WO2011013480A1 - 集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム - Google Patents

集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム Download PDF

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木本　竜也
向原　智一
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古河電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an integrated semiconductor laser element in which a plurality of semiconductor lasers are integrated, a semiconductor laser module using the same, and an optical transmission system.
  • FIG. 15 is a schematic plan view of an integrated semiconductor laser device having a conventional structure.
  • the integrated semiconductor laser device 200 includes a plurality of DFB (Distributed Feedback) type lasers 71-1 to 71-n (n is an integer of 2 or more) having a plurality of oscillation wavelengths and a plurality of optical waveguides 72-1 to 72.
  • DFB Distributed Feedback
  • the optical combiner 73, and the semiconductor optical amplifier 74 are integrated on one substrate.
  • this integrated semiconductor laser device 200 will be described. First, one DFB laser selected from the DFB lasers 71-1 to 71-n is driven. Of the optical waveguides 72-1 to 72-n, the optical waveguide optically connected to the driving DFB laser guides the laser beam output from the driving DFB laser.
  • the optical combiner 73 passes the laser light guided by the optical waveguide and outputs it from the output port 73a.
  • the semiconductor optical amplifier 74 amplifies the laser beam output from the output port 73a and outputs it from the output end 74a.
  • the integrated semiconductor laser device as described above is used as an optical transmitter in combination with an external modulator, for example, for long-distance optical transmission in a DWDM optical communication network system.
  • the symbol rate has been increased from, for example, 10 Gbps to 40 Gbps in order to expand the transmission band. Therefore, in order to prevent a decrease in light energy per symbol, a higher output integrated semiconductor laser element is required.
  • the modulation method has been multi-valued from OOK, PSK, etc. to QPSK, 8PSK, 16QAM. Such multi-leveling increases the loss of the external modulator. Therefore, in order to compensate for this, a higher output integrated semiconductor laser device is required.
  • each wavelength variable light source has low power consumption.
  • the amount of power used for cooling is large in the total power consumption. Therefore, in order to suppress power consumption, it is desirable to use a wavelength tunable light source that operates at a high temperature.
  • the present invention has been made in view of the above, and uses an integrated semiconductor laser element that is suitable for operation at high temperature, has high output, and suppresses an increase in deviation of output intensity with respect to wavelength, and the same.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor laser module and an optical transmission system.
  • an integrated semiconductor laser device includes a plurality of semiconductor lasers that oscillate in a single mode at different oscillation wavelengths and output light from the plurality of semiconductor lasers.
  • the active layer of the semiconductor optical amplifier has the same thickness and the same composition set to have a gain peak wavelength near the center of the wavelength band formed by the oscillation wavelengths of the plurality of semiconductor lasers.
  • the semiconductor optical amplifier has an equal width portion formed on the optical combiner side for guiding the output light in a single mode, and wider than the width of the equal width portion formed on the optical output side.
  • the widened portion has the same width as the equal width portion, the wavelength of the gain peak in the semiconductor optical amplifier is shorter than the gain peak due to the composition setting by the band filling phenomenon.
  • the width of the widened portion is set so that the total volume of the well layer of the active layer is increased to the extent that the band filling phenomenon is suppressed.
  • At least one of the active layers of the plurality of semiconductor lasers and the active layer of the semiconductor optical amplifier are formed by the same crystal growth process. It is characterized by.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above invention, the equal width portion and the widened portion are connected by a tapered portion.
  • the wavelength range of the output light from the plurality of semiconductor lasers in the above invention is a range of 40 nm selected from 1520 to 1620 nm
  • the gain peak in the operating state is In order to make the deviation between the wavelength of the semiconductor laser and the wavelength of the gain peak of the semiconductor laser due to the setting of the composition within a range of ⁇ 15 nm, the total volume of the well layer of the active layer has a deviation of the gain peak of 40 nm.
  • the width of the widened portion is set to be 1.42 times or more of the total volume.
  • the wavelength range of the output light from the plurality of semiconductor lasers in the above invention is a range of 40 nm selected from 1520 to 1620 nm
  • the gain peak in the operating state is
  • the total volume of the well layer of the active layer is such that the deviation of the gain peak is 40 nm.
  • the width of the widened portion is set to be 1.66 times or more of the total volume.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above invention, the total thickness of each well layer of the active layer of the semiconductor optical amplifier is 45 nm or more.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above invention, the length of the equal width portion of the active layer of the semiconductor optical amplifier is longer than 100 ⁇ m.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above invention, the total volume of the well layers of the active layer of the semiconductor optical amplifier is 100 ⁇ m 3 or more.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above invention, the optical combiner is a multimode interference optical combiner.
  • the integrated semiconductor laser device is characterized in that, in the above-described invention, the integrated semiconductor laser device further includes a spot size converter for reducing a spot size of output light from the semiconductor optical amplifier.
  • a semiconductor laser module according to the present invention is characterized by including any one of the integrated semiconductor laser elements according to the above-described invention.
  • an optical transmission system includes the semiconductor laser module according to the above-described invention, and realizes a data rate of 100 Gbps.
  • an integrated semiconductor laser element a semiconductor laser module, and an optical transmission system that are suitable for operation at high temperatures, have high output, and suppress an increase in deviation of output intensity with respect to wavelength. Play.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the integrated semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a view showing a part of a cross section taken along line AA of the integrated semiconductor laser device shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of the integrated semiconductor laser device shown in FIG. 1 taken along line BB. 4 is a cross-sectional view taken along the line CC of the integrated semiconductor laser device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of wavelength dependency between the optical output of the integrated semiconductor laser device of Comparative Example 1 and the threshold current of the DFB laser.
  • FIG. 6 is a graph showing the wavelength dependence of the optical output of the integrated semiconductor laser device of Example 1 and the threshold current of the DFB laser.
  • FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the optical output of the integrated semiconductor laser device of Example 2 and the threshold current of the DFB laser.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the drive current of the semiconductor optical amplifier and the slope efficiency with respect to the optical output in the integrated semiconductor laser elements of Examples 3 to 5.
  • FIG. 9 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the integrated semiconductor laser device shown in FIG.
  • FIG. 10 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the integrated semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 11 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the integrated semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing the integrated semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 13 is a schematic plan view of the semiconductor laser module according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of an optical transmission system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic plan view of an integrated semiconductor laser device having a conventional structure
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the integrated semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • the integrated semiconductor laser device 100 includes a plurality of DFB lasers 11-1 to 11-n (n is an integer of 2 or more) each having a mesa structure, A plurality of optical waveguides 12-1 to 12-n, an optical combiner 13, a semiconductor optical amplifier 14, and a spot size converter 15 are integrated on one semiconductor substrate and embedded in an embedded portion 16. .
  • the contour lines of the constituent elements such as the DFB lasers 11-1 to 11-n shown in FIG. 1 indicate the contour lines of the mesa structure in the respective constituent elements.
  • the DFB lasers 11-1 to 11-n are edge-emitting lasers each having a stripe-shaped embedded structure with a width of 1.5 to 3 ⁇ m and a length of 600 ⁇ m, and extend in the width direction at one end of the integrated semiconductor laser device 100.
  • the pitch is 25 ⁇ m.
  • the output light becomes single-mode oscillation laser light by changing the interval between the diffraction gratings provided in the respective DFB lasers, and the oscillation wavelength is about 1530 nm to 1570 nm. It is comprised so that it may differ in the range.
  • the oscillation wavelength of the DFB laser can be finely adjusted by changing the set temperature of the integrated semiconductor laser element 100. That is, the integrated semiconductor laser device 100 realizes a wide wavelength tunable range by switching the driving DFB laser and controlling the temperature.
  • FIG. 2 is a view showing a part of a cross section taken along line AA of the integrated semiconductor laser device 100 shown in FIG.
  • the active layer portion of the cross section along the line AA is shown in an enlarged manner to show the laminated structure.
  • the DFB laser 11-2 includes an n-type InP buffer layer 22 also serving as a lower cladding, which is sequentially stacked on an n-type InP substrate 21, and a lower InGaAsP-SCH whose composition is continuously changed.
  • the layers from the p-type InP layer 28 to a part of the n-type InP buffer layer 22 have a mesa structure, and this mesa structure is buried by the p-type InP buried layer 32 and the n-type InP current blocking layer 33. It is.
  • a p-type InP cladding layer 34 and an InGaAs contact layer 35 are sequentially stacked on the p-type InP layer 28 and the n-type InP current blocking layer 33. Further, the outer surface of each semiconductor layer is protected by the SiN protective film 38. Further, a part of the SiN protective film 38 is opened on the InGaAs contact layer 35, and a p-side electrode 39 is formed in this opening. An n-side electrode 40 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 21.
  • the active layer 24a has a thickness T1 and includes a plurality of well layers 24aa and barrier layers 24ab that are alternately stacked, as shown in the enlarged cross section.
  • the well layers 24aa and the barrier layers Each of 24ab is made of a GaInAsP semiconductor material or an AlGaInAs semiconductor material.
  • the thickness T1 means the total thickness of the active layers 24a including the barrier layers 24ab and the well layers 24aa, and the thickness t1 is the thickness of only the well layers 24aa. Total.
  • the composition of the active layer 24a is set to have a gain peak wavelength in the vicinity of the center of 1530 nm to 1570 nm that is the band formed by the oscillation wavelengths of the DFB lasers 11-1 to 11-n, that is, in the vicinity of 1550 nm. .
  • the wavelength of the gain peak of the semiconductor laser due to the setting of this composition is at the operating temperature of 10 to 50 ° C., which is the operating temperature of the integrated semiconductor laser device 100.
  • the other DFB lasers 11-1, 11-3 to 11-n have substantially the same structure as the DFB laser 11-2, including the composition and thickness of the active layer.
  • the optical combiner 13 is formed near the center of the integrated semiconductor laser element 100.
  • 3 is a cross-sectional view of the integrated semiconductor laser device 100 shown in FIG. 1 taken along line BB.
  • the optical combiner 13 has a buried mesa structure similar to that of the DFB lasers 11-1 to 11-n, but has a laminated structure from the lower InGaAsP-SCH layer 23 to the p-type InP layer 28. It has a structure replaced with a laminated structure of an InGaAsP core layer 30 and an i-type InP layer 31, and has a wider mesa width. Further, the opening of the SiN protective film 38 and the p-side electrode 39 are not formed.
  • the optical waveguides 12-1 to 12-n are formed between the DFB lasers 11-1 to 11-n and the optical combiner 13, and have the same embedded mesa structure as the optical combiner 13.
  • the DFB lasers 11-1 to 11-n and the optical combiner 13 are optically connected.
  • the semiconductor optical amplifier 14 is formed on the opposite side of the DFB lasers 11-1 to 11-n with the optical combiner 13 in between. As shown in FIG. 1, the semiconductor optical amplifier 14 includes an equal width portion 14a positioned on the optical combiner 13 side, an equal width widened portion 14c positioned closer to the light output side than the equal width portion 14a, and an equal width. It has the taper part 14b which connects the part 14a and the wide part 14c.
  • the equal width portion 14a, the tapered portion 14b, and the widened portion 14c have a length L1, a length L2, and a length L3, respectively.
  • the equal width portion 14a has a width W1
  • the wide width portion 14c has a width W2 wider than the width W1
  • the width of the taper portion 14b varies from the value of the width W1 to the width W2. Is continuously extended to the value of.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the integrated semiconductor laser device 100 shown in FIG. 1 taken along the line CC.
  • the active layer portion of the cross-section along the line CC is shown in an enlarged manner, and the laminated structure is shown.
  • the semiconductor optical amplifier 14 has a buried mesa structure similar to the DFB lasers 11-1 to 11-n, but has a structure in which the active layer 24a is replaced with an active layer 24b. Further, the semiconductor optical amplifier 14 does not have the InGaAsP or AlGaInAs grating layer 27, but a p-type InP layer 28 is formed instead.
  • the active layer 24b has a thickness T2 and has a plurality of well layers 24ba and barrier layers 24bb which are alternately stacked, as shown in the enlarged cross section.
  • the well layers 24ba and the barrier layers All of 24bb are made of a GaInAsP-based or AlGaInAs-based semiconductor material.
  • the thickness T2 means the total thickness of the active layers 24b including the barrier layers 24bb and the well layers 24ba, and the thickness t2 is the thickness of only the well layers 24ba. Total.
  • the composition of the active layer 24b is the same as the composition of each active layer 24a of the DFB lasers 11-1 to 11-n, the stacked structure formed by the well layer and the barrier layer is also the same, and the thickness T2 Is the same as the thickness T1. Therefore, as will be described later, each active layer 24a and active layer 24b can be manufactured in one step.
  • the width of the active layer 24b similarly to the width of the mesa structure described above, the equal width portion 14a has a width W1, the wide width portion 14c has a width W2 wider than the width W1, and the taper portion 14b
  • the width continuously extends from the value of the width W1 to the value of the width W2.
  • the width W1 is set to an optimum width for guiding light of a desired wavelength output from the DFB lasers 11-1 to 11-n in a single mode. In the CC cross section shown in FIG. 4, the width of the active layer 24b is the width W2.
  • the spot size converter 15 is formed at one end opposite to the DFB lasers 11-1 to 11-n, and is optically connected to the light output side of the semiconductor optical amplifier 14.
  • the spot size converter 15 has an embedded mesa structure similar to that of the optical combiner 13, but its width is continuously narrowed toward the light output side.
  • one DFB laser selected from the DFB lasers 11-1 to 11-n is driven to output single mode laser light having a desired wavelength. Since the trench grooves 17-1 to 17-m electrically isolate the DFB lasers 11-1 to 11-n, the isolation resistance between the DFB lasers increases, and 1 of the DFB lasers 11-1 to 11-n. One can be selected and driven easily.
  • the optical waveguide optically connected to the driving DFB laser among the plurality of optical waveguides 12-1 to 12-n guides the output light from the driving DFB laser in a single mode.
  • the optical combiner 13 passes the light guided through the optical waveguide and outputs it from the output port 13a.
  • the semiconductor optical amplifier 14 amplifies the light output from the output port 13 a and outputs the amplified light to the spot size converter 15.
  • the semiconductor optical amplifier 14 is used to compensate for the light loss caused by the optical combiner 13 of the output light from the driving DFB laser and to obtain a light output having a desired intensity from the output end.
  • the output light from the optical combiner 13 includes a certain degree of higher-order mode light.
  • the semiconductor optical amplifier 14 has the equal-width portion 14a that guides the output light from the optical combiner 13 in a single mode. Since the next-mode light sufficiently leaks to the outside at the equal-width portion 14a, the higher-order mode light is prevented from being amplified and output to the outside. As a result, the occurrence of kinks in the IL characteristic indicating the relationship between the drive current of the semiconductor optical amplifier 14 and the optical output is suppressed.
  • the length L1 of the equal width portion 14a is preferably longer than 100 ⁇ m in order to sufficiently leak high-order mode light.
  • the width W1 of the equal width portion 14a is 1.5-3. 3 for a semiconductor waveguide that guides light in the wavelength band of 1520 nm to 1620 nm, which is most often used in DWDM optical communication, in a single mode. 5 ⁇ m is preferable.
  • the active layer 24b of the semiconductor optical amplifier 14 has a widened portion 14c, and the width of the widened portion 14c is set according to the total thickness t2 of the well layers 24ba of the active layer 24b. .
  • the wavelength of the gain peak of the semiconductor optical amplifier 14 in the operating state is substantially the same as the wavelength of the gain peak of the semiconductor laser according to the composition setting of the active layer 24b even in high output operation. It is supposed to be.
  • the cause of the change in wavelength dependence is that, in a semiconductor optical amplifier, by increasing the current injection amount in order to achieve high output, the carrier density increases in the operating state and the band filling phenomenon occurs. Conceivable. For the DFB laser, since the carrier density is clamped and constant in the laser oscillation state, it is considered that such a band filling phenomenon does not occur.
  • Such a shift of the gain peak of the semiconductor optical amplifier can be canceled by setting the composition of the active layer of the semiconductor optical amplifier in advance so that the gain peak is located at a longer wavelength.
  • the composition of the active layer of the DFB laser is the same as that of the active layer of the semiconductor optical amplifier, the wavelength at which the threshold current of the DFB laser is minimized is positioned on the long wavelength side in accordance with the gain peak. For this reason, the threshold current of the DFB laser whose oscillation wavelength is shorter is increased, which is not preferable.
  • the semiconductor optical amplifier 14 has the widened portion whose width is set according to the total thickness t2 of the well layers 24ba of the active layer 24b.
  • the wavelength of the gain peak of the semiconductor optical amplifier 14 in the operating state can be made to substantially coincide with the wavelength of the gain peak due to the composition setting.
  • each active layer 24a and active layer 24b can have the same composition and the same thickness, they can be manufactured in one process.
  • the gain of the semiconductor optical amplifier may decrease.
  • the gain of the semiconductor optical amplifier 14 does not decrease even under a high temperature environment of, for example, 50 ° C. It will be suitable for the operation of.
  • the spot size converter 15 guides the input light and outputs it from the output end 15a.
  • the light input to the spot size converter 15 propagates through the widened portion 14c of the semiconductor optical amplifier 14 and therefore spreads in the spot size in the lateral direction. Converted to a circular shape. Accordingly, the light output from the output end 15a is obtained by eliminating the higher-order mode light by the equal-width portion 14a of the semiconductor optical amplifier 14, and converted into a substantially circular shape by the spot size converter 15. Therefore, it is coupled to an optical fiber or the like with high coupling efficiency.
  • the integrated semiconductor laser device 100 Next, the integrated semiconductor laser device 100 according to the first embodiment will be described more specifically using examples and comparative examples.
  • the examples described below are experimental results showing the relationship between the threshold current of the DFB laser and the optical output from the semiconductor optical amplifier with respect to the oscillation wavelength of the DFB laser when the well layer of the active layer has a certain composition.
  • the number of DFB lasers is 12, and the laser oscillation wavelength is arranged at intervals of 1527 nm to 3.5 or 4 nm.
  • the currents (drive currents) injected into each DFB laser and the semiconductor optical amplifier are 150 mA and 200 mA, respectively, and the element temperature is 30 degrees.
  • Comparative Example 1 First, as Comparative Example 1, an integrated semiconductor laser device 200 having a conventional structure as shown in FIG.
  • the stacked structure of the semiconductor layers is the same as that of the integrated semiconductor laser device 100 shown in FIG. 1, but the width of the active layer of the semiconductor optical amplifier is equal in the length direction. The point is different.
  • the active layer of the semiconductor optical amplifier has a width of 2 ⁇ m and a length of 900 ⁇ m.
  • the thickness of each well layer of the active layer of the DFB laser and the semiconductor optical amplifier is 6 nm, and the number of well layers is 6. Therefore, the total volume (total volume) of the well layers of the active layer of the semiconductor optical amplifier is 64.8 ⁇ m 3 .
  • the composition of each active layer is set so that the optical output of the integrated semiconductor laser element is 33 mW or more at each oscillation wavelength of the DFB laser in consideration of the gain peak shift in the operating state.
  • FIG. 5 shows the optical output Psoa (semiconductor optical amplifier driving current 200 mA, DFB laser driving current 150 mA, optical output at a temperature of 30 degrees) and the threshold current Ith_DFB of the DFB laser of the integrated semiconductor laser device of Comparative Example 1. It is a figure which shows the wavelength dependence.
  • the wavelength dependence of the optical output Psoa from the semiconductor optical amplifier corresponds to the wavelength dependence of the gain of the semiconductor optical amplifier in the operating state.
  • the wavelength dependence of Ith_DFB shows the opposite characteristic to the wavelength dependence of gain by setting the composition of the active layer, and the wavelength at which Ith_DFB is minimum corresponds to the wavelength at which gain is maximum. .
  • the wavelength dependence of the optical output Psoa from the semiconductor optical amplifier corresponds to the wavelength dependence of the gain of the semiconductor optical amplifier in the operating state.
  • the wavelength dependence of Ith_DFB shows the opposite characteristic to the wavelength dependence of gain by setting the composition of the active layer, and the wavelength at which Ith_DFB is minimum
  • the deviations of Ith_DFB and Psoa are large, which are 5.9 mA and 5.8 mW, respectively. Further, the difference D1 between the wavelength at which Ith_DFB indicated by the line L4 has the minimum value and the wavelength at which Psoa indicated by the line L5 has the maximum value is as large as about 40 nm.
  • Example 1 an integrated semiconductor laser device according to the first embodiment shown in FIG.
  • the width of the equal width portion is 1.5 ⁇ m and the width of the widened portion is 4.0 ⁇ m with respect to the width of the active layer of the semiconductor optical amplifier.
  • the length of the equal width portion is 450 ⁇ m
  • the length of the taper portion is 343 ⁇ m
  • the length of the widened portion is 122 ⁇ m.
  • the thickness of each well layer of the active layer of the DFB laser and the semiconductor optical amplifier is 6 nm, and the number of well layers is seven. Therefore, the total volume of the well layer of the active layer of the semiconductor optical amplifier is 92.064 ⁇ m 3 .
  • the composition of each well layer is set so that the gain peak of the semiconductor laser is on the shorter wavelength side than in the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of wavelength dependency between the optical output Psoa of the integrated semiconductor laser device of Example 1 and the threshold current Ith_DFB of the DFB laser.
  • the deviations of Ith_DFB and Psoa are smaller than those in the comparative example, which are 5.7 mA and 4.1 mW, respectively.
  • the difference D2 between the wavelength at which Ith_DFB indicated by the line L6 has the minimum value and the wavelength at which Psoa indicated by the line L7 has the maximum value is as small as 15 nm.
  • Example 2 an integrated semiconductor laser device in which the thickness of the well layer of the active layer was changed from that of Example 1 was produced.
  • the integrated semiconductor laser device of Example 2 has the same width as that of Example 1 for each of the equal width portion and the wide width portion of the active layer of the semiconductor optical amplifier, and the lengths of the equal width portion, the taper portion, and the wide width portion. Are the same.
  • the thickness of each well layer of the active layer of the DFB laser and the semiconductor optical amplifier is 7 nm, and the number of well layers is seven. Therefore, the total volume of the well layer of the active layer of the semiconductor optical amplifier is 107.408 ⁇ m 3 .
  • the composition of each well layer is set so that the gain peak is near the center of the wavelength band formed by the oscillation wavelength of the DFB laser.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of wavelength dependency between the optical output Psoa of the integrated semiconductor laser device of Example 2 and the threshold current Ith_DFB of the DFB laser.
  • the deviations of Ith_DFB and Psoa are further smaller than those of Example 1 and are 2.8 mA and 2 mW, respectively.
  • the wavelength at which Ith_DFB has the minimum value and the wavelength at which Psoa has the maximum value coincide as indicated by a line L8.
  • the wavelength at which Ith_DFB is the minimum value and the wavelength at which Psoa is the maximum value, that is, the wavelength of the gain peak due to the composition setting of the well layer, and the wavelength of the gain peak in the operating state may completely coincide. preferable.
  • the wavelength range of 40 nm such as 1530 nm to 1570 nm or 1570 nm to 1610 nm is most used as the output wavelength range of the integrated semiconductor laser element
  • the gain of the semiconductor laser depending on the composition setting The difference between the peak wavelength and the gain peak wavelength of the semiconductor optical amplifier in the operating state may be set within a range of ⁇ 15 nm.
  • This preferable range is caused by the amount of change in the curve of the light output Psoa.
  • the output of Psoa changes significantly when the wavelength is about 30 nm away from the peak of Psoa.
  • the change in output is about 5% at 1560 nm 20 nm away from the peak wavelength, and further at 1570 nm 30 nm away from the peak wavelength.
  • the change in output is about 10%.
  • the wavelength of the gain peak of the semiconductor laser due to the composition setting and the gain of the semiconductor optical amplifier in the operating state It is important that the difference from the peak wavelength is set within a range of ⁇ 15 nm, more preferably within a range of ⁇ 10 nm. Note that the difference between the wavelength of the gain peak of the semiconductor laser due to the composition setting and the wavelength of the gain peak in the operating state of the semiconductor optical amplifier sets the width of the widened portion according to the total thickness of the well layer of the active layer This can be adjusted as appropriate.
  • the total thickness of the well layers is preferably 45 nm or more as in Example 2, and is preferably less than about 70 nm from the viewpoint of stacking strain, which is preferable.
  • the width of the widened portion of the active layer of the semiconductor optical amplifier is set according to the total thickness of the well layers, but is preferably about 4 ⁇ m as in the second embodiment.
  • the volume of the semiconductor optical amplifier is preferably 100 ⁇ m 3 or more.
  • Examples 3 to 5 an integrated semiconductor laser device 100 similar to that of Example 1 was fabricated.
  • the difference of the third to fifth embodiments from the first embodiment is that the width of the equal width portion of the semiconductor optical amplifier is 2 ⁇ m.
  • Example 3 is 600 micrometers longer than Example 1
  • Example 4 is 450 micrometers as Example 1
  • Example 5 is 100 micrometers shorter than Example 1. It is.
  • Example 3 to 5 the same experiment as in Example 1 described above (an experiment on the relationship between the threshold current of the DFB laser and the optical output from the semiconductor optical amplifier) was performed. Each deviation was as small as in Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the drive current of the semiconductor optical amplifier 14 and the slope efficiency with respect to the optical output Psoa in the integrated semiconductor laser devices 100 of Examples 3 to 5.
  • the DFB laser is driven with a drive current of 150 mA.
  • the curve indicating the slope efficiency has a smooth shape, and no kink occurs.
  • Example 5 some kinks occurred.
  • the integrated semiconductor laser device 100 according to the first embodiment is suitable for operation at a high temperature, has high output, and suppresses an increase in deviation of output intensity with respect to wavelength.
  • FIG. 9 to 12 are explanatory diagrams for explaining a method of manufacturing the integrated semiconductor laser device 100 shown in FIG. 9 to 12 show a cross section taken along the line DD (see FIG. 1) of the integrated semiconductor laser device 100 in each manufacturing process.
  • an n-type InP buffer layer 22 and a lower InGaAsP-SCH layer 23 are formed on an n-type InP substrate 21 by using, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the active layer 24, the upper InGaAsP-SCH layer 25, the InP spacer layer 26, the grating layer 27, and the p-type InP layer 28 are sequentially deposited.
  • regions E1 to E5 are regions for forming the DFB lasers 11-1 to 11-n, regions for forming the optical waveguides 12-1 to 12-n, regions for forming the optical combiner 13, and semiconductor light, respectively.
  • An area for forming the amplifier 14 and an area for forming the spot size converter 15 are shown.
  • an InGaAsP core layer 30 and an i-type InP layer 31 are sequentially deposited by MOCVD using the SiN film mask as it is as a selective growth mask as shown in FIG.
  • a new SiN film is deposited, and the DFB lasers 11-1 to 11-n, the optical waveguides 12-1 to 12-n shown in FIG. Patterning is performed so that the pattern corresponds to the semiconductor optical amplifier 14 and the spot size converter 15. Then, etching is performed using this SiN film as a mask to correspond to the DFB lasers 11-1 to 11-n, the optical waveguides 12-1 to 12-n, the optical combiner 13, the semiconductor optical amplifier 14, and the spot size converter 15. A mesa structure is formed and the n-type InP buffer layer 22 is exposed.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing a state after performing this process.
  • Regions E1 to E5 have shapes corresponding to the DFB lasers 11-1 to 11-n, the optical waveguides 12-1 to 12-n, the optical combiner 13, the semiconductor optical amplifier 14, and the spot size converter 15, respectively.
  • Mesa structures M1 to M5 are formed. Further, the n-type InP buffer layer 22 is exposed.
  • a p-type InP buried layer 32 and an n-type InP current blocking layer are formed on the exposed n-type InP buffer layer 22 by MOCVD using the SiN film mask used in the previous step as a mask for selective growth. 33 are sequentially deposited.
  • a p-type InP cladding layer 34 and an InGaAs contact layer 35 are sequentially deposited on the entire surface of the regions E1 to E5 by using the MOCVD method.
  • the trench grooves 17-1 to 17-m are formed by etching using this SiN film as a mask.
  • the trench grooves 17-1 to 17-m are formed to a depth reaching, for example, the n-type InP buffer layer 22, but to a depth that allows the DFB lasers 11-1 to 11-n to be electrically separated. That's fine.
  • an SiN film is deposited again on the entire surface, and openings for the DFB lasers 11-1 to 11-n and the semiconductor optical amplifier 14 are formed to form the SiN protective film 38.
  • the p-side electrode 39 is formed by patterning into a shape corresponding to the DFB lasers 11-1 to 11-n and the semiconductor optical amplifier.
  • an n-side electrode 40 having a two-layer structure made of AuGeNi / Au is formed on the back surface of the n-type InP substrate 21.
  • the n-type InP substrate 21 is cleaved into a bar shape in which a plurality of integrated semiconductor laser elements 100 are arranged, and antireflection films are formed on both end surfaces on which the DFB lasers 11-1 to 11-n and the semiconductor optical amplifier 14 are formed.
  • the integrated semiconductor laser elements 100 are completed by separating each integrated semiconductor laser element 100.
  • a DFB laser is used as the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser is not particularly limited as long as it is a single mode oscillation semiconductor laser.
  • a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser, TDA (Tunable Distributed Amplification)- A DFB laser or the like may be used.
  • the optical combiner for example, a funnel coupler or a multimode interference optical combiner may be used.
  • an InP-based semiconductor material or the like is used as a constituent semiconductor material of the integrated semiconductor laser element in order to use a wavelength in the vicinity of 1550 nm. can do.
  • the semiconductor laser module according to the second embodiment is a full-band tunable laser module using the integrated semiconductor laser element according to the first embodiment, and conforms to the standard of a tunable laser assembly (ITLA). It is compliant.
  • FIG. 13 is a schematic plan view of the semiconductor laser module according to the second embodiment.
  • this semiconductor laser module 1000 is a case 41, the integrated semiconductor laser element 100 according to the first embodiment shown in FIG. Peltier elements (TEC) 42, 48, mirrors 43, 44, 45, photodiodes (PD) 46, 47 as light receiving elements, an etalon filter 49, and a ferrule 50 accommodated in the protrusion 41 a of the housing 41. And a polarization-maintaining optical fiber 51 connected to the ferrule 50.
  • the housing 41 further accommodates a control circuit, a lens and the like (not shown).
  • the integrated semiconductor laser device 100 is mounted on the TEC 42.
  • the number of DFB laser arrays in the integrated semiconductor laser device 100 is twelve.
  • the oscillation wavelength interval of each DFB laser is about 3.5 nm, and each oscillation wavelength is set to a desired wavelength near the ITU grid defined by the International Telecommunication Union (ITU).
  • ITU International Telecommunication Union
  • a desired DFB laser is selected and driven by an external drive current, and the temperature of the integrated semiconductor laser device 100 is controlled in the range of 10 ° C. to 50 ° C. by the TEC 42 to adjust the oscillation wavelength, It is possible to output laser light covering all wavelength grids of full bands such as C band band and L band band used in optical fiber transmission.
  • the semiconductor laser module 1000 is equipped with a wavelength locker mechanism for correcting the drift of the oscillation wavelength due to the aging of the DFB laser.
  • This wavelength locker mechanism has a known configuration using mirrors 43, 44 and 45, PDs 46 and 47, and an etalon filter 49.
  • This wavelength locker mechanism functions as follows. First, the laser beam 52 is output from the integrated semiconductor laser element 100 and is converted into parallel light by a collimator lens (not shown). The mirror 43 transmits the laser light 52 and reflects a part thereof. The PD 46 receives the reflected laser beam 53 and outputs a current having a magnitude corresponding to the received light intensity.
  • the mirror 44 further transmits the laser beam 52 transmitted through the mirror 43 and reflects a part thereof.
  • the laser beam 52 that has passed through the mirror 44 is coupled to the optical fiber 51 by a condensing lens (not shown) and is output from the optical fiber 51 to the outside.
  • the mirror 45 further reflects the reflected laser light 54
  • the etalon filter 49 further transmits the reflected laser light 54
  • the PD 47 receives the laser light 54 that has passed through the etalon filter 49, and according to the received light intensity. A large current is output.
  • the etalon filter 49 is mounted on the TEC 48, and the temperature is adjusted so that the transmission wavelength thereof matches the wavelength of the ITU grid. For this reason, the intensity of the laser beam 54 transmitted through the etalon filter 49 decreases when the wavelength of the laser beam 54 deviates from the wavelength of the ITU grid. Therefore, in this wavelength locker mechanism, a decrease in the output current value of the PD 47 based on the output current value of the PD 46 is detected as a wavelength shift, and the TEC 42 is feedback-controlled based on the output current value of the PD 47 to control the integrated semiconductor.
  • the temperature of the laser element 100 is adjusted to lock the wavelength of the laser light 52 from the integrated semiconductor laser element 100 to a desired wavelength.
  • the semiconductor laser module 1000 includes two TECs 42 and 48, and the temperature of the integrated semiconductor laser element 100 and the temperature of the etalon filter 49 can be controlled independently.
  • the temperature of the semiconductor laser device is only controlled by a single TEC as in the prior art, the temperature of the etalon filter changes, and wavelength drift is likely to occur, making it difficult to control the laser module and manufacture the module.
  • the semiconductor laser module 1000 has a module structure in which the laser element and the etalon filter can be independently controlled using two TECs, thereby improving the wavelength controllability of the output laser light. .
  • the semiconductor laser module 1000 Since the semiconductor laser module 1000 according to the second embodiment is capable of high output operation, the semiconductor laser element and the etalon filter can be independently controlled in temperature, thereby enabling extremely stable operation regardless of heat generation. In addition, since this semiconductor laser module 1000 is capable of stable operation at high output, it has excellent noise characteristics such as spectral line width and RIN (Relative Intensity Noise) for realizing long-distance transmission. MSA (Multi-Source Agreement) specifications are satisfied. Further, the semiconductor laser module 1000 covers the entire C band band and L band band, and can realize wavelength locking corresponding to DWDM at intervals of 50 GHz. Therefore, this semiconductor laser module 1000 is also suitable for a DWDM communication system. Furthermore, since the semiconductor laser module 1000 can realize a stable high output, it can be applied to a DWDM transmission specification optical transceiver that realizes a data rate of 100 Gbps and other communication systems that require long-distance transmission.
  • a DWDM transmission specification optical transceiver that realizes a data rate of 100
  • FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of an optical transmission system according to the fifth embodiment.
  • an optical transmitter 10001 and an optical receiver 10002 are connected by an optical transmission line 10003 using an optical fiber cable.
  • an optical repeater may be appropriately disposed.
  • the optical transmitter 10001 includes the semiconductor laser module 1000 according to the second embodiment and an optical modulator 2000 as an external modulator connected to the semiconductor laser module 1000.
  • the optical receiver 10002 includes a light receiving element 3000 such as a PD and a demodulator 4000 connected to the light receiving element 3000.
  • the optical modulator 2000 receives this laser light.
  • the optical modulator 2000 is supplied with a modulation signal MS using a multi-level modulation method such as 16QAM supplied from the outside. Then, the optical modulator 2000 multi-level modulates the received laser beam with the modulation signal MS and outputs it to the optical transmission line 10003 as an optical signal OS.
  • the light receiving element 3000 receives the optical signal OS transmitted through the optical transmission path 10003, converts it into an electrical signal, and outputs it.
  • the demodulator 4000 is configured to be demodulated in accordance with the modulation method of the modulation signal MS using an electric amplifier, a waveform shaper, etc., and demodulates the electric signal output from the light receiving element 3000.
  • the demodulated signal DS is output.
  • the semiconductor laser module 1000 is capable of high output operation, even if the optical transmitter 10001 modulates with such a multi-level modulation signal, the semiconductor laser module 1000 is kept at a sufficiently high intensity. As a result, optical transmission with a low error rate becomes possible, for example, optical transmission with a data rate of 100 Gbps is realized.
  • the integrated semiconductor laser element, semiconductor laser module, and optical transmission system according to the present invention are suitable for use in DWDM optical communication.

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Abstract

　互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の半導体レーザからの出力光を合流させることができる光合流器と、光合流器からの出力光を増幅する半導体光増幅器とを集積した集積型半導体レーザ素子であって、複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと半導体光増幅器の活性層とは、同一の厚さと、複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長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た同一の組成とを有し、半導体光増幅器は、光合流器側に形成され出力光を単一モードで導波するための等幅部と、光出力側に形成され等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有しており、所定の動作状態における利得ピークの波長を、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と略一致させるために、活性層の各井戸層の厚さの合計に応じて、バンドフィリング現象が抑制される程度に活性層の井戸層の総体積が大きくなるように拡幅部の幅を設定している。

Description

集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム
　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およびこれを用いた半導体レーザモジュールならびに光伝送システムに関するものである。
　たとえばＤＷＤＭ（Dense　Wavelength　Division　Multiplexing）光通信用の波長可変光源として、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）。図１５は、従来構造の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。この集積型半導体レーザ素子２００は、互いに発振波長が異なる複数のＤＦＢ（Distributed　Feedback）型のレーザ７１－１～７１－ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路７２－１～７２－ｎと、光合流器７３と、半導体光増幅器７４を一つの基板上に集積したものである。
　この集積型半導体レーザ素子２００の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザ７１－１～７１－ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザを駆動する。光導波路７２－１～７２－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レーザからの出力したレーザ光を導波する。光合流器７３は、光導波路が導波したレーザ光を通過させて出力ポート７３ａから出力する。半導体光増幅器７４は、出力ポート７３ａから出力したレーザ光を増幅して出力端７４ａから出力する。
　上記のような集積型半導体レーザ素子は、たとえば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、光送信器として使用される。
　ここで、近年、伝送帯域の拡大のため、シンボルレートがたとえば１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓに高速化されている。そのため、１シンボル当たりの光エネルギーの低下を防止するために、より高出力の集積型半導体レーザ素子が求められている。また、同様に、伝送帯域の拡大のため、変調方式が、ＯＯＫ、ＰＳＫ等からＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＱＡＭへと多値化されてきている。このような多値化により、外部変調器の損失が増大するので、これを補償するために、より高出力の集積型半導体レーザ素子が求められている。
　また、ＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムでは、多数の波長光源が使用されるため、個々の波長可変光源は消費電力が低いものであることが望ましい。特に、波長可変光源においては、全消費電力の中で冷却に使用される電力量が多いため、消費電力抑制のためには、高温で動作する波長可変光源を用いることが望ましい。
特開２００３－２５８３６８号公報
　しかしながら、従来の同一の基板上に同時に積層された構造を持つ集積型半導体レーザ素子において、いっそうの高出力化を実現しようとした場合、レーザ光の出力強度の波長依存性が変化し、波長に対する出力強度の偏差が増大してしまう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、高温での動作に適し、高出力であるとともに、波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制された集積型半導体レーザ素子およびこれを用いた半導体レーザモジュールならびに光伝送システム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半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光を合流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を集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の厚さと、前記複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長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た同一の組成とを有し、前記半導体光増幅器は、前記光合流器側に形成され前記出力光を単一モードで導波するための等幅部と、光出力側に形成され前記等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有しており、前記拡幅部が前記等幅部と同じ幅である場合には当該半導体光増幅器においてバンドフィリング現象によって利得ピークの波長が前記組成の設定による利得ピークから短波長側へ移動する動作状態で動作させる場合に、該動作状態における前記利得ピークの波長を、前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長と略一致させるために、前記活性層の各井戸層の厚さの合計に応じて、前記バンドフィリング現象が抑制される程度に前記活性層の井戸層の総体積が大きくなるように、前記拡幅部の幅を設定してい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、上記の発明において、前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の結晶成長プロセスで形成されてい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、上記の発明において、前記等幅部と前記拡幅部とがテーパ形状の部分で接続されてい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、上記の発明において、前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０～１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１５ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．４２倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定してい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、上記の発明において、前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０～１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１０ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．６６倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定してい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、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さの合計が４５ｎｍ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、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の等幅部の長さが１００μｍより長いことを特徴とする。
　また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積が１００μｍ３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、上記の発明において、前記光合流器は多モード干渉型光合流器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、上記の発明において、前記半導体光増幅器からの出力光のスポットサイズを縮小するスポットサイズ変換器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、上記の発明のいずれか一つの集積型半導体レーザ素子を備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る光伝送システムは、上記の発明の半導体レーザモジュールを備え、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現することを特徴とする。
　本発明によれば、高温での動作に適し、高出力であるとともに、波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制された集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システム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、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ－Ｃ線断面図である。 図５は、比較例１の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性の一例を示す図である。 図６は、実施例１の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性を示す図である。 図７は、実施例２の集積型半導体レーザ素子の光出力とＤＦＢレーザの閾値電流との波長依存性を示す図である。 図８は、実施例３～５の集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅器の駆動電流と、光出力についてのスロープ効率との関係を示す図である。 図９は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１０は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１１は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。 図１３は、実施の形態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１４は、実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。 図１５は、従来構造の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。
　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。
（実施の形態１）
　はじめに、本発明の実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図１は、実施の形態１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１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、複数のＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路１２－１～１２－ｎと、光合流器１３と、半導体光増幅器１４と、スポットサイズ変換器１５とを一つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１６により埋め込んだ構造を有する。そして、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ間の埋め込み部１６には、トレンチ溝１７－１～１７－ｍ（ｍ＝ｎ―１）を設けている。なお、図１に示すＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ等の各構成要素の輪郭線は、各構成要素におけるメサ構造の輪郭線を示しているものとする。
　ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎは、各々が幅１．５～３μｍ、長さ６００μｍ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、その発振波長が約１５３０ｎｍ～１５７０ｎｍの範囲で相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザの発振波長は、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。
　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。なお、図２中では、Ａ－Ａ線断面の活性層の部分を拡大して示し、その積層構造を示している。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２４ａ、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。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メサ構造を有しており、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おり、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。
　なお、活性層２４ａは、厚さＴ１を有し、かつ拡大した断面が示すように、交互に積層した複数の井戸層２４ａａと障壁層２４ａｂとを有しており、その井戸層２４ａａおよび障壁層２４ａｂのいずれもがＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料または、ＡlＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる。なお、この厚さＴ１とは、各障壁層２４ａｂと各井戸層２４ａａとを含めた活性層２４ａの厚さの合計を意味するものとし、厚さｔ１を、各井戸層２４ａａのみの厚さの合計とする。また、活性層２４ａの組成は、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎの発振波長が形成する帯域である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、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は集積型半導体レーザ素子１００の中央部付近に形成されている。図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００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おり、かつメサ幅がより幅広く形成されている。また、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。
　また、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とを光学的に接続している。
　また、半導体光増幅器１４は光合流器１３を挟んでＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎとは反対側に形成されている。図１に示すように、この半導体光増幅器１４は、光合流器１３側に位置する等幅部１４ａと、等幅部１４ａよりも光出力側に位置する等幅の拡幅部１４ｃと、等幅部１４ａと拡幅部１４ｃとを接続するテーパ部１４ｂとを有する。等幅部１４ａ、テーパ部１４ｂ、拡幅部１４ｃはそれぞれ長さＬ１、長さＬ２、長さＬ３を有している。また、半導体光増幅器１４の幅については、等幅部１４ａは幅Ｗ１を有し、拡幅部１４ｃは幅Ｗ１よりも幅広い幅Ｗ２を有し、テーパ部１４ｂの幅は幅Ｗ１の値から幅Ｗ２の値まで連続的に拡張している。
　また、図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＣ－Ｃ線断面図である。なお、図４中では、Ｃ－Ｃ線断面の活性層の部分を拡大して示し、その積層構造を示している。図４に示すように、半導体光増幅器１４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、活性層２４ａを活性層２４ｂに置き換えた構造を有している。さらに、半導体光増幅器１４はＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓのグレーティング層２７を有さず、その代わりにｐ型ＩｎＰ層２８が形成されている。また、活性層２４ｂは、厚さＴ２を有し、かつ拡大した断面が示すように、交互に積層した複数の井戸層２４ｂａと障壁層２４ｂｂとを有しており、その井戸層２４ｂａおよび障壁層２４ｂｂのいずれもがＧａＩｎＡｓＰ系またはＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。なお、この厚さＴ２とは、各障壁層２４ｂｂと各井戸層２４ｂａとを含めた活性層２４ｂの厚さの合計を意味するものとし、厚さｔ２を、各井戸層２４ｂａのみの厚さの合計とする。また、活性層２４ｂの組成は、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎの各活性層２４ａの組成と同一であり、井戸層と障壁層とが形成する積層構造も同一であり、かつ厚さＴ２も厚さＴ１と同一である。したがって、後述するように、各活性層２４ａと活性層２４ｂとは一つの工程で製造できる。また、活性層２４ｂの幅については、上述したメサ構造の幅と同様に、等幅部１４ａは幅Ｗ１を有し、拡幅部１４ｃは幅Ｗ１よりも幅広い幅Ｗ２を有し、テーパ部１４ｂの幅は幅Ｗ１の値から幅Ｗ２の値まで連続的に拡張している。幅Ｗ１はＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎが出力する所望の波長の光を単一モードで導波するのに最適な幅に設定される。図４に示すＣ－Ｃ断面では活性層２４ｂの幅は幅Ｗ２である。
　また、スポットサイズ変換器１５はＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎとは反対側の一端に形成され、半導体光増幅器１４の光出力側に光学的に接続している。このスポットサイズ変換器１５は光合流器１３と同様の埋め込みメサ構造を有するが、その幅は光出力側に向かって連続的に狭くなっている。
　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１７－１～１７－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レーザからの出力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光を通過させて出力ポート１３ａから出力する。半導体光増幅器１４は、出力ポート１３ａから出力した光を増幅してスポットサイズ変換器１５に出力する。半導体光増幅器１４は、駆動するＤＦＢレーザからの出力光の光合流器１３による光の損失を補うとともに、出力端から所望の強度の光出力を得るために用いられる。
　ここで、光合流器１３からの出力光は、ある程度の高次モードの光を含んでいる。これに対して、この半導体光増幅器１４は、上述したように、光合流器１３からの出力光を単一モードで導波する等幅部１４ａを有しているので、出力光に含まれる高次モードの光は等幅部１４ａにおいて外部に十分に漏洩するため、高次モードの光が増幅されて外部に出力されることが抑制される。その結果、半導体光増幅器１４の駆動電流と光出力との関係を示すＩ－Ｌ特性におけるキンクの発生が抑制される。なお、等幅部１４ａの長さＬ１としては、高次モードの光を十分に漏洩させるために１００μｍより長くすることが好ましい。また、等幅部１４ａの幅Ｗ１は、ＤＷＤＭ光通信において最もよく使用される１５２０ｎｍ～１６２０ｎｍの波長帯域の光を単一モードで導波する半導体導波路のためには、１．５～３．５μｍが好ましい。
　さらに、この半導体光増幅器１４の活性層２４ｂは、拡幅部１４ｃを有しており、活性層２４ｂの各井戸層２４ｂａの厚さの合計ｔ２に応じて、拡幅部１４ｃの幅を設定している。その結果、この集積型半導体レーザ素子１００は、高出力動作においても、動作状態における半導体光増幅器１４の利得ピークの波長が、活性層２４ｂの組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と略一致するようになっている。
　以下、具体的に説明する。上述したように、ＤＦＢレーザと半導体光増幅器とで共通の活性層を持つ従来構造の集積型半導体レーザ素子において、一層の高出力化を実現しようとした場合、レーザ光の出力強度の波長依存性が変化し、波長に対する出力強度の偏差が増大してしまうという問題があった。このような波長依存性の変化は、利得ピーク波長が短波長側すなわち高エネルギー側にシフトするように発生する。従って、波長依存性の変化の原因は、半導体光増幅器において、高出力化を実現するために電流注入量を増加することによって、動作状態においてキャリア密度が増大し、バンドフィリング現象が発生するためと考えられる。なお、ＤＦＢレーザについては、レーザ発振状態ではキャリア密度がクランプされて一定になるので、かかるバンドフィリング現象は発生しないものと考えられる。
　このような半導体光増幅器の利得ピークのシフトは、利得ピークがより長波長に位置するように、あらかじめ半導体光増幅器の活性層の組成を設定することで相殺できる。しかしながら、この場合、ＤＦＢレーザの活性層の組成も半導体光増幅器の活性層の組成と同一にする場合は、ＤＦＢレーザの閾値電流が最小となる波長も、利得ピークに合わせて長波長側に位置するので、発振波長が短波長側のＤＦＢレーザの閾値電流が上昇してしまい、好ましくない。
　これに対して、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００では、半導体光増幅器１４が、活性層２４ｂの各井戸層２４ｂａの厚さの合計ｔ２に応じて幅が設定された拡幅部１４ｃを有することによって、電流注入量を増加させてもキャリア密度の増大は抑制される。その結果、動作状態における半導体光増幅器１４の利得ピークの波長が、組成の設定による利得ピークの波長と略一致するようにすることができる。また、各活性層２４ａと活性層２４ｂとを同一の組成、同一の厚さとできるので、一つの工程で製造できる。
　なお、キャリア密度が高い場合、高温環境下において、キャリアが熱エネルギーによってエネルギー障壁を越えて活性層内の井戸層以外の領域に移動したり、井戸層内に存在するキャリアであってもオージェ再結合によって消費されるキャリアの割合が増加するため半導体光増幅器の利得が低下する場合がある。しかしながら、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００では、キャリア密度の増大が抑制されるので、たとえば５０℃以上の高温環境下においても半導体光増幅器１４の利得が低下せず、高温での動作に適するものとなる。
　最後に、スポットサイズ変換器１５は、入力した光を導波して出力端１５ａから出力する。スポットサイズ変換器１５に入力した光は、半導体光増幅器１４の拡幅部１４ｃを伝搬したためにそのスポットサイズが横方向に広がっているが、スポットサイズ変換器１５によって横方向の広がりが縮小され、略円形の形状に変換される。したがって、出力端１５ａから出力した光は、半導体光増幅器１４の等幅部１４ａによって高次モードの光が排除されたものであるとともに、スポットサイズ変換器１５によって略円形の形状に変換されたものであるので、光ファイバ等に高い結合効率で結合される。
（実施例、比較例）
　つぎに、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００について実施例、比較例を用いてさらに具体的に説明する。以下に説明する例は、活性層の井戸層をある組成にした場合の、ＤＦＢレーザの発振波長に対する、ＤＦＢレーザの閾値電流と半導体光増幅器からの光出力との関係を示す実験結果である。なお、各例において、ＤＦＢレーザの数は１２とし、レーザ発振波長は、１５２７ｎｍから３．５又は４ｎｍ間隔で配置させている。また、各ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器に注入する電流（駆動電流）は、それぞれ１５０ｍＡ、２００ｍＡとし、素子の温度は３０度としている。
（比較例１）
　はじめに、比較例１として、図１５に示すような従来構造の集積型半導体レーザ素子２００の場合を作製した。なお、この集積型半導体レーザ素子は、半導体層の積層構造については図１に示す集積型半導体レーザ素子１００と同一であるが、半導体光増幅器の活性層の幅が長さ方向にわたって等幅である点は異なる。また、半導体光増幅器の活性層の幅は２μｍ、長さは９００μｍである。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは６ｎｍであり、井戸層の数は６である。したがって、半導体光増幅器の活性層の井戸層の合計の体積（総体積）は６４．８μｍ３である。また、各活性層の組成は、動作状態における利得ピークのシフトを考慮して、ＤＦＢレーザの各発振波長において集積型半導体レーザ素子の光出力が３３ｍＷ以上になるように設定している。
　図５は、比較例１の集積型半導体レーザ素子の光出力Ｐsoa（半導体光増幅器の駆動電流２００ｍＡ、ＤＦＢレーザの駆動電流１５０ｍＡ、温度３０度のときの光出力）とＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性を示す図である。なお、半導体光増幅器からの光出力Ｐsoaの波長依存性は、動作状態における半導体光増幅器の利得の波長依存性に対応している。また、Ｉth_DFBの波長依存性は、活性層の組成の設定による利得の波長依存性とは逆の特性を示しており、Ｉth_DFBが最小となる波長が、利得が最大となる波長に対応している。図５に示すように、従来構造の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれも偏差が大きくなっており、それぞれ５．９ｍＡ、５．８ｍＷである。また、線Ｌ４で示すＩth_DFBが最低値となる波長と、線Ｌ５で示すＰsoaが最大値となる波長との差Ｄ１は４０ｎｍ程度と大きくなっている。
（実施例１）
　つぎに、実施例１として、図１に示す本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を作製した。なお、実施例１の集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の活性層の幅については、等幅部の幅が１．５μｍであり、拡幅部の幅が４．０μｍである。また、長さについては、等幅部の長さが４５０μｍであり、テーパ部の長さが３４３μｍであり、拡幅部の長さが１２２μｍである。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは６ｎｍであり、井戸層の数が７である。したがって、半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積は９２．０６４μｍ３である。また、各井戸層の組成は、半導体レーザの利得ピークが、比較例の場合よりも短波長側になるように設定している。
　図６は、実施例１の集積型半導体レーザ素子の光出力ＰsoaとＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性の一例を示す図である。図６に示すように、実施例１の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれの偏差も、比較例の場合よりも小さくなっており、それぞれ５．７ｍＡ、４．１ｍＷである。また、線Ｌ６で示すＩth_DFBが最低値となる波長と、線Ｌ７で示すＰsoaが最大値となる波長との差Ｄ２は１５ｎｍと小さくなっている。
（実施例２）
　つぎに、実施例２として、実施例１とは活性層の井戸層の厚さを変えた集積型半導体レーザ素子を作製した。なお、実施例２の集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の活性層の等幅部および拡幅部の各幅、等幅部、テーパ部、および拡幅部の各長さについては実施例１と同一である。また、ＤＦＢレーザおよび半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さは７ｎｍであり、井戸層の数が７である。したがって、半導体光増幅器の活性層層の井戸層の総体積は１０７．４０８μｍ３である。また、各井戸層の組成は、利得ピークが、ＤＦＢレーザの発振波長が形成する波長帯域の中央近傍になるように設定している。
　図７は、実施例２の集積型半導体レーザ素子の光出力ＰsoaとＤＦＢレーザの閾値電流Ｉth_DFBとの波長依存性の一例を示す図である。図７に示すように、実施例２の集積型半導体レーザ素子では、Ｉth_DFBおよびＰsoaのいずれの偏差も、実施例１の場合よりもさらに小さくなっており、それぞれ２．８ｍＡ、２ｍＷである。また、Ｉth_DFBが最低値となる波長と、Ｐsoaが最大値となる波長とが線Ｌ８で示すように一致している。
　なお、Ｉth_DFBが最低値となる波長と、Ｐsoaが最大値となる波長、すなわち、井戸層の組成の設定による利得ピークの波長と、動作状態における利得ピークの波長とは、完全に一致することが好ましい。しかしながら、ＤＷＤＭ光通信において、集積型半導体レーザ素子の出力波長範囲として、たとえば１５３０ｎｍ～１５７０ｎｍや、１５７０ｎｍ～１６１０ｎｍ等の４０ｎｍの範囲が最も使用されることを考慮すると、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、動作状態における半導体光増幅器の利得ピークの波長との差が、±１５ｎｍの範囲内になるようにすればよい。この好ましい範囲は、光出力Ｐsoaの曲線の変化量に起因するものである。一般的に、本件と類似した構造で設定されるパラメータを用いた場合、Ｐsoaのピークから波長が３０ｎｍ程度離れるとPsoaの出力が著しく変わってくる。例えば、図６のように１５４０ｎｍの波長近傍でピークを持つ場合の光出力曲線を参照すると、ピーク波長から２０ｎｍ離れた１５６０ｎｍでは約５％の出力の変化を、さらにピーク波長から３０ｎｍ離れた１５７０ｎｍでは約１０％の出力の変化を示している。このような１５６０ｎｍと１５７０ｎｍとの位置における出力の変化の結果を比較すると、ピーク波長から２０ｎｍの区間では５％の出力の変化だったにも関わらず、さらに１０ｎｍ波長が離れると、その１０ｎｍのずれだけで２０ｎｍのずれと同様の割合である５％の出力の変化が生じており、さらにピーク波長から離れると光出力の変化が許容できない程度まで低下することが類推できる。したがって、このような許容できない程光出力が低下してしまう波長を、使用波長範囲内に発生させないためには、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、動作状態における半導体光増幅器の利得ピークの波長との差が、±１５ｎｍの範囲内、より好ましくは±１０ｎｍの範囲内に設定することが重要となる。なお、組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長と、半導体光増幅器の動作状態における利得ピークの波長との差は、活性層の井戸層の厚さの合計に応じて拡幅部の幅を設定することで適宜調整できる。
　また、井戸層の厚さの合計については、実施例２のように４５ｎｍ以上とすることが好ましく、７０ｎｍ程度よりも小さい方が、積層歪の観点から製造が容易であり好ましい。また、半導体光増幅器の活性層の拡幅部の幅は、井戸層の厚さの合計に応じて設定するが、たとえば実施例２のように４μｍ程度とすることが好ましい。また、半導体光増幅器の体積については、１００μｍ３以上とすることが好ましい。
（実施例３～５）
　つぎに、実施例３～５として、実施例１と同様の集積型半導体レーザ素子１００を作製した。この実施例３～５の実施例１と異なる点は、いずれも半導体光増幅器の等幅部の幅が２μｍである点である。また、等幅部の長さについては、実施例３は、実施例１より長い６００μｍであり、実施例４は、実施例１と同じ４５０μｍであり、実施例５は、実施例１より短い１００μｍである。なお、この実施例３～５は、上述した実施例１と同様の実験（ＤＦＢレーザの閾値電流と半導体光増幅器からの光出力との関係についての実験）を行なったところ、閾値電流および光出力の各偏差はいずれも実施例１と同程度に小さかった。
　図８は、実施例３～５の集積型半導体レーザ素子１００における半導体光増幅器１４の駆動電流と、光出力Ｐsoaについてのスロープ効率との関係を示す図である。なお、ＤＦＢレーザについては、駆動電流１５０ｍＡで駆動させている。図８に示すように、実施例３、４では、スロープ効率を示す曲線が滑らかな形状をしており、キンクが発生していない。一方、実施例５では、ややキンクが発生している。
　以上説明したように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００は、高温での動作に適し、高出力であるとともに波長に対する出力強度の偏差の増大が抑制されたものとなる。
（製造方法）
　つぎに、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００の製造方法の一例を説明する。図９～図１２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する説明図である。なお、図９～図１２は、各製造工程における集積型半導体レーザ素子１００のＤ－Ｄ線断面（図１参照）を示すものである。
　まず、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、たとえば有機金属気相成長（Metal　Organic　Chemical　Vapor　Deposition：MOCVD）法を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２、下部ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層２３、活性層２４、上部ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、グレーティング層２７、ｐ型ＩｎＰ層２８を順次堆積する。なお、図中の領域Ｅ１～Ｅ５は、それぞれＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎを形成する領域、光導波路１２－１～１２－ｎを形成する領域光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域、スポットサイズ変換器１５を形成する領域を示す。
　つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１のＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎのそれぞれを形成する位置に、互いに周期の異なる回折格子のパターンになるようにパターンニングを施す。また、領域Ｅ４にもパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、領域Ｅ１のグレーティング層２７に回折格子となる格子溝を形成するとともに、領域Ｅ４のグレーティング層２７を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に領域Ｅ１～Ｅ５の全面にｐ型ＩｎＰ層２８を再び堆積する。
　つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１、Ｅ４のそれぞれに、ＤＦＢレーザや半導体光増幅器よりもやや幅広の形状のパターンになるようにパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、図１０に示すように、下部ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層２３までを除去してｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出する。このとき領域Ｅ２、Ｅ３、Ｅ５においては下部ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層２３まで全て除去される。これによって図９に示す一工程において形成した活性層２４から、同一組成、同一厚さ、同一構造の活性層２４ａ、２４ｂが形成される。なお、符号２９は格子溝を示している。
　つぎに、ＳｉＮ膜のマスクをそのまま選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、図１１に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１を順次堆積する。
　つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、図１に示したＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ、光導波路１２－１～１２－ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５に対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ、光導波路１２－１～１２－ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５に対応するメサ構造を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出させる。
　図１２はこの工程を行った後の状態を示す模式的平面図である。領域Ｅ１～Ｅ５においては、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ、光導波路１２－１～１２－ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５のそれぞれに対応する形状をしたメサ構造Ｍ１～Ｍ５が形成される。また、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２が露出している。
　つぎに、直前の工程で用いたＳｉＮ膜のマスクを選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出したｎ型ＩｎＰバッファ層２２上に、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２、ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３を順次堆積する。ついで、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、領域Ｅ１～Ｅ５の全面にｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５を順次堆積する。
　つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、トレンチ溝１７－１～１７－ｍに対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、トレンチ溝１７－１～１７－ｍを形成する。なお、トレンチ溝１７－１～１７－ｍについては、例えばｎ型ＩｎＰバッファ層２２に到る深さまで形成するが、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ間が電気的に分離できる深さまで形成すればよい。
　つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、全面に再びＳｉＮ膜を堆積し、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎと半導体光増幅器１４に対する開口部を形成してＳｉＮ保護膜３８とし、全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる２層の導電膜を堆積した後、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎと半導体光増幅器１４とに対応する形状にパターンニングすることによってｐ側電極３９を形成する。一方、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる２層構造のｎ側電極４０を形成する。これによって、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ、光導波路１２－１～１２－ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４、スポットサイズ変換器１５が形成される。
　最後に、ｎ型ＩｎＰ基板２１を、集積型半導体レーザ素子１００が複数並んだバー状にへき開し、ＤＦＢレーザ１１－１～１１－ｎ、半導体光増幅器１４を形成した両端面に反射防止膜をコートしたのち、各集積型半導体レーザ素子１００ごとに分離することにより、集積型半導体レーザ素子１００が完成する。
　なお、上記実施の形態では、半導体レーザとしてＤＦＢレーザを用いているが、単一モード発振する半導体レーザであれば特に限定されず、たとえばＤＢＲ（Distributed　Bragg　Reflector）レーザ、ＴＤＡ（Tunable　Distributed　Amplification）－ＤＦＢレーザ等を用いてもよい。また、光合流器として、たとえばフネルカプラや多モード干渉型光合流器を用いてもよい。また、集積型半導体レーザ素子の構成半導体材料については、上記実施の形態では１５５０ｎｍ近傍の波長を使用するためにＩｎＰ系半導体材料等を用いているが、使用する波長に応じて適宜選択して使用することができる。
（実施の形態２）
　つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る半導体レーザモジュールは、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を用いたフルバンドチューナブルレーザモジュールであり、波長可変レーザアセンブリ（Integrable　Tunable　Laser　Assembly、ＩＴＬＡ）の規格に準拠したものである。
　図１３は、本実施の形態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。なお、図１３においては、説明のために、筐体の上面部を切り欠いてその内部構造を示している。図１３に示すように、この半導体レーザモジュール１０００は、筐体４１と、筐体４１内に収容された、図１に示す実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００と、電熱素子であるペルチェ素子（ＴＥＣ）４２、４８と、ミラー４３、４４、４５と、受光素子であるフォトダイオード(ＰＤ）４６、４７と、エタロンフィルタ４９と、筐体４１の突出部４１ａに収容されたフェルール５０と、フェルール５０に接続した偏波保持型の光ファイバ５１とを備えている。また、筐体４１内には、さらに、不図示の制御回路、レンズ等が収容されている。
　集積型半導体レーザ素子１００は、ＴＥＣ４２に載置されている。そして、集積型半導体レーザ素子１００のＤＦＢレーザのアレイの数は１２である。各ＤＦＢレーザの発振波長間隔はおよそ３．５ｎｍ間隔であり、各発振波長は、国際電気連合（International　Telecommunication　Union、ＩＴＵ）の定めるＩＴＵグリッド付近の所望の波長に設定されている。そして、所望のＤＦＢレーザを選択して外部からの駆動電流により駆動し、ＴＥＣ４２によって集積型半導体レーザ素子１００の温度を１０℃～５０℃の範囲で制御して発振波長の調整を行うことにより、光ファイバ伝送において使用されるＣバンド帯、Ｌバンド帯等のフルバンドの全ての波長グリッドをカバーするレーザ光を出力することができる。
　また、この半導体レーザモジュール１０００は、ＤＦＢレーザの経時変化による発振波長のドリフトを補正するための波長ロッカー機構が搭載されている。この波長ロッカー機構は、ミラー４３、４４、４５と、ＰＤ４６、４７と、エタロンフィルタ４９とを用いた公知の構成を有している。
　この波長ロッカー機構は、以下のように機能する。まず、集積型半導体レーザ素子１００からレーザ光５２が出力し、不図示のコリメートレンズで平行光とされる。ミラー４３は、このレーザ光５２を透過させるとともに、その一部を反射する。ＰＤ４６は反射したレーザ光５３を受光し、その受光強度に応じた大きさの電流を出力する。
　一方、ミラー４４は、ミラー４３を透過したレーザ光５２をさらに透過させるとともに、その一部を反射する。ミラー４４を透過したレーザ光５２は不図示の集光レンズによって光ファイバ５１に結合されて光ファイバ５１から外部に出力する。一方、ミラー４５は反射したレーザ光５４をさらに反射させ、エタロンフィルタ４９はさらに反射したレーザ光５４を透過させ、ＰＤ４７はエタロンフィルタ４９を透過したレーザ光５４を受光し、その受光強度に応じた大きさの電流を出力する。
　ここで、エタロンフィルタ４９はＴＥＣ４８に載置されており、その透過波長がＩＴＵグリッドの波長に一致するように温度調整されている。そのため、エタロンフィルタ４９を透過するレーザ光５４の強度は、レーザ光５４の波長がＩＴＵグリッドの波長からずれると減少する。そこでこの波長ロッカー機構では、ＰＤ４６の出力電流値を基準としたＰＤ４７の出力電流値の減少を波長のずれとして検出して、ＰＤ４７の出力電流値をもとにＴＥＣ４２をフィードバック制御して集積型半導体レーザ素子１００の温度を調整し、集積型半導体レーザ素子１００からのレーザ光５２の波長を所望の波長にロックしている。
　なお、この半導体レーザモジュール１０００には２台のＴＥＣ４２、４８が搭載されており、集積型半導体レーザ素子１００の温度およびエタロンフィルタ４９の温度を独立に制御できる。従来のように１台のＴＥＣで半導体レーザ素子の温度制御のみをする場合、エタロンフィルタの温度が変化して、波長ドリフトが起こりやすくなり、レーザモジュールの制御やモジュール作製上も難しかった。これに対して、この半導体レーザモジュール１０００は、２台のＴＥＣを用いてレーザ素子とエタロンフィルタとを独立制御可能なモジュール構造とすることで、その出力するレーザ光の波長制御性を高めている。
　本実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１０００は、高出力動作が可能なため、半導体レーザ素子とエタロンフィルタとを独立で温度制御ができることによって発熱に関わらず極めて安定な動作が可能となった。また、この半導体レーザモジュール１０００は高出力での安定動作が可能であるため、長距離伝送を実現するためのスペクトル線幅やＲＩＮ（Relative　Intensity　Noise）など、ノイズに対する特性も優れており、ＩＴＬＡ－ＭＳＡ（Multi-Source　Agreement）の仕様を充足している。また、この半導体レーザモジュール１０００はＣバンド帯、Ｌバンド帯の全域をカバーしており、５０ＧＨｚ間隔のＤＷＤＭに対応した波長ロッキングを実現可能である。従ってこの半導体レーザモジュール１０００はＤＷＤＭ通信システムにも適している。さらに、この半導体レーザモジュール１０００は、安定した高出力を実現できるので、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現するＤＷＤＭ伝送仕様光トランシーバや、他の長距離伝送を必要とする通信システムにも適用できる。
（実施の形態３）
　図１４は、実施の形態５に係る光伝送システムの構成を示すブロック図である。この光伝送システム１００００は、光送信器１０００１と、光受信器１０００２とが、光ファイバケーブルを用いた光伝送路１０００３で接続したものである。なお、光伝送路１０００３の途中には、適宜光中継器が配置されていてもよい。
　光送信器１０００１は、実施の形態２に係る半導体レーザモジュール１０００と、半導体レーザモジュール１０００に接続した外部変調器としての光変調器２０００とを備えている。
　また、光受信器１０００２は、ＰＤ等の受光素子３０００と、受光素子３０００に接続した復調器４０００とを備えている。
　つぎに、この光伝送システム１００００の動作について説明する。はじめに、光送信器１０００１において、半導体レーザモジュール１０００が所定の波長のレーザ光を出力すると、光変調器２０００がこのレーザ光を受け付ける。光変調器２０００には外部から供給された１６ＱＡＭ等の多値変調方式を利用した変調信号ＭＳが印加されている。そして、光変調器２０００は受け付けたレーザ光をこの変調信号ＭＳにより多値変調して光信号ＯＳとして光伝送路１０００３に出力する。
　そして、光受信器１０００２においては、受光素子３０００が、光伝送路１０００３を伝送した光信号ＯＳを受光して電気信号に変換して出力する。つぎに、復調器４０００は、電気増幅器、波形整形器等を用いて、変調信号ＭＳの変調方式に対応して復調可能に構成されており、該受光素子３０００が出力した電気信号を復調して、復調信号ＤＳを出力する。
　上述したように、半導体レーザモジュール１０００は、高出力動作が可能なため、光送信器１０００１においてこのような多値の変調信号で変調しても、十分に高い強度に保たれる。その結果、エラーレートの低い光伝送が可能となり、たとえばデータレートが１００Ｇｂｐｓの光伝送が実現される。
　以上のように、本発明に係る集積型半導体レーザ素子および半導体レーザモジュールならびに光伝送システムは、ＤＷＤＭ光通信に利用して好適なものである。
　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　半導体光増幅器
　１４ａ　等幅部
　１４ｂ　テーパ部
　１４ｃ　拡幅部
　１５　スポットサイズ変換器
　１５ａ　出力端
　１６　埋め込み部
　１７－１～１７－ｍ　トレンチ溝
　２１　ｎ型ＩｎＰ基板
　２２　ｎ型ＩｎＰバッファ層
　２３　下部ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層
　２４、２４ａ、２４ｂ　活性層
　２４ａａ、２４ｂａ　井戸層
　２４ａｂ、２４ｂｂ　障壁層
　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
　２９　格子溝
　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
　４１　筐体
　４１ａ　突出部
　４２、４８　ＴＥＣ
　４３～４５　ミラー
　４６、４７　ＰＤ
　４９　エタロンフィルタ
　５０　フェルール
　５１　光ファイバ
　５２～５４　レーザ光
　１００　集積型半導体レーザ素子
　１０００　半導体レーザモジュール
　２０００　光変調器
　３０００　受光素子
　４０００　復調器
　１００００　光伝送システム
　１０００１　光送信器
　１０００２　光受信器
　１０００３　光伝送路
　Ｄ１、Ｄ２　差
　ＤＳ　復調信号
　Ｅ１～Ｅ５　領域
　Ｌ１～Ｌ３　長さ
　Ｌ４～Ｌ８　線
　Ｍ１～Ｍ５　メサ構造
　ＭＳ　変調信号
　ＯＳ　光信号
　ｔ１、ｔ２、Ｔ１、Ｔ２　厚さ
　Ｗ１、Ｗ２　幅

Claims (12)

  1. 　互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザからの出力光を合流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を集積した集積型半導体レーザ素子であって、
    　前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の厚さと、前記複数の半導体レーザの発振波長が形成する波長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た同一の組成とを有し、
    　前記半導体光増幅器は、前記光合流器側に形成され前記出力光を単一モードで導波するための等幅部と、光出力側に形成され前記等幅部の幅よりも幅広の拡幅部とを有しており、前記拡幅部が前記等幅部と同じ幅である場合には当該半導体光増幅器においてバンドフィリング現象によって利得ピークの波長が前記組成の設定による利得ピークから短波長側へ移動する動作状態で動作させる場合に、該動作状態における前記利得ピークの波長を、前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長と略一致させるために、前記活性層の各井戸層の厚さの合計に応じて、前記バンドフィリング現象が抑制される程度に前記活性層の井戸層の総体積が大きくなるように、前記拡幅部の幅を設定していることを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
  2. 　前記複数の半導体レーザの各活性層の少なくとも一つと、前記半導体光増幅器の活性層とは、同一の結晶成長プロセスで形成されてい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. 　前記等幅部と前記拡幅部とがテーパ形状の部分で接続されてい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. 　前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０～１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１５ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．４２倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定してい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集積型半導体レーザ素子。
  5. 　前記複数の半導体レーザからの出力光の波長範囲が１５２０～１６２０ｎｍから選択された４０ｎｍの範囲であり、前記動作状態における利得ピークの波長と前記組成の設定による前記半導体レーザの利得ピークの波長との偏差を±１０ｎｍの範囲内で一致させるために、前記活性層の井戸層の総体積が、前記利得ピークの偏差が４０ｎｍとなる総体積の１．６６倍以上になるように、前記拡幅部の幅を設定してい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集積型半導体レーザ素子。
  6. 　前記半導体光増幅器の活性層の各井戸層の厚さの合計が４５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ素子。
  7. 　前記半導体光増幅器の活性層の等幅部の長さが１００μｍより長いことを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  8. 　前記半導体光増幅器の活性層の井戸層の総体積が１００μｍ３以上であることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ素子。
  9. 　前記光合流器は多モード干渉型光合流器であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  10. 　前記半導体光増幅器からの出力光のスポットサイズを縮小するスポットサイズ変換器をさらに備えることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
  11. 　請求項１～１０のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
  12. 　請求項１１に記載の半導体レーザモジュールを備え、１００Ｇｂｐｓのデータレートを実現することを特徴とする光伝送システム。
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