JP5567226B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、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に載置されて筐体に収容され、半導体レーザモジュールを構成している。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。また、特許文献２には、分布帰還型（Distributed FeedBack：ＤＦＢ）レーザ素子から出力されたレーザ光をＳＯＡによって光増幅する構成の半導体レーザモジュールが開示されている。
特開２００５−３１７６９５号公報 特許第４６３９５７８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、たとえば、４０Ｇｂｐｓ、１００Ｇｂｐｓのデジタルコヒーレント通信の普及等、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。この消費電力の増加を抑制するために、システム内で信号光源として使用される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モジュールは、半導体レーザを有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を載置する第１の支持部材と、前記第１の支持部材を温度調整する第１の温度調節素子と、前記半導体レーザ素子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素子と、前記半導体光素子を載置する第２の支持部材と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子と前記半導体光素子との間に配置された光アイソレータを備えることを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第２の支持部材を温度調整する第２の温度調節素子を備え、前記光アイソレータは、前記第２の支持部材に載置されることを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光アイソレータを載置する第３の支持部材をさらに備え、前記第２の支持部材は、温度調整されないことを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第１の温度調節素子は、前記半導体レーザ素子の温度を変化させることによって前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を変化させることを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子は、複数の前記半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出力されたレーザ光を合流させることができる光合流器とを備え、前記複数の半導体レーザのうち動作させる半導体レーザの切り替えおよび前記半導体レーザ素子の温度変化によって前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を変化させることを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長の変化をモニタする波長モニタ機構を備え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、実施形態１に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図２は、図１に示す半導体光増幅素子の模式的な断面図である。 図３は、温度調節素子の吸熱量Ｑと消費電力との関係の一例を示す図である。 図４は、半導体レーザ素子の別の実施形態１の模式的な平面図である。 図５は、半導体レーザ素子の別の実施形態２の模式的な平面図である。 図６は、半導体レーザ素子の別の実施形態３の模式的な平面図である。 図７は、実施形態２に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図８は、比較形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図９は、ＳＯＡの駆動電流とレーザ光の線幅との関係を示す図である。 図１０は、実施形態３に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図１１は、実施形態４に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図１２は、実施形態５に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図１３は、図１２に示す半導体光増幅素子の模式的な平面図である。 図１４は、ＳＯＡ部の駆動電流と出力されるレーザ光の線幅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、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、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。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図１に示すように、本実施形態１に係る半導体レーザモジュール１００は、筐体１内に、第１の温度調節素子である温度調節素子２、支持部材３、分布帰還型（Distributed FeedBack：ＤＦＢ）レーザ素子４、コリメートレンズ５、第２の温度調節素子である温度調節素子６、支持部材７、集光レンズ８、半導体光素子である半導体光増幅素子９、コリメートレンズ１０、ビームスプリッタ１１、１２、パワーモニタ用フォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）１３、エタロンフィルタ１４、波長モニタ用ＰＤ１５、光アイソレータ１６、および集光レンズ１７が収容された構成を有する。
筐体１は、底板１ａと、側壁部と、上部蓋とを有している。なお、図１では説明のために上部蓋は記載を省略している。紙面右側の側壁部には、集光レンズ１７を収容し、かつ光ファイバ１８が挿通固定されるホルダ部１ｂが設けられている。筐体１は内部が気密構造となるように封止されている。底板１ａは熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋと高い銅タングステン（ＣｕＷ）からなる。筐体１のその他の部分は熱膨張係数が低いＫｏｖａｒ（登録商標）からなる。
温度調節素子２は、たとえばペルチェ素子である。温度調節素子２は、筐体１内において、底板１ａに載置されており、駆動電流が供給されることによってＤＦＢレーザ素子４を冷却してその温度を調節することができる。
支持部材３は、温度調節素子２に載置されている。支持部材３は、ＤＦＢレーザ素子４およびコリメートレンズ５を載置するものであり、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋと高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。ＤＦＢレーザ素子４は、支持部材３を介して温度調節素子２に載置されている。なお、支持部材３の構成材料はＡｌＮに限らず、ＣｕＷ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料でもよい。
ＤＦＢレーザ素子４は、活性層を含むストライプ状の光導波路であるＤＦＢレーザ部４ａを有している。ＤＦＢレーザ素子４はＤＦＢレーザ部４ａからレーザ光Ｌ１を出力する。レーザ光Ｌ１の波長は光通信用に用いられる波長帯（たとえば１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）内の波長である。
コリメートレンズ５は、支持部材３に載置され、ＤＦＢレーザ素子４のレーザ光を出力する側である前方側に配置されている。コリメートレンズ５は、ＤＦＢレーザ素子４から出力されたレーザ光Ｌ１を平行光に変換する。
温度調節素子６は、筐体１内において、底板１ａに載置され、ＤＦＢレーザ素子４の前方側に配置されている。温度調節素子６はたとえばペルチェ素子である。温度調節素子６は、駆動電流が供給されることによって載置する各要素の温度を調節することができる。
支持部材７は、温度調節素子６に載置されている。支持部材７は、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料で構成されており、集光レンズ８、半導体光増幅素子９、コリメートレンズ１０、ビームスプリッタ１１、１２、パワーモニタ用ＰＤ１３、エタロンフィルタ１４、波長モニタ用ＰＤ１５、光アイソレータ１６の各要素を載置している。各要素は温度調節素子６によって温度調節される。
集光レンズ８は、コリメートレンズ５によって平行光にされたレーザ光Ｌ１を半導体光増幅素子９に集光して入力させる。
半導体光増幅素子９は、活性層を含むストライプ状の埋め込みメサ構造の光導波路であるＳＯＡ部９ａを有している。半導体光増幅素子９は、ＳＯＡ部９ａに入力されたレーザ光Ｌ１を光増幅して出力する。このとき、半導体光増幅素子９は、不図示の制御装置によって電力を供給され、レーザ光Ｌ１が所望の光強度になるように光増幅する。
ＳＯＡ部９ａの活性層のメサ幅はたとえばＤＦＢレーザ部４ａと同様に１．５μｍ〜３μｍであるが、ＤＦＢレーザ素子４が出力するレーザＬ１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。
図２は、半導体光増幅素子９の模式的な断面図である。図２に示すように、半導体光増幅素子９は、裏面にｎ側電極９ｂが形成されたｎ型ＩｎＰ基板９ｃ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９ｄ、組成を連続的に変化させた下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層９ｅ、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造の活性層９ｆ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層９ｇ、およびｐ型ＩｎＰ層９ｈを備えている。
ｐ型ＩｎＰ層９ｈからｎ型ＩｎＰバッファ層９ｄ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９ｉとｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層９ｊにより埋め込まれている。また、ｐ型ＩｎＰ層９ｈとｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層９ｊとの上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層９ｋ、ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｌが順次積層している。また、ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｌの表面はＳｉＮ保護膜９ｍにより保護されている。さらに、ＳｉＮ保護膜９ｍはＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｌ上でその一部が開口している。この開口部にはｐ側電極９ｎが形成されている。
活性層９ｆ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９ｆの組成は、ＤＦＢレーザ素子４のレーザ発振波長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、ＤＦＢレーザ素子４も半導体光増幅素子９と同様の断面構造を有する。ただし、ＤＦＢレーザ素子４においては、ｐ型ＩｎＰ層９ｈ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半導体光増幅素子９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。
コリメートレンズ１０は、半導体光増幅素子９から出力された増幅されたレーザ光Ｌ１を平行光にする。
ビームスプリッタ１１は、たとえばハーフミラーであり、平行光にされたレーザ光Ｌ１の大部分を透過して光アイソレータ１６に入力させるとともに、レーザ光Ｌ１の一部（レーザ光Ｌ２）をパワーモニタ用ＰＤ１３に向けて反射させる。ビームスプリッタ１２は、たとえばハーフミラーであり、レーザ光Ｌ２の一部（レーザ光Ｌ３）をエタロンフィルタ１４に反射させる。
光アイソレータ１６は、紙面左側から入力されたレーザ光Ｌ１を紙面右側に通過させ、かつ、紙面右側から紙面左側への光の通過を阻止する。これによって、ＤＦＢレーザ素子４に戻り光が入力されることが防止されるので、ＤＦＢレーザ素子４の動作が安定する。
集光レンズ１７は、光アイソレータ１６を透過したレーザ光Ｌ１を光ファイバ１８に集光して光結合させる。光ファイバ１８はレーザ光Ｌ１を所定の装置等まで伝送する。
一方、パワーモニタ用ＰＤ１３は、レーザ光Ｌ２の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。
エタロンフィルタ１４は、波長に対して周期的な透過特性（透過波長特性）を有し、その透過波長特性に応じた透過率で、ビームスプリッタ１２が反射したレーザ光Ｌ３を選択的に透過して波長モニタ用ＰＤ１５に入力する。波長モニタ用ＰＤ１５は、エタロンフィルタ１４を透過したレーザ光Ｌ３の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。エタロンフィルタ１４の透過波長特性の周期としては、光の周波数にしてたとえば５０ＧＨｚ、３３．３ＧＨｚ、２５ＧＨｚなどである。
パワーモニタ用ＰＤ１３及び波長モニタ用ＰＤ１５によって検出されたレーザ光Ｌ２、Ｌ３の強度は、制御器による波長ロック制御（レーザ光Ｌ１を所望の波長及び強度にするための制御）に用いられる。
具体的には、波長ロック制御では、制御器は、パワーモニタ用ＰＤ１３によって検出されたレーザ光Ｌ２の強度と、波長モニタ用ＰＤ１５によって検出された、エタロンフィルタ１４透過後のレーザ光Ｌ３の強度との比が、レーザ光Ｌ１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、ＤＦＢレーザ素子４の駆動電流と温度とを変化させる制御をする。これにより、レーザ光Ｌ１の強度及び波長を所望の強度及び波長（ロック波長）に制御することができる。このように、ビームスプリッタ１１、１２、パワーモニタ用ＰＤ１３、エタロンフィルタ１４、および波長モニタ用ＰＤ１５は、レーザ光Ｌ１の波長の変化をモニタする波長モニタ機構として機能する。
半導体レーザモジュール１００では、ＤＦＢレーザ素子４は温度調節素子２によって温度制御され、半導体光増幅素子９は温度調節素子６によって温度制御されている。このように、半導体レーザモジュール１００では、ＤＦＢレーザ素子４と半導体光増幅素子９とを別々の温度調節素子によって温度制御することによって、低消費電力化が実現される。
以下、具体的に説明する。図３は、環境温度が７５℃の場合の温度調節素子（ペルチェ素子）の吸熱量Ｑと消費電力との関係の一例を示す図である。図３に示すように、温度調節素子の消費電力は、吸熱量Ｑに対して２次曲線的に変化する。
したがって、たとえばＤＦＢレーザ素子４および半導体光増幅素子９の発熱量がいずれも０．４Ｗ、合計０．８Ｗであると仮定すると、これらを１つの温度調節素子で冷却して温度制御しようとすると、図３よりＱが０．８Ｗの場合の約２．７Ｗの消費電力を必要とする。
これに対して、半導体レーザモジュール１００では、ＤＦＢレーザ素子４を温度制御するのに要する温度調節素子２の消費電力はＱが０．４Ｗの場合の約１．２５Ｗである。また、半導体光増幅素子９を温度制御する温度調節素子６消費電力も約１．２５Ｗである。したがって、合計の消費電力は約２．５Ｗであるから、１つの温度調節素子で温度制御しようとする場合よりも約０．２Ｗの低消費電力化が可能になる。
なお、上記ではＤＦＢレーザ素子４および半導体光増幅素子９の発熱量がいずれも０．４Ｗで等しいと仮定しているが、ＤＦＢレーザ素子４および半導体光増幅素子９の発熱量は実際には異なる場合が多い。半導体レーザモジュール１００では、このように異なる発熱量のＤＦＢレーザ素子４および半導体光増幅素子９をそれぞれ異なる温度調節素子２、６によってそれぞれ適切な吸熱量で温度制御できるので、より低消費電力化が可能である。たとえば、ＤＦＢレーザ素子４および半導体光増幅素子９を１つの温度調節素子で冷却する場合は、ＤＦＢレーザ素子４から出力されるレーザ光の波長を変えるためにＤＦＢレーザ素子４の温度を下げようとすると、同時に半導体光増幅素子９も不必要に冷却されてしまい、消費電力が不必要に増加する。しかし、本実施形態１の構成ではこのような半導体光増幅素子９の不必要な程度の冷却を防止できる。
以上説明したように、本実施形態１に係る半導体レーザモジュール１００は、より低消費電力な半導体レーザモジュールである。
上記実施形態１では、半導体レーザ素子として、ストライプ状の光導波路であるＤＦＢレーザ部４ａを有するＤＦＢレーザ素子４を用いたが、半導体レーザ素子として、以下に示す構成のものを用いてもよい。
図４は、半導体レーザ素子の別の実施形態１の模式的な平面図である。図４に示すように、半導体レーザ素子９００は、半導体レーザ部９１０と、光導波部９３０とを備えている。
半導体レーザ部９１０は、複数の半導体レーザ９１１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）９１２とを有している。
各半導体レーザ９１１は、ＤＦＢレーザで構成されている。各半導体レーザ９１１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９１０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９１１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９１１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９１１の数はたとえば８、１２、１６等であるが、特に限定はされず、半導体レーザ素子９００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ＳＳＣ９１２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９１１側のメサ幅よりも光導波部９３０側のメサ幅が広いフレア型のＳＳＣである。半導体レーザ９１１側のメサ幅は半導体レーザ９１１のメサ幅と略同様であり、光導波部９３０側のメサ幅はたとえば４μｍ〜１０μｍである。
光導波部９３０は、石英系ガラスからなる平面光波回路（Planner Lightwave Circuit：ＰＬＣ）で構成されている。光導波部９３０は、複数の曲がり導波路９３１と、光合流器９３２とを有している。
各曲がり導波路９３１は、半導体レーザ部９１０の各ＳＳＣ９１２にそれぞれ接続している。各曲がり導波路９３１は、接続された各半導体レーザ９１１から出力されるレーザ光を光合流器９３２にシングルモードで導波する。なお、半導体レーザ９１１から出力されるレーザ光は、ＳＳＣ９１２によって、スポットサイズが曲がり導波路９３１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、ＳＳＣ９１２から出力したレーザ光は低損失で曲がり導波路９３１に入力される。
光合流器９３２は、多モード干渉（Multi-Mode Interferometer：ＭＭＩ）型の光カプラである。光合流器９３２は、各曲がり導波路３１が導波したレーザ光を出力ポート９３２ａから出力させることができる。
半導体レーザ素子９００は、半導体からなる半導体レーザ部９１０と、石英系ガラスからなる光導波部９３０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９１１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、半導体レーザ素子９００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、半導体レーザ素子９００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９１１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９１１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９１１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２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９１１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９１１に接続されたＳＳＣ９１２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９３１に入力させる。曲がり導波路９３１は、レーザ光を光合流器９３２に導波する。光合流器９３２は、入力されたレーザ光を出力ポート９３２ａから出力する。ここで、光合流器９３２は、曲がり導波路９３１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。
半導体レーザ素子９００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９１１の温度を調節する、および／または、駆動する半導体レーザ９１１を切り換える。このように、この半導体レーザ素子９００は、駆動する半導体レーザ９１１の切り換えと、半導体レーザ９１１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９１１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。
図５は、半導体レーザ素子の別の実施形態２の模式的な平面図である。図５に示すように、半導体レーザ素子９００Ａは、半導体レーザ部９１０Ａと、光導波部９３０Ａとを備えている。
半導体レーザ部９１０Ａは、半導体レーザ部９１０と同様に複数の半導体レーザ９１１を有しているが、複数のＳＳＣ９１２を有していない点が半導体レーザ部９１０とは異なる。
光導波部９３０Ａ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９１０Ａとモノリシックに形成されている。光導波部９３０Ａは、複数の曲がり導波路９３１Ａと、光合流器９３２Ａとを有している。
各曲がり導波路９３１Ａは、半導体レーザ部９１０Ａの各半導体レーザ９１１にそれぞれ接続している。各曲がり導波路９３１Ａのコア層のメサ幅は各半導体レーザ９１１のメサ幅と略同様である。各曲がり導波路９３１Ａは、接続された各半導体レーザ９１１から出力されるレーザ光を光合流器９３２Ａにシングルモードで導波する。
光合流器９３２Ａは、ＭＭＩ型の光カプラである。光合流器９３２Ａは、各曲がり導波路９３１Ａが導波したレーザ光を出力ポート９３２ａＡから出力させることができる。
上述したように、半導体レーザ素子９００Ａは、モノリシックに形成された半導体レーザ部９１０Ａと、光導波部９３０Ａとが集積されたものである。
図６は、半導体レーザ素子の別の実施形態３の模式的な平面図である。図６に示すように、半導体レーザ素子９００Ｂは、半導体レーザ部９１０Ｂと、光導波部９３０Ｂとを備えている。
半導体レーザ部９１０Ｂは、１６個の半導体レーザ９１１を有している。
光導波部９３０Ｂは、所定の波長のレーザ光を選択的に出力し、半導体光増幅素子９に入力させる光選択素子を有する。すなわち、光導波部９３０Ｂ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９３４、４つのＭＺＩ素子９３５、および２つのＭＺＩ素子９３６が多段に接続された構成を有する。８つのＭＺＩ素子９３４の入力側は半導体レーザ９１１に接続している。８つのＭＺＩ素子９３４の出力側は４つのＭＺＩ素子９３５の入力側に接続している。４つのＭＺＩ素子９３５の出力側は２つのＭＺＩ素子９３６の入力側に接続している。２つのＭＺＩ素子９３６の出力側は出力ポート９３７のＹ分岐の入力側に接続している。出力ポート９３７の出力側からレーザ光が出力される。
これらのＭＺＩ素子９３４〜９３６は、ＭＺＩ素子９３４の各入力側に接続された各半導体レーザ９１１から出力された各レーザ光が、低損失でＭＺＩ素子９３４、ＭＺＩ素子９３５、ＭＺＩ素子９３６によって順次導波され、出力ポート９３７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、光導波部９３０Ｂ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。
半導体レーザ素子９００Ｂは、半導体レーザ部９１０Ｂと、光導波部９３０Ｂ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９１１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。
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図３に示すように、本実施形態２に係る半導体レーザモジュール２００は、図１に示す半導体レーザモジュール１００において、ＤＦＢレーザ素子４を集積型半導体レーザ素子２０に置き換え、光アイソレータ１６が集積型半導体レーザ素子２０と半導体光増幅素子９との間に配置された構成を有する。
集積型半導体レーザ素子２０は、図４に示す、半導体レーザ素子９００と同様の構成を有する。すなわち、集積型半導体レーザ素子２０は、複数のＤＦＢレーザストライプ２０ａと、複数のＤＦＢレーザストライプ２０ａから出力されたレーザ光を導波する複数の光導波路２０ｂと、複数の光導波路２０ｂが導波したレーザ光を合流させることができる光合流器２０ｃとを備えている。光合流器２０ｃは、たとえばＭＭＩ型の光カプラである。
複数のＤＦＢレーザストライプ２０ａは、たとえば１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲内で、互いに波長が異なるレーザ光を出力する。集積型半導体レーザ素子２０は、ＤＦＢレーザストライプ２０ａを切り替えて、かつ集積型半導体レーザ素子２０の温度を変化させることによって、出力するレーザ光Ｌ１の波長を変化させることができ、波長可変レーザとして機能する。
ここで、半導体レーザモジュール２００では、光アイソレータ１６が集積型半導体レーザ素子２０と半導体光増幅素子９との間に配置されている。これによって、半導体光増幅素子９において発生するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が集積型半導体レーザ素子２０に入力されることが防止されるので、集積型半導体レーザ素子２０から出力されるレーザ光および最終的に集積型半導体レーザ素子２０から出力されるレーザ光Ｌ１の線幅（スペクトル線幅）が広くなることが防止されるという効果を奏する。
なお、光アイソレータ１６は、支持部材３側ではなく支持部材７側に搭載することが好ましい。半導体レーザ素子２０が搭載される支持部材３は、光増幅素子９が搭載される支持部材７と比較して、温度変化が大きくなる。したがって、光アイソレータ１６を支持部材７側に搭載することで、安定した特性を得ることができる。
上記の効果を説明するために、たとえば、半導体レーザモジュール２００と、図８に示すような比較形態の半導体レーザモジュール２００Ａを比較する。半導体レーザモジュール２００Ａは、半導体レーザモジュール２００において、集積型半導体レーザ素子２０を集積型半導体レーザ素子２０Ａに置き換え、半導体光増幅素子９を削除した構成を有する。集積型半導体レーザ素子２０Ａは、複数のＤＦＢレーザストライプ２０ａと、複数の光導波路２０ｂと、光合流器２０ｃと、半導体光増幅素子９のＳＯＡ部９ａと同様の構成のＳＯＡ部２０ｄが集積された素子である。
図９は、実施形態２に係る半導体レーザモジュール２００と比較形態に係る半導体レーザモジュール２００Ａとを同一の駆動条件で駆動させた場合の、ＳＯＡ部の駆動電流と出力されるレーザ光の線幅との関係を示す図である。
図９に示すように、比較形態の場合は、ＳＯＡ部２０ｄの駆動電流を増大させるにつれて、出力されるレーザ光の線幅も増大する。その理由は、ＳＯＡ部２０ｄの駆動電流を増大させるにつれてＳＯＡ部２０ｄからＤＦＢレーザストライプ２０ａに入力されるＡＳＥ光の強度が増大するためである。
これに対して、実施形態２の場合は、ＳＯＡ部９ａの駆動電流を増大させても、出力されるレーザ光の線幅は一定である。その理由は、光アイソレータ１６によってＳＯＡ部９ａからＤＦＢレーザストライプ２０ａへのＡＳＥ光の入力が防止されるからである。
このようなレーザ光の線幅の広がりが防止された半導体レーザモジュール２００は、たとえば、レーザ光Ｌ１の線幅を１００ｋＨｚ以下にすることで、４０Ｇｂｐｓ、１００Ｇｂｐｓといった大容量デジタルコヒーレント通信用の信号光源として適するものである。
（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図１０に示すように、本実施形態３に係る半導体レーザモジュール３００は、図７に示す半導体レーザモジュール２００において、ビームスプリッタ１１を光アイソレータ１６と集光レンズ８との間に配置し、さらにビームスプリッタ３０とパワーモニタ用ＰＤ３１とを備えた構成を有する。
半導体レーザモジュール３００では、集積型半導体レーザ素子２０から出力された後、半導体光増幅素子９に入力される前のレーザ光Ｌ１を用いて、波長ロック制御のうち、レーザ光Ｌ１の波長を所望の波長にするための制御を行っている。また、ビームスプリッタ３０は、半導体光増幅素子９によって光増幅されたレーザ光Ｌ１の一部（レーザ光Ｌ４）を反射させる。パワーモニタ用ＰＤ３１は、レーザ光Ｌ４の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。パワーモニタ用ＰＤ３１によって検出されたレーザ光Ｌ４の強度は、制御器によるレーザ光Ｌ１を所望の強度にするための制御に用いられる。このような構成にすることで、半導体レーザモジュール３００からレーザ光Ｌ１を出力する前から、波長ロック制御を行うことができる。また、半導体光増幅素子９を調整することで、広範囲のパワーにわたって安定した波長のレーザ光Ｌ１を半導体レーザモジュール３００から出力することができる。
（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態３に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図１１に示すように、本実施形態３に係る半導体レーザモジュール４００は、図１０に示す半導体レーザモジュール３００において、集積型半導体レーザ素子２０を集積型半導体レーザ素子４０に置き換え、集積型半導体レーザ素子４０の近傍にパワーモニタ用ＰＤ４１を設け、ビームスプリッタ３０とパワーモニタ用ＰＤ３１とを光増幅器、光変調器、ＰＤなどを集積した半導体光素子である光集積素子４２に置き換えた構成を有する。
集積型半導体レーザ素子４０は、複数のＤＦＢレーザストライプ４０ａと、複数のＤＦＢレーザストライプ４０ａから出力されたレーザ光を導波する複数の光導波路４０ｂと、複数の光導波路４０ｂが導波したレーザ光を合流させることができる光合流器４０ｃと、光合流器４０ｃから出力されたレーザ光を導波する曲がり光導波路４０ｄとを備えている。曲がり光導波路４０ｄは、集積型半導体レーザ素子４０の出力側端面において、該端面と垂直方向に対して約７°〜８°の角度をなすように屈曲している。これによって、集積型半導体レーザ素子４０から出力されたレーザ光Ｌ１の出力側端面における反射光が、ＤＦＢレーザストライプ４０ａ側に戻ることが防止される。
なお、曲がり光導波路４０ｄの屈曲部からはレーザ光Ｌ１の一部が漏れる。パワーモニタ用ＰＤ４１は、この漏れ光Ｌ５の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。漏れ光Ｌ５の強度は、制御器によるレーザ光Ｌ１を所望の強度にするための制御に用いることができる。
光集積素子４２は、ＳＯＡ部４２ａと、ＭＺＩ型光変調器部４２ｂと、パワーモニタ用ＰＤ４２ｃとを備えている。
光集積素子４２では、ＳＯＡ部４２ａが、集光レンズ８から集光されて入力されたレーザ光Ｌ１を増幅する。ＭＺＩ型光変調部４２ｂは、増幅されたレーザ光の大部分に所望の変調信号を重畳したのちに、一方の出力ポートからレーザ光Ｌ６として集光レンズ１７側に出力するとともに、変調されたレーザ光の一部を他方の出力ポートから出力する。この他方の出力ポートにはパワーモニタ用ＰＤ４２ｃが設けられている。パワーモニタ用ＰＤ４２ｃは、変調されたレーザ光の一部の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。検出された強度は、制御器によるレーザ光Ｌ６を所望の強度にするための制御に用いることができる。
（実施形態５）
図１２は、本発明の実施形態５に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図１２に示すように、本実施形態５に係る半導体レーザモジュール３００Ａは、図１０に示す半導体レーザモジュール３００において、温度調節素子６を温度調節素子６Ａに置き換え、支持部材７を支持部材７Ａ、７Ｂに置き換え、半導体光増幅素子９を半導体光増幅素子２０Ｂに置き換え、ビームスプリッタ３０を削除し、パワーモニタ用ＰＤ３１の配置を変更した構成を有する。
温度調節素子６Ａはたとえばペルチェ素子である。温度調節素子６Ａは、駆動電流が供給されることによって載置する各要素の温度を調節することができる。支持部材７Ａは、温度調節素子６Ａに載置されている。支持部材７Ａは、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料で構成されており、集光レンズ８、ビームスプリッタ１１、１２、パワーモニタ用ＰＤ１３、エタロンフィルタ１４、波長モニタ用ＰＤ１５、光アイソレータ１６の各要素を載置している。各要素は温度調節素子６Ａによって温度調節される。
支持部材７Ｂは、筐体１の底板１ａに載置されている。支持部材７Ｂは、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料で構成されており、半導体光増幅素子２０Ｂ、コリメートレンズ１０、パワーモニタ用ＰＤ３１の各要素を載置している。
図１３は、図１２に示す半導体光増幅素子の模式的な平面図である。図１３に示すように、半導体光増幅素子２０Ｂは、いずれも半導体からなる埋め込みメサ構造であるＳＯＡ部２２と、分岐導波路２３と、ＳＳＣ２４とを有している。
分岐導波路２３は、ＳＯＡ部２２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１８に対向する出力側のメサ幅よりも広いフレア型のＳＳＣであり、光ファイバ１８とレンズ系を介して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。
この半導体光増幅素子２０Ｂでは、ＳＯＡ部２２は、集光レンズ８を透過したレーザ光Ｌ１が入力され、入力されたレーザ光Ｌ１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１８に結合し、光ファイバ１８を介して半導体レーザモジュール３００Ａの外部に出力される。
分岐部２３ｂの出力側から出力された残りのレーザ光Ｌ７は、パワーモニタ用ＰＤ３１に入力される。パワーモニタ用ＰＤ３１は、レーザ光Ｌ７の強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を不図示の制御器に出力する。パワーモニタ用ＰＤ３１によって検出されたレーザ光Ｌ７の強度は、制御器によるレーザ光Ｌ１を所望の強度にするための制御に用いられる。
本実施形態５に係る半導体レーザモジュール３００Ａ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素子は、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、同時に半導体光増幅部も冷却する構造であっために、半導体光増幅部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、この半導体レーザモジュール３００Ａでは、集積型半導体レーザ素子２０についてはＤＦＢレーザストライプのレーザ発振波長の調節のために、温度調節素子２によって温度調節するが、半導体光増幅素子２０Ｂについては、冷却せずに動作させている。これによって、ＳＯＡ部２２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、このとき、ＳＯＡ部２２の温度は、半導体レーザモジュール３００Ａのモジュールの温度、すなわち半導体レーザモジュール３００Ａの環境温度と略等しくなり、モジュールの温度の変化に応じて変化する。
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素子の場合、複数の半導体レーザからのレーザ光を１つの半導体光増幅素子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半導体光増幅素子による光増幅が必要となる。そのため、より消費電力が増加し、これに伴って半導体光増幅素子の冷却のための消費電力も増加する。しかしながら、本実施形態５の装置では半導体光増幅素子２０Ｂ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、ＳＯＡ部２２の活性層の構成材料が、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、半導体レーザモジュール３００Ａの動作温度（たとえば２５℃〜７５℃）の範囲で小さい。そのため、ＳＯＡ部２２を冷却せずに動作させる上で好ましい。ただし、活性層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ＳＯＡ部２２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、本実施形態５に係る半導体レーザモジュール３００Ａは、従来よりも一層の低消費電力のものである。
なお、本実施形態５において、光ファイバ１８を、光ファイバの端部において光接続に適したレンズ形状が形成されたレンズファイバに置き換えることもできる。レンズファイバを用いた場合、コリメートレンズ１０、集光レンズ１７を設けなくてもよい。
ここで、図７に示す構造を有する実施形態２の半導体レーザモジュール２００と、図８に示す比較形態の半導体レーザモジュール２００Ａを用い、ＳＯＡ部の駆動電流と出力されるレーザ光のスペクトル線幅との関係を調べた。駆動条件は、ＤＦＢレーザストライプの駆動電流Ｉｄｆｂを４００ｍＡとし、半導体レーザ素子の設定温度３０℃とし、ＳＯＡ部の駆動電流を５０ｍＡ〜４００ｍＡまで変化させた。
図１４は、ＳＯＡ部の駆動電流と出力されるレーザ光の線幅との関係を示す図である。図１４に示すように、比較形態の場合は、ＳＯＡ部の駆動電流を増大させるにつれて、出力されるレーザ光のスペクトル線幅が増大したが、これに対して、実施形態２の場合は、ＳＯＡ部の駆動電流を増大させても、出力されるレーザ光のスペクトル線幅はほぼ一定であり、出力されるレーザ光の線幅を１００ｋＨｚ以下にすることができた。
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。たとえば、図１に示す半導体レーザモジュール１００において、ＤＦＢレーザ素子４と半導体光増幅素子９との間に光アイソレータ１６を配置してもよい。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。
以上のように、本発明に係る半導体レーザモジュールは、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
１ 筐体
１ａ 底板
１ｂ ホルダ部
２、６、６Ａ 温度調節素子
３、７、７Ａ、７Ｂ 支持部材
４ ＤＦＢレーザ素子
４ａ ＤＦＢレーザ部
５、１０ コリメートレンズ
８、１７ 集光レンズ
９、２０Ｂ 半導体光増幅素子
９ａ、２２、４２ａ ＳＯＡ部
９ｂ ｎ側電極
９ｃ ｎ型ＩｎＰ基板
９ｄ ｎ型ＩｎＰバッファ層
９ｅ 下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
９ｆ 活性層
９ｇ 上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
９ｈ ｐ型ＩｎＰ層
９ｉ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
９ｊ ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
９ｋ ｐ型ＩｎＰクラッド層
９ｌ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９ｍ 保護膜
９ｎ ｐ側電極 １１、１２、３０ ビームスプリッタ
１３、３１、４１、４２ｃ パワーモニタ用ＰＤ
１４ エタロンフィルタ
１５ 波長モニタ用ＰＤ
１６ 光アイソレータ
１８ 光ファイバ
２０、２０Ａ、４０ 集積型半導体レーザ素子
２０ａ、４０ａ ＤＦＢレーザストライプ
２０ｂ、４０ｂ 光導波路
２０ｃ、４０ｃ、９３２、９３２Ａ 光合流器
２３ 分岐導波路
２３ａ 直線部
２３ｂ 分岐部
２４、９１２ ＳＳＣ
４０ｄ 曲がり光導波路
４２ 光集積素子
４２ｂ ＭＺＩ型光変調器部
１００、２００、３００、３００Ａ、４００ 半導体レーザモジュール
９００、９００Ａ、９００Ｂ 半導体レーザ素子
９１０、９１０Ａ、９１０Ｂ 半導体レーザ部
９１１ 半導体レーザ
９３０、９３０Ａ、９３０Ｂ 光導波部
９３１、９３１Ａ 曲がり導波路
９３２ａ、９３２ａＡ、９３７ 出力ポート
９３４、９３５、９３６ ＭＺＩ素子
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ７ レーザ光
Ｌ５ 漏れ光

Claims (5)

  1. 半導体レーザを有する半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子を載置する第１の支持部材と、
    前記第１の支持部材を温度調整する第１の温度調節素子と、
    前記半導体レーザ素子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素子と、
    前記半導体光素子を載置する第２の支持部材と、
    前記第２の支持部材を温度調整する第２の温度調節素子と、
    前記半導体レーザ素子と前記半導体光素子との間に配置されるとともに前記第２の支持部材に載置され、前記半導体光増幅器において発生するＡＳＥ光が前記半導体レーザ素子に入力されるのを防ぐ光アイソレータと、
    を備え、
    前記半導体レーザ素子は、所定の波長範囲において互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数の前記半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出力されたレーザ光を合流させることができる光合流器と、を備えており、
    前記複数の半導体レーザのうち動作させる半導体レーザの切り替えおよび前記第１の温度調節素子が前記半導体レーザ素子の温度を変化させることによって前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を変化させることを特徴とする半導体レーザモジュール。
  2. 半導体レーザを有する半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子を載置する第１の支持部材と、
    前記第１の支持部材を温度調整する第１の温度調節素子と、
    前記半導体レーザ素子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素子と、
    前記半導体光素子を載置する第２の支持部材と、
    前記半導体レーザ素子と前記半導体光素子との間に配置され、前記半導体光増幅器において発生するＡＳＥ光が前記半導体レーザ素子に入力されるのを防ぐ光アイソレータと、
    前記光アイソレータを載置する第３の支持部材と、
    を備え、
    前記半導体レーザ素子は、所望の波長範囲において互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数の前記半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出力されたレーザ光を合流させることができる光合流器とを備えており、
    前記複数の半導体レーザのうち動作させる半導体レーザの切り替えおよび前記第１の温度調節素子が前記半導体レーザ素子の温度を変化させることによって前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を変化させ、
    前記第２の支持部材は、温度調整されないことを特徴とする半導体レーザモジュール。
  3. 前記所望の波長範囲は１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
  4. 前記半導体光増幅器の駆動電流を５０ｍＡ以上４００ｍＡ以下の範囲で変化させたとき、前記レーザ光のスペクトル線幅が一定であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  5. 前記半導体レーザ素子から出力され、前記半導体光増幅器に入力される前のレーザ光の波長の変化をモニタする波長モニタ機構と、前記半導体光増幅器によって増幅された前記レーザ光のパワーをモニタするパワーモニタ機構とを備え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モジュール。
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