而没有设置于第一侧S1上。因此，构成辅助衍射光栅12的各第二部件12a从脊形包覆层6的侧壁向外突出。从脊形包覆层6的侧壁起的突出量例如为10μm。其它结构与第一实施例的脊型激光器件的结构相同。

图12示出了在平面布局与导波的横向模式的光强度分布之间的位置关系，该平面布局表示脊型包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12。第一侧S1仅设置有辅助衍射光栅12，而第二侧S2仅设置有主要衍射光栅11。由于第一侧S1上掩埋部件21的折射率高于第二侧S2上掩埋部件22的折射率，所以与在第一实施例的情况一样，在光学波导中传播的导波的光强度分布朝着第一侧S1偏置。

由于基本横向模式D₁的导波朝着第一侧S1偏置，所以在基本模式与辅助衍射光栅12之间的耦合变强。然而，耦合系数的增加量小。对照而言，在二阶横向模式与辅助衍射光栅12之间的耦合系数也由于第一侧S1上二阶横向模式的集中而增加，并且增加量大。因此，与在第一实施例的情况中一样，在抑制基本横向模式的导波的传播损耗的同时，可以使二阶横向模式的导波的传播损耗变大。因此可以抑制二阶横向模式的振荡。

另外，与在第一实施例的情况一样，高于三阶的引导波的高阶横向模式可以维持与辅助衍射光栅12以及二阶横向模式的充分耦合。因此可以抑制三阶或者更高横向模式的振荡。

可以通过使在用于第一实施例的脊型激光器件的制造方法的图6C中所示工艺中所使用的抗蚀剂图案50a的形状与图11中所示脊形包覆层6、主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12相匹配来制造第四实施例的脊形激光器件。

在第一实施例中通过干涉曝光形成衍射光栅掩模图案时，在图7H所示的工艺中，脊图案65与边界线之间的位置对准需要高精确度，其中该边界线位于第一衍射光栅图案60a与第二衍射光栅图案64a之间。如果其间有任何位置未对准，则图4中所示第一侧S1上主要衍射光栅11从脊形包覆层6的侧壁起的突出量有变化，而不能获得所需器件特性。例如，需要位置对准误差小于0.3μm。

对照而言，在第四实施例中，在与图7H中所示工艺相对应的工艺中，如果以如下方式执行位置对准：使得脊图案65与在第一衍射光栅抗蚀剂图案60a与第二衍射光栅抗蚀剂图案64a之间的边界线交叠(overlap)，则足够了。因此可以保证大的位置对准裕度。

图13是第五实施例的脊形激光器件的透视图。在第五实施例中，与在第四实施例的情况一样，主要衍射光栅11仅设置于脊形包覆层6的第二侧S2上。与在图8中所示第二实施例的情况中一样，设置于第一侧S1上的辅助衍射光栅12低于脊形包覆层6。

同样在第五实施例中，对于本领域技术人员而言明显的是可以获得与第四实施例的优点相似的优点。

图14是第六实施例的脊型激光器件的透视图。第六实施例的脊型激光器件具有与图9中所示第三实施例的脊型激光器件的结构相同的结构，不同之处在于省略了第一侧S1上的主要衍射光栅11。由于省略了第一侧S1上的主要衍射光栅，所以辅助衍射光栅12接近脊形包覆层6或者与脊形包覆层6接触。

第六实施例的脊型激光器件可以以如下方式制造：在用于第三实施例的脊型激光器件的制造方法的图10F中所示工艺中，去除与设置于第一侧S1上的主要衍射光栅11相对应的抗蚀剂图案72a的区域，而将与辅助衍射光栅12相对应的抗蚀剂图案的区域连接到与脊形包覆层6相对应的抗蚀剂图案的区域。在第六实施例中，执行抗蚀剂图案72的位置对准，使得在与脊形包覆层6相对应的抗蚀剂图案72a的区域和与辅助衍射光栅12相对应的抗蚀剂图案的区域之间的边界线与在高折射率层5a与低折射率层6a之间的边界线近似地重合。

同样在第六实施例中，由于导波的横向模式的光强度分布可以朝着第一侧S1偏置，所以可以获得与第一实施例的优点相似的优点。

图15是第七实施例的激光器件的示意横截面图。在第一实施例至第六实施例中，激光器件是分布反馈(DFB)激光器件，而在第七实施例中，激光器件是分布布拉格反射器(DBR)激光器件。

第七实施例的DBR激光器件具有布拉格反射区201设置于放大区200的两侧上这一结构。载流子从电极202和203注入到放大区中。用于反射导波的衍射光栅205形成于各布拉格反射区201中。衍射光栅205包括第一实施例至第六实施例其中之一的激光器件的主要衍射光栅和辅助衍射光栅。

在布拉格反射区201中的衍射光栅205增加了导波的高阶横向模式的损耗，使得可以抑制高阶引导模式的振荡。

对实施例的描述已经涉及具有设置于GaAs衬底以上的量子点有源层的激光器件和具有设置于InP衬底以上的多量子阱有源层的激光器件。衬底材料和有源层的组合可以是其它组合。例如，多量子阱有源层可以设置于GaAs衬底以上，或者量子点有源层可以设置于InP衬底以上。

p型衬底1使用于第一、第二、第四和第五实施例中，而n型衬底1使用于第三和第六实施例中。衬底的传导类型可以相反。在这一情况下，位于有源层4上方和下方的各层的传导类型相反。可以使用半绝缘衬底，或者可以使用具有在硅衬底上放置由所需材料制成的下层衬底这一结构的衬底。在上述实施例中，虽然在有源层4之上和之下设置光学引导层3和5，但是这些光学引导层可以省略。

在第三实施例中，虽然有源层(量子阱层)和阻挡层由基于GaInAsP的材料制成，但是这些层可以由基于AlGaInAs的材料制成。有源层材料和阻挡层材料的组合可以是基于GaInAsP的材料和基于AlGaInAs的材料的组合。

在第一实施例中，棱面工艺用于移相器没有引入到衍射光栅这一结构(前棱面具有非反射涂覆，而后棱面具有高反射涂覆或者分裂棱面)。可选地，可以采用将λ/4移相器引入到衍射光栅中并且两个棱面具有非反射涂覆这一结构。

在实施例中，虽然使用TiO₂、SiO₂、BCB等作为掩埋部件，但是也可以使用其它材料。同样在实施例中，虽然主要衍射光栅11和辅助衍射光栅12由半导体制成，但是这些光栅可以由半导体以外的材料制成。例如，辅助衍射光栅12可以由金属如Cr制成。

已经结合优选实施例描述了本发明。本发明不仅仅限于上述实施例。对于本领域技术人员而言明显的是，可以做出其它各种修改、改进、组合等。