JP2013102003A - 集積型半導体レーザ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】所望のスペクトル線幅および所望の光強度のレーザ光を出力できる集積型半導体レーザ素子を提供すること。
【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分布帰還型の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光がそれぞれ入力される、該半導体レーザと同じ数の入力ポートを有し、該出力光を合流させて出力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、が集積され、前記半導体レーザの個数をＮ、前記各半導体レーザの共振器長および出力されるレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬdfb、Δν０とし、前記半導体光増幅器の増幅器長、増幅率、および出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬsoa、Ａ、Δνとし、Δν／Δν０をＲとすると、所定の関係式が成り立つ。
【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に関する。
たとえばＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光通信用の波長可変光源として、互いにレーザ発振波長が異なる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が開示されている（たとえば特許文献１参照）。この種の集積型半導体レーザ素子では、動作させる半導体レーザを切り替えて、出力するレーザ光の波長を変化させることによって波長可変レーザとして機能する。複数の半導体レーザには、光合流器、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）が順次接続されている。動作させる半導体レーザからのレーザ光は、光合流器を通過した後、ＳＯＡによって光増幅されて素子の出力端から出力される。
上記のような集積型半導体レーザ素子は、例えばピグテイルファイバ付きのレーザモジュールに組み込まれて使用される。このようなレーザモジュールは、例えば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、信号光源として使用される。
ここで、伝送速度が４０、１００、４００Ｇｂｐｓのデジタルコヒーレント伝送用途の信号光源または局発光源として、高強度かつ狭線幅なレーザ光を出力できる波長可変レーザが必要である。たとえば、一般的な例として、ＤＰ-ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）方式の１００Ｇｂｐｓ伝送で用いられる光源としては、レーザモジュールのピグテイルファイバからの光出力強度が４０ｍＷ以上、スペクトル線幅が５００ｋＨｚ以下であることが要求される。また別の例として、ＤＰ-１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）方式の４００Ｇｂｐｓ伝送では、レーザモジュールのピグテイルファイバからの光出力強度が４０ｍＷ以上、スペクトル線幅が１００ｋＨｚ以下であることが要求される。
特開２００５−３１７６９５号公報
上記の集積型半導体レーザ素子において、狭線幅特性を実現するためには、一般的に半導体レーザの狭線幅化が行われる。このような半導体レーザとしては、単一モード発振の歩留まりの高い分布帰還型レーザ(Distributed Feedback Laser Diode: ＤＦＢ−ＬＤ)が好適に用いられる。ＤＦＢレーザを狭線幅化するためには、レーザ素子内の回折格子の結合係数κおよびＤＦＢレーザの共振器長（Ｌdfbとする）の値を大きくすることが行われている。しかしながら、κおよびＬdfbの値を大きくすると、サイドモード抑圧比（Side-Mode Suppression Ratio：ＳＭＳＲ）が劣化し、単一モード発振確率が低下するという問題がある。そのため、κとＬdfbとの積であるκＬdfbを１．５程度以下に抑えることが好ましい。つまり好ましいＤＦＢレーザの狭線幅化は、κＬdfbを１．５程度に保ちつつ、Ｌdfbを大きくすることで実現できる。ただし、Ｌdfbの値を大きくすることで電流-光変換効率が低下してしまう。この電流-光変換効率の低下を補い、集積型半導体レーザ素子から所望の光出力強度を得るためには、ＤＦＢレーザの駆動電流を大きくする手段（第１の手段）、または半導体光増幅器の増幅率を大きくする手段（第２の手段）がある。
第１の手段では、駆動電流を大きくすることによりレーザ共振器内で空間的なホールバーニングという現象が起こるため、スペクトル線幅が広くなることが知られている。
一方、集積型半導体レーザ素子において、第２の手段では、半導体レーザから出力されたレーザ光のスペクトル線幅が、半導体増幅器によって増幅される際に広がる場合がある。この場合、集積型半導体レーザ素子から出力されるレーザ光のスペクトル線幅が所望の線幅よりも広くなる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、所望のスペクトル線幅および所望の光強度のレーザ光を出力できる集積型半導体レーザ素子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分布帰還型の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光がそれぞれ入力される、該半導体レーザと同じ数の入力ポートを有し、該出力光を合流させて出力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、が集積され、前記半導体レーザの個数をＮ、前記各半導体レーザの共振器長および出力されるレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬdfb、Δν０とし、前記半導体光増幅器の増幅器長、増幅率、および出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬsoa、Ａ、Δνとし、Δν／Δν０をＲとすると、以下の式（１）が成り立つことを特徴とする。
Figure 2013102003
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記各半導体レーザは、当該各半導体レーザからの前記出力光のスペクトル線幅が２５０ｋＨｚ以下になるように、当該各半導体レーザにおける回折格子の結合係数と共振器長との積の値が設定されており、かつＲは２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、上記発明において、前記各半導体レーザの共振器長が１２００μｍ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、上記発明において、前記各半導体レーザにおける回折格子の結合係数と共振器長との積が略１．５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、上記発明において、前記半導体光増幅器からの出力光の強度が５０ｍＷ以上であることを特徴とする。
本発明によれば、所望のスペクトル線幅および所望の光強度のレーザ光を出力できる集積型半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態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、ＤＦＢレーザの共振器長Ｌdfbと、ＤＦＢレーザ単体のスペクトル線幅Δν０と、の関係の例を示す図である。 図５は、ＳＯＡの増幅率Ａと、Ｒ＝Δν／Δν０＝２となるときのＬsoa／Ｌdfbと、の関係を示す図である。 図６は、ＳＯＡからの光出力強度と、ＳＯＡからの光出力のスペクト線幅Δνと、の関係を示す図である。 図７は、図６に示す場合における、Ｌsoa／ＬdfbとΔν／Δν０との関係を示す図である。 図８は、ＤＦＢレーザにおけるκＬdfbとＳＭＳＲとの関係を示す図である。 図９は、ＤＦＢレーザにおけるκＬdfbとＤＦＢレーザ単体のスペクトル線幅Δν０との関係を示す図である。
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。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態）
図１は、実施の形態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、Ｎ個のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）と、Ｎ個の光導波路１２−１〜１２−Ｎと、光合流器１３と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）１４とを一つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１５により埋め込んだ構造を有する。ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎ間の埋め込み部１５には、トレンチ溝１６−１〜１６−Ｍ（Ｍ＝Ｎ―１）を設けている。
ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎは、各々が幅１．５μｍ〜３μｍ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たとえば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、そのレーザ発振波長が約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で互いに相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの各発振波長は、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。
なお、温度調整によるＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎのそれぞれのレーザ発振波長の微調整の範囲は、３ｎｍ程度以下とすることが好ましい。したがって、約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長範囲をカバーするためには、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの個数は１２以上が好ましく、たとえば１６である。ただし、Ｎの値は特に限定されない。また、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの発振波長の範囲は、たとえば約１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍとしてもよい。
図１において、長さＬ１はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの共振器長Ｌdfbを示している。共振器長については後に詳述する。
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。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２４、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。グレーティング層２７には回折格子が形成されている。
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ストライプ状のメサ構造を有している。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いる。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。
活性層２４は、交互に積層した複数の井戸層と障壁層とを有している。井戸層および障壁層は、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡlＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる。活性層２４の組成は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの発振波長に対応する帯域である、たとえば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、活性層２４の幅は、例えば１．４μｍ〜１．７μｍである。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、Ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートとを有するＭＭＩ（Multi-Mode Interferometer）型光カプラである。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いる。また、光合流器１３は、メサ幅がＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎよりも幅広く形成されている。また、光合流器１３においては、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。
なお、光合流器１３は、ＭＭＩ型光カプラに限定されず、たとえばフレネルカプラのような他のＮ×１光カプラでもよい。
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のＮ個の入力ポートとを光学的に接続している。
ＳＯＡ１４は、光合流器１３の１つの出力ポート１３ａに接続している。ＳＯＡ１４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。ただし、ＳＯＡ１４はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎとは異なりグレーティング層２７を有さず、その代わりにｐ型ＩｎＰ層が形成されている。ＳＯＡ１４においても、活性層の幅は、例えば１．４μｍ〜１．７μｍであるが、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎが出力するレーザ光を単一モードで導波できる幅であれば特に限定はされない。
なお、図１において、長さＬ２はＳＯＡ１４の長さ（増幅器長）Ｌsoaを示している。増幅器長については後に詳述する。
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１６−１〜１６−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レーザからのレーザ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レーザ光を通過させて出力ポート１３ａから出力する。ＳＯＡ１４は、出力ポート１３ａから出力したレーザ光を増幅して、出力端１４ａから集積型半導体レーザ素子１００の外部に出力する。ＳＯＡ１４は、駆動するＤＦＢレーザからのレーザ光の光合流器１３による光の損失を補うとともに、出力端１４ａから所望の強度の光出力を得るために用いられる。なお、光合流器１３がＮ個の入力ポートと１個の出力ポートを有する場合、駆動するＤＦＢレーザからのレーザ光の強度は、光合流器１３によって約１／Ｎに減衰される。
ここで、駆動するＤＦＢレーザが出力するレーザ光のスペクトル線幅は、ＤＦＢレーザの共振器長Ｌdfbと、回折格子の結合係数κとに依存して変化する。具体的には、Ｌdfbを長くしたり、κを大きくしたりするとスペクトル線幅を狭くすることができる。
図４は、ＤＦＢレーザの共振器長Ｌdfbと、ＤＦＢレーザ単体のスペクトル線幅Δν０と、の関係の例を示す図である。図４は、図２の構造を有するＤＦＢレーザにおいて、出力するレーザ光の強度を２０ｍＷになるように駆動電流を設定した場合を示している。
図４に示すように、出力するレーザ光の強度が同じであっても、Ｌdfbが長いほどスペクトル線幅Δν０は狭くなる。また、κＬdfbが大きいほどスペクトル線幅Δν０は狭くなる。したがって、さまざまなＬdfbの値に対して適切にκを調整することによって、所望のスペクトル線幅Δν０を得ることができる。ただし、κＬdfbが大きいとＤＦＢレーザが多モード発振する場合があるので、κＬdfbは１．５程度にすることが好ましい。
つぎに、ＳＯＡ１４の増幅器長ＬsoaとＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの共振器Ｌdfbとの関係について説明する。本実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子１００では、ＬsoaとＬdfbとが、つぎの式（１）を満たすように設定されている。
Figure 2013102003
ここで、ＮはＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの個数、または光合流器１３の入力ポートの個数である。ＡはＳＯＡ１４の増幅率である。また、Δν０はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎから出力されるレーザ光のスペクトル線幅、ΔνはＳＯＡ１４の出力端１４ａから出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅、ＲはΔν／Δν０である。
本発明者が、集積型半導体レーザ素子１００のスペクトル線幅の特性について精査したところによれば、ＬsoaとＬdfbとが式（１）を満たしていれば、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎから出力されるレーザ光のスペクトル線幅Δν０と、ＳＯＡ１４の出力端１４ａから出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅Δνとの比Δν／Δν０が、所望の値以下となる。このとき、ＳＯＡ１４によるレーザ光のスペクトル線幅の広がりが、もともとのスペクトル線幅に対して所望値以下に抑制される。Ｒについては、１より大きい値であれば特に限定されないが、狭線幅のためには４以下が好ましく、たとえば２とすることが好ましい。
以下、具体的に説明する。本発明者らは、はじめに、ＤＦＢレーザの共振器長を６００μｍ、９００μｍ、１２００μｍ、または１５００μｍとし、出力するレーザ光の強度が２０ｍＷの場合にスペクトル線幅Δν０が２５０ｋＨｚとなるようにκを設定し、かつＤＦＢレーザの個数およびＳＯＡの増幅器長Ｌsoaが異なる集積型半導体レーザ素子を試作した。そして、ＳＯＡの駆動電流を変化させることによって増幅率Ａを変化させながら、集積型半導体レーザ素子の動作時にＳＯＡの出力端から出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅Δνを調べた。
図５は、ＳＯＡの増幅率Ａと、Ｒ＝Δν／Δν０＝２となるときのＬsoa／Ｌdfbと、の関係を示す図である。なお、図５では、Ｎが１２または１６の場合を示している。菱形の記号はＮが１２の場合のデータを示している。四角形の記号はＮが１６の場合のデータを示している。また、図５において、線Ｌ３、Ｌ４は、式（１）で等号が成り立つ場合においてそれぞれＮ＝１２、Ｎ＝１６とした場合を示す曲線である。
図５に示すように、Ｎが１２、１６のいずれの場合も、Δν／Δν０＝２となるときのＬsoa／Ｌdfbと増幅率Ａとの関係は、式（１）においてＲ＝２とし、かつ等号が成り立つ場合で表されることが確認された。また、Ｒが１より大きくかつ２以外の値になる場合の、ＳＯＡの増幅率ＡとＬsoa／Ｌdfbとの関係を調べたところ、いずれの場合も、Δν／Δν０＝ＲとなるときのＬsoa／Ｌdfbと増幅率Ａとの関係は、式（１）において等号が成り立つ場合で表されることが確認された。したがって、式（１）にしたがってＬsoa／Ｌdfbの関係を設定することによって、レーザ光のスペクトル線幅を所望の狭い値にすることが可能となる。
なお、上記のように、ＤＦＢレーザが出力するレーザ光のスペクトル線幅Δν０が２５０ｋＨｚ以下になるようにκＬを設定すれば、式（１）でＲ＝２としたときの関係を適用することによって、ＳＯＡの出力端から出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅Δνを５００ｋＨｚ以下とすることができる。これによって、デジタルコヒーレント伝送用途の信号光源または、受信機で用いられる局発光源としての適用上好ましい集積型半導体レーザ素子を実現できる。
つぎに、ＤＦＢレーザの共振器長Ｌdfbを６００μｍ、９００μｍ、１２００μｍ、または１５００μｍとし、出力するレーザ光の強度が２０ｍＷの場合にスペクトル線幅Δν０が２５０ｋＨｚとなるようにκを設定し、かつＤＦＢレーザの個数を１２個に設定し、およびＳＯＡの増幅器長Ｌsoaを１４００μｍに設定した集積型半導体レーザ素子についてその特性を説明する。
図６は、ＳＯＡからの光出力強度と、ＳＯＡからの光出力のスペクト線幅Δνと、の関係を示す図である。図６に示すように、ＳＯＡからの光出力強度が高くなるにつれて、すなわちＳＯＡの増幅率Ａが大きくなるにつれて、スペクト線幅Δνが広がることがわかる。しかしながら、スペクトル線幅Δν０を同一の２５０ｋＨｚに設定したにも関わらず、ＤＦＢレーザの共振器長Ｌdfbが長い方が、ＳＯＡにおけるスペクト線幅Δνの広がりが抑制されることがわかる。
図７は、図６に示す場合における、Ｌsoa／ＬdfbとΔν／Δν０との関係を示す図である。なお、ＳＯＡからの光出力強度は５０ｍＷとしている。ＳＯＡからの光出力強度が５０ｍＷ以上の場合は、レーザモジュールを構成する際に、ＳＯＡからの光出力をピグテイルファイバに結合させるときの結合損失として１ｄＢ程度を想定しても、ピグテイルファイバからの光出力強度を約４０ｍＷ以上とできる。これによって、デジタルコヒーレント伝送用途の信号光源としての適用上好ましい集積型半導体レーザ素子およびレーザモジュールを実現できる。
Ｌdfbが６００μｍ、９００μｍ、１２００μｍ、１５００μｍの場合、Ｌsoa／Ｌdfbはそれぞれ２．３３、１．５６、１．１７、０．９３である。図７の条件では、Ｌdfbが１２００μｍおよび１５００μｍの場合はＲ＝２とした式（１）が満たされるので、図７に示すようにΔν／Δν０は２以下となり、Δν０は５００ｋＨｚ以下となる。一方、Ｌdfbが６００μｍおよび９００μｍの場合は、Ｒ＝２とした式（１）が満たされないので、図７に示すようにΔν／Δν０は２より大きくなり、Δν０は５００ｋＨｚよりも大きくなる。なお、データ点の近似直線が示すように、図７の条件では、Ｌsoa／Ｌdfbが約１．４以下の場合にΔν／Δν０が２以下となるので好ましい。
以上説明したように、本実施の形態に係るＮ個のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎを備える集積型半導体レーザ素子１００では、必要なレーザ光の出力強度を得るために、必要なＳＯＡ１４の増幅率Ａが決定される。このとき、式（１）の関係を満たすようにＬsoa／Ｌdfbを設定することによって、必要な出力強度において比Δν／Δν０が所望の値以下となるので、高強度かつ狭線幅なレーザ光を出力できる波長可変レーザを実現することができる。
なお、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの共振器長Ｌdfbが短い場合、狭線幅特性を得るためにκＬdfbを大きく（つまりκを大きく）設定すると、単一モード発振する確率が低くなる。このため、集積型半導体レーザ素子１００の歩留まりが低下し、コスト高となる。このような観点から、Ｌdfb≧１２００μｍであることが好ましい。また、Ｌdfbが大きい場合は、ＳＯＡ１４の増幅率Ａを大きくしてもスペクトル線幅Δν０が大きくなりにくいのでこの点からも好ましい。また、図４に示すように、単一モード性の高いκＬdfb＝１．５の場合において、Ｌdfb＞１５００μｍとしても、スペクトル線幅Δν０の低減の効果が十分には得られない。このような観点から、Ｌdfb≦１５００μｍにすることにより、集積型半導体レーザ素子１００の面積を必要以上に大きくすることなく所望のスペクトル線幅を得ることができる。これにより、一枚のウェハから獲得できる集積型半導体レーザ素子の数量を大きくでき、製造コストを低減することができる。
さらに、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの共振器長が長くなると電流−光変換効率（Ｗ／Ａ）が低下する。それによって所望のスペクトル線幅を得るためのＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの駆動電流が上昇し、消費電力が大きくなる可能性がある。この場合、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎのメサ幅（または活性層２４の幅）を狭くすることによって、活性層２４に注入される電流の電流密度を上げることができる。これによって、電流−光変換効率の低下が抑制されるので好ましい。活性層２４の幅については、例えば上述したように１．７μｍ以下が好ましい。活性層２４の幅を狭くすることによって、レーザ光の狭線幅化のために好適なだけでなく、ＳＭＳＲを改善することもできる。ただし、活性層幅を狭くしすぎると、ＤＦＢレーザ素子の電気抵抗が増加するため、発熱により素子特性が劣化する場合がある。これを防止するためには、活性層幅は１．４μｍ以上が好ましい。
また、上述したように、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−ＮにおいてκＬdfbは１．５程度にすることが好ましいが、たとえば１．３〜１．６５であることが好ましい。
図８は、ＤＦＢレーザにおけるκＬdfbとＳＭＳＲとの関係を示す図である。図８は、図２の構造を有するＤＦＢレーザにおいて、出力するレーザ光の強度を２０ｍＷになるように駆動電流を設定した場合を示している。
ここで、良好な単一モード発振特性のためには、ＳＭＳＲについては、一般的に４０ｄＢ以上であることが好ましい。図８に示すように、κＬdfbが１．６５より大きくなるとＳＭＳＲが低下するＤＦＢレーザが発生し、単一モード発振の歩留まりが低下する。したがって、κＬdfbは１．６５以下が好ましい。
図９は、ＤＦＢレーザにおけるκＬdfbとＤＦＢレーザ単体のスペクトル線幅Δν０との関係を示す図である。図９も、図２の構造を有するＤＦＢレーザにおいて、出力するレーザ光の強度を２０ｍＷになるように駆動電流を設定した場合を示している。
図９に示すように、Ｌdfbが１２００μｍ、１５００μｍのいずれの場合も、κＬdfbが１．３より小さくなるとΔν０が急激に広くなる。したがって、κＬdfbは１．３以上が好ましい。以上より、κＬdfbが１．３〜１．６５であれば、良好な単一モード発振特性と狭線幅特性とを両立する上で好ましい。
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
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 ＳＯＡ
１４ａ 出力端
１５ 埋め込み部
１６−１〜１６−Ｍ トレンチ溝
２１ 基板
２２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
２３ 下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２４ 活性層
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
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
１００ 集積型半導体レーザ素子
Ｌ１、Ｌ２ 長さ
Ｌ３、Ｌ４ 線

Claims (5)

  1. 互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の分布帰還型の半導体レーザと、
    前記複数の半導体レーザからの出力光がそれぞれ入力される、該半導体レーザと同じ数の入力ポートを有し、該出力光を合流させて出力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、
    が集積され、前記半導体レーザの個数をＮ、前記各半導体レーザの共振器長および出力されるレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬdfb、Δν０とし、前記半導体光増幅器の増幅器長、増幅率、および出力される増幅されたレーザ光のスペクトル線幅をそれぞれＬsoa、Ａ、Δνとし、Δν／Δν０をＲとすると、以下の式（１）が成り立つことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
    Figure 2013102003
  2. 前記各半導体レーザは、当該各半導体レーザからの前記出力光のスペクトル線幅が２５０ｋＨｚ以下になるように、当該各半導体レーザにおける回折格子の結合係数と共振器長との積の値が設定されており、かつＲは２であ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. 前記各半導体レーザの共振器長が１２００μｍ以上であ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. 前記各半導体レーザにおける回折格子の結合係数と共振器長との積が略１．５であることを特徴とする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. 前記半導体光増幅器からの出力光の強度が５０ｍＷ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。

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