CN102474069A - 集成型半导体激光元件、半导体激光组件及光传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成型半导体激光元件、半导体激光组件及光传输系统。集成型半导体激光元件集成了能够使来自以互不相同的振荡波长进行单一模式振荡的多个半导体激光器的输出光耦合的光耦合器、和将来自光耦合器的输出光进行放大的半导体光放大器，多个半导体激光器的各活性层的至少一个和半导体光放大器的活性层具有同一厚度和同一组成，半导体光放大器具有形成在光耦合器侧且用于以单一模式将输出光进行导波的等宽部、和形成在光输出侧且宽度比等宽部宽的展宽部，为使规定动作状态下的增益峰值的波长与半导体激光器的增益峰值的波长一致，以根据活性层的各阱层的厚度的合计将阱层的总体积增大至能带填充效应被抑制的程度的方式设定展宽部的宽度。

Description

集成型半导体激光元件、半导体激光组件及光传输系统
技术领域
本发明涉及集成了多个半导体激光器的集成型半导体激光元件、使用该集成型半导体激光元件的半导体激光组件、及光传输系统。
背景技术
例如作为DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)光通信用的波长可变光源，公开了集成型半导体激光元件(例如参照专利文献1)。图15是现有构造的集成型半导体激光元件的示意性俯视图。该集成型半导体激光元件200将振荡波长互不相同的多个DFB(DistributedFeedback)型激光器71-1～71-n(n为2以上的整数)、多个光导波路72-1～72-n、光耦合器(optical coupler)73和半导体光放大器74集成在一个基板上。
下面，说明该集成型半导体激光元件200的动作。首先，驱动从DFB激光器71-1～71-n中选择出的一个DFB激光器。光导波路72-1～72-n中的与所驱动的DFB激光器光学连接的光导波路，将从所驱动的DFB激光器输出的激光进行导波。光耦合器73让光导波路导波出的激光通过并从输出端口73a输出。半导体光放大器74将从输出端口73a输出的激光放大并从输出端74a输出。
上述这样的集成型半导体激光元件，为了进行例如DWDM光通信网络系统中的长距离光传输，而与外部调制器组合起来作为光发送器使用。
在此，由于近年来传输波段的扩大，符号率例如从10Gbps被高速化为40Gbps。因而，为了防止每一符号的光能的下降，要求更高输出的集成型半导体激光元件。另外，同样地，由于传输波段的扩大，调制方式从OOK、PSK等被多值化为QPSK、8PSK、16QAM。由于这样的多值化，外部调制器的损耗增大了，因而为了补偿该损耗，要求更高输出的集成型半导体激光元件。
另外，在DWDM光通信网络系统中，由于使用了多种波长光源，因而各个波长可变光源优选消耗电力低的光源。特别是，在波长可变光源中，由于在所有消耗电力中用于冷却的电力量多，因而为了抑制消耗电力，优选使用在高温下动作的波长可变光源。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2003-258368号公报
可是，在现有的同一基板上具有被同时层叠的构造的集成型半导体激光元件中，在想要实现更高输出的情况下，存在着激光的输出强度的波长依存性会发生变化，输出强度相对于波长的偏差也会增大的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供一种适合高温动作、为高输出、且输出强度相对于波长的偏差的增大被抑制的集成型半导体激光元件、使用该集成型半导体激光元件的半导体激光组件、及光传输系统。
为了解决上述课题，达成上述目的，本发明涉及的集成型半导体激光元件，集成了以互不相同的振荡波长进行单一模式振荡的多个半导体激光器、能够使来自所述多个半导体激光器的输出光耦合的光耦合器、和将来自所述光耦合器的输出光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光元件的特征在于：
所述多个半导体激光器的各活性层的至少一个活性层和所述半导体光放大器的活性层具有同一厚度、和被设定成在所述多个半导体激光器的振荡波长所形成的波长波段的中央附近具有增益峰值的波长的同一组成，
所述半导体光放大器具有形成在所述光耦合器侧且用于以单一模式将所述输出光进行导波的等宽部、和形成在光输出侧且宽度比所述等宽部的宽度宽的展宽部，并且在所述展宽部是与所述等宽部相同的宽度的情况下，在该半导体光放大器中基于能带填充效应以增益峰值的波长从基于所述组成的设定的增益峰值向短波长侧移动的动作状态进行动作时，为使该动作状态下的所述增益峰值的波长与基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长大体一致，按照根据所述活性层的各阱层的厚度的合计将所述活性层的阱层的总体积增大至所述能带填充效应被抑制的程度的方式设定所述展宽部的宽度。
另外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述多个半导体激光器的各活性层的至少一个活性层和所述半导体光放大器的活性层以同一结晶生长工艺形成。
此外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述等宽部和所述展宽部由锥形形状的部分进行连接。
另外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，来自所述多个半导体激光器的输出光的波长范围是从1520～1620nm中选择出的40nm的范围，为使所述动作状态下的增益峰值的波长和基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长的偏差在±15nm的范围内一致，按照所述活性层的阱层的总体积变为所述增益峰值的偏差为40nm的总体积的1.42倍以上的方式设定所述展宽部的宽度。
此外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，来自所述多个半导体激光器的输出光的波长范围是从1520～1620nm中选择出的40nm的范围，为使所述动作状态下的增益峰值的波长和基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长的偏差在±10nm的范围内一致，按照所述活性层的阱层的总体积变为所述增益峰值的偏差为40nm的总体积的1.66倍以上的方式设定所述展宽部的宽度。
另外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述半导体光放大器的活性层的各阱层的厚度的合计为45nm以上。
此外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述半导体光放大器的活性层的等宽部的长度比100μm长。
另外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述半导体光放大器的活性层的阱层的总体积为100μm3以上。
此外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述光耦合器为多模式干扰型光耦合器。
另外，本发明涉及的集成型半导体激光元件，其特征在于，在上述发明中，所述集成型半导体激光元件还具备光斑尺寸变换器，所述光斑尺寸变换器缩小来自所述半导体光放大器的输出光的光斑尺寸。
此外，本发明涉及的半导体激光组件，其特征在于，具备上述发明任意一个集成型半导体激光元件。
另外，本发明涉及的光传输系统，其特征在于，具备上述发明的半导体激光组件，并实现100Gbps的数据速率。
发明效果
根据本发明，起到的效果是能实现适合高温动作、为高输出、且输出强度相对于波长的偏差的增大被抑制的集成型半导体激光元件、半导体激光组件及光传输系统。
附图说明
图1是实施方式1涉及的集成型半导体激光元件的示意性俯视图。
图2是表示图1所示的集成型半导体激光元件的A-A线剖面一部分的图。
图3是图1所示的集成型半导体激光元件的B-B线剖视图。
图4是图1所示的集成型半导体激光元件的C-C线剖视图。
图5是表示比较例1的集成型半导体激光元件的光输出和DFB激光器的阈值电流的波长依存性的一例的图。
图6是表示实施例1的集成型半导体激光元件的光输出和DFB激光器的阈值电流的波长依存性的图。
图7是表示实施例2的集成型半导体激光元件的光输出和DFB激光器的阈值电流的波长依存性的图。
图8是表示实施例3～5的集成型半导体激光元件中的半导体光放大器的驱动电流和与光输出相应的斜度效率(slope efficiency)之间关系的图。
图9是说明图1所示的集成型半导体激光元件的制造方法的说明图。
图10是说明图1所示的集成型半导体激光元件的制造方法的说明图。
图11是说明图1所示的集成型半导体激光元件的制造方法的说明图。
图12是说明图1所示的集成型半导体激光元件的制造方法的说明图。
图13是实施方式2涉及的半导体激光组件的示意性俯视图。
图14是表示实施方式5涉及的光传输系统的构成的框图。
图15是现有构造的集成型半导体激光元件的示意性俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明涉及的集成型半导体激光元件的实施方式。另外，本实施方式并不限定本发明。此外，在各附图中，对同一或相对应的要素适当赋予同一符号。
实施方式1
首先，说明本发明的实施方式1涉及的集成型半导体激光元件。图1是实施方式1涉及的集成型半导体激光元件的示意性俯视图。
如图1所示，本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100具有如下构造：将分别具有台式晶体管(mesa)构造的多个DFB激光器11-1～11-n(n为2以上的整数)、多个光导波路12-1～12-n、光耦合器13、半导体光放大器14和光斑尺寸变换器15集成在一个半导体基板上，并被嵌入部16嵌入。并且，在DFB激光器11-1～11-n之间的嵌入部16设有电缆沟17-1～17-m(m＝n-1)。另外，图1所示的DFB激光器11-1～11-n等各构成要素的轮廓线表示各构成要素中的台式晶体管构造的轮廓线。
DFB激光器11-1～11-n分别是具有宽度1.5～3μm、长度600μm的条纹状嵌入构造的端面发光型激光器，在集成型半导体激光元件100的一端沿着宽度方向以25μm的间距形成。DFB激光器11-1～11-n构成为：通过使各DFB激光器配备的衍射光栅的间隔互不相同，从而使得输出光为单一模式振荡的激光，其振荡波长在约1530nm～1570nm范围内有差异。此外，DFB激光器的振荡波长能够通过改变集成型半导体激光元件100的设定温度来进行微调。即、集成型半导体激光元件100通过所驱动的DFB激光器的切换和温度控制来实现较宽的波长可变范围。
图2是表示图1所示的集成型半导体激光元件100的A-A线剖面一部分的图。另外，在图2中，放大示出A-A线剖面的活性层的部分，并示出其层叠构造。如图2所示，例如DFB激光器11-2具备：在n型InP基板21上依次层叠的兼作下部包覆层的n型InP缓冲层22、连续改变组成的下部InGaAsP-SCH(Separate Confinement Heterostructure)层23、MQW(Multi-Quantum Well)构造的活性层24a、上部InGaAsP-SCH层25、InP隔离层26、由InGaAsP或A1GaInAs构成的光栅层27、以及p型InP层28。从p型InP层28到n型InP缓冲层22一部分的层具有台式晶体管构造，且该台式晶体管构造被p型InP嵌入层32和n型InP电流阻挡层33嵌入。此外，在p型InP层28和n型InP电流阻挡层33上，依次层叠了p型InP包覆层34和InGaAs接触层35。另外，各半导体层的外侧表面受SiN保护膜38保护。进而，在InGaAs接触层35上SiN保护膜38的一部分开口，并在该开口部形成了p侧电极39。另外，在n型InP基板21上的背面形成了n侧电极40。
另外，活性层24a具有厚度T1，且如放大后的剖面所示，该活性层24a具有交替层叠的多个阱层24aa和势垒层24ab，该阱层24aa和势垒层24ab都由GaInAsP系半导体材料或者AlGaInAs系半导体材料构成。此外，该厚度T1是指包括各势垒层24ab和各阱层24aa在内的活性层24a的厚度的合计，将厚度t1设为只有各阱层24aa的厚度的合计。另外，活性层24a的组成被设定成：在DFB激光器11-1～11-n的振荡波长所形成的波段、即1530nm～1570nm的中央附近也就是1550nm附近具有增益峰值的波长。基于该组成设定的半导体激光器的增益峰值的波长在集成型半导体激光元件100的动作温度即10～50℃内。另外，关于其他的DFB激光器11-1、11-3～11-n，包含活性层的组成或厚度在内，具有与DFB激光器11-2大致相同的构造。
光耦合器13形成在集成型半导体激光元件100的中央附近。图3是图1所示的集成型半导体激光元件100的B-B线剖视图。如图3所示，光耦合器13具有与DFB激光器11-1～11-n同样的嵌入台式晶体管构造，但是也可以具有将从下部InGaAsP-SCH层23到p型InP层28的层叠构造替换成InGaAsP铁心层30和i型InP层31的层叠构造的构造，并且台式晶体管宽度形成得更宽。另外，也可不形成SiN保护膜38的开口部和p侧电极39。
此外，光导波路12-1～12-n形成在DFB激光器11-1～11-n与光耦合器13之间，且具有与光耦合器13同样的嵌入台式晶体管构造，并将DFB激光器11-1～11-n和光耦合器13进行光学连接。
另外，半导体光放大器14夹持光耦合器13而形成在与DFB激光器11-1～11-n相反的一侧。如图1所示，该半导体光放大器14具有：位于光耦合器13侧的等宽部14a、比等宽部14a更靠近光输出侧的等宽的展宽部14c、以及连接等宽部14a和展宽部14c的锥形部14b。等宽部14a、锥形部14b和展宽部14c分别具有长度L1、长度L2、长度L3。此外，关于半导体光放大器14的宽度而言，等宽部14a具有宽度W1，展宽部14c具有宽度比宽度W1还宽的宽度W2，锥形部14b的宽度从宽度W1的值连续扩展到宽度W2的值。
另外，图4是图1所示的集成型半导体激光元件100的C-C线剖视图。此外，在图4中，放大示出C-C线剖面的活性层的部分，并示出其层叠构造。如图4所示，半导体光放大器14具有与DFB激光器11-1～11-n同样的嵌入台式晶体管构造，但是也可具有将活性层24a替换成活性层24b的构造。进而，半导体光放大器14不具有InGaAsP或AlGaInAs的光栅层27，取而代之，形成p型InP层28。另外，活性层24b具有厚度T2，且如放大后的剖面所示，该活性层24b具有交替层叠的多个阱层24ba和势垒层24bb，该阱层24ba和势垒层24bb都由GaInAsP系半导体材料或者AlGaInAs系半导体材料构成。此外，该厚度T2是指包括各势垒层24bb和各阱层24ba在内的活性层24b的厚度的合计，将厚度t2设为只有各阱层24ba的厚度的合计。另外，活性层24b的组成与DFB激光器11-1～11-n的各活性层24a的组成相同，阱层和势垒层所形成的层叠构造也相同，且厚度T2也与厚度T1相同。因而，如后述那样，各活性层24a和活性层24b能通过一个工序制造。另外，关于活性层24b的宽度而言，与上述的台式晶体管构造的宽度同样地，等宽部14a具有宽度W1，展宽部14c具有宽度比宽度W1还宽的宽度W2，锥形部14b的宽度从宽度W1的值连续扩展到宽度W2的值。宽度W1被设定为：适合以单一模式将DFB激光器11-1～11-n输出的期望波长的光进行导波的宽度。在图4所示的C-C剖面中，活性层24b的宽度为宽度W2。
此外，光斑尺寸变换器15形成在与DFB激光器11-1～11-n相反侧的一端，且与半导体光放大器14的光输出侧光学连接。该光斑尺寸变换器15具有与光耦合器13同样的嵌入台式晶体管构造，但是该宽度朝向光输出侧连续变窄。
接着，说明该集成型半导体激光元件100的动作。首先，驱动从DFB激光器11-1～11-n中选择出的一个DFB激光器，并输出期望波长的单一模式激光。电缆沟17-1～17-m使DFB激光器11-1～11-n之间电分离，因而DFB激光器之间的分离电阻变大，容易选择DFB激光器11-1～11-n中的一个激光器进行驱动。
其次，多个光导波路12-1～12-n中的与所驱动的DFB激光器光学连接的光导波路，以单一模式将来自所驱动的DFB激光器的输出光进行导波。光耦合器13让在光导波路导波后的光通过并从输出端口13a输出。半导体光放大器14将从输出端口13a输出的光进行放大并输出到光斑尺寸变换器15中。半导体光放大器14用于补偿来自所驱动的DFB激光器的输出光在光耦合器13中的光损耗，并且用于从输出端获得期望强度的光输出。
这里，来自光耦合器13的输出光包括某种程度的高次模式的光。与之相对，该半导体光放大器14如上述具有以单一模式将来自光耦合器13的输出光进行导波的等宽部14a，所以输出光中包含的高次模式的光在等宽部14a中被充分泄露到外部，因而高次模式的光被放大并被输出到外部的情况得到了抑制。结果，表示半导体光放大器14的驱动电流与光输出之间关系的I-L特性下的弯曲(kink)的产生得到了抑制。另外，作为等宽部14a的长度L1，为了充分泄露高次模式的光，而优选比100μm长。另外，等宽部14a的宽度W1，为了在以单一模式将最适用于DWDM光通信中的1520nm～1620nm的波长波段的光进行导波的半导体导波路中进行使用，而优选1.5～3.5μm。
进而，该半导体光放大器14的活性层24b具有展宽部14c，且根据活性层24b的各阱层24ba的厚度的合计t2来设定展宽部14c的宽度。结果，该集成型半导体激光元件100即便在高输出动作中，也可使得动作状态下的半导体光放大器14的增益峰值的波长与基于活性层24b组成设定的半导体激光器的增益峰值的波长大体一致。
以下，具体进行说明。如上述，在DFB激光器和半导体光放大器中具有共同活性层的现有构造的集成型半导体激光元件中，想要实现更高输出的情况下，存在着激光的输出强度的波长依存性会发生变化，输出强度相对于波长的偏差会增大的问题。发生这种波长依存性的变化，使得增益峰值波长向短波长侧也就是高能侧移动。因而，波长依存性变化的原因被认为是，在半导体光放大器中为了实现高输出化而通过增加电流注入量从而导致在动作状态下载流子密度增大、产生能带填充效应的缘故。另外，关于DFB激光器而言，因为在激光器振荡状态下载流子密度被固定为一定，因而认为不产生相关的能带填充效应。
这样的半导体光放大器的增益峰值的移动，由于按照增益峰值位于更长的波长处的方式预先设定半导体光放大器的活性层的组成，因而能够相互抵消。可是，此时，DFB激光器的活性层的组成也与半导体光放大器的活性层的组成相同的情况下，因为DFB激光器的阈值电流最小的波长也位于长波长侧以符合增益峰值，因而振荡波长为短波长侧的DFB激光器的阈值电流会上升，故不优选。
与之相对，在本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100中，半导体光放大器14具有根据活性层24b的各阱层24ba的厚度的合计t2设定了宽度的展宽部14c，由此，即便增大电流注入量，载流子密度的增大也得到了抑制。其结果，能够使得动作状态下的半导体光放大器14的增益峰值的波长与基于组成设定的增益峰值的波长大体一致。另外，因为能够使各活性层24a和活性层24b设为同一组成、同一厚度，所以能够用一个工序进行制造。
此外，在载流子密度高的情况下，由于在高温环境下载流子因热能跨越能量势垒(energy barrier)移动到活性层内的阱层以外的区域，或者即便是存在于阱层内的载流子也因俄歇复合(Auger recombination)导致所消耗的载流子的比例增加，因而也会降低半导体光放大器的增益。可是，在本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100中，因为载流子密度的增大得到了抑制，所以例如即便在50℃以上的高温环境下也不会降低半导体光放大器14的增益，且适用于高温动作。
最后，光斑尺寸变换器15将所输入的光进行导波并从输出端15a输出。输入到光斑尺寸变换器15的光，由于在半导体光放大器14的展宽部14c进行了传播，所以该光斑尺寸沿着横向展宽，但是通过光斑尺寸变换器15缩小了横向的宽度，被变换成大致圆形的形状。因此，从输出端15a输出的光，是通过半导体光放大器14的等宽部14a排除了高次模式的光之后的光，并且是通过光斑尺寸变换器15变换成大致圆形的形状的光，因而以高的结合效率结合到光纤等。
实施例、比较例
其次，利用实施例、比较例对本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100进行进一步的具体说明。以下说明的例子是表示将活性层的阱层设为某一组成情况下的、相对于DFB激光器的振荡波长的、DFB激光器的阈值电流和来自半导体光放大器的光输出之间关系的实验结果。另外，在各例子中，DFB激光器的数目为12，激光器振荡波长以距1527nm有3.5或4nm的间隔进行配置。此外，向各DFB激光器及半导体光放大器注入的电流(驱动电流)分别为150mA、200mA，元件的温度为30度。
比较例1
首先，作为比较例1，制作图15所示的现有构造的集成型半导体激光元件200的情况。另外，该集成型半导体激光元件，关于半导体层的层叠构造而言与图1所示的集成型半导体激光元件100相同，但是不同点在于半导体光放大器的活性层的宽度在整个长度方向上为等宽的。此外，半导体光放大器的活性层的宽度为2μm，长度为900μm。另外，DFB激光器及半导体光放大器的活性层的各阱层的厚度为6nm，阱层的数目为6。因此，半导体光放大器的活性层的阱层的合计体积(总体积)为64.8μm3。此外，各活性层的组成在考虑动作状态下的增益峰值的移动的情况下被设定为：在DFB激光器的各振荡波长中集成型半导体激光元件的光输出为33mW以上。
图5是表示比较例1的集成型半导体激光元件的光输出Psoa(半导体光放大器的驱动电流为200mA、DFB激光器的驱动电流为150mA、温度为30度时的光输出)和DFB激光器的阈值电流Ith_DFB的波长依存性的图。另外，来自半导体光放大器的光输出Psoa的波长依存性对应于动作状态下的半导体光放大器的增益的波长依存性。此外，Ith_DFB的波长依存性表示与基于活性层组成设定的增益的波长依存性相反的特性，Ith_DFB最小的波长对应于增益最大的波长。如图5所示，在现有构造的集成型半导体激光元件中，Ith_DFB及Psoa的偏差都变大，分别为5.9mA、5.8mW。另外，线L4所示的Ith_DFB为最低值的波长与线L5所示的Psoa为最大值的波长之差D1变大为40nm左右。
实施例1
其次，作为实施例1，制作了图1所示的本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件。另外，实施例1的集成型半导体激光元件，关于半导体光放大器的活性层的宽度而言，等宽部的宽度为1.5μm，展宽部的宽度为4.0μm。此外，关于长度而言，等宽部的长度为450μm，锥形部的长度为343μm，展宽部的长度为122μm。另外，DFB激光器及半导体光放大器的活性层的各阱层的厚度为6nm，阱层的数目为7。因而，半导体光放大器的活性层的阱层的总体积为92.064μm3。此外，各阱层的组成被设定为：半导体激光器的增益峰值较之比较例的情况处于短波长侧。
图6是表示实施例1的集成型半导体激光元件的光输出Psoa和DFB激光器的阈值电流Ith_DFB的波长依存性的一例的图。如图6所示，在实施例1的集成型半导体激光元件中，Ith_DFB及Psoa的偏差都小于比较例的情况，分别为5.7mA、4.1mW。另外，线L6所示的Ith_DFB为最低值的波长与线L7所示的Psoa为最大值的波长之差D2变小为15nm。
实施例2
其次，作为实施例2，制作了实施例1中的改变了活性层的阱层的厚度的集成型半导体激光元件。另外，实施例2的集成型半导体激光元件，关于半导体光放大器的活性层的等宽部及展宽部的各宽度、等宽部、锥形部及展宽部的各长度而言，与实施例1相同。此外，DFB激光器及半导体光放大器的活性层的各阱层的厚度为7nm，阱层的数目为7。因而，半导体光放大器的活性层的阱层的总体积为107.408μm3。另外，各阱层的组成被设定为：增益峰值处于DFB激光器的振荡波长所形成的波长波段的中央附近。
图7是表示实施例2的集成型半导体激光元件的光输出Psoa和DFB激光器的阈值电流Ith_DFB的波长依存性的一例的图。如图7所示，在实施例2的集成型半导体激光元件中，Ith_DFB及Psoa的偏差都比实施例1的情况更小，分别为2.8mA、2mW。另外，如线L8所示，Ith_DFB为最低值的波长与Psoa为最大值的波长相一致。
此外，优选Ith_DFB为最低值的波长、Psoa为最大值的波长也就是基于阱层组成设定的增益峰值的波长、动作状态下的增益峰值的波长完全一致。可是，在DWDM光通信中，如果考虑作为集成型半导体激光元件的输出波长范围例如最适合使用1530nm～1570nm、或1570nm～1610nm等40nm的范围，则基于组成设定的半导体激光器的增益峰值的波长与动作状态下的半导体光放大器的增益峰值的波长之差只要在±15nm的范围内即可。该优选的范围是因光输出Psoa的曲线的变化量引起的。一般而言，在使用了由与本申请类似的构造所设定的参数的情况下，当波长距Psoa的峰值有30nm左右时，Psoa的输出显著变化。例如，如图6所示，参照在1540nm的波长附近具有峰值情况下的光输出曲线，在距峰值波长有20nm的1560nm下表示约5％的输出变化，进而在距峰值波长有30nm的1570nm下表示约10％的输出变化。比较这种1560nm和1570nm位置处的输出变化的结果，能够类推出：与在距峰值波长有20nm的区间内有5％的输出变化无关，当进一步远离10nm波长时，正因为10nm的偏移，从而产生与偏移20nm情况同样的比例即5％的输出变化，并且当进一步远离峰值波长时，光输出的变化下降到不能容许的程度。因而，为使在使用波长范围内不产生这种光输出降低到不能容许的波长，重要的是将基于组成设定的半导体激光器的增益峰值的波长与动作状态下的半导体光放大器的增益峰值的波长之差设定在±15nm的范围内，更优选设定在±10nm的范围内。另外，基于组成设定的半导体激光器的增益峰值的波长与半导体光放大器的动作状态下的增益峰值的波长之差，通过根据活性层的阱层的厚度的合计设定展宽部的宽度而得到适当调整。
此外，关于阱层的厚度的合计而言，如实施例2所示那样，优选在45nm以上，由于从层叠变形的观点出发小于70nm左右的厚度容易制造，因此优选。另外，半导体光放大器的活性层的展宽部的宽度根据阱层的厚度的合计进行设定，但是如实施例2所示那样例如优选为4μm左右。此外，关于半导体光放大器的体积而言，优选为100μm3。
实施例3～5
其次，作为实施例3～5，制作了与实施例1同样的集成型半导体激光元件100。该实施例3～5与实施例1的不同点在于，半导体光放大器的等宽部的宽度都为2μm。另外，关于等宽部的长度，实施例3是比实施例1长的600μm，实施例4是与实施例1相同的450μm，实施例5是比实施例1短的100μm。此外，该实施例3～5虽然进行了与上述的实施例1同样的实验(与DFB激光器的阈值电流和来自半导体光放大器的光输出之间关系相应的实验)，但是阈值电流及光输出的各偏差都小到与实施例1相同程度的大小。
图8是表示实施例3～5的集成型半导体激光元件100中的半导体光放大器14的驱动电流和光输出Psoa相应的斜度效率之间关系的图。此外，关于DFB激光器，以驱动电流150mA进行驱动。如图8所示，在实施例3、4中，表示斜度效率的曲线呈平滑形状，没有产生弯曲。另一方面，在实施例5中，略微产生了弯曲。
如以上说明所述，本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100适合于高温动作，为高输出、且输出强度相对于波长的偏差的增大得到了抑制。
(制造方法)
其次，说明本实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100的制造方法的一例。图9～图12是说明图1所示的集成型半导体激光元件100的制造方法的说明图。另外，图9～图12是表示各制造工序中的集成型半导体激光元件100的D-D线剖面(参照图1)的图。
首先，如图9所示，在n型InP基板21上，利用例如金属有机化学气相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)法，依次层叠n型InP缓冲层22、下部InGaAsP-SCH层23、活性层24、上部InGaAsP-SCH层25、InP隔离层26、光栅层27、以及p型InP层28。另外，图中的区域E1～E5分别表示形成DFB激光器11-1～11-n的区域、形成光导波路12-1～12-n的区域、形成光耦合器13的区域、形成半导体光放大器14的区域、以及形成光斑尺寸变换器15的区域。
其次，在整个面堆积了SiN膜之后，在区域E1的形成DFB激光器11-1～11-n各个激光器的位置处，按照成为周期互不相同的衍射光栅的图案的方式实施图案成形。另外，在区域E4也实施图案成形。之后，将SiN膜作为掩模进行蚀刻，从而在区域E1的光栅层27形成作为衍射光栅的光栅沟，并且全部去除了区域E4的光栅层27。其次，在除去了SiN膜的掩模之后，在区域E1～E5的整个面再次堆积p型InP层28。
接着，在整个面堆积了SiN膜之后，在区域E1、E4的各个区域，按照成为比DFB激光器或半导体光放大器的宽度稍宽的形状的图案的方式实施图案成形。之后，将SiN膜作为掩模进行蚀刻，如图10所示那样，除去到下部InGaAsP-SCH层23而使n型InP缓冲层22露出。此时，在区域E2、E3、E5中全部除去到下部InGaAsP-SCH层23。由此，自在图9所示的一工序中形成的活性层24开始，形成同一组成、同一厚度、同一构造的活性层24a、24b。另外，符号29表示光栅沟。
其次，将SiN膜的掩模直接作为选择生长的掩模，通过MOCVD法如图11所示那样依次堆积InGaAsP铁心层30和i型InP层31。
接着，在除去了SiN膜的掩模之后，重新堆积SiN膜，按照成为图1示出的DFB激光器11-1～11-n、光导波路12-1～12-n、光耦合器13、半导体光放大器14、光斑尺寸变换器15所对应的图案的方式实施图案成形。之后，将该SiN膜作为掩模进行蚀刻，从而形成DFB激光器11-1～11-n、光导波路12-1～12-n、光耦合器13、半导体光放大器14、光斑尺寸变换器15所对应的台式晶体管构造，并且使n型InP缓冲层22露出。
图12是表示进行了该工序后的状态的示意性俯视图。在区域E1～E5中，形成了呈DFB激光器11-1～11-n、光导波路12-1～12-n、光耦合器13、半导体光放大器14、光斑尺寸变换器15的每一个所对应的形状的台式晶体管构造M1～M5。另外，露出了n型InP缓冲层22。
其次，将前一工序中用到的SiN膜的掩模作为选择生长的掩模，并利用MOCVD法在露出的n型InP缓冲层22上依次堆积p型InP嵌入层32和n型InP电流阻挡层33。接着，在除去了SiN膜的掩模之后，利用MOCVD法在区域E1～E5的整个面依次堆积p型InP包覆层34和InGaAs接触层35。
其次，在整个面堆积了SiN膜之后，按照成为电缆沟17-1～17-m所对应的图案的方式实施图案成形。之后，将该SiN膜作为掩模进行蚀刻，从而形成电缆沟17-1～17-m。关于电缆沟17-1～17-m，例如形成到n型InP缓冲层22的深度，但是只要形成到DFB激光器11-1～11-n之间能够电分离的深度即可。
其次，在除去了SiN膜的掩模之后，在整个面上再次堆积SiN膜，形成DFB激光器11-1～11-n和半导体光放大器14相应的开口部，作为SiN保护膜38，在整个面堆积了由AuZn/Au构成的2层的导电膜之后，通过图案形成为DFB激光器11-1～11-n和半导体光放大器14所对应的形状来形成p侧电极39。另一方面，在n型InP基板21的背面形成由AuGeNi/Au构成的2层构造的n侧电极40。由此，形成了DFB激光器11-1～11-n、光导波路12-1～12-n、光耦合器13、半导体光放大器14、光斑尺寸变换器15。
最后，将n型InP基板21劈开成多个集成型半导体激光元件100并排的条(bar)状，按照在形成了DFB激光器11-1～11-n、半导体光放大器14的两端面涂有反射防止膜中的各集成型半导体激光元件100进行分离，由此集成型半导体激光元件100完成了。
此外，在上述实施方式中，作为半导体激光器而使用了DFB激光器，但是只要为单一模式振荡的半导体激光器即可，并不特别限定，例如也可使用DBR(Distributed Bragg Reflector)激光器、TDA(Tunable DistributedAmplification)-DFB激光器等。另外，作为光耦合器，例如也可使用菲涅尔耦合器(fresnel coupler)或多模式干扰型光耦合器等。此外，关于集成型半导体激光元件的构成半导体材料，在上述实施方式中为了使用1550nm附近的波长而使用了InP系半导体材料等，但是也能够根据所使用的波长进行适当选择来使用。
实施方式2
其次，说明本发明的实施方式2。本实施方式2涉及的半导体激光组件是使用了实施方式1涉及的集成型半导体激光元件的全波段可调谐激光器组件，遵照波长可变激光器装配(Integrable Tunable Laser Assembly：ITLA)的规格。
图13是本实施方式2涉及的半导体激光组件的示意性俯视图。此外，在图13中，为了说明，将框体的上面部切去并示出其内部构造。如图13所示，该半导体激光组件1000具备：框体41、收容于框体41内的图1所示的实施方式1涉及的集成型半导体激光元件100、作为电热元件的珀耳帖元件(TEC)42、48、反射镜43、44、45、作为受光元件的光电二极管(PD)46、47、标准具滤波器(etalon filter)49、收容于框体41的突出部41a的套圈(ferrule)50、以及与该套圈50连接的偏振波保持型的光纤51。另外，在框体41内还收容了未图示的控制电路、透镜等。
集成型半导体激光元件100载置于TEC42。并且，集成型半导体激光元件100的DFB激光器的阵列的数目为12。各DFB激光器的振荡波长间隔大致为3.5nm间隔，各振荡波长被设定为国际电信同盟(International Telecommunication Union：ITU)规定的ITU栅格(grid)附近的期望波长。之后，选择期望的DFB激光器并根据来自外部的驱动电流进行驱动，由TEC42在10℃～50℃的范围内控制集成型半导体激光元件100的温度来进行振荡波长的调整，由此能够输出将在光纤传输中使用的C波段带、L波段带等全波段的所有波长栅格进行覆盖的激光。
另外，该半导体激光组件1000搭载了用于校正因DFB激光器的经时变化导致的振荡波长的偏移的波长摇移器(rocker)机构。该波长摇移器机构具有使用了反射镜43、44、45、PD46、47和标准具滤波器49的公知构成。
该波长摇移器机构如下发挥功能。首先，从集成型半导体激光元件100输出激光52，由未图示的校准透镜变为平行光。反射镜43让该激光52透过，并且反射其中一部分。PD46接收所反射的激光53，并输出与该受光强度相应的大小的电流。
另一方面，反射镜44让透过了反射镜43的激光52进一步透过，并且反射其中一部分。透过了反射镜44的激光52通过未图示的聚光透镜结合到光纤51，并从光纤51输出到外部。另一方面，反射镜45将所反射的激光54进一步反射，标准具滤波器49让进一步反射的激光54透过，PD47接收透过了标准具滤波器49的激光54，并输出与该受光强度相应的大小的电流。
这里，标准具滤波器49被载置于TEC48，按照该透过波长与ITU栅格的波长相一致的方式进行温度调整。因此，透过标准具滤波器49的激光54的强度，在激光54的波长偏离ITU栅格的波长时减少。因此，在该波长摇移器机构中，将以PD46的输出电流值为基准的PD47的输出电流值的减少作为波长的偏移进行检测，并基于PD47的输出电流值对TEC42进行反馈控制来调整集成型半导体激光元件100的温度，由此将来自集成型半导体激光元件100的激光52的波长锁定在期望波长。
此外，在该半导体激光组件1000中搭载了2台TEC42、48，且能够独立控制集成型半导体激光元件100的温度和标准具滤波器49的温度。如以往那样，在用1台TEC只进行半导体激光元件的温度控制的情况下，标准具滤波器的温度发生变化，容易引起波长漂移，在激光组件的控制或组件的制造上也难以实现。与之相对，该半导体激光组件1000通过采用使用2台TEC可独立控制激光元件和标准具滤波器的组件构造，由此提高了其输出的激光的波长控制性。
本实施方式2涉及的半导体激光组件1000可进行高输出动作，故通过能独立控制半导体激光元件和标准具滤波器的温度，从而与发热无关地可进行极其稳定的动作。另外，该半导体激光组件1000可进行高输出的稳定动作，因而用于实现长距离传输的光谱线宽或RIN(Relative IntensityNoise)等相对于噪声的特性也较优良，并且满足ITLA-MSA(Multi-Source Agreement)规格。另外，该半导体激光组件1000可覆盖C波段带、L波段带的整个波段，且可实现与50GHz间隔的DWDM所对应的波长摇移。因此，该半导体激光组件1000也适用于DWDM通信系统。此外，由于该半导体激光组件1000能够实现稳定的高输出，因而也能适用于实现100Gbps的数据速率的DWDM传输格式光收发器、或其他需要长距离传输的通信系统。
实施方式3
图14是表示实施方式5涉及的光传输系统的构成的框图。该光传输系统10000是利用使用了光纤电缆的光传输路10003将光发送器10001、光接收器10002连接起来而形成的。另外，在光传输路10003的中途也可适当配置光中继器。
光发送器10001具备：实施方式2涉及的半导体激光组件1000、与半导体激光组件1000连接的作为外部调制器的光调制器2000。
另外，光接收器10002具备：PD等受光元件3000、与受光元件3000连接的解调器4000。
其次，对该光传输系统10000的动作进行说明。首先，在光发送器10001中，当半导体激光组件100输出规定波长的激光时，光调制器2000受理该激光。对光调制器2000施加从外部供给的利用了16QAM等多值调制方式的调制信号MS。之后，光调制器2000根据该调制信号MS将受理的激光进行多值调制并作为光信号OS输出到光传输路10003中。
之后，在光接收器10002中，受光元件3000接收光传输路10003传输来的光信号OS，并将其变换成电信号进行输出。其次，解调器4000利用电放大器、波形整形器等，对应于调制信号MS的调制方式以可解调的方式构成，并且将该受光元件3000输出的电信号进行解调并输出解调信号DS。
如上述，由于半导体激光组件1000可进行高输出动作，因而在光发送器10001中即便用这种多值的调制信号进行调制，也可确保为充分高的强度。其结果，可进行错误率低的光传输，实现了例如数据速率为100Gbps的光传输。
产业上的可利用性
如上述，本发明涉及的集成型半导体激光元件、半导体激光组件及光传输系统适用于DWDM光通信。
符号说明
11-1～11-n：DFB激光器，12-1～12-n：光导波路，13：光耦合器，13a：输出端口，14：半导体光放大器，14a：等宽部，14b：锥形部，14c：展宽部，15：光斑尺寸变换器，15a：输出端，16：嵌入部，17-1～17-m：电缆沟，21：n型InP基板，22：n型InP缓冲层，23：下部InGaAsP-SCH层，24、24a、24b：活性层，24aa、24ba：阱层，24ab、24bb：势垒层，25：上部InGaAsP-SCH层，26：InP隔离层，27：光栅层，28：p型InP层，29：光栅沟，30：InGaAsP铁心层，31：i型InP层，32：p型InP嵌入层，33：n型InP电流阻挡层，34：p型InP包覆层，35：InGaAs接触层，38：SiN保护膜，39：p侧电极，40：n侧电极，41：框体，41a：突出部，42、48：TEC，43～45：反射镜，46、47：PD，49：标准具滤波器，50：套圈，51：光纤，52～54：激光，100：集成型半导体激光元件，1000：半导体激光组件，2000：光调制器，3000：受光元件，4000：解调器，10000：光传输系统，10001：光发送器，10002：光接收器，10003：光传输路，D1、D2：差，DS：解调信号，E1～E5：区域，L1～L3：长度，L4～L8：线，M1～M5：台式晶体管构造，MS：调制信号，OS：光信号，t1、t2、T1、T2：厚度，W1、W2：宽度。

Claims (12)

1.一种集成型半导体激光元件，集成了以互不相同的振荡波长进行单一模式振荡的多个半导体激光器、能够使来自所述多个半导体激光器的输出光耦合的光耦合器、和将来自所述光耦合器的输出光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光元件的特征在于：
所述多个半导体激光器的各活性层的至少一个活性层和所述半导体光放大器的活性层具有同一厚度、和被设定成在所述多个半导体激光器的振荡波长所形成的波长波段的中央附近具有增益峰值的波长的同一组成，
所述半导体光放大器具有形成在所述光耦合器侧且用于以单一模式将所述输出光进行导波的等宽部、和形成在光输出侧且宽度比所述等宽部的宽度宽的展宽部，并且在所述展宽部是与所述等宽部相同的宽度的情况下，在该半导体光放大器中基于能带填充效应以增益峰值的波长从基于所述组成的设定的增益峰值向短波长侧移动的动作状态进行动作时，为使该动作状态下的所述增益峰值的波长与基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长大体一致，按照根据所述活性层的各阱层的厚度的合计将所述活性层的阱层的总体积增大至所述能带填充效应被抑制的程度的方式设定所述展宽部的宽度。
2.根据权利要求1所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述多个半导体激光器的各活性层的至少一个活性层和所述半导体光放大器的活性层以同一结晶生长工艺形成。
3.根据权利要求1或2所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述等宽部和所述展宽部由锥形形状的部分进行连接。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
来自所述多个半导体激光器的输出光的波长范围是从1520～1620nm中选择出的40nm的范围，为使所述动作状态下的增益峰值的波长和基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长的偏差在±15nm的范围内一致，按照所述活性层的阱层的总体积变为所述增益峰值的偏差为40nm的总体积的1.42倍以上的方式设定所述展宽部的宽度。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
来自所述多个半导体激光器的输出光的波长范围是从1520～1620nm中选择出的40nm的范围，为使所述动作状态下的增益峰值的波长和基于所述组成的设定的所述半导体激光器的增益峰值的波长的偏差在±10nm的范围内一致，按照所述活性层的阱层的总体积变为所述增益峰值的偏差为40nm的总体积的1.66倍以上的方式设定所述展宽部的宽度。
6.根据权利要求5所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述半导体光放大器的活性层的各阱层的厚度的合计为45nm以上。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述半导体光放大器的活性层的等宽部的长度比100μm长。
8.根据权利要求5所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述半导体光放大器的活性层的阱层的总体积为100μm3以上。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述光耦合器为多模式干扰型光耦合器。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的集成型半导体激光元件，其特征在于，
所述集成型半导体激光元件还具备光斑尺寸变换器，所述光斑尺寸变换器缩小来自所述半导体光放大器的输出光的光斑尺寸。
11.一种半导体激光组件，其特征在于，
具备权利要求1～10任意一项所述的集成型半导体激光元件。
12.一种光传输系统，其特征在于，
具备权利要求11所述的半导体激光组件，并实现100Gbps的数据速率。
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