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JP4444368B1 - 集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム - Google Patents

集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム Download PDF

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Abstract

【課題】高温での動作に適し、高出力であるとともに波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制された集積型半導体レーザ素子、半導体レーザモジュール、光伝送システムを提供すること。
【解決手段】互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の半導体レーザからの出力光を合流させる光合流器と光合流器からの出力光を増幅する半導体光増幅器とを集積し、複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと半導体光増幅器の活性層とは、同一厚さと、複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長帯域の中央近傍に利得ピーク波長を有するように設定された同一の組成とを有し、半導体光増幅器は、光合流器側に出力光を単一モードで導波する等幅部と、光出力側に等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有し、動作状態における利得ピーク波長が組成設定による半導体レーザの利得ピーク波長と略一致するように、活性層の各井戸層の厚さ合計に応じて拡幅部幅を設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体レーザを集積した集積型半導体レーザ素子およびこれを用いた半導体レーザモジュールならびに光伝送システムに関するものである。
たとえばＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光通信用の波長可変光源として、集積型半導体レーザ素子が開示されている（たとえば特許文献１参照）。図１５は、従来構造の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。この集積型半導体レーザ素子２００は、互いに発振波長が異なる複数のＤＦＢ（Distributed Feedback）型のレーザ７１−１〜７１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路７２−１〜７２−ｎと、光合流器７３と、半導体光増幅器７４を一つの基板上に集積したものである。
この集積型半導体レーザ素子２００の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザ７１−１〜７１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザを駆動する。光導波路７２−１〜７２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザからの出力したレーザ光を導波する。光合流器７３は、光導波路が導波したレーザ光を通過させて出力ポート７３ａから出力する。半導体光増幅器７４は、出力ポート７３ａから出力したレーザ光を増幅して出力端７４ａから出力する。
上記のような集積型半導体レーザ素子は、たとえばＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムにおける長距離光伝送のために、外部変調器と組み合わせて、光送信器として使用される。
ここで、近年、伝送帯域の拡大のため、シンボルレートがたとえば１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓに高速化されている。そのため、１シンボル当たりの光エネルギーの低下を防止するために、より高出力の集積型半導体レーザ素子が求められている。また、同様に、伝送帯域の拡大のため、変調方式が、ＯＯＫ、ＰＳＫ等からＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＱＡＭへと多値化されてきている。このような多値化により、外部変調器の損失が増大するので、これを補償するために、より高出力の集積型半導体レーザ素子が求められている。
また、ＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムでは、多数の波長光源が使用されるため、個々の波長可変光源は消費電力が低いものであることが望ましい。特に、波長可変光源においては、全消費電力の中で冷却に使用される電力量が多いため、消費電力抑制のためには、高温で動作する波長可変光源を用いることが望ましい。
特開２００３−２５８３６８号公報
しかしながら、従来の同一の基板上に同時に積層された構造を持つ集積型半導体レーザ素子において、いっそうの高出力化を実現しようとした場合、レーザ光の出力強度の波長依存性が変化し、波長に対する出力強度の偏差が増大してしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高温での動作に適し、高出力であるとともに、波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制された集積型半導体レーザ素子およびこれを用いた半導体レーザモジュールならびに光伝送システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光を合流させることができる光合流器と、前記光合流器からの出力光を増幅する半導体光増幅器とを集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記複数の半導体レーザの障壁層と井戸層とから構成される各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の障壁層と井戸層とから構成される活性層とは、同一の厚さと、前記複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長帯域の中央近傍に利得ピークの波長を有するように設定された同一の組成とを有し、前記半導体光増幅器は、前記光合流器側に前記出力光を単一モードで導波するための等幅部と、光出力側に前記等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有しており、動作状態における利得ピークの波長が前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長と略一致するように、前記活性層の各井戸層の厚さの合計に応じて前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の結晶成長プロセスで形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記等幅部と前記拡幅部とがテーパ形状の部分で接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長とが±１５ｎｍの範囲内で一致するように前記拡幅部の幅を設定している。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長とが±１０ｎｍの範囲内で一致するように前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さの合計が４５ｎｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の等幅部の長さが１００μｍより長いことを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積が１００μｍ３以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記光合流器は多モード干渉型光合流器であることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体光増幅器からの出力光のスポットサイズを縮小するスポットサイズ変換器をさらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明のいずれか一つの集積型半導体レーザ素子を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光伝送システムは、上記の発明の半導体レーザモジュールを備え、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現することを特徴とする。
本発明によれば、高温での動作に適し、高出力であるとともに、波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制された集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システムを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。 図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。 図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線断面図である。 図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ−Ｃ線断面図である。 図５は、比較例１の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性の一例を示す図である。 図６は、実施例１の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性を示す図である。 図７は、実施例２の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性を示す図である。 図８は、実施例３〜５の集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅器の駆動電流と、光出力についてのスロープ効率との関係を示す図である。 図９は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１０は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１１は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１３は、実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図１４は、実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１５は、従来構造の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る集積型半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図１は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００は、それぞれがメサ構造を有する、複数のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎと、光合流器１３と、半導体光増幅器１４と、スポットサイズ変換器１５とを一つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１６により埋め込んだ構造を有する。そして、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ間の埋め込み部１６には、トレンチ溝１７−１〜１７−ｍ（ｍ＝ｎ―１）を設けている。なお、図１に示すＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ等の各構成要素の輪郭線は、各構成要素におけるメサ構造の輪郭線を示しているものとする。
ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎは、各々が幅１．５〜３μｍ、長さ６００μｍのストライプ状の埋め込み構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子１００の一端において幅方向に２５μｍピッチで形成されている。ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎは、各ＤＦＢレーザに備えられた回折格子の間隔を互いに異ならせることにより、出力光が単一モード発振のレーザ光となり、その発振波長が約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザの発振波長は、集積型半導体レーザ素子１００の設定温度を変化させることにより微調整することができる。すなわち、集積型半導体レーザ素子１００は、駆動するＤＦＢレーザの切り替えと温度制御とにより、広い波長可変範囲を実現している。
図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。なお、図２中では、Ａ−Ａ線断面の活性層の部分を拡大して示し、その積層構造を示している。図２に示すように、たとえばＤＦＢレーザ１１−２は、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、順次積層した、下部クラッドを兼ねるｎ型ＩｎＰバッファ層２２、組成を連続的に変化させた下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層２３、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造の活性層２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなるグレーティング層２７、およびｐ型ＩｎＰ層２８を備えている。ｐ型ＩｎＰ層２８からｎ型ＩｎＰバッファ層２２の一部に到るまでの層はメサ構造を有しており、このメサ構造はｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２とｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３により埋め込まれている。また、ｐ型ＩｎＰ層２８とｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３との上にはｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５が順次積層している。また、各半導体層の外側表面はＳｉＮ保護膜３８により保護されている。さらに、ＳｉＮ保護膜３８はＩｎＧａＡｓコンタクト層３５上でその一部が開口しており、この開口部にはｐ側電極３９が形成されている。また、ｎ型ＩｎＰ基板２１上の裏面にはｎ側電極４０が形成されている。
なお、活性層２４ａは、厚さＴ１を有し、かつ拡大した断面が示すように、交互に積層した複数の井戸層２４ａａと障壁層２４ａｂとを有しており、その井戸層２４ａａおよび障壁層２４ａｂのいずれもがＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料または、ＡlＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる。なお、この厚さＴ１とは、各障壁層２４ａｂと各井戸層２４ａａとを含めた活性層２４ａの厚さの合計を意味するものとし、厚さｔ１を、各井戸層２４ａａのみの厚さの合計とする。また、活性層２４ａの組成は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎの発振波長が形成する帯域である１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの中央近傍、すなわち１５５０ｎｍ近傍に利得ピークの波長を有するように設定されている。この組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長は、集積型半導体レーザ素子１００の動作温度である１０〜５０℃におけるものである。また、他のＤＦＢレーザ１１−１、１１−３〜１１−ｎについては、活性層の組成や厚さを含めて、ＤＦＢレーザ１１−２と略同一の構造を有する。
光合流器１３は集積型半導体レーザ素子１００の中央部付近に形成されている。図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように、光合流器１３は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと同様の埋め込みメサ構造を有するが、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３からｐ型ＩｎＰ層２８までの積層構造を、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０とｉ型ＩｎＰ層３１との積層構造に置き換えた構造を有しており、かつメサ幅がより幅広く形成されている。また、ＳｉＮ保護膜３８の開口部とｐ側電極３９とは形成されていない。
また、光導波路１２−１〜１２−ｎはＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと光合流器１３との間に形成されており、光合流器１３と同様の埋め込みメサ構造を有しており、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと光合流器１３とを光学的に接続している。
また、半導体光増幅器１４は光合流器１３を挟んでＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎとは反対側に形成されている。図１に示すように、この半導体光増幅器１４は、光合流器１３側に位置する等幅部１４ａと、等幅部１４ａよりも光出力側に位置する等幅の拡幅部１４ｃと、等幅部１４ａと拡幅部１４ｃとを接続するテーパ部１４ｂとを有する。等幅部１４ａ、テーパ部１４ｂ、拡幅部１４ｃはそれぞれ長さＬ１、長さＬ２、長さＬ３を有している。また、半導体光増幅器１４の幅については、等幅部１４ａは幅Ｗ１を有し、拡幅部１４ｃは幅Ｗ１よりも幅広い幅Ｗ２を有し、テーパ部１４ｂの幅は幅Ｗ１の値から幅Ｗ２の値まで連続的に拡張している。
また、図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＣ−Ｃ線断面図である。なお、図４中では、Ｃ−Ｃ線断面の活性層の部分を拡大して示し、その積層構造を示している。図４に示すように、半導体光増幅器１４は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと同様の埋め込みメサ構造を有するが、活性層２４ａを活性層２４ｂに置き換えた構造を有している。さらに、半導体光増幅器１４はＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓのグレーティング層２７を有さず、その代わりにｐ型ＩｎＰ層２８が形成されている。また、活性層２４ｂは、厚さＴ２を有し、かつ拡大した断面が示すように、交互に積層した複数の井戸層２４ｂａと障壁層２４ｂｂとを有しており、その井戸層２４ｂａおよび障壁層２４ｂｂのいずれもがＧａＩｎＡｓＰ系またはＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。なお、この厚さＴ２とは、各障壁層２４ｂｂと各井戸層２４ｂａとを含めた活性層２４ｂの厚さの合計を意味するものとし、厚さｔ２を、各井戸層２４ｂａのみの厚さの合計とする。また、活性層２４ｂの組成は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎの各活性層２４ａの組成と同一であり、井戸層と障壁層とが形成する積層構造も同一であり、かつ厚さＴ２も厚さＴ１と同一である。したがって、後述するように、各活性層２４ａと活性層２４ｂとは一つの工程で製造できる。また、活性層２４ｂの幅については、上述したメサ構造の幅と同様に、等幅部１４ａは幅Ｗ１を有し、拡幅部１４ｃは幅Ｗ１よりも幅広い幅Ｗ２を有し、テーパ部１４ｂの幅は幅Ｗ１の値から幅Ｗ２の値まで連続的に拡張している。幅Ｗ１はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎが出力する所望の波長の光を単一モードで導波するのに最適な幅に設定される。図４に示すＣ−Ｃ断面では活性層２４ｂの幅は幅Ｗ２である。
また、スポットサイズ変換器１５はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎとは反対側の一端に形成され、半導体光増幅器１４の光出力側に光学的に接続している。このスポットサイズ変換器１５は光合流器１３と同様の埋め込みメサ構造を有するが、その幅は光出力側に向かって連続的に狭くなっている。
つぎに、この集積型半導体レーザ素子１００の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザを駆動し、所望の波長の単一モードレーザ光を出力させる。トレンチ溝１７−１〜１７−ｍはＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ間を電気的に分離するのでＤＦＢレーザ間の分離抵抗が大きくなり、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎの中の１つを選択して駆動することが容易にできる。
つぎに、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザからの出力光を単一モードで導波する。光合流器１３は、光導波路を導波した光を通過させて出力ポート１３ａから出力する。半導体光増幅器１４は、出力ポート１３ａから出力した光を増幅してスポットサイズ変換器１５に出力する。半導体光増幅器１４は、駆動するＤＦＢレーザからの出力光の光合流器１３による光の損失を補うとともに、出力端から所望の強度の光出力を得るために用いられる。
ここで、光合流器１３からの出力光は、ある程度の高次モードの光を含んでいる。これに対して、この半導体光増幅器１４は、上述したように、光合流器１３からの出力光を単一モードで導波する等幅部１４ａを有しているので、出力光に含まれる高次モードの光は等幅部１４ａにおいて外部に十分に漏洩するため、高次モードの光が増幅されて外部に出力されることが抑制される。その結果、半導体光増幅器１４の駆動電流と光出力との関係を示すＩ−Ｌ特性におけるキンクの発生が抑制される。なお、等幅部１４ａの長さＬ１としては、高次モードの光を十分に漏洩させるために１００μｍより長くすることが好ましい。また、等幅部１４ａの幅Ｗ１は、ＤＷＤＭ光通信において最もよく使用される１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの波長帯域の光を単一モードで導波する半導体導波路のためには、１．５〜３．５μｍが好ましい。
さらに、この半導体光増幅器１４の活性層２４ｂは、拡幅部１４ｃを有しており、活性層２４ｂの各井戸層２４ｂａの厚さの合計ｔ２に応じて、拡幅部１４ｃの幅を設定している。その結果、この集積型半導体レーザ素子１００は、高出力動作においても、動作状態における半導体光増幅器１４の利得ピークの波長が、活性層２４ｂの組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と略一致するようになっている。
以下、具体的に説明する。上述したように、ＤＦＢレーザと半導体光増幅器とで共通の活性層を持つ従来構造の集積型半導体レーザ素子において、一層の高出力化を実現しようとした場合、レーザ光の出力強度の波長依存性が変化し、波長に対する出力強度の偏差が増大してしまうという問題があった。このような波長依存性の変化は、利得ピーク波長が短波長側すなわち高エネルギー側にシフトするように発生する。従って、波長依存性の変化の原因は、半導体光増幅器において、高出力化を実現するために電流注入量を増加することによって、動作状態においてキャリア密度が増大し、バンドフィリング現象が発生するためと考えられる。なお、ＤＦＢレーザについては、レーザ発振状態ではキャリア密度がクランプされて一定になるので、かかるバンドフィリング現象は発生しないものと考えられる。
このような半導体光増幅器の利得ピークのシフトは、利得ピークがより長波長に位置するように、あらかじめ半導体光増幅器の活性層の組成を設定することで相殺できる。しかしながら、この場合、ＤＦＢレーザの活性層の組成も半導体光増幅器の活性層の組成と同一にする場合は、ＤＦＢレーザの閾値電流が最小となる波長も、利得ピークに合わせて長波長側に位置するので、発振波長が短波長側のＤＦＢレーザの閾値電流が上昇してしまい、好ましくない。
これに対して、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００では、半導体光増幅器１４が、活性層２４ｂの各井戸層２４ｂａの厚さの合計ｔ２に応じて幅が設定された拡幅部１４ｃを有することによって、電流注入量を増加させてもキャリア密度の増大は抑制される。その結果、動作状態における半導体光増幅器１４の利得ピークの波長が、組成の設定による利得ピークの波長と略一致するようにすることができる。また、各活性層２４ａと活性層２４ｂとを同一の組成、同一の厚さとできるので、一つの工程で製造できる。
なお、キャリア密度が高い場合、高温環境下において、キャリアが熱エネルギーによってエネルギー障壁を越えて活性層内の井戸層以外の領域に移動したり、井戸層内に存在するキャリアであってもオージェ再結合によって消費されるキャリアの割合が増加するため半導体光増幅器の利得が低下する場合がある。しかしながら、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００では、キャリア密度の増大が抑制されるので、たとえば５０℃以上の高温環境下においても半導体光増幅器１４の利得が低下せず、高温での動作に適するものとなる。
最後に、スポットサイズ変換器１５は、入力した光を導波して出力端１５ａから出力する。スポットサイズ変換器１５に入力した光は、半導体光増幅器１４の拡幅部１４ｃを伝搬したためにそのスポットサイズが横方向に広がっているが、スポットサイズ変換器１５によって横方向の広がりが縮小され、略円形の形状に変換される。したがって、出力端１５ａから出力した光は、半導体光増幅器１４の等幅部１４ａによって高次モードの光が排除されたものであるとともに、スポットサイズ変換器１５によって略円形の形状に変換されたものであるので、光ファイバ等に高い結合効率で結合される。
（実施例、比較例）
つぎに、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００について実施例、比較例を用いてさらに具体的に説明する。以下に説明する例は、活性層の井戸層をある組成にした場合の、ＤＦＢレーザの発振波長に対する、ＤＦＢレーザの閾値電流と半導体光増幅器からの光出力との関係を示す実験結果である。なお、各例において、ＤＦＢレーザの数は１２とし、レーザ発振波長は、１５２７ｎｍから３．５又は４ｎｍ間隔で配置させている。また、各ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器に注入する電流（駆動電流）は、それぞれ１５０ｍＡ、２００ｍＡとし、素子の温度は３０度としている。
（比較例１）
はじめに、比較例１として、図１５に示すような従来構造の集積型半導体レーザ素子２００の場合を作製した。なお、この集積型半導体レーザ素子は、半導体層の積層構造については図１に示す集積型半導体レーザ素子１００と同一であるが、半導体光増幅器の活性層の幅が長さ方向にわたって等幅である点は異なる。また、半導体光増幅器の活性層の幅は２μｍ、長さは９００μｍである。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは６ｎｍであり、井戸層の数は６である。したがって、半導体光増幅器の活性層の井戸層の合計の体積（総体積）は６４．８μｍ３である。また、各活性層の組成は、動作状態における利得ピークのシフトを考慮して、ＤＦＢレーザの各発振波長において集積型半導体レーザ素子の光出力が３３ｍＷ以上になるように設定している。
図５は、比較例１の集積型半導体レーザ素子の光出力Ｐsoa（半導体光増幅器の駆動電流２００ｍＡ、ＤＦＢレーザの駆動電流１５０ｍＡ、温度３０度のときの光出力）とＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性を示す図である。なお、半導体光増幅器からの光出力Ｐsoaの波長依存性は、動作状態における半導体光増幅器の利得の波長依存性に対応している。また、Ｉth_DFBの波長依存性は、活性層の組成の設定による利得の波長依存性とは逆の特性を示しており、Ｉth_DFBが最小となる波長が、利得が最大となる波長に対応している。図５に示すように、従来構造の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれも偏差が大きくなっており、それぞれ５．９ｍＡ、５．８ｍＷである。また、線Ｌ４で示すＩth_DFBが最低値となる波長と、線Ｌ５で示すＰsoaが最大値となる波長との差Ｄ１は４０ｎｍ程度と大きくなっている。
（実施例１）
つぎに、実施例１として、図１に示す本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を作製した。なお、実施例１の集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の活性層の幅については、等幅部の幅が１．５μｍであり、拡幅部の幅が４．０μｍである。また、長さについては、等幅部の長さが４５０μｍであり、テーパ部の長さが３４３μｍであり、拡幅部の長さが１２２μｍである。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは６ｎｍであり、井戸層の数が７である。したがって、半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積は９２．０６４μｍ３である。また、各井戸層の組成は、半導体レーザの利得ピークが、比較例の場合よりも短波長側になるように設定している。
図６は、実施例１の集積型半導体レーザ素子の光出力ＰsoaとＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性の一例を示す図である。図６に示すように、実施例１の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれの偏差も、比較例の場合よりも小さくなっており、それぞれ５．７ｍＡ、４．１ｍＷである。また、線Ｌ６で示すＩth_DFBが最低値となる波長と、線Ｌ７で示すＰsoaが最大値となる波長との差Ｄ２は１５ｎｍと小さくなっている。
（実施例２）
つぎに、実施例２として、実施例１とは活性層の井戸層の厚さを変えた集積型半導体レーザ素子を作製した。なお、実施例２の集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の活性層の等幅部および拡幅部の各幅、等幅部、テーパ部、および拡幅部の各長さについては実施例１と同一である。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは７ｎｍであり、井戸層の数が７である。したがって、半導体光増幅器の活性層層の井戸層の総体積は１０７．４０８μｍ３である。また、各井戸層の組成は、利得ピークが、ＤＦＢレーザの発振波長が形成する波長帯域の中央近傍になるように設定している。
図７は、実施例２の集積型半導体レーザ素子の光出力ＰsoaとＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性の一例を示す図である。図７に示すように、実施例２の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれの偏差も、実施例１の場合よりもさらに小さくなっており、それぞれ２．８ｍＡ、２ｍＷである。また、Ｉth_DFBが最低値となる波長と、Ｐsoaが最大値となる波長とが線Ｌ８で示すように一致している。
なお、Ｉth_DFBが最低値となる波長と、Ｐsoaが最大値となる波長、すなわち、井戸層の組成の設定による利得ピークの波長と、動作状態における利得ピークの波長とは、完全に一致することが好ましい。しかしながら、ＤＷＤＭ光通信において、集積型半導体レーザ素子の出力波長範囲として、たとえば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍや、１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍ等の４０ｎｍの範囲が最も使用されることを考慮すると、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、動作状態における半導体光増幅器の利得ピークの波長との差が、±１５ｎｍの範囲内になるようにすればよい。この好ましい範囲は、光出力Ｐsoaの曲線の変化量に起因するものである。一般的に、本件と類似した構造で設定されるパラメータを用いた場合、Ｐsoaのピークから波長が３０ｎｍ程度離れるとPsoaの出力が著しく変わってくる。例えば、図６のように１５４０ｎｍの波長近傍でピークを持つ場合の光出力曲線を参照すると、ピーク波長から２０ｎｍ離れた１５６０ｎｍでは約５％の出力の変化を、さらにピーク波長から３０ｎｍ離れた１５７０ｎｍでは約１０％の出力の変化を示している。このような１５６０ｎｍと１５７０ｎｍとの位置における出力の変化の結果を比較すると、ピーク波長から２０ｎｍの区間では５％の出力の変化だったにも関わらず、さらに１０ｎｍ波長が離れると、その１０ｎｍのずれだけで２０ｎｍのずれと同様の割合である５％の出力の変化が生じており、さらにピーク波長から離れると光出力の変化が許容できない程度まで低下することが類推できる。したがって、このような許容できない程光出力が低下してしまう波長を、使用波長範囲内に発生させないためには、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、動作状態における半導体光増幅器の利得ピークの波長との差が、±１５ｎｍの範囲内、より好ましくは±１０ｎｍの範囲内に設定することが重要となる。なお、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、半導体光増幅器の動作状態における利得ピークの波長との差は、活性層の井戸層の厚さの合計に応じて拡幅部の幅を設定することで適宜調整できる。
また、井戸層の厚さの合計については、実施例２のように４５ｎｍ以上とすることが好ましく、７０ｎｍ程度よりも小さい方が、積層歪の観点から製造が容易であり好ましい。また、半導体光増幅器の活性層の拡幅部の幅は、井戸層の厚さの合計に応じて設定するが、たとえば実施例２のように４μｍ程度とすることが好ましい。また、半導体光増幅器の体積については、１００μｍ３以上とすることが好ましい。
（実施例３〜５）
つぎに、実施例３〜５として、実施例１と同様の集積型半導体レーザ素子１００を作製した。この実施例３〜５の実施例１と異なる点は、いずれも半導体光増幅器の等幅部の幅が２μｍである点である。また、等幅部の長さについては、実施例３は、実施例１より長い６００μｍであり、実施例４は、実施例１と同じ４５０μｍであり、実施例５は、実施例１より短い１００μｍである。なお、この実施例３〜５は、上述した実施例１と同様の実験（ＤＦＢレーザの閾値電流と半導体光増幅器からの光出力との関係についての実験）を行なったところ、閾値電流および光出力の各偏差はいずれも実施例１と同程度に小さかった。
図８は、実施例３〜５の集積型半導体レーザ素子１００における半導体光増幅器１４の駆動電流と、光出力Ｐsoaについてのスロープ効率との関係を示す図である。なお、ＤＦＢレーザについては、駆動電流１５０ｍＡで駆動させている。図８に示すように、実施例３、４では、スロープ効率を示す曲線が滑らかな形状をしており、キンクが発生していない。一方、実施例５では、ややキンクが発生している。
以上説明したように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００は、高温での動作に適し、高出力であるとともに波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制されたものとなる。
（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００の製造方法の一例を説明する。図９〜図１２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する説明図である。なお、図９〜図１２は、各製造工程における集積型半導体レーザ素子１００のＤ−Ｄ線断面（図１参照）を示すものである。
まず、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、たとえば有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD）法を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３、活性層２４、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、グレーティング層２７、ｐ型ＩｎＰ層２８を順次堆積する。なお、図中の領域Ｅ１〜Ｅ５は、それぞれＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎを形成する領域、光導波路１２−１〜１２−ｎを形成する領域光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域、スポットサイズ変換器１５を形成する領域を示す。
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎのそれぞれを形成する位置に、互いに周期の異なる回折格子のパターンになるようにパターンニングを施す。また、領域Ｅ４にもパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、領域Ｅ１のグレーティング層２７に回折格子となる格子溝を形成するとともに、領域Ｅ４のグレーティング層２７を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に領域Ｅ１〜Ｅ５の全面にｐ型ＩｎＰ層２８を再び堆積する。
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１、Ｅ４のそれぞれに、ＤＦＢレーザや半導体光増幅器よりもやや幅広の形状のパターンになるようにパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、図１０に示すように、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３までを除去してｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出する。このとき領域Ｅ２、Ｅ３、Ｅ５においては下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３まで全て除去される。これによって図９に示す一工程において形成した活性層２４から、同一組成、同一厚さ、同一構造の活性層２４ａ、２４ｂが形成される。なお、符号２９は格子溝を示している。
つぎに、ＳｉＮ膜のマスクをそのまま選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、図１１に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１を順次堆積する。
つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、図１に示したＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５に対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５に対応するメサ構造を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出させる。
図１２はこの工程を行った後の状態を示す模式的平面図である。領域Ｅ１〜Ｅ５においては、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５のそれぞれに対応する形状をしたメサ構造Ｍ１〜Ｍ５が形成される。また、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２が露出している。
つぎに、直前の工程で用いたＳｉＮ膜のマスクを選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出したｎ型ＩｎＰバッファ層２２上に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３を順次堆積する。ついで、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、領域Ｅ１〜Ｅ５の全面にｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５を順次堆積する。
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、トレンチ溝１７−１〜１７−ｍに対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、トレンチ溝１７−１〜１７−ｍを形成する。なお、トレンチ溝１７−１〜１７−ｍについては、例えばｎ型ＩｎＰバッファ層２２に到る深さまで形成するが、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ間が電気的に分離できる深さまで形成すればよい。
つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、全面に再びＳｉＮ膜を堆積し、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４に対する開口部を形成してＳｉＮ保護膜３８とし、全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる２層の導電膜を堆積した後、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４とに対応する形状にパターンニングすることによってｐ側電極３９を形成する。一方、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる２層構造のｎ側電極４０を形成する。これによって、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５が形成される。
最後に、ｎ型ＩｎＰ基板２１を、集積型半導体レーザ素子１００が複数並んだバー状にへき開し、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ｎ、半導体光増幅器１４を形成した両端面に反射防止膜をコートしたのち、各集積型半導体レーザ素子１００ごとに分離することにより、集積型半導体レーザ素子１００が完成する。
なお、上記実施の形態では、半導体レーザとしてＤＦＢレーザを用いているが、単一モード発振する半導体レーザであれば特に限定されず、たとえばＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ、ＴＤＡ（Tunable Distributed Amplification）−ＤＦＢレーザ等を用いてもよい。また、光合流器として、たとえばフネルカプラや多モード干渉型光合流器を用いてもよい。また、集積型半導体レーザ素子の構成半導体材料については、上記実施の形態では１５５０ｎｍ近傍の波長を使用するためにＩｎＰ系半導体材料等を用いているが、使用する波長に応じて適宜選択して使用することができる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る半導体レーザモジュールは、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を用いたフルバンドチューナブルレーザモジュールであり、波長可変レーザアセンブリ（Integrable Tunable Laser Assembly、ＩＴＬＡ）の規格に準拠したものである。
図１３は、本実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。なお、図１３においては、説明のために、筐体の上面部を切り欠いてその内部構造を示している。図１３に示すように、この半導体レーザモジュール１０００は、筐体４１と、筐体４１内に収容された、図１に示す実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００と、電熱素子であるペルチェ素子（ＴＥＣ）４２、４８と、ミラー４３、４４、４５と、受光素子であるフォトダイオード(ＰＤ）４６、４７と、エタロンフィルタ４９と、筐体４１の突出部４１ａに収容されたフェルール５０と、フェルール５０に接続した偏波保持型の光ファイバ５１とを備えている。また、筐体４１内には、さらに、不図示の制御回路、レンズ等が収容されている。
集積型半導体レーザ素子１００は、ＴＥＣ４２に載置されている。そして、集積型半導体レーザ素子１００のＤＦＢレーザのアレイの数は１２である。各ＤＦＢレーザの発振波長間隔はおよそ３．５ｎｍ間隔であり、各発振波長は、国際電気連合（International Telecommunication Union、ＩＴＵ）の定めるＩＴＵグリッド付近の所望の波長に設定されている。そして、所望のＤＦＢレーザを選択して外部からの駆動電流により駆動し、ＴＥＣ４２によって集積型半導体レーザ素子１００の温度を１０℃〜５０℃の範囲で制御して発振波長の調整を行うことにより、光ファイバ伝送において使用されるＣバンド帯、Ｌバンド帯等のフルバンドの全ての波長グリッドをカバーするレーザ光を出力することができる。
また、この半導体レーザモジュール１０００は、ＤＦＢレーザの経時変化による発振波長のドリフトを補正するための波長ロッカー機構が搭載されている。この波長ロッカー機構は、ミラー４３、４４、４５と、ＰＤ４６、４７と、エタロンフィルタ４９とを用いた公知の構成を有している。
この波長ロッカー機構は、以下のように機能する。まず、集積型半導体レーザ素子１００からレーザ光５２が出力し、不図示のコリメートレンズで平行光とされる。ミラー４３は、このレーザ光５２を透過させるとともに、その一部を反射する。ＰＤ４６は反射したレーザ光５３を受光し、その受光強度に応じた大きさの電流を出力する。
一方、ミラー４４は、ミラー４３を透過したレーザ光５２をさらに透過させるとともに、その一部を反射する。ミラー４４を透過したレーザ光５２は不図示の集光レンズによって光ファイバ５１に結合されて光ファイバ５１から外部に出力する。一方、ミラー４５は反射したレーザ光５４をさらに反射させ、エタロンフィルタ４９はさらに反射したレーザ光５４を透過させ、ＰＤ４７はエタロンフィルタ４９を透過したレーザ光５４を受光し、その受光強度に応じた大きさの電流を出力する。
ここで、エタロンフィルタ４９はＴＥＣ４８に載置されており、その透過波長がＩＴＵグリッドの波長に一致するように温度調整されている。そのため、エタロンフィルタ４９を透過するレーザ光５４の強度は、レーザ光５４の波長がＩＴＵグリッドの波長からずれると減少する。そこでこの波長ロッカー機構では、ＰＤ４６の出力電流値を基準としたＰＤ４７の出力電流値の減少を波長のずれとして検出して、ＰＤ４７の出力電流値をもとにＴＥＣ４２をフィードバック制御して集積型半導体レーザ素子１００の温度を調整し、集積型半導体レーザ素子１００からのレーザ光５２の波長を所望の波長にロックしている。
なお、この半導体レーザモジュール１０００には２台のＴＥＣ４２、４８が搭載されており、集積型半導体レーザ素子１００の温度およびエタロンフィルタ４９の温度を独立に制御できる。従来のように１台のＴＥＣで半導体レーザ素子の温度制御のみをする場合、エタロンフィルタの温度が変化して、波長ドリフトが起こりやすくなり、レーザモジュールの制御やモジュール作製上も難しかった。これに対して、この半導体レーザモジュール１０００は、２台のＴＥＣを用いてレーザ素子とエタロンフィルタとを独立制御可能なモジュール構造とすることで、その出力するレーザ光の波長制御性を高めている。
本実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１０００は、高出力動作が可能なため、半導体レーザ素子とエタロンフィルタとを独立で温度制御ができることによって発熱に関わらず極めて安定な動作が可能となった。また、この半導体レーザモジュール１０００は高出力での安定動作が可能であるため、長距離伝送を実現するためのスペクトル線幅やＲＩＮ（relative intensity noise ）など、ノイズに対する特性も優れており、ＩＴＬＡ−ＭＳＡ（Multi-Source Agreement）の仕様を充足している。また、この半導体レーザモジュール１０００はＣバンド帯、Ｌバンド帯の全域をカバーしており、５０ＧＨｚ間隔のＤＷＤＭに対応した波長ロッキングを実現可能である。従ってこの半導体レーザモジュール１０００はＤＷＤＭ通信システムにも適している。さらに、この半導体レーザモジュール１０００は、安定した高出力を実現できるので、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現するＤＷＤＭ伝送仕様光トランシーバや、他の長距離伝送を必要とする通信システムにも適用できる。
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。この光伝送システム１００００は、光送信器１０００１と、光受信器１０００２とが、光ファイバケーブルを用いた光伝送路１０００３で接続したものである。なお、光伝送路１０００３の途中には、適宜光中継器が配置されていてもよい。
光送信器１０００１は、実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１０００と、半導体レーザモジュール１０００に接続した外部変調器としての光変調器２０００とを備えている。
また、光受信器１０００２は、ＰＤ等の受光素子３０００と、受光素子３０００に接続した復調器４０００とを備えている。
つぎに、この光伝送システム１００００の動作について説明する。はじめに、光送信器１０００１において、半導体レーザモジュール１０００が所定の波長のレーザ光を出力すると、光変調器２０００がこのレーザ光を受け付ける。光変調器２０００には外部から供給された１６ＱＡＭ等の多値変調方式を利用した変調信号ＭＳが印加されている。そして、光変調器２０００は受け付けたレーザ光をこの変調信号ＭＳにより多値変調して光信号ＯＳとして光伝送路１０００３に出力する。
そして、光受信器１０００２においては、受光素子３０００が、光伝送路１０００３を伝送した光信号ＯＳを受光して電気信号に変換して出力する。つぎに、復調器４０００は、電気増幅器、波形整形器等を用いて、変調信号ＭＳの変調方式に対応して復調可能に構成されており、該受光素子３０００が出力した電気信号を復調して、復調信号ＤＳを出力する。
上述したように、半導体レーザモジュール１０００は、高出力動作が可能なため、光送信器１０００１においてこのような多値の変調信号で変調しても、十分に高い強度に保たれる。その結果、エラーレートの低い光伝送が可能となり、たとえばデータレートが１００Ｇｂｐｓの光伝送が実現される。
１１−１〜１１−ｎ ＤＦＢレーザ
１２−１〜１２−ｎ 光導波路
１３ 光合流器
１３ａ 出力ポート
１４ 半導体光増幅器
１４ａ 等幅部
１４ｂ テーパ部
１４ｃ 拡幅部
１５ スポットサイズ変換器
１５ａ 出力端
１６ 埋め込み部
１７−１〜１７−ｍ トレンチ溝
２１ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
２３ 下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２４、２４ａ、２４ｂ 活性層
２４ａａ、２４ｂａ 井戸層
２４ａｂ、２４ｂｂ 障壁層
２５ 上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２６ ＩｎＰスペーサ層
２７ グレーティング層
２８ ｐ型ＩｎＰ層
２９ 格子溝
３０ ＩｎＧａＡｓＰコア層
３１ ｉ型ＩｎＰ層
３２ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
３３ ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
３４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３５ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３８ ＳｉＮ保護膜
３９ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
４１ 筐体
４１ａ 突出部
４２、４８ ＴＥＣ
４３〜４５ ミラー
４６、４７ ＰＤ
４９ エタロンフィルタ
５０ フェルール
５１ 光ファイバ
５２〜５４ レーザ光
１００ 集積型半導体レーザ素子
１０００ 半導体レーザモジュール
２０００ 光変調器
３０００ 受光素子
４０００ 復調器
１００００ 光伝送システム
１０００１ 光送信器
１０００２ 光受信器
１０００３ 光伝送路
Ｄ１、Ｄ２ 差
ＤＳ 復調信号
Ｅ１〜Ｅ５ 領域
Ｌ１〜Ｌ３ 長さ
Ｌ４〜Ｌ８ 線
Ｍ１〜Ｍ５ メサ構造
ＭＳ 変調信号
ＯＳ 光信号
ｔ１、ｔ２、Ｔ１、Ｔ２ 厚さ
Ｗ１、Ｗ２ 幅

Claims (12)

  1. 互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光を合流させることができる光合流器と、前記光合流器からの出力光を増幅する半導体光増幅器とを集積した集積型半導体レーザ素子であって、
    前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の厚さと、前記複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長帯域の中央近傍に利得ピークの波長を有するように設定された同一の組成とを有し、
    前記半導体光増幅器は、前記光合流器側に形成され前記出力光を単一モードで導波するための等幅部と、光出力側に形成され前記等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有しており、前記拡幅部が前記等幅部と同じ幅である場合には当該半導体光増幅器においてバンドフィリング現象によって利得ピークの波長が前記組成の設定による利得ピークから短波長側へ移動する動作状態で動作させる場合に、該動作状態における前記利得ピークの波長を、前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長と略一致させるために、前記活性層の各井戸層の厚さの合計に応じて、前記バンドフィリング現象が抑制される程度に前記活性層の井戸層の総体積が大きくなるように、前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
  2. 前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の結晶成長プロセスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集積型半導体レーザ素子。
  3. 前記等幅部と前記拡幅部とがテーパ形状の部分で接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の集積型半導体レーザ素子。
  4. 前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０〜１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１５ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．４２倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  5. 前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０〜１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１０ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．６６倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  6. 前記半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さの合計が４５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ素子。
  7. 前記半導体光増幅器の活性層の等幅部の長さが１００μｍより長いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  8. 前記半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積が１００μｍ３以上であることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ素子。
  9. 前記光合流器は多モード干渉型光合流器であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  10. 前記半導体光増幅器からの出力光のスポットサイズを縮小するスポットサイズ変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
  12. 請求項１１に記載の半導体レーザモジュールを備え、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現することを特徴とする光伝送システム。
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