JP2013118315A - 半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】より低消費電力である半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールを提供すること。
【解決手段】複数の半導体レーザを有する半導体レーザ部と、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を増幅する半導体光増幅器を有する半導体光増幅部と、前記半導体レーザ部と前記半導体光増幅部との間に配置され、前記レーザ光を前記半導体光増幅器に入力させる光導波部と、前記半導体レーザ部に接触し、前記複数の半導体レーザの温度を調節する温度調節素子と、を備え、前記半導体光増幅部を冷却せずに動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体レーザを備えた半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールに関する。

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。また、集積型半導体レーザ素子は、素子温度調節のための温度調節素子が取り付けられて半導体レーザ装置として構成されている。

上記のような半導体レーザ装置は、例えばピグテイルファイバ付きの半導体レーザモジュールに組み込まれて使用される。このような半導体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。

特開２００５−３１７６９５号公報

ところで、ＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムにおいては、その機能が高度且つ複雑になるにつれて、消費電力が増加する。この電力の増加を抑制するために、システム内で使用される半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールについてもより低消費電力であることが要求されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より低消費電力である半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール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、本発明に係る半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザを有する半導体レーザ部と、前記半導体レーザから出力されるレーザ光を増幅する半導体光増幅器を有する半導体光増幅部と、前記半導体レーザ部と前記半導体光増幅部との間に配置され、前記レーザ光を前記半導体光増幅器に入力させる光導波部と、前記半導体レーザ部に接触し、前記複数の半導体レーザの温度を調節する温度調節素子と、を備え、前記半導体光増幅部を冷却せずに動作させることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記光導波部は多モード干渉型光合流器を有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記光導波部は所定の波長のレーザ光を選択的に前記半導体光増幅器に入力させる光選択素子を有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記光導波部は石英系ガラスからなる平面光波回路で構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の半導体材料はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の半導体材料はＧａＩｎＮＡｓ系材料であ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、上記の発明の半導体レーザ装置を備え、前記半導体レーザ部、前記光導波部、および前記半導体光増幅部が同一筺体内に収納されてい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、上記の発明において、前記半導体レーザ装置は、前記光導波部と前記半導体光増幅部とが空間光学系によって光学結合され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、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の前記光導波部と前記半導体光増幅部との間に配置された光アイソレータ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、上記の発明において、前記半導体レーザ装置は、前記光導波部と前記半導体光増幅部とがバットカップリングによって光学結合されることを特徴とする。

本発明によれば、より低消費電力である半導体レーザ装置および半導体レーザモジュールを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。 図２は、図１に示す半導体レーザ装置の模式的な側面図である。 図３は、図１に示すＳＯＡの模式的な断面図である。 図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。 図５は、図４に示す半導体レーザ装置の模式的な側面図である。 図６は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。 図７は、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。 図８は、図７に示す半導体光増幅部の模式的な平面図である。 図９は、実施の形態５に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール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、適宜説明を省略している。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１）
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。図２は、図１に示す半導体レーザ装置の模式的な側面図である。図１、２に示すように、本実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ部１０と、半導体光増幅部２０と、光導波部３０と、温度調節素子４０とを備えている。

半導体レーザ部１０は、複数の半導体レーザ１１と、各半導体レーザの出力側に設けられた複数のスポットサイズ変換器（Spot-Size Converter：ＳＳＣ）１２とを有している。

各半導体レーザ１１は、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザで構成されている。各半導体レーザ１１は、各々の活性層のメサ幅が１．５μｍ〜３μｍのストライプ状の埋め込みメサ構造を有する端面発光型レーザであり、半導体レーザ部１０の幅方向に対してたとえば２５μｍピッチで形成されている。各半導体レーザ１１は、各々に備えられた回折格子の周期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、かつそのレーザ発振波長が、所望の波長範囲において３ｎｍ〜４ｎｍ程度の間隔で並ぶように設計されている。また、各半導体レーザ１１は、温度調節によって例えば３ｎｍ〜４ｎｍ程度の範囲内でレーザ発振波長を変化させることができる。なお、半導体レーザ１１の数はたとえば８、１２、１６等であるが、特に限定はされず、半導体レーザ装置１００を波長可変光源として動作させる際の、所望の波長可変範囲に応じて適宜設定される。

複数のＳＳＣ１２は、半導体からなる埋め込みメサ構造を有しており、かつコア層の半導体レーザ１１側のメサ幅よりも光導波部３０側のメサ幅が広いフレア型のＳＳＣである。半導体レーザ１１側のメサ幅は半導体レーザ１１のメサ幅と略同様であり、光導波部３０側のメサ幅はたとえば４μｍ〜１０μｍである。

光導波部３０は、石英系ガラスからなる平面光波回路（Planner Lightwave Circuit：ＰＬＣ）で構成されており、半導体レーザ部１０と、半導体光増幅部２０との間に介挿されている。光導波部３０は、複数の曲がり導波路３１と、光合流器３２とを有している。

各曲がり導波路３１は、半導体レーザ部１０の各ＳＳＣ１２にそれぞれ接続している。各曲がり導波路３１は、接続された各半導体レーザ１１から出力されるレーザ光を光合流器３２にシングルモードで導波する。なお、半導体レーザ１１から出力されるレーザ光は、ＳＳＣ１２によって、スポットサイズが曲がり導波路３１のスポットサイズとほぼ整合するように変換されるので、ＳＳＣ１２から出力したレーザ光は低損失で曲がり導波路３１に入力される。

光合流器３２は、多モード干渉（Multi-Mode Interferometer：ＭＭＩ）型の光カプラである。光合流器３２は、各曲がり導波路３１が導波したレーザ光を出力ポート３２ａから出力させることができる。

半導体光増幅部２０は、いずれも半導体からなる埋め込みメサ構造であるＳＳＣ２１と半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２とを有している。
ＳＳＣ２１は、光合流器３２の出力ポート３２ａに接続している。ＳＳＣ２１は、光導波部３０側のコア層のメサ幅がＳＯＡ２２側のメサ幅よりも広いフレア型のＳＳＣである。ＳＳＣ２１のＳＯＡ２２側のメサ幅はＳＯＡ２２のメサ幅と略同様であり、光導波部３０側のメサ幅はたとえば４μｍ〜１０μｍである。

ＳＯＡ２２は、ストライプ状の埋め込みメサ構造を有している。活性層のメサ幅はたとえば半導体レーザ１１と同様に１．５μｍ〜３μｍであるが、半導体レーザ１１が出力するレーザ光を単一モードで導波できるメサ幅であれば特に限定はされない。ＳＯＡ２２は、光合流器３２の出力ポート３２ａからＳＳＣ２１を介して入力されたレーザ光を増幅して紙面左側の出力端から出力する。

図３は、ＳＯＡ２２の模式的な断面図である。図３に示すように、ＳＯＡ２２は、裏面にｎ側電極２２ａが形成されたｎ型ＩｎＰ基板２２ｂ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２２ｃ、組成を連続的に変化させた下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層２２ｄ、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造の活性層２２ｅ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２２ｆ、およびｐ型ＩｎＰ層２２ｇを備えている。

ｐ型ＩｎＰ層２２ｇからｎ型ＩｎＰバッファ層２２ｃ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２２ｈとｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層２２ｉにより埋め込まれている。また、ｐ型ＩｎＰ層２２ｇとｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層２２ｉとの上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層２２ｊ、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２ｋが順次積層している。また、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２ｋの表面はＳｉＮ保護膜２２ｌにより保護されている。さらに、ＳｉＮ保護膜２２ｌはＩｎＧａＡｓコンタクト層２２ｋ上でその一部が開口している。この開口部にはｐ側電極２２ｍが形成されている。

活性層２２ｅ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、たとえばＧａＩｎＮＡｓＰ系半導体材料、またはＡlＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる。活性層２２ｅの組成は、複数の半導体レーザ１１のレーザ発振波長の範囲に対応する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ている。なお、各半導体レーザ１１もＳＯＡ２２と同様の断面構造を有する。ただし、各半導体レーザ１１においては、ｐ型ＩｎＰ層２２ｇ内に、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなり、回折格子が形成されたグレーティング層が配置される点がＳＯＡ２２の構造とは異なる。なお、回折格子は、たとえばλ／４シフト型のものでもよいし、位相シフトさせていない通常型のものでもよい。

温度調節素子４０は、半導体レーザ部１０の裏面に接触するように設けられている。温度調節素子４０はたとえばペルチェ素子等の電子冷却素子である。

半導体レーザ装置１００は、半導体からなる半導体レーザ部１０および半導体光増幅部２０と、石英系ガラスからなる光導波部３０とが、ＵＶ硬化樹脂等の接着剤によって互いに接合されることによってハイブリット集積されたものである。なお、接着剤としては、半導体レーザ１１からのレーザ光の波長において透明なものを用いることができ、たとえばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。

つぎに、半導体レーザ装置１００の動作について説明する。はじめに、不図示の制御装置によって、半導体レーザ装置１００から出力させたい波長のレーザ光を出力できる半導体レーザ１１が選択的に電力を供給されて駆動される。これとともに、駆動すべき半導体レーザ１１のレーザ発振波長が所望の波長になるように、当該半導体レーザ１１の温度が、不図示の制御装置によって電力を供給された温度調節素子４０によって温度調節される。これによって、選択的に駆動された半導体レーザ１１が所望の波長のレーザ光を出力する。

選択的に駆動された半導体レーザ１１に接続されたＳＳＣ１２は、出力されたレーザ光のスポットサイズを広げるように変換して所定の曲がり導波路３１に入力させる。曲がり導波路３１は、レーザ光を光合流器３２に導波する。光合流器３２は、入力されたレーザ光を出力ポート３２ａから出力する。ここで、光合流器３２は、曲がり導波路３１に接続される入力ポートの数に依存した挿入損失を有しており、入力ポートの数が１２である場合には、挿入損失はたとえば約１／１２すなわち約１０．８ｄＢである。

ＳＳＣ２１は、出力ポート３２ａから出力されたレーザ光のスポットサイズを狭めるように変換してＳＯＡ２２に出力する。ＳＯＡ２２は、入力されたレーザ光を増幅して半導体レーザ装置１００の外部に出力する。このとき、ＳＯＡ２２は、不図示の制御装置によって電力を供給され、光合流器３２の挿入損失によるレーザ光の強度の減衰を補償し、かつレーザ光が所望の光強度になるように光増幅する。

半導体レーザ装置１００において、出力させるレーザ光の波長を変更したいときは、駆動する半導体レーザ１１の温度を調節する、および／または、駆動する半導体レーザ１１を切り換える。このように、この半導体レーザ装置１００は、駆動する半導体レーザ１１の切り換えと、半導体レーザ１１の温度調整とによって、単体の半導体レーザ素子よりも広帯域な連続した波長帯域のレーザ光を出力することができる。

なお、ＷＤＭ通信用の波長帯域全体（例えば１．５３μｍ〜１．５６μｍのＣバンド又は１．５７〜１．６１μｍのＬバンド）をカバーするためには、それぞれ３ｎｍ〜４ｎｍの範囲内でレーザ発振波長を変化させることが可能な１０個以上の半導体レーザ１１を備えることによって、３０ｎｍ以上の波帯域に亘って波長を変化させることができる。

さらに、本実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００は、上記の構成によって、従来よりも一層の低消費電力が実現されている。

すなわち、従来のこの種の半導体レーザ装置は、半導体レーザ部、光導波部、および半導体光増幅部がモノリシックに集積化されて温度調節素子に載置されていた。そのため、温度調節素子によって、半導体レーザのレーザ発振波長の調節のために温度調節をする場合に、同時にＳＯＡも冷却する構造であっために、ＳＯＡの冷却のための過剰な電力を消費していた。

これに対して、温度調整素子４０を半導体レーザ部１０にのみ接触させて、半導体レーザ部１０については半導体レーザ１１のレーザ発振波長の調節のために温度調節するが、半導体光増幅部２０を冷却せずに動作させている。これによって、ＳＯＡ２２の冷却のために電力が消費されないので、従来よりも一層の低消費電力が実現される。

半導体レーザ１１およびＳＯＡ２２について、例示として以下の構成とした場合の消費電力の低減効果について説明する。まず、活性層の構造については、半導体レーザ１１およびＳＯＡ２２のいずれも、８ＱＷの量子井戸構造とする。井戸層厚は６ｎｍ、障壁層厚は１０ｎｍとし、井戸層は０．５〜１％の圧縮歪を有する。井戸層は、組成波長が１．８４９μｍとなるような組成のＡｌＧａＩｎＡｓからなり、障壁層は、組成波長が１．２μｍとなるような組成のＡｌＧａＩｎＡｓからなるものとする。また、半導体レーザ１１については、メサ幅が２μｍ、共振器長が６００μｍとする。ＳＯＡ２２については、メサ幅が２μｍ、ＳＯＡ長が９００μｍとする。

上記の構成において、半導体レーザ１１の駆動電流を１５０ｍＡ、駆動電圧を１．３９９Ｖとすると、半導体レーザ１１の動作時の消費電力は０．１５×１．３９９＝０．２１Ｗである。このとき、半導体レーザ１１の温度を調節する温度調節素子４０の消費電力は、通常は半導体レーザ１１の消費電力の約５倍であるから、約１．０５Ｗである。

一方、ＳＯＡ２２の駆動電流を１７５ｍＡ、駆動電圧を１．５２８Ｖとすると、ＳＯＡ２２の動作時の消費電力は０．１７５×１．５２８＝０．２７Ｗである。このとき、従来のように半導体レーザのレーザ発振波長の調節のための温度調節素子が、同時にＳＯＡも冷却する構造の場合は、ＳＯＡの消費電力の約５倍である１．３５Ｗの電力が過剰に消費される。これに対して、本実施の形態１の装置の場合は、従来よりも１．３５Ｗだけ消費電力が低減されるので、温度調節のための消費電力としては従来の半分以下となり、装置全体としても従来の半分程度の消費電力を実現できる。

また、この種の複数の半導体レーザを備える集積型の半導体レーザ装置の場合、複数の半導体レーザからのレーザ光を１つのＳＯＡに導波するための光導波部が必要である。光導波部はある程度の挿入損失を有するため、光導波部の挿入損失を補償するためのＳＯＡの光増幅が必要となる。そのため、より消費電力が増加し、これに伴ってＳＯＡの冷却のための消費電力も増加する。しかしながら、本実施の形態１の装置ではＳＯＡ２２を冷却せずに動作させるので、このような光導波部を必要とする構成において、消費電力の低減の効果が特に顕著となる。

また、ＳＯＡ２２の活性層２２ｅの構成材料が、上述したようにＧａＩｎＮＡｓＰ系半導体材料、またはＡlＧａＩｎＡｓ系半導体材料等のＡｌを含む半導体材料であれば、その光増幅特性の温度依存性が、半導体レーザ装置１００の動作温度（たとえば２５℃〜７５℃）の範囲で小さい。そのため、ＳＯＡ２２を冷却せずに動作させる上で好ましい。ただし、活性層２２ｅの構成材料は上記の材料に限定されない。光増幅特性の温度依存性が大きい構成材料であっても、その構成材料の温度特性等に合わせてＳＯＡ２２の駆動条件を制御することで、温度に依存しない安定した増幅特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００は、従来よりも一層の低消費電力のものである。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。図５は、図４に示す半導体レーザ装置の模式的な側面図である。図４、５に示すように、本実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００は、半導体レーザ部１０Ａと、半導体光増幅部２０と、光導波部３０Ａと、温度調節素子４０とを備えている。

半導体レーザ部１０Ａは、半導体レーザ部１０と同様に複数の半導体レーザ１１を有しているが、複数のＳＳＣ１２を有していない点が半導体レーザ部１０とは異なる。

光導波部３０Ａは、埋め込みメサ構造の半導体導波路で構成されており、半導体レーザ部１０Ａとモノリシックに形成されている。光導波部３０Ａは、複数の曲がり導波路３１Ａと、光合流器３２Ａと、ＳＳＣ３３Ａを有している。

各曲がり導波路３１Ａは、半導体レーザ部１０Ａの各半導体レーザ１１にそれぞれ接続している。各曲がり導波路３１Ａのコア層のメサ幅は各半導体レーザ１１のメサ幅と略同様である。各曲がり導波路３１Ａは、接続された各半導体レーザ１１から出力されるレーザ光を光合流器３２Ａにシングルモードで導波する。

光合流器３２Ａは、ＭＭＩ型の光カプラである。光合流器３２Ａは、各曲がり導波路３１Ａが導波したレーザ光を出力ポート３２ａＡから出力させることができる。

ＳＳＣ３３Ａは、光合流器３２Ａの出力ポート３２ａＡに接続している。ＳＳＣ３３Ａは、半導体光増幅部２０側のコア層のメサ幅が出力ポート３２ａＡのメサ幅よりも広いフレア型のＳＳＣである。ＳＳＣ３３Ａの出力ポート３２ａＡ側のメサ幅は出力ポート３２ａＡのメサ幅と略同様のたとえば１．５μｍ〜３μｍであり、半導体光増幅部２０側のメサ幅は、対向する半導体光増幅部２０のＳＳＣ２１のメサ幅と略同様のたとえば４μｍ〜１０μｍである。

なお、半導体光増幅部２０、温度調節素子４０については重複説明を省略する。

半導体レーザ装置２００は、モノリシックに形成された半導体レーザ部１０Ａおよび光導波部３０Ａと、半導体光増幅部２０とが、ＵＶ硬化樹脂等の接着剤等によって互いに接合されることによって集積されたものである。光導波部３０ＡのＳＳＣ３３Ａと半導体光増幅部２０のＳＳＣ２１とはバットカップリングによって光学結合している。

なお、出力ポート３２ａＡのメサ幅とＳＯＡ２２のメサ幅はともにたとえば１．５μｍ〜３μｍと狭く、光のスポットサイズも小さい。そのため、そのまま互いにバットカップリングした場合は、互いの光軸がずれて接合された場合の接続損失が大きくなる。これに対して、本実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００では、出力ポート３２ａＡとＳＯＡ２２とを、ともにスポットサイズの大きいＳＳＣ３３ＡとＳＳＣ２１とを介して接続している。これによって、接合時の光軸ずれに対する接続損失の増大が抑制され、光軸ずれのトレランスを大きくすることができる。

本実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００は実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００と同様に動作させることができる。半導体レーザ装置２００も、半導体レーザ装置１００と同様に、温度調整素子４０を半導体レーザ部１０Ａにのみ接触させて、半導体レーザ部１０Ａについては半導体レーザ１１のレーザ発振波長の調節のために温度調節するが、半導体光増幅部２０を冷却せずに動作させている。これによって、ＳＯＡ２２の冷却のために電力が消費されないので、従来よりも一層の低消費電力が実現される。

（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の模式的な平面図である。図６に示すように、本実施の形態３に係る半導体レーザ装置３００は、半導体レーザ部１０Ｂと、半導体光増幅部２０Ａと、光導波部３０Ｂと、温度調節素子４０とを備えている。

半導体レーザ部１０Ａは、１６個の半導体レーザ１１を有している。また、半導体光増幅部２０Ａは、半導体光増幅部２０と同様にＳＯＡ２２を有しているが、ＳＳＣ２１を有していない点が半導体光増幅部２０とは異なる。

光導波部３０Ｂは、所定の波長のレーザ光を選択的にＳＯＡ２２に入力させる光選択素子を有する。すなわち、光導波部３０Ｂは、それぞれ２入力１出力の構成を有する８つのＭＺＩ（Mach-Zehnder Interferometer）素子３４、４つのＭＺＩ素子３５、および２つのＭＺＩ素子３６が多段に接続された構成を有する。８つのＭＺＩ素子３４の入力側は半導体レーザ１１に接続している。８つのＭＺＩ素子３４の出力側は４つのＭＺＩ素子３５の入力側に接続している。４つのＭＺＩ素子３５の出力側は２つのＭＺＩ素子３６の入力側に接続している。２つのＭＺＩ素子３６の出力側は出力ポート３７のＹ分岐の入力側に接続している。出力ポート３７の出力側は半導体光増幅部２０ＡのＳＯＡ２２に接続している。

これらのＭＺＩ素子３４〜３６は、ＭＺＩ素子３４の各入力側に接続された各半導体レーザ１１から出力された各レーザ光が、低損失でＭＺＩ素子３４、ＭＺＩ素子３５、ＭＺＩ素子３６によって順次導波され、出力ポート３７から出力するように、光入出力の波長特性が設定されている。なお、光導波路部３０Ｂは、石英系ガラスからなるＰＬＣで構成してもよいし、半導体導波路で構成してもよい。

半導体レーザ装置３００は、半導体レーザ部１０Ｂと、半導体光増幅部２０Ａと、光導波部３０Ｂとが、ＵＶ硬化樹脂等の接着剤Ｒによって互いに接合されることによって集積されたものである。なお、接着剤Ｒとしては、半導体レーザ１１からのレーザ光の波長において透明なものを用いることができる。

本実施の形態３に係る半導体レーザ装置３００は実施の形態１、２に係る半導体レーザ装置１００、２００と同様に動作させることができる。半導体レーザ装置３００も、半導体レーザ装置１００、２００と同様に、温度調節素子４０を半導体レーザ部１０Ｂにのみ接触させて、半導体レーザ部１０Ｂについては半導体レーザ１１のレーザ発振波長の調節のために温度調節するが、半導体光増幅部２０Ａを冷却せずに動作させている。これによって、ＳＯＡ２２の冷却のために電力が消費されないので、従来よりも一層の低消費電力が実現される。

なお、本実施の形態３に係る半導体レーザ装置３００はＳＳＣを有していないが、実施の形態１、２と同様に、半導体レーザ部１０Ｂ、半導体光増幅部２０Ａ、および光導波部３０Ｂが光学的に結合される部分に適宜ＳＳＣを設けてもよい。また、光導波部３０Ｂを半導体導波路で構成する場合は、半導体レーザ部１０Ｂ、半導体光増幅部２０Ａ、および光導波部３０Ｂをモノリシックに集積して形成してもよい。

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールについて説明する。図７は、実施の形態４に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。

図７に示すように、半導体レーザモジュール１０００は、筐体１０１０内に、ベースプレート１０２０、ベースプレート１０２０に載置されたサブマウント１０３０、コリメートレンズ１０４０、光アイソレータ１０５０、ビームスプリッタ１０６０、パワーモニタ用フォトダイオード１０７０、エタロンフィルタ１０８０、波長モニタ用フォトダイオード１０９０、および半導体レーザ装置４００が収容され、かつ光ファイバ１１００が挿入されて構成されている。

半導体レーザ装置４００は、半導体レーザ／光導波部５０と、半導体光増幅部２０Ｂとからなる。半導体レーザ／光導波部５０と、半導体光増幅部２０Ｂとは空間的に分離して配置されており、コリメートレンズ１０４０を用いた空間結合系で光学的に結合されている。半導体レーザ／光導波部５０は、図４に示した半導体レーザ装置２００の半導体レーザ部１０Ａと光導波部３０Ａとがモノリシックに形成され、かつ温度調節素子４０を備えたものである。ただし、光導波部３０ＡのＳＳＣ３３Ａの光軸とレーザ光出射端面の法線とが７度程度だけ傾斜するように構成されている。この傾斜によって、レーザ光出射端面でレーザ光が反射して生じた反射光の戻りが抑制されている。なお、光導波部３０ＡのＳＳＣ３３Ａは必ずしも備えなくてもよい。この半導体レーザ／光導波部５０はサブマウント１０３０上に載置されている。

コリメートレンズ１０４０は、半導体レーザ／光導波部５０のレーザ光出射端面（出力端）近傍に配置されている。コリメートレンズ１０４０は、半導体レーザ／光導波部５０から出射されたレーザ光を平行光に変換し、平行光に変換されたレーザ光を光アイソレータ１０５０に導く。

光アイソレータ１０５０は、平行光に変換されたレーザ光を光ファイバ１１００側に透過するとともに、光ファイバ１１００側からの戻り光が半導体レーザ／光導波部５０に入力することを阻止する。

ビームスプリッタ１０６０は、光アイソレータ１０５０を透過したレーザ光の大部分を透過するとともに、残りの部分をパワーモニタ用フォトダイオード１０７０側に反射する。パワーモニタ用フォトダイオード１０７０は、ビームスプリッタ１０６０によって反射されたレーザ光の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を図示しない制御装置に入力する。

図８は、図７に示す半導体光増幅部２０Ｂの模式的な平面図である。図７に示すように、半導体光増幅部２０Ｂは、いずれも半導体からなる埋め込みメサ構造であるＳＯＡ２２と、分岐導波路２３と、ＳＳＣ２４とを有している。

分岐導波路２３は、ＳＯＡ２２とＳＳＣ２４との間に介挿されており、直線部２３ａとＵ字形状の分岐部２３ｂとを有している。ＳＳＣ２４は、分岐導波路２３側のコア層のメサ幅が光ファイバ１１００に対向する出力側のメサ幅よりも広いフレア型のＳＳＣである。ＳＳＣ２４の光ファイバ１１００に対向する出力側は、光ファイバ１１００の端面との距離がたとえば１μｍ〜１０μｍになるように近接しており、かつ光ファイバ１１００と低損失で光学接続できるようなメサ幅に設定されている。

この半導体光増幅部２０Ｂでは、ＳＯＡ２２は、ビームスプリッタ１０６０を透過したレーザ光が入力され、入力されたレーザ光を増幅して分岐導波路２３に出力する。分岐導波路２３は、増幅されたレーザ光の大部分を、直線部２３ａの出力側からＳＳＣ２４に出力するとともに、残りの部分を分岐部２３ｂの出力側から出力する。ＳＳＣ２４から出力されたレーザ光は低損失で光ファイバ１１００に結合し、光ファイバ１１００を介して半導体レーザモジュール１０００の外部に出力される。

エタロンフィルタ１０８０は、波長スペクトル上で周期的にピークを有する透過特性を有している。エタロンフィル１０８０は、分岐導波路２３の分岐部２３ｂから出力されたレーザ光を選択的に透過して、波長モニタ用フォトダイオード１０９０に入力する。波長モニタ用フォトダイオード１０９０は、エタロンフィルタ１０８０から入力されたレーザ光の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を図示しない制御装置に入力する。パワーモニタ用フォトダイオード１０７０及び波長モニタ用フォトダイオード１０９０によって検出されたレーザ光の強度は、図示しない制御装置による波長ロック制御に用いられる。

具体的には、波長ロック制御では、図示しない制御装置は、パワーモニタ用フォトダイオード１０７０によって検出されたレーザ光の強度と波長モニタ用フォトダイオード１０９０によって検出されたレーザ光の強度との比が、レーザ光の強度及び波長が所望の強度及び波長になるときの比になるように、半導体レーザ／光導波部５０の動作を制御する。これにより、レーザ光の強度及び波長を所望の強度及び波長に制御することができる。

本実施の形態４に係る半導体レーザモジュール１０００も、半導体レーザ／光導波部５０において、温度調節素子４０を半導体レーザ部１０Ａにのみ接触させて、半導体レーザ部１０Ａについては半導体レーザ１１のレーザ発振波長の調節のために温度調節する。一方、半導体光増幅部２０Ｂは冷却せずに動作させている。これによって、ＳＯＡ２２の冷却のために電力が消費されないので、従来よりも一層の低消費電力が実現される。

ここで、集積型の半導体レーザ装置においては、半導体増幅器から半導体レーザ側に出力されるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が、半導体レーザに入力されることによって、半導体レーザから出力されるレーザ光のスペクトル線幅が広がってしまう場合がある。この場合、集積型半導体レーザ装置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場合がある。このような線幅の広がりは、たとえば伝送速度が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の用途には好ましくない。

これに対して、この半導体レーザモジュール１０００では、半導体レーザ／光導波部５０の光導波部３０Ａと半導体光増幅部２０Ｂとの間に光アイソレータ１０５０が配置されている。したがって、ＳＯＡ２２から半導体レーザ１１にＡＳＥ光が入力されることが阻止されるため、半導体レーザ１１から出力されるレーザ光、およびこれが増幅されて半導体光増幅部２０Ｂから出力されるレーザ光のスペクトル線幅の広がりが抑制される。

（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５に係る半導体レーザモジュールについて説明する。図９は、実施の形態５に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。

図７に示す半導体レーザモジュール２０００は、半導体レーザモジュール１０００の構成において、半導体レーザ装置４００を、半導体レーザ／光導波部５０と半導体光増幅部２０Ｃとからなる半導体レーザ装置５００に置き換え、かつベースプレート１０２０上の、半導体光増幅部２０Ｃと光ファイバ１１００との間に、集光レンズ１１１０を配置した構成を有する。

半導体光増幅部２０Ｃは、半導体光増幅部２０Ｂの構成からＳＳＣ２４を削除した構成を有する。この半導体レーザモジュール２０００では、ＳＯＡ２２によって増幅され、分岐導波路２３の直線部２３ａから出力されたレーザ光は、集光レンズ１１１０によって集光されて、低損失で光ファイバ１１００に結合される。

本実施の形態５に係る半導体レーザモジュール２０００も、半導体レーザモジュール１０００と同様に、ＳＯＡ２２の冷却のために電力が消費されないので、従来よりも一層の低消費電力が実現される。さらに、光アイソレータ１０５０によって、半導体レーザ１１から出力されるレーザ光、およびこれが増幅されて半導体光増幅部２０Ｃから出力されるレーザ光のスペクトル線幅の広がりが抑制される。

なお、上記実施の形態では、ＳＳＣとしてフレア型のものを使用しているが、ＳＳＣとしては、光の進行方向に対してメサ幅が徐々に狭くなる形状を有するテーパ型のＳＳＣを使用してもよい。

また、上記実施の形態３では、光導波部における光選択素子として、ＭＺＩ素子を多段に接続したものを使用しているが、光選択素子としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型光スイッチやＳｉ細線型光スイッチを使用してもよい。

また、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。たとえば、実施の形態４、５の半導体レーザモジュール１０００、２０００において、半導体レーザ／光導波部５０の代わりに、図１や図５に示した半導体レーザ部と光導波部との組み合わせを使用しても良い。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。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 半導体レーザ部
１１ 半導体レーザ
１２ ＳＳＣ
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 半導体光増幅部
２１、２４、３３Ａ、 ＳＳＣ
２２ ＳＯＡ
２２ａ ｎ側電極
２２ｂ ｎ型ＩｎＰ基板
２２ｃ ｎ型ＩｎＰバッファ層
２２ｄ 下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２２ｅ 活性層
２２ｆ 上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２２ｇ ｐ型ＩｎＰ層
２２ｈ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
２２ｉ ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
２２ｊ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２２ｋ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２２ｌ ＳｉＮ保護膜
２２ｍ ｐ側電極
２３ 分岐導波路
２３ａ 直線部
２３ｂ 分岐部
３０、３０Ａ、３０Ｂ 光導波部
３１、３１Ａ 曲がり導波路
３２、３２Ａ 光合流器
３２ａ、３２ａＡ 出力ポート
３４、３５、３６ ＭＺＩ素子
３７ 出力ポート
４０ 温度調節素子
５０ 半導体レーザ／光導波部
１００、２００、３００、４００、５００ 半導体レーザ装置
１０００、２０００ 半導体レーザモジュール
１０１０ 筐体
１０２０ ベースプレート
１０３０ サブマウント
１０４０ コリメートレンズ
１０５０ 光アイソレータ
１０６０ ビームスプリッタ
１０７０ パワーモニタ用フォトダイオード
１０８０ エタロンフィルタ
１０９０ 波長モニタ用フォトダイオード
１１００ 光ファイバ
１１１０ 集光レンズ
Ｒ 接着剤

Claims (10)

1. 複数の半導体レーザを有する半導体レーザ部と、
   前記半導体レーザから出力されるレーザ光を増幅する半導体光増幅器を有する半導体光増幅部と、
   前記半導体レーザ部と前記半導体光増幅部との間に配置され、前記レーザ光を前記半導体光増幅器に入力させる光導波部と、
   前記半導体レーザ部に接触し、前記複数の半導体レーザの温度を調節する温度調節素子と、
   を備え、前記半導体光増幅部を冷却せずに動作させることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記光導波部は多モード干渉型光合流器を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記光導波部は所定の波長のレーザ光を選択的に前記半導体光増幅器に入力させる光選択素子を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記光導波部は石英系ガラスからなる平面光波回路で構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記半導体光増幅器の活性層の半導体材料はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体光増幅器の活性層の半導体材料はＧａＩｎＮＡｓ系材料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半導体レーザ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置を備え、前記半導体レーザ部、前記光導波部、および前記半導体光増幅部が同一筺体内に収納されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
8. 前記半導体レーザ装置は、前記光導波部と前記半導体光増幅部とが空間光学系によって光学結合されることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
9. 前記半導体レーザ装置の前記光導波部と前記半導体光増幅部との間に配置された光アイソレータをさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体レーザモジュール。
10. 前記半導体レーザ装置は、前記光導波部と前記半導体光増幅部とがバットカップリングによって光学結合されることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザモジュール。

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