JP5365510B2 - 半導体集積素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信用の光源として用いられ、発振波長を広範囲かつ高速に変化させることができる波長可変レーザを集積した半導体集積素子に関する。
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することによって、一本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システム（ＷＤＭ通信システム）の開発が進められている。
このような波長分割多重通信システムにおいて、柔軟かつ高度な通信システムを実現するために、広い波長範囲で高速に所望の波長を選択しうる波長可変レーザが強く求められている。
例えば、高速に波長を切り替えることができる波長可変レーザとして、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ、ＴＴＧ−ＤＦＢ（Tunable Twin Guide-Distributed Feedback）レーザ、ＴＤＡ−ＤＦＢ（Tunable Distributed Amplification-Distributed Feedback）レーザ（例えば特許文献１，非特許文献１参照）などが提案されている。
これらの波長可変レーザでは、光導波路に電流を注入した場合に光導波路の等価屈折率が変化するのを利用して発振波長を変化させるため、数ｎｍオーダで発振波長の切り替えが可能である。
特に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザは、モード跳びが生じないようにすることができ、単純な制御で高速に波長制御を行なうことが可能であり、さらに、素子の作製が容易であるため、通信用の波長可変レーザとして有望である。
しかし、このように、光導波路への電流注入による屈折率変化を利用し、かつ、モード跳びが生じないようにすることができる、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザのような波長可変レーザは、一般に、その波長可変幅が数ｎｍ程度であるため、ＷＤＭ通信システムにおいて重要なＣ−Ｂａｎｄ帯（１５２５〜１５６５ｎｍ）の全てカバーすることはできない。
そこで、このような波長可変レーザを１つの素子の中に複数個アレイ状にモノリシックに集積することによって、上記の波長帯を１つの素子でカバーするアレイ集積型の波長可変レーザが提案されている（例えば特許文献１参照）。
例えば、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの波長可変幅は５ｎｍ程度であるため、発振波長帯が５ｎｍずつ異なるように構成された８個のＴＤＡ−ＤＦＢレーザを１つの素子の中に集積することによってＣ−Ｂａｎｄ帯の全域で発振可能な波長可変レーザを実現できることになる。
特開２００６−２９５１０３号公報 Hiroyuki Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 10, NO. 1, JANUARY 1998, pp. 30-32
ところで、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザは、電流注入によって利得を発生する利得導波路部と、電流注入によって屈折率が変化し、レーザの発振波長を変化させうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路を備え、この光導波路の近傍に回折格子が形成されている。
このようなＴＤＡ−ＤＦＢレーザでは、一般的なＤＦＢレーザと同様に、回折格子のブラッグ波長によって発振波長が決定される。例えば、周期が均一な回折格子を用いたＴＤＡ−ＤＦＢレーザでは、利得導波路部と波長制御導波路部の等価屈折率が一致する場合に最も安定した単一モード発振が得られる。
上記の特許文献１では、最も広い範囲で安定した単一モード発振が得られるようにするために、波長制御導波路部に電流注入を行なっていない状態で、波長制御領域のブラッグ波長が、利得領域のブラッグ波長に対して長波長側になるように構成することが提案されている。
このようなＴＤＡ−ＤＦＢレーザを複数個集積したアレイ集積型波長可変レーザでは、全てのＴＤＡ−ＤＦＢレーザを上記の条件を満たすように構成するのが望ましい。
しかしながら、以下のような理由で、アレイ集積型波長可変レーザを構成する全てのＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおいて、波長制御導波路部に電流注入を行なっていない状態で、波長制御領域のブラッグ波長が、利得領域のブラッグ波長に対して所定範囲内で長波長側になるように構成すること、即ち、波長制御導波路部の等価屈折率が利得導波路部の等価屈折率よりも所定範囲内で大きくなるように等価屈折率差をつけることは困難である。
まず、アレイ集積型波長可変レーザでは、一般に、集積される全てのＴＤＡ−ＤＦＢレーザは同一の半導体材料からなり、同一の導波路構造を有するものとして構成される。つまり、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザは、全て、同一の導波路構造（層構造），材料・組成，厚さ，幅の利得導波路部及び波長制御導波路部を有するものとして構成される。これは、一般に、半導体光導波路を形成する場合、例えばＭＯＣＶＤ法などによって半導体基板上に均一に半導体材料を堆積させるため、同一基板上に異なる層構造を形成するのが困難なためである。
また、アレイ集積型波長可変レーザでは、集積される各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振波長帯は少しずつずらして設計される。例えば、Ｃ−Ｂａｎｄ帯の全域で発振可能なアレイ集積型波長可変レーザを実現するには、８つのＴＤＡ−ＤＦＢレーザを集積し、図１０に示すように、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯が、それぞれ、１５２５〜１５３０ｎｍ、１５３０〜１５３５ｎｍ、１５３５〜１５４０ｎｍ、１５４０〜１５４５ｎｍ、１５４５〜１５５０ｎｍ、１５５０〜１５５５ｎｍ、１５５５〜１５６０ｎｍ、１５６０〜１５６５ｎｍとなるように設計される。
ここで、図１１中、点線Ａで示すように、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの利得導波路部の等価屈折率は波長依存性があり、図１１中、実線Ｂで示すように、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの波長制御導波路部の等価屈折率も波長依存性があるため、上述のように、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザを同一の半導体材料及び導波路構造の利得導波路部及び波長制御導波路部を有するものとし、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振波長帯を少しずつずらして設計すると、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの利得導波路部及び波長制御導波路部の等価屈折率は異なるものとなってしまう。この結果、図１１中、破線Ｃで示すように、各ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの利得導波路部と波長制御導波路部の等価屈折率差（＝波長制御導波路部の等価屈折率−利得導波路部の等価屈折率）も異なるものとなってしまう。
このため、同一基板上に集積される全てのＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおいて、利得導波路部と波長制御導波路部の等価屈折率差を最適値に設定するのが難しく、この結果、全てのＴＤＡ−ＤＦＢレーザにおいて安定した単一モード発振を得るのが困難であった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザを同一半導体基板上に集積する場合に、全ての波長可変レーザにおいて（即ち、全ての発振波長帯において）、安定した単一モード発振が得られるようにした、半導体集積素子を提供することを目的とする。
このため、本発明の半導体集積素子は、同一半導体基板上に、回折格子の周期が異なることで発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザを備え、各波長可変レーザが、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入又は電圧印加によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、光導波路の全長にわたって光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、各波長可変レーザの利得導波路部が、同一の層構造，材料・組成，厚さを有し、各波長可変レーザの波長制御導波路部が、同一の層構造，材料・組成，厚さを有し、発振波長帯が短波長になると大きくなる前記利得導波路部と前記波長制御導波路部の等価屈折率差が補償されるように、複数の波長可変レーザのうち、一の波長可変レーザにおける波長制御導波路部の幅を利得導波路部の幅で割った値が、一の波長可変レーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他の波長可変レーザにおける波長制御導波路部の幅を利得導波路部の幅で割った値よりも大きくなっていることを特徴としている。
したがって、本発明の半導体集積素子によれば、発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザを同一半導体基板上に集積する場合に、全ての波長可変レーザにおいて（即ち、全ての発振波長帯において）、安定した単一モード発振が得られるという利点がある。
本発明の第１実施形態にかかる半導体集積素子を構成する複数の波長可変レーザを示す模式図であって、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる半導体集積素子を構成する波長可変レーザの構成を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる半導体集積素子を構成する波長可変レーザの電極の構成を示す模式的平面図である。 波長可変レーザの利得導波路部の幅と等価屈折率との関係を示す図である。 波長可変レーザの利得導波路部の幅を変えた場合の等価屈折率差と波長との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる半導体集積素子を構成する各波長可変レーザの利得導波路及び波長制御導波路の幅を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体集積素子を構成する複数の波長可変レーザを示す模式断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体集積素子を構成する各波長可変レーザの利得導波路及び波長制御導波路の幅を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる半導体集積素子（アレイ集積型波長可変レーザ）の構成を示す模式図である。 アレイ集積型波長可変レーザを構成する各レーザの発振波長帯（波長可変範囲）の設定例を説明するための図である。 ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの利得導波路部及び波長制御導波路部の等価屈折率及び等価屈折率差の波長依存性を説明するための図である。
符号の説明
１ 光導波路
１Ａ 利得導波路（活性導波路）
１Ｂ 波長制御導波路
２ 回折格子（回折格子層）
２Ａ 利得用回折格子
２Ｂ 波長制御用回折格子
３Ａ 利得電極（ｐ側電極）
３Ｂ 波長制御電極（ｐ側電極）
３Ｃ 共通電極（ｎ側電極）
４ ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
５ ｎ型ＩｎＰバッファ層（ｎ型ＩｎＰクラッド層）
６ 活性層（利得層，導波路コア層）
７ ｐ型ＩｎＰクラッド層
８Ａ，８Ｂ コンタクト層
９ 波長制御層（位相制御層）
１０ ＳｉＯ2膜
１１Ａ 利得領域（活性領域）
１１Ｂ 波長制御領域
１１Ｃ 分離領域
１２ 高抵抗ＩｎＰ埋込層
２０Ａ〜２０Ｈ 波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）
２１Ａ〜２１Ｈ 結合導波路（曲がり導波路）
２２ 光結合器（光合流器）
２３ 光増幅器（ＳＯＡ）
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体集積素子について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体集積素子について、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体集積素子は、図１に示すように、同一半導体基板４上に、発振波長帯が異なる複数（ここでは８つ）の波長可変レーザ［ここではＴＤＡ−ＤＦＢ（Tunable Distributed Amplification-Distributed Feedback）レーザ；分布帰還形の波長可変レーザ］ＬＤ１〜ＬＤ８を備えるアレイ集積型波長可変レーザである。なお、図１中、符号１２は埋込層を示している。
ここで、各波長可変レーザ（電流制御型波長可変レーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８は、図１及び図２に示すように、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部１Ａと、電流注入による屈折率変化によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部１Ｂとを有する光導波路（光導波路層）１と、光導波路１の近傍に設けられた回折格子（回折格子層）２とを備えるものとして構成される。
そして、各波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８では、利得導波路部１Ａに電流（利得制御電流）Ｉactを注入することによって、回折格子２の周期に応じた波長で発振するようになっている。また、波長制御導波路部１Ｂに電流（波長制御電流）Ｉtuneを注入することによって発振波長を制御しうるようになっている。
光導波路１は、図２に示すように、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとを光軸方向に交互に有するものとして構成される。つまり、光導波路１は、複数の利得導波路部１Ａと、複数の波長制御導波路部１Ｂとを備え、これらの利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが同一平面上で周期的に交互に直列配置された構成になっている。なお、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの具体的な構成例については後述する。
なお、利得導波路部１Ａは、電流注入によって光利得を発生しうる半導体材料によって構成された活性導波路であり、波長制御導波路部１Ｂは、電流注入によって屈折率が変化し、レーザの発振波長を変化させうる半導体材料によって構成された導波路（利得を発生しない導波路）である。
回折格子２は、図２に示すように、光導波路１の下方に、光導波路１の全長にわたって、光導波路１に沿って平行に設けられている。つまり、利得導波路部１Ａに対応する位置にも、波長制御導波路部１Ｂに対応する位置にも、連続的に回折格子２が設けられている。なお、図２に示すように、利得導波路部１Ａに対応する位置に形成されている回折格子２を利得用回折格子２Ａといい、波長制御導波路部１Ｂに対応する位置に形成されている回折格子２を波長制御用回折格子２Ｂという。
このように、各波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８では、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザとは異なり、図２に示すように、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが同一平面上に並べられているため、一般的な素子作製技術を用いることができ、素子の作製が容易である。特に、発振波長が異なる複数の波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８を集積する場合にも、素子の作製が容易である。
また、各波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、一般的なＤＦＢレーザと同様の構成になっており、ＤＦＢレーザの一種であるため、ＤＢＲレーザのように波長可変制御時に位相制御を行なう必要がなく、波長制御電流Ｉtuneのみによる単純な波長制御が可能である。なお、各波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８では、回折格子２が光導波路１の全長にわたって設けられているため、初期位相の制御も不要である。
各波長可変レーザＬＤ１〜ＬＤ８では、図２に示すように、光導波路１の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとに独立に電流注入を行なえるように、それぞれの領域に対して独立に電極３Ａ，３Ｂが設けられている。
つまり、図２に示すように、光導波路１の利得導波路部１Ａの上面にはコンタクト層８Ａを介して利得電極（ｐ側電極）３Ａが形成されており、下方には共通電極（ｎ側電極）３Ｃが形成されており、利得導波路部１Ａの活性層（利得層，導波路コア層）６に電流Ｉactを注入しうるようになっている。また、光導波路１の波長制御導波路部１Ｂの上面にはコンタクト層８Ｂを介して波長制御電極（ｐ側電極）３Ｂが形成されており、下方には共通電極（ｎ側電極）３Ｃが形成されており、波長制御導波路部１Ｂの波長制御層（導波路コア層，位相制御層）９に電流Ｉtuneを注入しうるようになっている。
ここでは、利得電極３Ａ及び波長制御電極３Ｂは、図３に示すように、いずれもくし型電極として構成されている。
なお、利得導波路部１Ａ、利得用回折格子２Ａ、利得電極３Ａ、共通電極３Ｃからなる領域を利得領域１１Ａといい、波長制御導波路部１Ｂ、波長制御用回折格子２Ｂ、波長制御電極３Ｂ、共通電極３Ｃからなる領域を波長制御領域１１Ｂという。
また、図２に示すように、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、波長制御電極（ｐ側電極）３Ｂ及び利得電極（ｐ側電極）３Ａが形成されていない領域には、ＳｉＯ2膜（パッシベーション膜）１０が形成されている。つまり、コンタクト層８Ａ，８Ｂを形成した後、全面にＳｉＯ2膜１０を形成し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上のＳｉＯ2膜１０のみを除去し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上にｐ側電極３Ａ，３Ｂを形成することで、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、ｐ側電極３Ａ，３Ｂが形成されていない領域にＳｉＯ2膜１０を形成している。
特に、図２，図３に示すように、利得領域１１Ａと波長制御領域１１Ｂとを電気的に分離するため、利得電極３Ａと波長制御電極３Ｂとの間には分離領域（分離部）１１Ｃを設けている。つまり、利得領域１１Ａと波長制御領域１１Ｂとの接合界面近傍の上方の領域には、波長制御電極（ｐ側電極）３Ｂ及び利得電極（ｐ側電極）３Ａ及びコンタクト層８Ａ，８Ｂを形成しないようにすることで分離部１１Ｃを形成している。
なお、ここでは、波長制御導波路部１Ｂに電流注入を行なうことによって発振波長を制御しているが、これに限られるものではなく、例えば波長制御導波路部１Ｂに波長制御電極３Ｂを介して電圧印加を行なうことによって発振波長の制御を行なうように構成しても良い。
ところで、本実施形態では、図１に示すように、８つの波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８が並列に配置されて集積されている。
各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯は、例えば図１０に示すようになっている。つまり、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯は、最も短波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ１から最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８まで、５ｎｍ間隔で、それぞれ、１５２５〜１５３０ｎｍ、１５３０〜１５３５ｎｍ、１５３５〜１５４０ｎｍ、１５４０〜１５４５ｎｍ、１５４５〜１５５０ｎｍ、１５５０〜１５５５ｎｍ、１５５５〜１５６０ｎｍ、１５６０〜１５６５ｎｍのように設定されている。
ここで、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、発振波長が最も長波長側になり、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していくと、発振波長が短波長側にシフトしていくようになっている。
このため、上述のような発振波長帯の設定は、回折格子２の周期をレーザ毎に変えて、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態の発振波長が、ＬＤ１で１５３０ｎｍ、ＬＤ２で１５３５ｎｍ、ＬＤ３で１５４０ｎｍ、ＬＤ４で１５４５ｎｍ、ＬＤ５で１５５０ｎｍ、ＬＤ６で１５５５ｎｍ、ＬＤ７で１５６０ｎｍ、ＬＤ８で１５６５ｎｍとなるように設定すれば良い。
このようにして、８つのレーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯を設定することによって、波長分割多重通信システムにおいて重要なＣ−ｂａｎｄ帯（１５２５〜１５６５ｎｍ）の全ての波長において発振する波長可変レーザを実現することができる。
なお、ここでは、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯を、Ｃ−ｂａｎｄ帯をカバーしうるように設定しているが、これに限られるものではなく、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長帯は任意に設定することができる。
ところで、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８では、利得領域１１Ａのブラッグ波長を一定にし、波長制御領域１１Ｂの波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率を変化させ、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長を変えることによって波長可変動作を行なう。
本実施形態では、モード跳びが生じないようにし、安定した単一モード発振を維持しながら、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８における連続波長可変領域（モード跳びが生じることなく、連続的に単一モード発振が可能な領域）を有効に使うことができるように、波長制御導波路部１Ｂに電流注入又は電圧印加を行なっていない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して長波長側へずらしておき、波長制御導波路部１Ｂに電流注入又は電圧印加を行なうことで、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率を減少させ、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを短波長側へずらすように構成している。なお、詳細は特開２００６−２９５１０３号公報参照。
ところで、一般に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの利得導波路部及び波長制御導波路部の等価屈折率は波長依存性があり、波長が短くなるほど等価屈折率が増加する。また、その増加の度合いは波長制御導波路部の方が大きい（図１１参照）。
このため、発振波長帯が異なる複数のＴＤＡ−ＤＦＢレーザを集積する場合、各レーザ間で利得導波路部及び波長制御導波路部の等価屈折率が異なってしまい、この結果、各レーザの利得導波路部と波長制御導波路部の等価屈折率差（＝波長制御導波路部の等価屈折率−利得導波路部の等価屈折率）も異なってしまう（図１１参照）。
この場合、例えば、最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８において、両者の等価屈折率差が最適値になり、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtが、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずれるように、同一半導体基板４上に形成される全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８を設計すると、レーザＬＤ８の発振波長帯よりも短波長側の発振波長帯を有する他のレーザＬＤ１〜ＬＤ７では、利得導波路部１Ａの等価屈折率が波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率に対して小さすぎる状態になってしまい、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率差は最適値よりも大きくなってしまい（図１１参照）、この結果、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtが、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずれないことになる。
そこで、本実施形態では、図１に示すように、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の波長制御導波路部１Ｂの幅は全て同一にし、利得導波路部１Ａの幅は互いに異なり、最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８が最も狭くなり、発振波長が短波長側になるにしたがって広くなり、最も短波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ１が最も広くなるようにしている。なお、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、全て、同一の層構造，材料・組成，厚さの利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂを有するものとしている。
要するに、本実施形態では、複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８のうち、一のレーザにおける利得導波路部１Ａの幅が、一のレーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他のレーザにおける利得導波路部１Ａの幅よりも狭くなり、複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８のうち、一のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅を利得導波路部１Ａの幅で割った値（即ち、利得導波路部１Ａの幅に対する波長制御導波路部１Ｂの幅の割合）が、一のレーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅を利得導波路部１Ａの幅で割った値よりも大きくなるようにしている。
なお、本明細書では、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａの幅、波長制御導波路部１Ｂの幅として説明しているが、具体的には、利得導波路部１Ａの幅は利得導波路部１Ａのコア層６の幅であり、波長制御導波路部１Ｂの幅は波長制御導波路部１Ｂのコア層９の幅である。
ここで、図４に示すように、利得導波路部１Ａの等価屈折率はその導波路幅の増加にしたがって増加するため、上述のように、発振波長が短波長側になるほど利得導波路部１Ａの幅が広くなるようにすることで、波長制御導波路部１Ｂに対して等価屈折率が小さすぎる分を補償でき、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８における両導波路部の等価屈折率差を所望の範囲内（例えば０．０２％以内）に設定できることになる。
これにより、発振波長帯が異なる複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８を同一半導体基板４上に形成する場合、電流を注入していない状態で、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率差が所望の範囲内になり、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtが、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して所望の範囲内で長波長側へずれるようになる。この結果、どの発振波長帯においても安定した単一モード発振が得られるようになり、また、比較的広い波長可変範囲が得られるようになる。
以下、各波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８の具体的な構成例について説明する。
本実施形態では、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、全て、同一の層構造，材料・組成，厚さの利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂを有し、その断面構造（図２参照）は全て同一の構造になっている。
まず、利得領域（活性領域）１１Ａは、図２に示すように、例えばｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板；必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層を含むものとする）４上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２、ｎ型ＩｎＰバッファ層（ｎ型ＩｎＰクラッド層）５、利得ピーク波長（バンドギャップ波長）が１．５５μｍ帯になるように設計された１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ歪ＭＱＷ層（Multiple Quantum Well；多重量子井戸層；厚さ２００ｎｍ）及び上下のＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure；分離閉じ込めヘテロ構造）層（光閉じ込め層；いずれも厚さ５０ｎｍ）からなる活性層６、ｐ型ＩｎＰクラッド層７、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）８Ａを順に積層した層構造になっている。
また、利得導波路部（活性導波路部）１Ａは、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰクラッド層５、活性層（利得層，導波路コア層）６、ｐ−ＩｎＰクラッド層７から構成される。
一方、波長制御領域１１Ｂは、図２に示すように、例えばｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板；必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層を含むものとする）４上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２、ｎ型ＩｎＰバッファ層（ｎ型ＩｎＰクラッド層）５、バンドギャップ波長１．４３μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク層（厚さ２５０ｎｍ；波長制御層；位相制御層）９、ｐ型ＩｎＰクラッド層７、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）８を順に積層した層構造になっている。
また、波長制御導波路部１Ｂは、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰクラッド層５、波長制御層（導波路コア層）９、ｐ−ＩｎＰクラッド層７から構成される。
ここでは、１つの利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの長さは、いずれも３０μｍとし、１つの利得導波路部１Ａと１つの波長制御導波路部１Ｂとからなる１周期の長さを６０μｍとしている。なお、素子長は例えば５７０μｍとしている。また、利得導波路部１Ａが素子端面側に配置されるようにして、光出力が低下しないようにしている。但し、波長制御導波路部１Ｂを素子端面側に配置しても良い。
このような層構造の場合、例えば利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの幅をいずれも２．０μｍとすると、図５中、実線Ａで示すように、電流を注入していない状態で、１５６５ｎｍ付近で等価屈折率差（＝波長制御導波路部の等価屈折率−利得導波路部の等価屈折率）が安定した単一モード発振を得るための最適値（目標値；ここでは０．１１５％程度）となる。なお、ここでは、等価屈折率差を表す値として、等価屈折率差を基準等価屈折率（ここでは利得導波路部の等価屈折率）で割った値（等価屈折率差の基準等価屈折率に対する割合）を用いている。
これにより、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずらすことができる。
しかしながら、図５中、実線Ａで示すように、短波長側の波長になるにしたがって等価屈折率差は大きくなり、例えば１５２５ｎｍ付近では等価屈折率差は０．１５５％程度になってしまい、最適値から外れてしまう。言い換えると、１５２５ｎｍ付近で利得導波路部１Ａの等価屈折率が最適値よりも０．０４％程度小さくなってしまう。
このように、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの幅をいずれも２．０μｍにすることは、１５６０〜１５６５ｎｍの発振波長帯で発振するレーザＬＤ８においては最適な設計であるが、他の発振波長帯、特に１５２５〜１５３０ｎｍの発振波長帯で発振するレーザＬＤ１においては最適な設計から外れてしまう。
一方、例えば波長制御導波路部１Ｂの幅を２．０μｍにし、利得導波路部１Ａの幅を２．１５μｍにすると、図５中、実線Ｄで示すように、電流を注入していない状態で、１５２５ｎｍ付近で等価屈折率差が安定した単一モード発振を得るための最適値（ここでは０．１１５％程度）となる。これにより、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずらすことができる。
しかしながら、図５中、実線Ｄで示すように、長波長側の波長になるにしたがって等価屈折率差は小さくなり、例えば１５６５ｎｍ付近では等価屈折率差は０．０７５％程度となってしまい、最適値から外れてしまう。言い換えると、１５６５ｎｍ付近で利得導波路部１Ａの等価屈折率が最適値よりも０．０４％程度大きくなってしまう。
このように、波長制御導波路部１Ｂの幅を２．０μｍにし、利得導波路部１Ａの幅を２．１５μｍにすることは、１５２５〜１５３０ｎｍの発振波長帯で発振するレーザＬＤ１においては最適な設計であるが、他の発振波長帯、特に１５６０〜１５６５ｎｍの発振波長帯で発振するレーザＬＤ８においては最適な設計から外れてしまう。
同様に、図５中、実線Ｂで示すように、波長制御導波路部１Ｂの幅を２．０μｍにし、利得導波路部１Ａの幅を２．０５μｍにする場合、あるいは、図５中、実線Ｃで示すように、波長制御導波路部１Ｂの幅を２．０μｍにし、利得導波路部１Ａの幅を２．１０μｍにする場合も、上述の場合と同様に、一の発振波長帯で発振するレーザでは最適な設計になるものの、他の発振波長帯で発振するレーザでは最適な設計から外れてしまう。
そこで、本実施形態では、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において、波長制御導波路部１Ｂの幅を２．０μｍに固定する一方、利得導波路部１Ａの幅は、図６に示すように、レーザＬＤ８が最も狭くなり、発振波長帯が短波長になるほど導波路幅が広くなり、レーザＬＤ１で最も広くなるように、レーザＬＤ８，ＬＤ７，ＬＤ６，ＬＤ５，ＬＤ４，ＬＤ３，ＬＤ２，ＬＤ１のそれぞれについて、順に、２．００μｍ、２．０２μｍ、２．０４μｍ、２．０６μｍ、２．０９μｍ、２．１１μｍ、２．１３μｍ、２．１５μｍに設定している。
つまり、本実施形態では、最も長波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ８の利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの幅をいずれも２．０μｍとし、電流を注入していない状態で、等価屈折率差が安定した単一モード発振を得るための最適値（ここでは０．１１５％程度）となるようにした上で（例えば図５中、実線Ａ参照）、他のレーザＬＤ１〜ＬＤ７における利得導波路部１Ａの幅を発振波長帯が短波長になるにしたがって徐々に増加させ、各利得導波路部１Ａの等価屈折率を発振波長帯が短波長になるにしたがって徐々に増加させることによって、発振波長帯が短波長側になるにしたがって大きくなる等価屈折率差を補償できるようにしている。
例えば、レーザＬＤ１において利得導波路部１Ａの導波路幅を２．１５μｍにすると、導波路幅が２．０μｍの場合と比べて等価屈折率が０．０４％程度増加する。これにより、１５２５ｎｍ付近で最適値よりも０．０４％程度小さくなってしまう利得導波路部１Ａの等価屈折率の不足分を補うことができ、発振波長帯が最も短波長側のレーザＬＤ１においても、等価屈折率差を安定した単一モード発振を得るための最適値（ここでは０．１１５％程度）にすることができる（例えば図５中、実線Ｄ参照）。
これにより、最も長波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ８を最適な設計にした場合に、最も短波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ１においても、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずらすことができる。
同様に、他のレーザＬＤ２〜ＬＤ７においても、それぞれ、利得導波路部１Ａの幅を上述のように設定することで等価屈折率を増加させることができ、等価屈折率差を安定した単一モード発振を得るための最適値（ここでは０．１１５％程度）にすることができる（例えば図５中、実線Ｂ，Ｃ参照）。これにより、他のレーザＬＤ２〜ＬＤ７においても、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な値だけ長波長側へずらすことができる。
上述のように、本実施形態では、一の波長可変レーザ（ここではＬＤ８）の等価屈折率差が最適値になるように設計した上で、他の波長可変レーザ（ここではＬＤ１〜ＬＤ７）は、波長制御導波路部１Ｂの幅を全て同一にし、利得導波路部１Ａの幅を発振波長帯に応じて調整することによって、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において等価屈折率差が最適値になるようにし、安定した単一モード発振が得られるようにしている。
次に、本実施形態の半導体集積素子の製造方法の概略を説明する。
なお、各半導体層は、例えばＭＯＣＶＤ法などを用いて形成される。
まず初めに、一般的なＤＦＢレーザの作製方法と同様の方法で、図１及び図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板４上の光導波路１（利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂ）が配置される箇所に回折格子層２を形成する。
例えば、ｎ型ＩｎＰ基板（必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層を含むものとする）４上に、ＩｎＧａＡｓＰ層を形成した後、その上面にレジストを塗布し、電子ビーム描画を用いて回折格子のパターンを形成する。その後、ドライエッチングなどの方法を用いてＩｎＧａＡｓＰ層の一部を周期的に除去し、その上にｎ型ＩｎＰバッファ層５を成長させて回折格子層２を形成する。
次いで、図２に示すように、回折格子層２上、即ち、ｎ型ＩｎＰバッファ層５上に、利得導波路部１Ａを構成するＩｎＧａＡｓＰ活性層（歪ＭＱＷ層及び上下のＳＣＨ層）６、ｐ型ＩｎＰクラッド層７の一部を順に積層させて形成する。
次に、ＳｉＯ2膜（誘電体膜）を上面に形成し、一般的なパターンニング技術を用いて、８つのレーザＬＤ１〜ＬＤ８を構成する利得導波路部１Ａを形成する領域を含んで光軸方向に直交する方向に延びる帯状の領域が残るように、光軸方向に周期的に除去してパターニングを行なう。
次に、パターニングされたＳｉＯ2膜をマスクとして、利得導波路部１Ａを構成するＩｎＧａＡｓＰ活性層６及びｐ型ＩｎＰクラッド層７を、例えばウェットエッチングを用いて光軸方向に周期的に除去し、図２に示すように、除去した部分に波長制御導波路部１Ｂを構成するＩｎＧａＡｓＰバルク層９、ｐ型ＩｎＰクラッド層７の一部を順に積層させて形成する。
そして、ＳｉＯ2膜を全て除去し、図２に示すように、さらにｐ型ＩｎＰクラッド層７の残りの部分を全面に積層させて形成する。
以上のようにして、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａを形成する領域を含んで光軸方向に直交する方向に延びる帯状の領域と、波長制御導波路部１Ｂを形成する領域を含んで光軸方向に直交する方向に延びる帯状の領域とが光軸方向に周期的に形成された光導波路構造が形成される。
その後、上述のようにして形成された光導波路構造上（即ち、ｐ型ＩｎＰクラッド層７上）にＳｉＯ2膜（誘電体膜）を形成し、一般的なパターニング技術を用いて、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８を構成する所望の幅の利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂを形成する領域（図１参照）が残るようにパターニングを行なう。
ここでは、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の波長制御導波路部１Ｂの幅が２．０μｍで全て同一となり、利得導波路部１Ａの幅が、レーザＬＤ８，ＬＤ７，ＬＤ６，ＬＤ５，ＬＤ４，ＬＤ３，ＬＤ２，ＬＤ１のそれぞれについて、それぞれ、２．００μｍ、２．０２μｍ、２．０４μｍ、２．０６μｍ、２．０９μｍ、２．１１μｍ、２．１３μｍ、２．１５μｍとなるように、マスクパターンとして残されるＳｉＯ2膜の幅を設定している。
このように、フォトマスクとして用いられるＳｉＯ2膜の寸法を調整するだけで、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａの幅を調整することができるため、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａの幅を変えるために特に追加の工程を入れる必要がなく、作製が容易である。
次いで、パターニングされたＳｉＯ2膜をマスクとして例えばドライエッチングを行ない、マスク直下の部分以外の利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂを構成する各層を除去し、メサ形状に加工してメサ構造を形成する（図１参照）。
その後、このようにして形成されたメサ構造を、例えばＦｅをドーピングした高抵抗ＩｎＰ埋込層１２で埋め込み（図１参照）、一般的な電極形成技術を用いて、図２に示すように、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂに独立に電流を注入するためのｐ側電極３Ａ，３Ｂ（上面）と、ｎ側電極３Ｃ（基板裏面）とを形成する。
ここでは、利得導波路部１Ａの上方にコンタクト層８Ａを介して利得電極（ｐ側電極）３Ａを形成し、下方に共通電極（ｎ側電極）３Ｃを形成する。また、波長制御導波路部１Ｂの上方にコンタクト層８Ｂを介して波長制御電極（ｐ側電極）３Ｂを形成し、下方に共通電極（ｎ側電極）３Ｃを形成する。
また、図２に示すように、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、波長制御電極（ｐ側電極）３Ｂ及び利得電極（ｐ側電極）３Ａが形成されていない領域に、ＳｉＯ2膜（パッシベーション膜）１０を形成する。つまり、コンタクト層８Ａ，８Ｂを形成した後、全面にＳｉＯ2膜１０を形成し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上のＳｉＯ2膜１０のみを除去し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上にｐ側電極３Ａ，３Ｂを形成することで、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、ｐ側電極３Ａ，３Ｂが形成されていない領域にＳｉＯ2膜１０を形成する。
最後に、へき開によって素子を切り出し、両端面に無反射コーティングを施す。
このようにして、光軸方向に周期的に（交互に）利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが配置された光導波路構造を有する８つの波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８を備える半導体集積素子が形成される。
したがって、本実施形態にかかる半導体集積素子によれば、発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８を同一半導体基板４上に集積する場合に、全ての波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８において（即ち、全ての発振波長帯において）、安定した単一モード発振が得られるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体集積素子について、図７，８を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体集積素子（アレイ集積型波長可変レーザ）は、上述の第１実施形態のものに対し、各波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部及び波長制御導波路部の幅が異なる。
つまり、本実施形態では、図７に示すように、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａの幅は全て同一にし、波長制御導波路部１Ｂの幅は互いに異なり、最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８が最も広くなり、発振波長が短波長側になるにしたがって狭くなり、最も短波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ１が最も狭くなるようにしている。なお、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、全て、同一の層構造，材料・組成，厚さの利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂを有するものとしている。また、図７では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
要するに、本実施形態では、複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８のうち、一のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅が、一のレーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅よりも広くなり、複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８のうち、一のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅を利得導波路部１Ａの幅で割った値（即ち、利得導波路部１Ａの幅に対する波長制御導波路部１Ｂの幅の割合）が、一のレーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他のレーザにおける波長制御導波路部１Ｂの幅を利得導波路部１Ａの幅で割った値よりも大きくなるようにしている。
ここで、上述のように、発振波長が短波長側になるほど波長制御導波路部１Ｂの幅が狭くなるようにすることで、利得導波路部１Ａに対して等価屈折率が大きすぎる分を補償でき、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８における両導波路部の等価屈折率差を所望の範囲内（例えば０．０２％以内）に設定できることになる。
これにより、発振波長帯が異なる複数のレーザＬＤ１〜ＬＤ８を同一半導体基板４上に形成する場合、電流を注入していない状態で、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率差が所望の範囲内になり、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtが、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して所望の範囲内で長波長側へずれるようになる。この結果、どの発振波長帯においても安定した単一モード発振が得られるようになり、また、比較的広い波長可変範囲が得られるようになる。
具体的には、本実施形態では、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において、利得導波路部１Ａの幅を２．０μｍに固定する一方、波長制御導波路部１Ｂの幅は、図８に示すように、レーザＬＤ８が最も広くなり、発振波長帯が短波長になるほど導波路幅が狭くなり、レーザＬＤ１で最も狭くなるように、レーザＬＤ８，ＬＤ７，ＬＤ６，ＬＤ５，ＬＤ４，ＬＤ３，ＬＤ２，ＬＤ１のそれぞれについて、順に、２．００μｍ、１．９９μｍ、１．９７μｍ、１．９６μｍ、１．９４μｍ、１．９３μｍ、１．９１μｍ、１．９０μｍに設定している。
つまり、本実施形態では、最も長波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ８の利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの幅をいずれも２．０μｍとし、電流を注入していない状態で、等価屈折率差が安定した単一モード発振を得るための最適値（ここでは０．１１５％程度）となるようにした上で（例えば図５中、実線Ａ参照）、他のレーザＬＤ１〜ＬＤ７の波長制御導波路部１Ｂの幅を発振波長帯が短波長になるにしたがって徐々に減少させ、各波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率を発振波長帯が短波長になるにしたがって徐々に減少させることによって、発振波長帯が短波長側になるにしたがって大きくなる等価屈折率差を補償できるようにしている。
このように、本実施形態では、一の波長可変レーザ（ここではＬＤ８）の等価屈折率差が最適値になるように設計した上で、他の波長可変レーザ（ここではＬＤ１〜ＬＤ７）は、利得導波路部１Ａの幅を全て同一にし、波長制御導波路部１Ｂの幅を発振波長帯に応じて調整することによって、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において等価屈折率差が最適値になるようにし、安定した単一モード発振が得られるようにしている。
なお、その他の構成（例えば、利得導波路部１Ａや波長制御導波路部１Ｂの層構造、集積するレーザの個数、発振波長帯の設定等）及び製造方法は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体集積素子によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８を同一半導体基板４上に集積する場合に、全ての波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８において（即ち、全ての発振波長帯において）、安定した単一モード発振が得られるという利点がある。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体集積素子について、図９を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体集積素子は、図９に示すように、同一半導体基板４上に、上述の第１実施形態のように異なる発振波長帯（波長可変範囲）を持ち、並列に配置された複数（ここでは８つ）の波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８と、複数（ここでは８つ）の結合導波路（曲がり導波路）２１Ａ〜２１Ｈと、光結合器（光合流器）２２と、光結合器２２による損失を補償するための光増幅器（半導体光増幅器；ＳＯＡ）２３とを備え、これらを１つの素子内に集積したアレイ集積型波長可変レーザとして構成される。なお、図９では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
そして、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、それぞれ、各結合導波路２１Ａ〜２１Ｈ及び光結合器２２を介してＳＯＡ２３に接続されており、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８から出射されるレーザ光（光出力）は、それぞれ、各結合導波路２１Ａ〜２１Ｈを伝播し、各結合導波路２１Ａ〜２１Ｈのそれぞれを伝播するレーザ光は光結合器２２によって１つに結合され、光結合器２２を介して伝播する光がＳＯＡ２３によって増幅されるようになっている。
ここで、複数の結合導波路２１Ａ〜２１Ｈ及び光結合器２２は、例えばバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によって構成される。また、光結合器２２としては、例えば多モード干渉（ＭＭＩ）カプラやスターカプラなどを用いれば良い。
また、ＳＯＡ２３は、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部と同様の層構造（上述の第１実施形態参照）を持つものとして構成される。
このような構成によって、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８の光出射口が１つに集約され、かつ、十分な光出力が得られるため、レーザモジュールの組立などにおいて単一のレーザと同様に取り扱うことができ、さらに、広い波長範囲で安定した単一モード発振が得られる波長可変レーザを実現することができる。
なお、その他の波長可変レーザについての詳細な構成及び製造方法は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体集積素子（アレイ集積型波長可変レーザ）によれば、上述の第１実施形態と同様に、発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８を同一半導体基板４上に集積する場合に、全ての波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８において（即ち、全ての発振波長帯において）、安定した単一モード発振が得られるという利点がある。
なお、本実施形態では、波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）として、上述の第１実施形態のように構成されたものを用いているが、これに限られるものではない。例えば、上述の第２実施形態のように構成されたものを用いても良い。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１ＢをＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層によって構成した場合の例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、他の半導体材料（例えばＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系等）によって形成することもでき、この場合にも同様の効果が得られる。
また、上述の各実施形態では、発振波長帯が１．５５μｍ帯の波長可変レーザを前提に説明しているが、これに限られるものではない。例えば１．３μｍ帯などの他の発振波長帯の波長可変レーザにも、本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態では、利得導波路部１Ａの長さを３０μｍとし、波長制御導波路部１Ｂの長さを３０μｍとし、１対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比率を１：１にした場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂはいかなる長さであっても良く、また、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さとの比率も他の比率であっても良く、そのような場合であっても同様の効果が得られる。
また、上述の各実施形態では、回折格子２の周期は利得領域１１Ａと波長制御領域１１Ｂとで同一にしているが、これに限られるものではなく、利得領域と波長制御領域とで回折格子の周期が異なるように構成しても良い。
また、上述の第１実施形態では、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において波長制御導波路部１Ｂの幅を同一にし、利得導波路部１Ａの幅を変化させるようにし、上述の第２実施形態では、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８において利得導波路部１Ａの幅を同一にし、波長制御導波路部１Ｂの幅を変化させるようにして、それぞれ別個に説明しているが、これらの実施形態の構成を組み合わせても良い。つまり、短波長側で発振する波長可変レーザの利得導波路の幅を広くするのと同時に、波長制御導波路の幅を狭くするようにしても良い。
また、上述の各実施形態では、等価屈折率差の最適値を０．１１５％程度として説明しているが、この値は利得導波路部１Ａの長さ、波長制御導波路部１Ｂの長さ、１対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比率によって変わるものであり、等価屈折率差の最適値はこの値に限定されるものではなく、異なる発振波長を持つ複数の波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）において、いずれも、等価屈折率差が最適値あるいは最適な範囲になるように構成されていれば良い。
さらに、上述の各実施形態では、全ての波長可変レーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ）ＬＤ１〜ＬＤ８において等価屈折率差が最適値になるように、全てのレーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａ又は波長制御導波路部１Ｂの幅を変えているが（即ち、複数の波長可変レーザの中のいずれの２つのレーザにおいても利得導波路部１Ａ又は波長制御導波路部１Ｂの幅が異なるようにしているが）、これに限られるものではなく、例えば、各レーザの利得導波路部又は波長制御導波路部の幅を段階的に変えるようにしても良い。
例えば、上述の第１実施形態の構成において、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の波長制御導波路部１Ｂの幅は２．００μｍに固定し、４つのレーザＬＤ８〜ＬＤ５は、利得導波路部１Ａの幅を２．００μｍにし、４つのレーザＬＤ４〜ＬＤ１は、利得導波路部１Ａの幅を２．０９μｍにするというように、導波路幅を２段階に変えるようにしても良い。同様に、上述の第２実施形態の構成において、各レーザＬＤ１〜ＬＤ８の利得導波路部１Ａの幅は２．００μｍに固定し、４つのレーザＬＤ８〜ＬＤ５は、波長制御導波路部１Ｂの幅を２．００μｍにし、４つのレーザＬＤ４〜ＬＤ１は、波長制御導波路部１Ｂの幅を１．９４μｍにするというように、導波路幅を２段階に変えるようにしても良い。
この場合、レーザＬＤ８，ＬＤ４は、等価屈折率差が最適値になるものの、他のレーザＬＤ７〜ＬＤ５，ＬＤ３〜ＬＤ１は最適値からずれてしまうことになるが、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して所望の範囲内で長波長側へずらすことができれば、安定した単一モード発振が得られることになる。
また、複数のレーザの中で等価屈折率差が、安定した単一モード発振が得られる最適な範囲外（許容範囲外）になっているもののみ利得導波路部又は波長制御導波路部の導波路幅を変えるようにしても良い。
例えば、上述の第１実施形態及び第２実施形態の構成において、全てのレーザの利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの幅を同一にした場合に、レーザＬＤ１のみが等価屈折率差が許容範囲外になっているときは、それが許容範囲内になるように、波長可変レーザＬＤ１の利得導波路部１Ａの幅を広くするか、あるいは、波長制御導波路部１Ｂの幅を狭くするだけでも良い。
この場合、レーザＬＤ８は等価屈折率差が最適値になるものの、他の波長可変レーザＬＤ７〜ＬＤ１は最適値からずれてしまうことになるが、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態で、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長λtを、利得領域１１Ａのブラッグ波長λaに対して最適な範囲内で長波長側へずらすことができれば、安定した単一モード発振が得られることになる。
また、上述の各実施形態では、最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの幅を同一にし、この場合に最適な等価屈折率差が得られるように、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの導波路構造（層構造），材料・組成，厚さを設定しているが、これに限られるものではなく、他の波長可変レーザ（ＬＤ１〜ＬＤ７のいずれかであっても良いし、それ以外のものであっても良い）において、利得導波路部と波長制御導波路部の幅を同一にして最適な等価屈折率差が得られるように、利得導波路部及び波長制御導波路部の導波路構造（層構造），材料・組成，厚さを設定しても良い。
例えば、上述の各実施形態では、最も長波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ８を基準にして設計しているため、それよりも短波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ７〜ＬＤ１の利得導波路部１Ａの幅を広くし、あるいは、波長制御導波路部１Ｂの幅を狭くしているが、例えば、最も短波長側の発振波長帯を有するレーザＬＤ１を基準にして設計する場合には、それよりも長波長側の発振波長帯で発振するレーザＬＤ８〜ＬＤ２の利得導波路部１Ａの幅を狭くし、あるいは、波長制御導波路部１Ｂの幅を広くすることになる。
また、例えば、本半導体集積素子を構成する８つの波長可変レーザ以外の仮想的な波長可変レーザを基準にして設計する場合には、半導体集積素子を構成する全ての波長可変レーザにおいて、利得導波路部の幅と波長制御導波路部の幅とが異なるものとなる。
要するに、複数の波長可変レーザのうち、一の波長可変レーザにおける波長制御導波路部の幅を利得導波路部の幅で割った値（即ち、利得導波路部の幅に対する波長制御導波路部の幅の割合）が、一の波長可変レーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他の波長可変レーザの波長制御導波路部の幅を利得導波路部の幅で割った値よりも大きくなれば良い。
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

Claims (9)

  1. 同一半導体基板上に、回折格子の周期が異なることで発振波長帯が異なる複数の波長可変レーザを備え、
    前記各波長可変レーザが、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入又は電圧印加によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
    前記各波長可変レーザの前記利得導波路部が、同一の層構造，材料・組成，厚さを有し、
    前記各波長可変レーザの前記波長制御導波路部が、同一の層構造，材料・組成，厚さを有し、
    発振波長帯が短波長になると大きくなる前記利得導波路部と前記波長制御導波路部の等価屈折率差が補償されるように、前記複数の波長可変レーザのうち、一の波長可変レーザにおける前記波長制御導波路部の幅を前記利得導波路部の幅で割った値が、前記一の波長可変レーザの発振波長帯に対して短波長側で発振する他の波長可変レーザにおける前記波長制御導波路部の幅を前記利得導波路部の幅で割った値よりも大きくなっていることを特徴とする、半導体集積素子。
  2. 前記一の波長可変レーザにおける利得導波路部の幅が、前記他の波長可変レーザにおける利得導波路部の幅よりも狭いことを特徴とする、請求項１記載の半導体集積素子。
  3. 前記一の波長可変レーザにおける波長制御導波路部の幅が、前記他の波長可変レーザにおける波長制御導波路部の幅よりも広いことを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体集積素子。
  4. 前記各波長可変レーザは、前記利得導波路部の幅が互いに異なることを特徴とする、請求項１記載の半導体集積素子。
  5. 前記各波長可変レーザは、前記波長制御導波路部の幅が全て同一であることを特徴とする、請求項４記載の半導体集積素子。
  6. 前記各波長可変レーザは、前記波長制御導波路部の幅が互いに異なることを特徴とする、請求項１記載の半導体集積素子。
  7. 前記各波長可変レーザは、前記利得導波路部の幅が全て同一であることを特徴とする、請求項６記載の半導体集積素子。
  8. 前記各波長可変レーザは、前記利得導波路部の幅が段階的に変えられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体集積素子。
  9. 前記各波長可変レーザは、前記波長制御導波路部の幅が段階的に変えられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体集積素子。
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