CN105981239B - 集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块 - Google Patents

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Abstract

一种集成型半导体激光器元件，在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器包括第1活性层，所述半导体光放大器包括第2活性层，所述第1活性层以及所述第2活性层具有多量子阱结构，所述第2活性层的量子阱数目比所述第1活性层的量子阱数目多。由此，能够实现输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块。

Description

集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块
技术领域
本发明涉及集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块。
背景技术
例如，作为DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)光通信用的波长可调光源，公开了集成型半导体激光器元件(参照专利文献1)。
该集成型半导体激光器元件在一个基板上集成了多个DFB(DistributedFeedback)激光条纹、多个光波导、多模干涉型(MMI：Multi mode Interferometer)光合成器、半导体光放大器。光波导对来自DFB激光条纹的输出光进行导波。MMI光合成器使在光波导中被导波的光通过后将其输出。半导体光放大器将从MMI光合成器输出的光放大后进行输出。
在该集成型半导体激光器元件中，通过选择波长不同的多个DFB激光条纹当中的任一个条纹来进行波长的粗调，然后通过对集成型半导体激光器元件进行温度调整来进行波长的微调，由此被用作波长可调激光器。波长可调激光器作为光通信的信号光源，用于获得波分复用通信的期望的通道。
此外，近几年，在光通信中，为了提高通信速度而使用多值调制方式。作为多值调制方式，使用以相移键控(PSK)为主的相干光通信方式。在这样的相干光通信中，除了发送侧的信号光源外，接收侧也需要局部振荡光源。
在相干光通信中，由于光的相位搭载信息，所以在信号光源以及局部振荡光源中要求相位波动小。使用激光的光谱线宽作为特性值，光谱线宽越窄则相位波动越小，其中，上述的特性值是相位波动大小的指标。例如，在通信的调制速率为25Gbaud的四相相移键控(QPSK：Quaternary PSK)的情况下，要求相干光通信中使用的光源的光谱线宽在500kHz以下。另外，为了今后实现进一步的多值化，要求相干光通信中使用的光源的光谱线宽在300kHz以下。针对这些特性值的要求伴随多值调制方式的高度化而发生变化，在正交调幅(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)等多值度高的调制方式中，预计会要求其在100kHz以下等更窄的光谱线宽。
此外，近几年，信号光源输出的激光的高强度化的要求正在提高。将激光设为高强度时具有以下优点：能够省略设置在发送器后级的放大器，或者，通过使激光分支而能够对信号光和局部振荡光这两束光使用一个光源等。作为能够享有这种优点的光强度，例如要求40mW以上的输出光强度。
这样，近几年，对于被用作信号光源的波长可调激光器而言，要求其输出激光的光谱线宽窄且强度高。
在此，在集成型半导体激光器元件中，为了使激光的光谱线宽变窄，已知加长DFB激光条纹的方法是有效的。此外，为了实现输出的激光的高强度化，已知加长半导体光放大器的方法是有效的。
此外，作为使激光的光谱线宽变窄的另一方法，例如，在非专利文献1中记载了以下内容：半导体激光器或者半导体光放大器的活性层的量子阱数目越多，线宽增强系数就越小，得到的光谱线宽越窄。
此外，作为高输出光强度化的另一方法，在专利文献2中公开了一种集成型半导体激光器元件，通过使半导体光放大器的活性层的厚度比半导体激光器的活性层的厚度薄，从而减小半导体光放大器向活性层的陷光系数(light trapping coefficient)，提高饱和光输出强度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2003-258368号公报
专利文献2：JP特开2008-205113号公报
非专利文献
非专利文献1：S.H.Cho，et.a1.IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.9，NO.8，pp.1081，AUGUST 1997
发明内容
发明要解决的问题
但是，同时满足近几年对信号光源要求的激光的光谱线宽的窄宽化和高强度化这两者是很困难的。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，提供一种输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题而达成目的，本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，该集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器包括第1活性层，所述半导体光放大器包括第2活性层，所述第1活性层以及所述第2活性层具有多量子阱结构，所述第2活性层的量子阱数目比所述第1活性层多。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，所述第2活性层的量子阱数目在5个以上。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，该集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器包括第1活性层，所述半导体光放大器包括第2活性层，所述第1活性层以及所述第2活性层具有多量子阱结构，所述第2活性层的每1层量子阱的厚度比所述第1活性层厚。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，该集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器包括第1活性层，所述半导体光放大器包括第2活性层，向所述第2活性层的陷光系数比向所述第1活性层的陷光系数大。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，该集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽在300kHz以下。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，该集成型半导体激光器元件的输出激光其光强度在40mW以上。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，该集成型半导体激光器元件的输出激光是连续光。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，所述第2活性层的与带隙能量对应的波长比所述第1活性层长。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，具备：光损耗部，配置在所述半导体激光器与所述半导体光放大器之间，使所述半导体激光器的输出激光的光强度受到损耗后将其输入到所述半导体光放大器。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，具备：所述半导体激光器的输出激光的波长互不相同的多个所述半导体激光器；和光合成器，合成所述多个半导体激光器的输出激光。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在，所述半导体激光器的光谐振器长度方向的长度在1000μm以上。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器以及所述半导体光放大器被集成在由InP形成的所述基板上，所述第1活性层以及所述第2活性层包括InGaAsP系的材料。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器以及所述半导体光放大器被集成在由InP形成的所述基板上，所述第1活性层包括InGaAsP系的材料，所述第2活性层包括AlGaInAs系的材料。
本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件的特征在于，所述半导体激光器具有分布反馈型激光器部和分布式黑反射部，在所述分布反馈型激光器部中，所述第1活性层在整个光谐振器长度方向上连续，并且在所述第1活性层的附近沿着该第1活性层配置衍射光栅层，在所述分布式黑反射部中，离散地且周期性地配置所述第1活性层以便形成衍射光栅。
本发明的一方式涉及的半导体激光器模块的特征在于，具备本发明的一方式涉及的集成型半导体激光器元件。
发明效果
根据本发明，能够实现输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块。
附图说明
图1是本发明的实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件的示意俯视图。
图2是图1所示的集成型半导体激光器元件的A-A线主要部分剖视图。
图3是图1所示的集成型半导体激光器元件的B-B线主要部分剖视图。
图4是图1所示的集成型半导体激光器元件的C-C线主要部分剖视图。
图5是图1所示的集成型半导体激光器元件的D-D线主要部分剖视图。
图6是表示集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽与量子阱数目的关系的图。
图7是表示集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度与量子阱数目的关系的图。
图8是表示半导体激光器的输出光所包含的激光的强度与ASE光强度之比的计算结果的图。
图9是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图10是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图11是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图12是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图13是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图14是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图15是说明图1所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图16是本发明的实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件的示意俯视图。
图17是图16所示的集成型半导体激光器元件的H-H线主要部分剖视图。
图18是说明图16所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
图19是说明图16所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明涉及的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块的实施方式。另外，本发明并不受本实施方式的限定。此外，在附图的记载中，对相同或对应的要素适当附加相同的符号。此外，附图是示意性的，需要注意的是，各要素的尺寸关系、各要素的比率等有时会与实际不同。在附图之间，有时会包括彼此的尺寸关系、比率不同的部分。
(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器元件。图1是本发明的实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件的示意俯视图。如图1所示，本实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10构成为集成型半导体激光器元件。集成型半导体激光器元件10具有以下结构：在一个半导体基板上集成了作为输出激光的半导体激光器的多个DFB激光条纹11-1～11-n(n为2以上的整数)、多个光波导12-1～12-n、作为光合成器的MMI光合成器13和对DFB激光条纹11-1～11-n的输出激光进行放大的半导体光放大器14，且在它们周围形成了埋入部15。此外，在DFB激光条纹11-1～11-n间设置用于使各DFB激光条纹电分离的沟槽16-1～16-m(m＝n-1)。此外，虽然在此说明具有多个DFB激光条纹11的方式，但DFB激光条纹11可以是1个，此时不需要沟槽。
DFB激光条纹11-1～11-n是各自具有宽度1.3～2.5μm、长度1200弘m的条纹状的埋入结构的端面发光型激光器，在集成型半导体激光器元件10的、与光输出侧的输出端14a相反的一侧的一端，在宽度方向上以25μm间距来形成这些激光条纹。在沟槽、电极的制造精度的范围内设计较小的DFB激光条纹的间距。
DFB激光条纹11-1～11-n通过使各DFB激光条纹所具备的衍射光栅的间隔彼此不同，从而构成为输出激光的波长在1550nm段(例如1530nm～1570nm)的范围内不同。此外，DFB激光条纹11-1～11-n的激光器振荡波长能够通过使集成型半导体激光器元件10的设定温度发生变化来调整。即，集成型半导体激光器元件10通过要驱动的DFB激光条纹的切换和温度控制，实现宽的波长可调范围。另外，DFB激光条纹虽然通过从外部供给一定的电流来输出连续光，但是也能够通过从外部供给调制电流，从而输出调制后的信号光。
为了使集成型半导体激光器元件10的输出激光的光谱线宽变窄，使DFB激光条纹11-1～11-n的阈值增益降低的方法是有效的。阈值增益与耦合系数的平方成正比、与谐振器长度度的3次方成反比，所以即使将耦合系数与谐振器长度之积设为固定，也与谐振器长度成反比。因此，阈值增益可通过加长谐振器长度来降低。因此，对于DFB激光条纹11-1～11-n来说，为了使集成型半导体激光器元件10的输出激光的光谱线宽变窄，优选谐振器长度较长，具体来说，DFB激光条纹11-1～11-n的光谐振器长度最好在1000μm以上。
光波导12-1～12-n形成在DFB激光条纹11-1～11-n与MMI光合成器13之间，以光学方式连接DFB激光条纹11-1～11-n与MMI光合成器13。
半导体光放大器14与MMI光合成器13的输出端口13a连接。半导体光放大器14具有宽度为1.3μm～4.0μm、长度为1500μm(500μm～2000μm)的条纹状埋入结构。此外，半导体光放大器14也可以具有越接近输出端14a则条纹宽度越宽的喇叭形结构。
图2、图3、图4分别是集成型半导体激光器元件10的DFB激光条纹的剖面即A-A线主要部分剖视图、MMI光合成器13的剖面即B-B线主要部分剖视图、半导体光放大器14的剖面即C-C线主要部分剖视图。
如图2所示，DFB激光条纹11-2、11-3具有在n型InP基板21上依次层叠了兼做下部包层的n型InP缓冲层22、下部InGaAsP-SCH层23a、作为第1活性层的活性层24a、上部InGaAsP-SCH层25a、InP分隔层(spacer layer)26a、形成有衍射光栅的InGaAsP光栅层27、p型InP包层28a的结构。从p型InP包层28a直至到达n型InP缓冲层22的中途的深度为止是构成DFB激光条纹11-2、11-3的台式(mesa)结构。台式结构的宽度方向两侧被构成埋入部15的p型InP电流阻挡层32和n型电流阻挡层33的层叠结构而埋入。
进一步地，DFB激光条纹11-2、11-3具备依次形成在p型InP包层28a以及n型电流阻挡层33之上的p型InP包层34、InGaAs接触层35。此外，沟槽16-2、16-3从InGaAs接触层35形成至到达n型InP缓冲层22的中途的深度为止。SiN保护膜38形成为覆盖InGaAs接触层35的表面以及沟槽16-2、16-3的内表面。另外，在InGaAs接触层35的上表面处与DFB激光条纹11-2、11-3对应的位置上，形成未被SiN保护膜38覆盖的开口部。p侧电极39形成为在该开口部与InGaAs接触层35接触。另外，在图1中，省略了p侧电极39的记载。集成型半导体激光器元件10还具备形成在n型InP基板21的背面的n侧电极40。另外，DFB激光条纹11-1～11-n均具有与DFB激光条纹11-2、11-3相同的结构。
在此，活性层24a、和从上下夹持活性层24a的下部InGaAsP-SCH层23a、上部InGaAsP-SCH层25a、n型InP缓冲层22及p型InP包层28a、34构成波导结构。
活性层24a具有由InGaAsP形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为4。下部InGaAsP-SCH层23a、活性层24a、上部InGaAsP-SCH层25a的总厚度为145nm。此外，计算出的向量子阱的陷光系数(1ight trapping coefficient)之和为3.0％。
另外，为了充分利用量子效应，量子阱层的厚度适于在3.5nm～7nm的范围内选择。此外，为了将光谱线宽设为在300kHz以下，优选将半导体激光器的活性层的量子阱数目设为5以下，进一步优选设为4以下。其中，若量子阱数目过少，则一个阱所负担的增益量变大，温度特性变差，所以量子阱数目优选设为在3以上。
在此，陷光系数是指，借助含活性层而成的波导结构进行导波的光的强度之中，包括在活性层内的光强度的比例。在如本实施方式这样活性层具有多量子阱结构的情况下，设为不含障碍层、SCH层，仅将量子阱层作为活性层来计算出陷光系数。
如图3所示，MMI光合成器13具有在n型InP基板21上依次层叠了n型InP缓冲层22、InGaAsP纤芯层30、i型InP层31的结构。构成InGaAsP纤芯层30的InGaAsP的组成被设定成其带隙波长比DFB激光条纹11-1～11-n的激光器振荡波长短。从i型InP层31直至到达n型InP缓冲层22的中途的深度为止是构成MMI光合成器13的台式结构。台式结构的宽度方向两侧被p型InP电流阻挡层32和n型电流阻挡层33的层叠结构埋入。
进一步地，MMI光合成器13具备依次形成在i型InP层31以及n型电流阻挡层33上的p型InP包层34、InGaAs接触层35、SiN保护膜38。SiN保护膜38形成为完全覆盖InGaAs接触层35的上表面。
另外，光波导12-1～12-n也都具有与MMI光合成器13相同的结构。其中，在MMI光合成器13中，InGaAsP纤芯层30的核心宽度(台面宽度)被设定成起到MMI光合成器13的作用。相对于此，在光波导12-1～12-n中，对应的InGaAsP纤芯层的核心宽度(台面宽度)被设定成对DFB激光条纹11-1～11-n的激光器振荡波长的光进行单模传播。
如图4所示，半导体光放大器14具有在n型InP基板21上依次层叠了n型InP缓冲层22、下部InGaAsP-SCH层23b、作为第2活性层的活性层24b、上部InGaAsP-SCH层25b、InP分隔层26b和p型InP包层28b的结构。从p型InP包层28b直至到达n型InP缓冲层22的中途的深度为止是构成半导体光放大器14的台式结构。台式结构的宽度方向两侧被p型InP电流阻挡层32和n型电流阻挡层33的层叠结构埋入。
进一步地，半导体光放大器14具备依次形成在p型InP包层28b以及n型电流阻挡层33上的p型InP包层34、InGaAs接触层35、SiN保护膜38。另外，在InGaAs接触层35的上表面的与台式结构对应的位置处形成有未被SiN保护膜38覆盖的开口部。p侧电极39形成为：在该开口部与InGaAs接触层35接触，且完全覆盖开口部。
在此，活性层24b、和从上下夹持活性层24b的下部InGaAsP-SCH层23b、上部InGaAsP-SCH层25b、n型InP缓冲层22以及p型InP包层28b、34构成波导结构。
活性层24b具有由InGaAsP形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为6。此时，下部InGaAsP-SCH层23b、活性层24b、上部InGaAsP-SCH层25b的总厚度为175nm。此时，计算出的向量子阱的陷光系数之和为5.4％。
另外，为了充分利用量子效应，量子阱层的厚度适于在3.5nm～7nm的范围内选择。此外，为了将集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度设为在35mW以上，且更优选设为在40mW以上，优选将半导体激光器的活性层的量子阱数目设为在5以上，更优选设为在6以上。此外，从均匀注入的观点出发，优选将量子阱数目设为在8以下。
接着，图5是图1所示的集成型半导体激光器元件的D-D线主要部分剖视图。在图5中，区域S1表示DFB激光条纹，区域S2表示光波导，区域S3表示MMI光合成器13，区域S4表示半导体光放大器14。如图5所示，DFB激光条纹11-1～11-n、光波导12-1～12-n、MMI光合成器13、半导体光放大器14形成在同一n型InP基板21上。
此外，从上下夹持InGaAsP纤芯层30的i型InP层31、p型InP包层34和n型InP缓冲层22构成波导结构。
在此，DFB激光条纹11-1～11-n的活性层24a和半导体光放大器14的活性层24b的构成是不同的。由于构成不同，半导体光放大器14的向活性层24b的陷光系数比DFB激光条纹11-1～11-n的向活性层24a的陷光系数大。
具体来说，在本实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10中，作为半导体激光器的DFB激光条纹11-1～11-n的活性层24a的量子阱数目为4，半导体光放大器14的活性层24b的量子阱数目为6，比活性层24a的量子阱数目多。其结果，半导体光放大器14的向活性层24b的陷光系数(5.4％)比DFB激光条纹11-1～11-n的向活性层24a的陷光系数(3.0％)大。
其结果，如后那样，集成型半导体激光器元件10能够同时满足输出激光的光谱线宽的窄宽化和高强度化这两者。
另外，在本实施方式1中，虽然DFB激光条纹11-1～11-n和半导体光放大器14的向量子阱的陷光系数之比为1.8倍，但若将陷光系数的比例如设为1.2倍以上，则能够显著得到激光的光谱线宽的窄宽化和高强度化的效果，因而是适合的。另外，对于活性层的多量子阱的障碍层、下部InGaAsP-SCH层和上部InGaAsP-SCH层来说，为了对陷光系数进行微调整，能够适当地选择厚度。活性层的多量子阱的障碍层的厚度例如为10nm左右(5～15nm)，下部InGaAsP-SCH层以及上部InGaAsP-SCH层的厚度例如为数十纳米程度(30～150nm)。
接着，说明集成型半导体激光器元件10的动作。首先，驱动从DFB激光条纹11-1～11-n之中选择出的一个DFB激光条纹。被驱动的DFB激光条纹输出激光。由于沟槽16-1～16-m将DFB激光条纹11-1～11-n间电分离，所以DFB激光条纹间的分离电阻变大。因此，选择DFB激光条纹11-1～11-n之中的一个来进行驱动就很容易。
并且，多个光波导12-1～12-n之中与被驱动的DFB激光条纹以光学方式连接的光波导对来自被驱动的DFB激光条纹的激光进行导波。MMI光合成器13使在光波导中导波的激光通过后从输出端口13a将其输出。半导体光放大器14将从输出端口13a输出的激光放大，从输出端14a将其输出到外部。
另外，DFB激光条纹的输出激光在MMI光合成器13中衰减成与DFB激光条纹的数目成反比的量。在本实施方式1中，由于DFB激光条纹是n个，所以MMI光合成器13的输出激光是DFB激光条纹的输出激光的大致1/n。因此，半导体光放大器14对来自要驱动的DFB激光条纹的输出激光因MMI光合成器13引起的光的损耗进行补偿，将从输出端14a输出的激光放大成期望的光强度。
在此，说明发明者们提出本实施方式1的构成时进行的考察内容。为了实现输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块，适当地设定半导体激光器以及半导体光放大器的活性层的构成很重要。
已知半导体激光器的输出激光的光谱线宽理论上依赖于输出光强度、阈值增益、线宽增强系数、内部损耗等。这些特性值可通过半导体激光器的谐振器长度、活性层的构成来进行调整。
如上所述，半导体激光器为了实现较窄的光谱线宽，优选加长谐振器长度。
但是，若加长谐振器长度，则会存在因元件面积的增大而可从一个晶元取得的芯片的数目减少等问题，单纯地加长谐振器长度是有限度的。因此，为了使光谱线宽进一步变窄，需要半导体激光器的活性层的构成的最佳化。
作为用于使输出激光的光谱线宽变窄的重要要素，有线宽增强系数。线宽增强系数的平方对光谱线宽有贡献。即，为了使光谱线宽变窄，只要减小线宽增强系数即可。
线宽增强系数具有注入载流子密度越小则变得越小的倾向。从该观点出发，为了使光谱线宽变窄，增大量子阱数目使得在阈值方面注入载流子密度变小，由此增大陷波系数的方法是有效的。例如，非专利文献1记载了量子阱数目越大则线宽增强系数越小的内容。
但是，有时即使增大半导体激光器的量子阱数目，光谱线宽也不会变窄。
为了确认这种情况，发明者们实际制造了具备量子阱数目彼此不同的半导体激光器且具备光波导、MMI光合成器和半导体光放大器的多个集成型半导体激光器元件。然后，通过实验确认了集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽与量子阱数目之间的关系。其结果如下。另外，各半导体激光器的谐振器长度为1200μm，耦合系数等量子阱数目以外的构成相同。
图6是表示集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽与量子阱数目的关系的图。如图6所示，集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽在任一个电流值下都是量子阱数目越少就越窄。理由被推定为，由于在作为光通信波长的1550nm段(1525nm～1610nm)，光谱线宽受到的影响中内部损耗带来的影响比线宽增强系数大。此外，得知了用于获得期望的光谱线宽的输出激光的驱动电流是量子阱数目越少则越小。即，量子阱数目越少的半导体激光器越能在低功耗下得到光谱线宽窄的输出激光。
此外，在量子阱数目少的本实施方式1的半导体激光器中，也起到外部微分量子效率高这样的效果，由此，实现了发光效率好的半导体激光器。
接着，说明半导体光放大器的活性层的构成。要使集成型半导体激光器元件的输出激光高强度化，使半导体光放大器的光导波方向上的长度、活性层的构成最佳化是很重要的。
若半导体光放大器的长度较长，则即使每单位长度的活性层的增益低，也能够得到光输出。但是，若加长半导体光放大器，则因元件面积的增大而可从一个晶元得到的芯片的数目减少，并且伴随面积的增大，透明化所需的电流变大。因此，单纯地加长半导体光放大器是有限度的。因此，需要提高活性层的增益。
专利文献2涉及的集成型半导体激光器元件使半导体光放大器的活性层的厚度比半导体激光器的活性层的厚度薄，为了避免增益饱和而减小向活性层的陷光系数。
在此，增益饱和是指，变得无法针对输入得到线性输出的现象。对半导体光放大器来说，虽然在光强度充分小的区域中相对于输入电力的放大率为恒定的，但在光强度大的区域中，相对于输入电力的放大率会下降。这是因为，通过用于光放大的感应释放，载流子被消耗掉，变成无法维持用于得到恒定的放大率的载流子密度。这样，若因增益饱和而变成无法得到输入电力和输出光强度的线性性，则在将输入光强度随时间变化的调制光信号放大时会成为很大问题。因此，若降低半导体光放大器的向活性层的陷光系数来降低放大率，则能够对感应释放进行某种程度的限制，即使输入电力变大，也能够抑制载流子密度的降低。由此，能够抑制增益饱和发生。
但是，在不是对调制信号光进行放大而是对连续光进行放大的情况下，无需专利文献2那样的输入电力和输出光强度的线性性。因此，仅考虑连续光的放大，能够使半导体光放大器的活性层最佳化以便实现集成型半导体激光器元件的高输出化。
要高效地提高集成型半导体激光器元件的输出激光的强度，增大半导体光放大器的向活性层的陷光系数来增大增益是有效的。这是因为，若增加增益，就容易引发感应释放，能更高效地将电能转换成光能。如上所述，可通过增加量子阱数目来增大陷光系数。
在此，实际制造了具备半导体激光器、光波导、MMI光合成器、量子阱数目彼此不同的半导体光放大器的多个集成型半导体激光器元件，通过实验确认了集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度与量子阱数目之间的关系。另外，在实验中，集成型半导体激光器元件的温度为55℃，向半导体光放大器的注入电流为300mA。此外，各集成型半导体激光器元件的半导体光放大器的谐振器长度为1500μm，量子阱数目以外的构成相同。图7是表示集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度与量子阱数目之间的关系的图。如图7所示，集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度是量子阱数目越多则越大。即，根据该实验结果可知，半导体光放大器的活性层的量子阱数目越多，半导体光放大器的向活性层的陷光系数就越大，越能够得到光强度高的输出激光。
此外，通过提高半导体光放大器的向活性层的陷光系数来得到高增益的方法其有效性特别在使集成型半导体激光器元件在高温(例如，60℃以上)下工作时高。通常，对于集成型半导体激光器元件来说，在高温下活性层的增益容易降低，有时会因增益不够而导致光输出受到限制。另一方面，半导体光放大器的向活性层的陷光系数高的本实施方式的集成型半导体激光器元件，即使在高温下也能够得到足够的光输出。此外，若使集成型半导体激光器元件在高温下工作，则能够抑制调温部件的功耗，所以能够抑制集成型半导体激光器元件整体的功耗。因此，要实现集成型半导体激光器元件的高输出光强度化，优选半导体光放大器的向活性层的陷光系数大。
另外，为了抑制在半导体光放大器的输出端附近从电能到光能的转换效率的降低，也可以将半导体光放大器设置成越是输出侧则宽度越宽的喇叭形结构。
此外，优选使用AlGaInAs活性层作为半导体光放大器的活性层。
通过使用AlGaInAs活性层，容易增大增益，并且高温特性会变好。因此，特别在使激光器元件在高温下工作的情况下，使用AlGaInAs活性层是有效的。另外，作为实施方式2，将在后面叙述在半导体光放大器的活性层中使用AlGaInAs活性层的集成型半导体激光器元件。
如以上所说明的，对输出激光同时要求窄线宽和高强度的集成型半导体激光器元件要求半导体激光器和半导体光放大器具有不同的特性。因此，如作为现有技术的专利文献1记载的集成型半导体激光器元件那样，在半导体激光器和半导体光放大器中使用共同的活性层的结构中，输出激光的窄线宽和高强度的特性会此消彼长，无法同时满足两者。
此外，即使是在半导体激光器和半导体光放大器中使活性层的构成不同的结构，如专利文献2涉及的集成型半导体激光器元件那样，在半导体光放大器的活性层的厚度比半导体激光器的活性层的厚度薄的构成中，抑制半导体光放大器的增益饱和也是一种设计准则，但在半导体光放大器的高光输出化方面存在限度。进一步地，专利文献2涉及的集成型半导体激光器元件没有考虑光谱线宽，在得到窄线宽方面是不合适的。
在以上的考察下，发明者们提出的本实施方式1的集成型半导体激光器元件将半导体激光器和半导体光放大器的活性层分别最佳化，使半导体光放大器的向活性层的陷光系数大于半导体激光器的向活性层的陷光系数。其结果，本实施方式1的集成型半导体激光器元件能够同时良好地具备输出激光的光谱线宽窄且高强度这2个特性。
此外，优选将与半导体光放大器的活性层的带隙能量对应的波长比与半导体激光器的活性层的带隙能量对应的波长稍长。例如，在1550nm段的波长下使用的集成型半导体激光器元件中，对于与半导体激光器的活性层和半导体光放大器的活性层的带隙能量对应的波长来说，半导体光放大器适于为5nm～20nm长波长。由此，能够作为增益大的半导体光放大器。
此外，本发明的实施方式1的集成型半导体激光器元件还具有能够增大输出光所包含的激光的强度与被放大的自然释放(ASE：Amplified Spontaneous Emission)光的强度之比的效果。
图8是表示半导体激光器的输出光所包含的激光的强度与ASE光强度之比的计算结果的图。在图8中，横轴是半导体激光器的振荡波长，纵轴是SSER(Signal toSpontaneous Emission Ratio)。SSER是激光的最大光强度(每波长宽度1nm)与光强度最大的波长下的ASE光强度(每波长宽度1nm)之比。如图8所示，通过减少半导体激光器的量子阱数目，从而具有激光的强度与ASE光强度之比变大的效果。在集成型半导体激光器元件中，得到了作为在半导体激光器单体的激光强度与ASE光强度之比上重叠半导体光放大器的特性后的值的、激光强度与ASE光强度之比，本发明的实施方式1的集成型半导体激光器元件能够改善激光强度与ASE光强度之比，且不会使半导体光放大器的放大率降低。
接着，使用图9～15说明本实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10的制造方法。图9～14示意性示出了各制造工序中沿图1所示的集成型半导体激光器元件10的D-D线的剖面。
首先，如图9所示，在n型InP基板21上，使用金属有机气相沉积(MOCVD：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法，依次堆积n型InP缓冲层22、下部InGaAsP-SCH层23b、活性层24b、上部InGaAsP-SCH层25b、InP分隔层26b和p型InP包层28b。
接着，在整面上堆积SiN膜后，进行图案化，以形成宽度比成为半导体光放大器14的区域S4稍宽的图案，如图10所示，形成覆盖到区域S3的一部分为止的掩模M1。然后，如图11所示，以SiN膜即掩模M1作为掩模来进行蚀刻，去除至下部InGaAsP-SCH层23b为止，露出n型InP缓冲层22。接着，如图12所示，将掩模M1直接用作选择生长的掩模，通过MOCVD法，层叠下部InGaAsP-SCH层23a、活性层24a、上部InGaAsP-SCH层25a、InP分隔层26a、InGaAsP光栅层27和p型InP包层28a。
接着，在去除掩模M1后，重新在整面堆积SiN膜，在形成区域S1的各个DFB激光条纹11-1～11-n的位置，实施图案化，以形成周期彼此不同的衍射光栅的图案。然后，以SiN膜作为掩模进行蚀刻，在InGaAsP光栅层27形成成为衍射光栅的槽G(参照图13的区域S1)。接着，在去除SiN膜的掩模之后，再次在整面堆积p型InP包层。
接着，在整面堆积SiN膜之后，实施图案化，以形成长度为与成为DFB激光条纹11-1～11-n的区域S1以及成为半导体光放大器14的区域S4对应的长度且宽度稍宽的图案。此时，期望相对于成为半导体光放大器14的区域S4，是宽度比最初的图案稍窄的图案。然后，如图13所示，以SiN膜作为掩模进行蚀刻，去除到包括2种活性层24a或者24b的下部InGaAsP-SCH层23a或者23b为止，露出n型InP缓冲层22。接着，直接以SiN膜的掩模作为选择生长的掩模，通过MOCVD法，如图14所示，在区域S2以及区域S3层叠InGaAsP纤芯层30和i型InP层31。
接着，在去除了SiN膜的掩模后，重新堆积SiN膜，实施图案化，以形成与图1所示的DFB激光条纹11-1～11-n、光波导12-1～12-n、MMI光合成器13、半导体光放大器14对应的图案。然后，以该SiN膜作为掩模进行蚀刻，形成与DFB激光条纹11-1～11-n、光波导12-1～12-n、MMI光合成器13、半导体光放大器14对应的台式结构，并且在这以外的区域内，使n型InP缓冲层22露出。
图15是说明进行该工序后的状态的平面示意图。在区域S1～S4中，形成与DFB激光条纹11-1～11-n、光波导12-1～12-n、MMI光合成器13、半导体光放大器14的每一个对应的形状的台式结构MS1～MS4。
接着，以在刚刚之前的工序中使用过的SiN膜的掩模作为选择生长的掩模，使用MOCVD法，在露出的n型InP缓冲层22上，依次堆积p型InP电流阻挡层32和n型电流阻挡层33。由此，形成埋入部15。接着，在去除了SiN膜的掩模后，使用MOCVD法，在区域S1～S4的整面依次堆积p型InP包层34、InGaAs接触层35。
接着，在整面堆积SiN膜后，对SiN膜实施图案化，以形成与沟槽16-1～16-m对应的图案。然后，以该SiN膜作为掩模进行蚀刻，形成沟槽16-1～16-m。
对于沟槽16-1～16-m来说，虽然例如形成至到达n型InP缓冲层22的深度为止，但是只要形成到DFB激光条纹11-1～11-n间能够被电分离的深度为止即可。
接着，在去除SiN膜的掩模后，再次在整面堆积SiN膜，形成针对DFB激光条纹11-1～11-n和半导体光放大器14的开口部，从而形成SiN保护膜38。进一步，在整面堆积由AuZn/Au形成的两层导电膜后，通过进行图案化，形成为与DFB激光条纹11-1～11-n和半导体光放大器14对应的形状，从而形成p侧电极39。另一方面，在n型InP基板21的背面，通过研磨而调整n型InP基板21的厚度后，形成由AuGeNi/Au形成的两层结构的n侧电极40。通过上述制造工序，形成半导体光放大器14、DFB激光条纹11-1～11-n、光波导12-1～12-n、MMI光合成器13。
最后，将n型InP基板21解理成多个集成型半导体激光器元件10并排的条状，通过在形成了DFB激光条纹11-1～11-n、半导体光放大器14的两端面涂敷反射防止膜，然后按各集成型半导体激光器元件10的每一个进行分离，由此完成集成型半导体激光器元件10。
如以上所述，制造本实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10，实现输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件。
(实施例1)
作为本发明的实施例1涉及的半导体激光器模块，制造了使用具有实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10的构成的集成型半导体激光器元件的半导体激光器模块。
实施例1的DFB激光条纹11-1～11-n分别具有宽度为2.0μm、长度为1200μm的条纹状的埋入结构，集成型半导体激光器元件的半导体光放大器的宽度为2.0μm，谐振器长度为1500μm。此外，n为16。
DFB激光条纹11-1～11-n的活性层24a具有由InGaAsP形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为4。此外，下部InGaAsP-SCH层23a、活性层24a和上部InGaAsP-SCH层25a的总厚度为145nm。此时，向量子阱的陷光系数之和为3.0％。
半导体光放大器14的活性层24b具有由InGaAsP形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为6。
此外，下部InGaAsP-SCH层23b、活性层24b和上部InGaAsP-SCH层25b的总厚度为175nm。此时，向量子阱的陷光系数之和为5.4％。
在本实施例1涉及的半导体激光器模块中，集成型半导体激光器元件的温度为55℃，将DFB激光条纹的驱动电流设为200mA，将半导体光放大器的驱动电流设为300mA。其结果，半导体激光器模块的输出激光的光谱线宽小于300kHz，且半导体激光器模块的输出激光的光强度为40mW。
本实施例1涉及的半导体激光器模块通过减小DFB激光条纹的向活性层的陷光系数，从而减小了输出激光的光谱线宽。此外，本实施例1涉及的半导体激光器模块由于增大了半导体光放大器的向活性层的陷光系数，所以能够提高输出激光的光强度。
此外，实际测量本实施例1涉及的半导体激光器模块的输出光的SSER发现，在所使用的全波长范围内，在40dB以上。因此，在本实施例1涉及的半导体激光器模块中，集成型半导体激光器元件的输出激光的强度与ASE光的光强度之比较大，噪声少。
(实施方式2)
接着，说明本发明的实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件。图16是本发明的实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件的示意俯视图。如图16所示，本发明的实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件110构成为集成型半导体激光器元件。集成型半导体激光器元件110具有以下结构：在一个半导体基板上集成了作为输出激光的半导体激光器的多个DR激光条纹111-1～111-n(n为2以上的整数)、多个光波导112-1～112-n、MMI光合成器113、将DR激光条纹111-1～111-n的输出激光放大的半导体光放大器114，且在它们周围形成埋入部115。此外，在DR激光条纹111-1～111-n间设置用于使各DR激光条纹电分离的沟槽116-1～116-m(m＝n-1)。此外，在此，虽然说明了具有多个DR激光条纹111的方式，但DR激光条纹111也可以是1个，此时不需要沟槽。
DR激光条纹111-1～111-n是分别具有宽度1.3～2.5μm的条纹状的埋入结构的端面发光型激光器，在集成型半导体激光器元件110的与光输出侧的输出端114a相反的一侧的一端，在宽度方向上以25μm间距来形成这些激光条纹。DR激光条纹111-1～111-n如后那样具备进行电流注入的分布反馈型激光器部和不进行电流注入的分布式黑反射部，各部分的长度分别为1200μm以及300μm。DR激光条纹111-1～111-n通过使各DR激光条纹所具备的衍射光栅的间隔彼此不同，从而构成为输出激光的波长在1550nm段(例如1530nm～1570nm)的范围内不同。此外，DR激光条纹111-1～111-n的激光器振荡波长可通过使集成型半导体激光器元件110的设定温度发生变化来进行调整。即，集成型半导体激光器元件110通过要驱动的DR激光条纹的切换和温度控制来实现大的波长可调范围。
光波导112-1～112-n虽然是与实施方式1的光波导12-1～12-n相同的构成，但并不特别限定。MMI光合成器113虽然是与实施方式1的MMI光合成器13相同的构成，但并不特别限定。与MMI光合成器113的输出端口113a连接的半导体光放大器114除了后述的下部SCH层、活性层、上部SCH层的设计以外，其他结构与实施方式1的半导体光放大器14相同，但并不特别限定。
此外，集成型半导体激光器元件110的DR激光条纹的剖面、即图16的E-E线主要部分剖视图、MMI光合成器113的剖面、即图16的F-F线主要部分剖视图、半导体光放大器114的剖面、即图16的G-G线主要部分剖视图分别与图2、3、4相同。
图17是图16所示的集成型半导体激光器元件的H-H线主要部分剖视图。在图17中，区域S11-1表示DR激光条纹的分布式黑反射部，区域S11-2表示DR激光条纹的分布反馈型激光器部，区域S12表示光波导，区域S13表示MMI光合成器113，区域S14表示半导体光放大器114。如图17所示，DR激光条纹、光波导、MMI光合成器113、半导体光放大器114形成在同一n型InP基板121以及n型InP缓冲层122上。另外，在n型InP基板121的背面形成n侧电极140。
分布反馈型激光器部和分布式黑反射部具有形成在n型InP缓冲层122上的相同设计的下部InGaAsP-SCH层123a、包括多量子阱层的第1活性层即活性层124a、和上部InGaAsP-SCH层125a。进一步地，分布反馈型激光器部和分布式黑反射部具有在上部InGaAsP-SCH层125a上依次层叠InP分隔层126a、形成有等间隔地配置了槽G的光栅的InGaAsP光栅层127和p型InP包层128a的结构。并且，在分布反馈型激光器部中，下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a在整个光谐振器长度方向上连续，且在活性层124a的附近沿该活性层124a配置了InGaAsP光栅层127。在分布式黑反射部，离散地且周期性地配置了下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a，以便形成衍射光栅，且其周期与InGaAsP光栅层127的周期相同。
从p型InP包层128a直至到达n型InP缓冲层122的中途的深度为止形成构成DR激光条纹的台式结构。台式结构的宽度方向两侧被构成埋入部115的p型InP电流阻挡层和n型电流阻挡层的层叠结构埋入。
进一步地，DR激光条纹具备依次形成在p型InP包层128a以及n型电流阻挡层上的p型InP包层134和InGaAs接触层135。活性层124a和从上下夹持活性层124a的下部InGaAsP-SCH层123a、上部InGaAsP-SCH层125a、n型InP缓冲层122以及p型InP包层128a、134构成波导结构。此外，从InGaAs接触层135直至到达n型InP缓冲层122的中途的深度为止形成沟槽116-1～116-m。SiN保护膜138形成为覆盖InGaAs接触层135的表面以及沟槽116-1～116-m的内表面。另外，在InGaAs接触层135的与DR激光条纹的分布反馈型激光器部对应的位置的上表面，形成未被SiN保护膜138覆盖的开口部，p侧电极139形成为在该开口部与InGaAs接触层135接触。此时，在与分布式黑反射部对应的位置处，在SiN保护膜138上不形成开口部。由此，p侧电极139在与DR激光条纹的分布式黑反射部对应的位置处不与InGaAs接触层135相接(参照图17)。
活性层124a具有与实施方式1的活性层24a相同的组成、量子阱层厚度、量子阱数目以及下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a及上部InGaAsP-SCH层125a的总厚度，向量子阱的陷光系数之和也与活性层24a的情况相同，是3.0％。
MMI光合成器113具有与实施方式1的MMI光合成器13相同的构成。另外，InGaAsP纤芯层130、i型InP层131分别与InGaAsP纤芯层30、i型InP层31对应。因此，构成InGaAsP纤芯层130的InGaAsP的组成被设定成其带隙波长是比DR激光条纹111-1～111-n的激光器振荡波长短的波长。
此外，半导体光放大器114的活性层124b由AlGaInAs形成，具有与实施方式1的活性层24b相同的量子阱层厚、量子阱数目。此外，作为使组成阶段性变化的SCH层，设置了下部AlGaInAs-SCH层123b以及上部AlGaInAs-SCH层125b。下部AlGaInAs-SCH层123b、活性层124b、上部AlGaInAs-SCH层125b的总厚度为150nm。此时，计算出的向量子阱的陷光系数之和为5.8％。
另外，本实施方式2中的各构成要素的参数的适合范围与关于上述的实施方式1中对应的构成要素而例示为参数的适合范围的范围相同。
集成型半导体激光器元件110其工作方式与实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10相同。
在此，如上所述，DR激光条纹111-1～111-n的活性层124a与半导体光放大器114的活性层124b的构成不同。例如，DR激光条纹111-1～111-n的活性层124a的量子阱数目为4，半导体光放大器114的活性层124b的量子阱数目为6。由于构成不同，半导体光放大器114的向活性层124b的陷光系数(5.8％)大于DR激光条纹111-1～111-n的向活性层124a的陷光系数(3.0％)。因此，集成型半导体激光器元件110与实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10同样地，输出激光的光谱线宽窄且是高强度。另外，在本实施方式2中，DR激光条纹111-1～111-n与半导体光放大器114的向量子阱的陷光系数之比在1.9倍以上，大于实施方式1的DFB激光条纹11-1～11-n与半导体光放大器14的向量子阱的陷光系数之比。在使用DR激光器的情况下，与使用DFB激光器的情况相比，为了得到期望的特性，适合的激光器的量子阱数目很少。因此，在本实施方式2中，激光器和半导体光放大器的适合的量子阱数目的差异变大。与此相应地，由于陷光系数的差异也变大，所以能够得到本发明的实施方式的更大的效果。
接着，说明本实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件的制造方法的一例。本实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件的制造方法除制造DR激光条纹111-1～111-n的工序以外，能够与实施方式1同样地进行制造。因此，主要说明制造DR激光条纹111-1～111-n的工序，但适当参照用于说明实施方式1涉及的集成型半导体激光器元件10的制造方法的图9～15。
首先，在n型InP基板121上，依次堆积n型InP缓冲层122、下部AlGaInAs-SCH层123b、活性层124b、上部AlGaInAs-SCH层125b、InP分隔层126b、p型InP包层128b(也参照图9)。活性层124b是包含在半导体光放大器114中的活性层。
接着，在整面堆积SiN膜后，进行图案化，以形成宽度比成为半导体光放大器114的区域S14稍宽的图案，形成覆盖至区域S13的一部分这样的掩模(也参照图10)。然后，将作为SiN膜的掩模设为掩模来进行蚀刻，直至下部AlGaInAs-SCH层123b为止都去除后露出n型InP缓冲层122(也参照图11)。接着，直接将掩模用作选择生长的掩模，层叠下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a、InP分隔层126a、InGaAsP光栅层127和p型InP包层128a(参照图12)。活性层124a是包含在DR激光条纹111-1～111-n中的活性层。
接着，形成具备分布反馈型激光器部和分布式黑反射部的DR激光条纹111-1～111-n。图18、19是说明图16所示的集成型半导体激光器元件的制造方法的图。首先，去除掩模(与图12的掩模M1对应)后，如图18的最上段的图所示那样，重新在整面堆积SiN膜，在分别形成成为分布式黑反射部的区域S11-1和成为分布反馈型激光器部的区域S11-2的DR激光条纹111-1～111-n的位置，实施图案化，以形成周期彼此不同的衍射光栅的图案，作为掩模M2。然后，如从图18上方起第2个图所示那样，以掩模M2作为掩模，通过以甲烷及氢气作为蚀刻气体的干蚀刻装置进行蚀刻，在InGaAsP光栅层127上形成成为衍射光栅的槽G。
进一步，如从图18上方起第3个图所示，形成掩模M3以便填埋槽G并且覆盖掩模M2，进一步在成为分布反馈型激光器部的区域S11-2的掩模M3形成抗蚀剂膜R。在此，掩模M3是如下的材料：在针对规定的蚀刻液的蚀刻速率与掩模M2的蚀刻速率之间，存在差异。作为掩模M3的材料，例如是SiO2，能够利用SOG(Spin On Glass)。另外，只要掩模M3由SiO2形成，则掩模M2可以是由硅或金属形成的膜。
接着，如图18的最下段的图所示，通过缓冲氢氟酸液(BHF：Buffered HF)来去除成为分布式黑反射部的区域S11-1的掩模M3，使槽G露出。此时，由于针对BHF的掩模M3的蚀刻速率大于针对BHF的掩模M2的蚀刻速率，所以掩模M3被选择性蚀刻，掩模M2残留。
接着，如图19的最上段的图所示，去除抗蚀剂膜R。进一步，如从图19的上方起第2个图所示，通过将甲烷以及氢气作为蚀刻气体的干蚀刻装置，进行蚀刻，对槽G进一步深入蚀刻至到达下部InGaAsP-SCH层123a的底面的深度为止。其结果，在成为分布式黑反射部的区域S11-1内，下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a因槽G而被分离，形成周期性配置的衍射光栅结构。另一方面，在成为分布反馈型激光器部的区域S11-2内，下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a在整个光谐振器长度方向上保持连续。即，该工序是，在成为分布反馈型激光器部的区域S11-2的最表面形成掩模M3，从该工序的蚀刻中保护成为分布反馈型激光器部的区域S11-2的下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a而进行的。
另外，在分布式黑反射部中，InGaAsP光栅层127不一定必须存在，但由于InGaAsP光栅层127也有助于分布式黑反射部的耦合系数κ，因此也可以不必特别从制造工序中去除。
之后，如从图19上方起第3个图所示，去除掩模M2、M3，如图19的最下段的图所示，再次在整面堆积p型InP包层128a。
通过以上工序，形成DR激光条纹111-1～111-n的DR结构。之后，适当进行与在集成型半导体激光器元件10的制造方法中使用图13说明过的工序对应的工序、以及其以后的工序来完成集成型半导体激光器元件110。
另外，在本实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件的制造方法中，DR激光条纹的分布式黑反射部的加工是通过使用甲烷和氢气作为蚀刻气体的蚀刻来进行的。在使用甲烷和氢气作为蚀刻气体的干蚀刻中，InP、InGaAsP被良好地蚀刻，但AlGaInAs几乎不被蚀刻。另一方面，在使用氯气系的气体作为蚀刻气体的干蚀刻中，AlGaInAs的蚀刻良好地推进，但由于半导体的损坏大，所以对于对活性层的精细加工来说是不合适的。因此，在要蚀刻活性层的这种DR激光条纹中，对于活性层而言，在加工方面优选InGaAsP，而并非AlGaInAs。在本实施方式2的集成型半导体激光器元件中，将半导体光放大器的活性层的构成材料设为AlGaInAs，将DR激光条纹的活性层的构成材料设为InGaAsP。因此，具有以下优点：在半导体光放大器中，利用AlGaInAs的良好的增益特性的同时，容易在DR激光条纹中进行加工。
如以上所述，制造本实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件110，实现输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件。
(实施例2)
作为本发明的实施例2涉及的半导体激光器模块，制造了使用具有实施方式2涉及的集成型半导体激光器元件110的构成的集成型半导体激光器元件的半导体激光器模块。
实施例2的DR激光条纹111-1～111-n分别具有宽度2.0μm、长度1200μm的条纹状的埋入结构，集成型半导体激光器元件的半导体光放大器的宽度为2.0μm，分布反馈型激光器部和分布式黑反射部的长度分别为1200μm以及300μm。此外，n为16。
DR激光条纹111-1～111-n的活性层124a具有由InGaAsP形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为4。此外，下部InGaAsP-SCH层123a、活性层124a、上部InGaAsP-SCH层125a的总厚度为145nm。此时，向量子阱的陷光系数之和为3.0％。
半导体光放大器114的活性层124b具有由AlGaInAs形成的多量子阱活性层，量子阱层的厚度为6nm，量子阱数目为6。
此外，下部AlGaInAs-SCH层123b、活性层124b、上部AlGaInAs-SCH层125b的总厚度为150nm。此时，向量子阱的陷光系数之和为5.8％。
在集成型半导体激光器元件为30℃的情况下，在本实施例2涉及的半导体激光器模块中，将DR激光条纹的驱动电流设为200mA，将半导体光放大器的驱动电流设为250mA。其结果是，半导体激光器模块的输出激光的光谱线宽是150kHz，且半导体激光器模块的输出激光的光强度是40mW。进一步，在集成型半导体激光器元件为70℃的情况下，在本实施例2涉及的半导体激光器模块中，若将DR激光条纹的驱动电流设为200mA，将半导体光放大器的驱动电流设为400mA，则半导体激光器模块的输出激光的光谱线宽为150kHz，且半导体激光器模块的输出激光的光强度为40mW。
本实施例2涉及的半导体激光器模块通过减小DR激光条纹的向活性层的陷光系数，成为了对窄线宽更有利的DR激光条纹，从而能够使输出激光的光谱线宽变窄。此外，本实施例2涉及的半导体激光器模块由于增大了半导体光放大器的向活性层的陷光系数，并进一步在半导体光放大器中使用高增益特性优异的AlGaInAs活性层，所以能够提高输出激光的光强度。
进一步地，本实施例2涉及的半导体激光器模块即使在高温下特性劣化也很少。这样，本实施例2涉及的半导体激光器模块能够提高集成型半导体激光器元件的温度来使用，所以能够降低半导体激光器模块的调温部件的功耗。
以上，如所说明的那样，根据本实施方式，能够提供一种输出激光的光谱线宽窄且高强度的集成型半导体激光器元件。
另外，在上述实施方式中，说明了具备作为多个半导体激光器的DFB激光条纹或者DR激光条纹和半导体光放大器，并进一步具备光波导和MMI光合成器的集成型半导体激光器元件，但本发明并不限于此。例如，也可以是将半导体激光器与半导体光放大器直接连接，而不具有光波导、MMI光合成器等光合成器的构成。此外，例如，也可以是具备光损耗部的集成型半导体激光器元件，该光损耗部配置在半导体激光器与半导体光放大器之间并使半导体激光器的输出激光的光强度受到损耗后使其输入到半导体光放大器。在该情况下，也能够通过适当地选择半导体激光器以及半导体光放大器的向多量子阱活性层的陷光系数，从而得到本发明的效果。
此外，在上述实施方式中，为了使半导体光放大器的向活性层的陷光系数大于半导体激光器的向活性层的陷光系数，采用了使半导体光放大器的活性层的量子阱数目比半导体激光器的活性层的量子阱数目多的构成，但本发明并不限于此。
即，与一维层结构相关的陷光系数可通过矩阵法等来求取。实际的光元件中的波导是二维陷光的通道波导，但在设计半导体激光器与半导体光放大器的相对关系的情况下，可以仅考虑层叠方向的一维。因此，通过改变半导体激光器和半导体光放大器的活性层的每1层量子阱的厚度，从而能够使陷光系数具有差异。在该情况下，要使半导体光放大器的向活性层的陷光系数大于半导体激光器的向活性层的陷光系数，只要使半导体光放大器的活性层(第2活性层)的每1层量子阱的厚度比半导体激光器的活性层(第1活性层)的每1层量子阱的厚度厚即可。另外，由于量子阱的增益、光吸收与厚度成反比，所以可以以陷光系数除以每1层量子阱的厚度而得到的值作为基准来设定相对关系。
此外，并不通过上述实施方式来限定本发明。对上述各构成要素适当组合而构成的结构也包含在本发明中。此外，本领域技术人员也能够容易导出进一步的效果、变形例。由此，本发明的更广泛的形式并不限于上述实施方式，能够进行各种变更。
工业上的可利用性
如上所述，本发明涉及的集成型半导体激光器元件以及半导体激光器模块主要适合利用于光通信。
符号说明
10，110 集成型半导体激光器元件
11-1～11-n DFB激光条纹
111-1～111-n DR激光条纹
12-1～12-n，112-1～112-n 光波导
13，113 MMI光合成器
13a，113a 输出端口
14，114 半导体光放大器
14a，114a 输出端
15，115 埋入部
16-1～16-m，116-1～116-m 沟槽
21，121 n型InP基板
22，122 n型InP缓冲层
23a，23b，123a 下部InGaAsP-SCH层
123b 下部AlGaInAs-SCH层
24a，24b，124a，124b 活性层
25a，25b，125a 上部InGaAsP-SCH层
125b 上部AlGaInAs-SCH层
26a，26b，126a，126b InP分隔层
27，127 InGaAsP光栅层
28a，28b，128a，128b p型InP包层
30，130 InGaAsP纤芯层
31，131 i型InP层
32 p型InP电流阻挡层
33 n型电流阻挡层
34，134 p型InP包层
35，135 InGaAs接触层
38，138 SiN保护膜
39，139 p侧电极
40，140 n侧电极
G 槽
M1～M3 掩模
MS1～MS4 台式结构
R 抗蚀剂膜

Claims (14)

1.一种集成型半导体激光器元件，在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光器元件的特征在于，
所述半导体激光器包括第1活性层，
所述半导体光放大器包括第2活性层，
所述第1活性层以及所述第2活性层具有多量子阱结构，
所述第2活性层的量子阱数目比所述第1活性层的量子阱数目多，
该集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽在300kHz以下，
向所述第2活性层的陷光系数大于向所述第1活性层的陷光系数。
2.根据权利要求1所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述第2活性层的量子阱数目在5个以上。
3.一种集成型半导体激光器元件，在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光器元件的特征在于，
所述半导体激光器包括第1活性层，
所述半导体光放大器包括第2活性层，
所述第1活性层以及所述第2活性层具有多量子阱结构，
所述第2活性层的每1层量子阱的厚度比所述第1活性层的每1层量子阱的厚度厚，
该集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽在300kHz以下，
向所述第2活性层的陷光系数大于向所述第1活性层的陷光系数。
4.一种集成型半导体激光器元件，在基板上集成了半导体激光器和对所述半导体激光器的输出激光进行放大的半导体光放大器，所述集成型半导体激光器元件的特征在于，
所述半导体激光器包括第1活性层，
所述半导体光放大器包括第2活性层，
向所述第2活性层的陷光系数大于向所述第1活性层的陷光系数，
该集成型半导体激光器元件的输出激光的光谱线宽在300kHz以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
该集成型半导体激光器元件的输出激光的光强度在40mW以上。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
该集成型半导体激光器元件的输出激光是连续光。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述第2活性层的与带隙能量对应的波长比所述第1活性层的与带隙能量对应的波长长。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
该集成型半导体激光器元件具备：光损耗部，配置在所述半导体激光器与所述半导体光放大器之间，使所述半导体激光器的输出激光的光强度受到损耗后使其输入到所述半导体光放大器。
9.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
该集成型半导体激光器元件具备：
所述半导体激光器的输出激光的波长互不相同的多个所述半导体激光器；和
光合成器，对所述多个半导体激光器的输出激光进行合成。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述半导体激光器的光谐振器长度方向的长度在1000μm以上。
11.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述半导体激光器以及所述半导体光放大器被集成在由InP形成的所述基板上，
所述第1活性层以及所述第2活性层包含InGaAsP系的材料。
12.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述半导体激光器以及所述半导体光放大器被集成在由InP形成的所述基板上，
所述第1活性层包含InGaAsP系的材料，
所述第2活性层包含AlGaInAs系的材料。
13.根据权利要求1～4中任一项所述的集成型半导体激光器元件，其特征在于，
所述半导体激光器具有分布反馈型激光器部和分布式黑反射部，
在所述分布反馈型激光器部中，所述第1活性层在整个光谐振器长度方向上连续，并且在所述第1活性层的附近沿该第1活性层配置衍射光栅层，
在所述分布式黑反射部中，离散地且周期性地配置有所述第1活性层，以形成衍射光栅。
14.一种半导体激光器模块，其特征在于，具备权利要求1～13中任一项所述的集成型半导体激光器元件。
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