(57)【要約】【課題】広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子、および、半導体レーザ装置を提供すること。【解決手段】互いに異なる２つ以上の波長のレーザ光を出力する半導体光出力部と、半導体活性層に電流を印加するための電極を備え、前記半導体光出力部からの出力レーザ光を長手方向に導波しながら増幅する半導体光増幅部と、が集積され、前記半導体光増幅部は、前記長手方向に増幅利得のピーク波長の互いに異なる２つ以上の半導体光増幅器が配列され、前記電極は、前記半導体光増幅器ごとに離間して形成されている集積型半導体レーザ素子。【選択図】図１
2014165377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる２つ以上の波長のレーザ光を出力する半導体光出力部と、
半導体活性層に電流を印加するための電極を備え、前記半導体光出力部からの出力レーザ光を長手方向に導波しながら増幅する半導体光増幅部と、
が集積され、前記半導体光増幅部は、前記長手方向に増幅利得のピーク波長の互いに異なる２つ以上の半導体光増幅器が配列され、
前記電極は、前記半導体光増幅器ごとに離間して形成されていることを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記半導体光増幅部は、前記長手方向に活性層の厚さ、または、活性層の組成が異な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。
【請求項３】
前記半導体光出力部は、互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の分布帰還型の半導体レーザであって、
さらに、前記複数の半導体レーザからの出力レーザ光がそれぞれ入力され、該出力レーザ光を合流させて出力させることができる光合流部を備え、
前記半導体光増幅器は、前記光合流部を介して、前記半導体光出力部からの出力レーザ光を前記長手方向に導波しながら増幅す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。
【請求項４】
前記半導体光出力部が出力するレーザ光の波長は、前記半導体光増幅器のうち、少なくとも１つの半導体光増幅器の増幅利得の飽和波長帯に含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記半導体光出力部が出力するレーザ光の波長は、１５２０ｎｍ以上１６１０ｎｍ以下のうち、いずれかの波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記半導体光出力部が出力するいずれの波長のレーザ光に対しても、前記集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比が、４０ｄＢ／ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記半導体光増幅部は、長波長側に増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器が、前記半導体光出力部に近い位置に配置され、短波長側に増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器が、前記半導体光出力部から遠い位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の集積型半導体レーザ素子と、前記半導体光増幅部に対して電流を印加する電流印加部と、を備え、
前記電流印加部は、前記半導体光増幅器のうち、前記半導体光出力部からの出力レーザ光の波長に近い増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器に最も多くの電流を印加することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記半導体光出力部からの出力レーザ光の波長が、前記半導体光増幅器のうち、いずれか１つの半導体光増幅器の増幅利得の飽和波長帯であるとき、該半導体光増幅器に前記集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光強度が波長によらず一定となるよう電流を印加し、さらに、前記電流印加部は、該半導体光増幅器以外の前記半導体光増幅器に、その半導体光増幅器から出力される光強度が、その半導体光増幅器に入力される光強度以下となるようその半導体光増幅器に電流を印加することを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型半導体レーザ素子、および、半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、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（例えば特許文献１参照）。この種の集積型半導体レーザ素子では、動作させる半導体レーザを切り替えて、出力するレーザ光の波長を変化させることによって波長可変レーザとして機能する。複数の半導体レーザには、光合流器、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）が順次接続されている。動作させる半導体レーザからのレーザ光は、光合流器を通過した後、ＳＯＡによって光増幅されて素子の出力端から出力される。
【０００３】
上記のような集積型半導体レーザ素子は、例えばピグテイルファイバ付きのレーザモジュールに組み込まれて使用される。このようなレーザモジュールは、例えばＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムにおける長距離光伝送のために、外部変調器と組み合わせて、信号光源として使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１７６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＳＯＡは、半導体の活性層における誘導放出によって、光を増幅する。そのため、半導体の活性層は、電圧が印加され反転分布の状態とされている必要がある。このとき、誘導放出と並行して、自然放出による自然放出（ＡｍＰｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）光も発生する。
【０００６】
集積型半導体レーザ素子の波長と出力光強度との関係を調べると、各波長で集積型半導体レーザ素子を発振させた場合に、発振波長以外の波長にも出力光成分があることがわかる。これが自然放出によるＡＳＥ光であり、特にレーザ光の波長がＳＯＡの増幅利得のピーク波長から離れた短波長側と長波長側との両側において、ＡＳＥ光のピーク光強度が強いことがわかる。光通信においては、このＡＳＥ光が雑音となり、通信品質を劣化させる。そのため、ＡＳＥ光の発生を低減させた波長可変光源が求められている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子、および、半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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２つ以上の波長のレーザ光を出力する半導体光出力部と、半導体活性層に電流を印加するための電極を備え、前記半導体光出力部からの出力レーザ光を長手方向に導波しながら増幅する半導体光増幅部と、が集積され、前記半導体光増幅部は、前記長手方向に増幅利得のピーク波長の互いに異なる２つ以上の半導体光増幅器が配列され、前記電極は、前記半導体光増幅器ごとに離間して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光増幅部は、前記長手方向に活性層の厚さ、または、活性層の組成が異なることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光出力部は、互いに異なる発振波長で単一モード発振する複数の分布帰還型の半導体レーザであって、さらに、前記複数の半導体レーザからの出力レーザ光がそれぞれ入力され、該出力レーザ光を合流させて出力させることができる光合流部を備え、前記半導体光増幅器は、前記光合流部を介して、前記半導体光出力部からの出力レーザ光を前記長手方向に導波しながら増幅することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光出力部が出力するレーザ光の波長は、前記半導体光増幅器のうち、少なくとも１つの半導体光増幅器の増幅利得の飽和波長帯に含まれることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光出力部が出力するレーザ光の波長は、１５２０ｎｍ以上１６１０ｎｍ以下のうち、いずれかの波長であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光出力部が出力するいずれの波長のレーザ光に対しても、前記集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比が、４０ｄＢ／ｎｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る集積型半導体レーザ素子は、上記発明において、前記半導体光増幅部は、長波長側に増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器が、前記半導体光出力部に近い位置に配置され、短波長側に増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器が、前記半導体光出力部から遠い位置に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記発明の集積型半導体レーザ素子と、前記半導体光増幅部に対して電流を印加する電流印加部と、を備え、前記電流印加部は、前記半導体光増幅器のうち、前記半導体光出力部からの出力レーザ光の波長に近い増幅利得のピーク波長を有する前記半導体光増幅器に最も多くの電流を印加することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る半導体レーザ装置は、上記発明において、前記半導体光出力部からの出力レーザ光の波長が、前記半導体光増幅器のうち、いずれか１つの半導体光増幅器の増幅利得の飽和波長帯であるとき、該半導体光増幅器に前記集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光強度が波長によらず一定となるよう電流を印加し、さらに、前記電流印加部は、該半導体光増幅器以外の前記半導体光増幅器に、その半導体光増幅器から出力される光強度が、その半導体光増幅器に入力される光強度以下となるようその半導体光増幅器に電流を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子、および、半導体レーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面の一部を示す図である。
【図３】図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ線断面の一部を示す図である。
【図５】図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図７】図７は、半導体光増幅器の増幅利得が最大となるピーク波長と活性層厚比との関係を表す図である。
【図８】図８は、実施例に係る集積型半導体レーザ素子における各半導体光増幅器の波長と集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比との関係を表す図である。
【図９】図９は、実施例に係る集積型半導体レーザ素子および比較例に係る集積型半導体レーザ素子の波長と集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比との関係を表す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態４に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態５に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、および、半導体レーザ装置の実施の形態を説明する。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、図面の記載において、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。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置の模式的な平面図である。図１に示すように、半導体レーザ装置１００は、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１に、さらに、電流印加部である電源装置１７を接続した構成である。電源装置１７は、集積型半導体レーザ素子１のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎ（Ｎは２以上の整数）、および、ＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３に電流を印加する。
【００２１】
集積型半導体レーザ素子１は、それぞれがメサ構造を有する、半導体光出力部であるＮ個のＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎと、Ｎ個の光導波路１２−１〜１２−Ｎと、光合流部である光合流器１３と、半導体光増幅部である３つのＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３とを１つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１５により埋め込んだ構造を有する。ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎ間の埋め込み部１５には、トレンチ溝１６−１〜１６−Ｍ（Ｍ＝Ｎ―１）を設けている。
【００２２】
ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎは、各々が幅１．５μｍ〜３μｍのストライプ状の埋め込み構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子１の一端において幅方向に例えば２５μｍピッチで形成されている。ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎは、各ＤＦＢレーザに備えられた回折格子の間隔を互いに異ならせることにより、出力光が単一モード発振のレーザ光となり、そのレーザ発振波長が、例えば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で互いに相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの各発振波長は、集積型半導体レーザ素子１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１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。
【００２３】
なお、温度調整によるＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎのそれぞれのレーザ発振波長の微調整の範囲は、３ｎｍ程度以下とすることが好ましい。したがって、約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長範囲をカバーするためには、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの個数は１２以上が好ましく、例えば１６である。ただし、Ｎの値は特に限定されない。また、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの発振波長の範囲は、例えば１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍとしてもよい。
【００２４】
図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面の一部を示す図である。図２に示すように、例えば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層（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層２３、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造の活性層２４、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓからなるグレーティング層２７、およびｐ型ＩｎＰ層２８を備えている。グレーティング層２７には回折格子が形成されている。
【００２５】
ｐ型ＩｎＰ層２８からｎ型ＩｎＰバッファ層２２の一部に到るまでの層はストライプ状のメサ構造を有している。このメサ構造は、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２とｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３により埋め込まれている。また、ｐ型ＩｎＰ層２８とｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３３との上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５が順次積層している。また、各半導体層の外側表面はＳｉＮ保護膜３８により保護されている。さらに、ＳｉＮ保護膜３８はＩｎＧａＡｓコンタクト層３５上でその一部が開口している。この開口部にはｐ側電極３９が形成されている。また、ｎ型ＩｎＰ基板２１上の底面にはｎ側電極４０が形成されている。
【００２６】
活性層２４は、交互に積層した複数の井戸層と障壁層とを有している。井戸層および障壁層は、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料、またはＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料からなる。活性層２４−１の組成は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの発振波長に対応する帯域である、例えば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの中央近傍、すなわち１５５０ｎｍ近傍に利得ピークの波長を有するように設定されている。この組成の設定による半導体レーザの利得ピークの波長は、集積型半導体レーザ素子１の動作温度である１０℃〜５０℃におけるものである。また、活性層２４の幅は、例えば１．４μｍ〜１．７μｍである。他のＤＦＢレーザ１１−１、１１−３〜〜１１−Ｎについては、活性層の組成や厚さを含めて、ＤＦＢレーザ１１−２と略同一の構造を有する。
【００２７】
光合流器１３は、Ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートとを有するＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型光カプラである。図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図３に示すように、光合流器１３は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎと同様の埋め込みメサ構造を有するが、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３からｐ型ＩｎＰ層２８までの積層構造を、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０とｉ型ＩｎＰ層３１との積層構造に置き換えた構造を有している。また、光合流器１３は、メサ幅がＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎよりも幅広く形成されている。また、光合流器１３においては、ＳｉＮ保護膜３８の開口部とｐ側電極３９とは形成されていない。
【００２８】
なお、光合流器１３は、ＭＭＩ型光カプラに限定されず、例えばフレネルカプラのような他のＮ×１光カプラでもよい。
【００２９】
光導波路１２−１〜１２−Ｎは、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎと光合流器１３との間に形成されており、光合流器１３と同様の埋め込みメサ構造を有しており、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎと光合流器１３のＮ個の入力ポートとを光学的に接続している。
【００３０】
ＳＯＡ１４−１は、光合流器１３の１つの出力ポート１３ａに接続している。図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ線断面の一部を示す図である。図４に示すように、ＳＯＡ１４−１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。ＳＯＡ１４−１は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎと同様に、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層および上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層が形成されていてもよいが、本実施の形態１では、ｎ型ＩｎＰ層４１およびｐ型ＩｎＰ層２８が形成されているものとする。ただし、ＳＯＡ１４−１はＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎとは異なりグレーティング層２７を有さず、その代わりにｐ型ＩｎＰ層２８が形成されている。また、ＳＯＡ１４−１の活性層２４−１の組成は、ＤＦＢレーザの活性層２４と同一であってよいが、異なる組成、または、異なる材料を適宜選択してもよい。
【００３１】
図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。図５に示すように、半導体光増幅部の活性層は、厚さの異なる３つの活性層２４−１と、活性層２４−２と、活性層２４−３とからなる。さらに、その上部に形成されたｐ側電極３９はトレンチ溝５０−１と、トレンチ溝５０−２とによって、離間して形成されている。これによって、活性層２４−１と、活性層２４−２と、活性層２４−３とに、異なる強度の電流を印加することができ、この半導体光増幅部は３つの長手方向に直列に接続されたＳＯＡ１４−１、ＳＯＡ１４−２、ＳＯＡ１４−３として機能する。この３つのＳＯＡは、活性層の厚さが異なることによって、波長ごとの増幅利得が異なる３つのＳＯＡとして機能する。活性層２４−１、２４−２、２４−３の幅は、例えば１．４μｍ〜１．７μｍであるが、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎが出力するレーザ光を単一モードで導波できる幅であれば特に限定はされない。
【００３２】
ここで、活性層の厚さを変えたＳＯＡの製造方法について説明する。図６は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２からｎ型ＩｎＰ層４１までを順次積層した後、最表面に図６に示すような形状のマスクＭを形成する。ここに、マスクＭの隙間に一様な条件で活性層を成長させると、マスクＭの幅が大きい紙面左側では、活性層が厚く形成され、マスクＭの幅が小さい紙面右側では、活性層が薄く形成される。さらに、厚さの異なる３つの活性層２４−１、活性層２４−２、活性層２４−３上に、離間してｐ側電極３９を形成することで、３つの活性層に対して、それぞれ異なる強度の電流を印加することができ、３つのＳＯＡ１４−１、ＳＯＡ１４−２、ＳＯＡ１４−３を形成することができる。
【００３３】
つぎに、この集積型半導体レーザ素子１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。出力されるレーザ光は、電源装置１７によって、変調をかけた電圧を印加されたことによる変調信号光であってもよく、電源装置１７から一定の電圧を印加された一定の強度のＣＷ光であってもよい。トレンチ溝１６−１〜１６−ＭはＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎ間を電気的に分離するのでＤＦＢレーザ間の分離抵抗が大きくなり、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの中の１つを選択して駆動することが容易にできる。
【００３４】
つぎに、複数の光導波路１２−１〜１２−Ｎのうち、駆動するＤＦＢレーザと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザからのレーザ光を単一モードで導波する。光合流器１３は、光導波路を導波したレーザ光を通過させて出力ポート１３ａから出力する。ＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３は、出力ポート１３ａから出力したレーザ光を増幅して、出力端１４ａから集積型半導体レーザ素子１の外部に出力する。ＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３は、駆動するＤＦＢレーザからのレーザ光の光合流器１３による光の損失を補うとともに、出力端１４ａから所望の強度の光出力を得るために用いられる。なお、光合流器１３がＮ個の入力ポートと１個の出力ポートを有する場合、駆動するＤＦＢレーザからのレーザ光の強度は、光合流器１３によって約１／Ｎに減衰される。
【００３５】
ここで、集積型半導体レーザ素子１は、ＤＦＢレーザ１１−１〜１１−Ｎの中から選択した１つの波長のレーザ光を、増幅利得の波長特性が異なる３つの直列に接続されたＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３に入力する構成である。このとき、ＤＦＢレーザの発振したレーザ光の波長に対して、ＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３の３つのレーザ光のうち、増幅利得のピーク波長が近く、最も少ないＡＳＥ光で光増幅できるＳＯＡを選択する。さらに、選択したＳＯＡに集積型半導体レーザ素子１からの出力光強度が一定となるように電流を印加する。一方、それ以外の２つのＳＯＡには、そのＳＯＡから出力される光強度が、そのＳＯＡに入力される光強度以下となるように、そのＳＯＡに電流を印加する。さらに、半導体光出力部が出力するレーザ光の波長を変えると、その波長に適した別のＳＯＡが選択される。
【００３６】
一方で、単一のＳＯＡで増幅を行う場合、レーザ光の波長が増幅利得のピーク波長から離れた短波長側と長波長側との両側において、ＡＳＥ光が増大してしまう。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１は、電流印加部である電源装置１７から、３つのＳＯＡのうち、半導体光出力部であるＤＦＢレーザからの出力レーザ光の波長に近い増幅利得のピーク波長を有するＳＯＡに最も多くの電流を印加する。これによって、選択されたＳＯＡは、そのＳＯＡの増幅利得のピーク波長の近辺でＤＦＢレーザからの出力レーザ光を増幅することができる。したがって、レーザ光の波長が短波長側と長波長側との両端に近い場合においても、ＡＳＥ光の増大を抑制することができる。このように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１は、単一のＳＯＡで増幅を行う場合より、広範囲にわたって少ないＡＳＥ光で光増幅することができる。光増幅に伴うＡＳＥ光の発生を低減することができると、信号光の雑音が低減できる。したがって、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１は、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子である。
【００３７】
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。実施例として、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子を実際に製造し、その性能を評価した。はじめに、３つのＳＯＡの波長ごとの増幅利得が、最適な関係となるよう、活性層の厚さを決定する必要がある。そこで、増幅利得が最大となるピーク波長と、活性層厚比との関係性を求めた。図７は、半導体光増幅器の増幅利得が最大となるピーク波長と活性層厚比との関係を表す図である。図７に示すように、活性層の厚さを変えると、増幅利得が最大となるピーク波長が変化する。このとき、厚さの比をＳＯＡ１４−１と、１４−２と、１４−３とで、１：０．６５：０．４６とすると、ピーク波長がそれぞれ１５８８ｎｍ、１５６４ｎｍ、１５４０ｎｍとなり、その間隔が２０ｎｍ〜２５ｎｍの範囲に収まる。
【００３８】
次に、図８は、実施例に係る集積型半導体レーザ素子における各半導体光増幅器の波長と集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比との関係を表す図である。図８において、各ＳＯＡの厚さの比は、図７で求めたように、１：０．６５：０．４６とした。図８に示すように、各ＳＯＡのピーク波長付近に、集積型半導体レーザ素子１から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比（Ｓｉｇｎａｌ  Ｔｏ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｒａｔｉｏ：ＳＳＥＲ）が、略一定となる飽和波長帯があることがわかる。ここで、ＳＳＥＲは集積型半導体レーザ素子１の最終的な出力光における信号光と１ｎｍあたりのＡＳＥ光強度のピーク値との比であるから、一定の出力信号光強度で、集積型半導体レーザ素子１を用いる場合、ＳＳＥＲが大きいことと、ＡＳＥ光が小さいことは等価である。また、飽和波長帯は、増幅利得が最大となるピーク波長のＳＳＥＲから、ＳＳＥＲが３ｄＢ／ｎｍ下がる範囲の波長帯と定義する。したがって、図８から各ＳＯＡの飽和波長帯において、ＳＳＥＲは４０ｄＢ／ｎｍ以上であることがわかる。
【００３９】
さらに、図８からわかるように、飽和波長帯は波長に対して、２５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の幅を有する。このため、図７から、各ＳＯＡのピーク波長が２５ｎｍ程度異なるように、活性層の厚さを選択すると、各ＳＯＡの飽和波長帯が隙間無くつながり、一連の波長帯のどの波長に対しても少なくとも１つのＳＯＡが飽和波長帯を有する半導体光増幅部とすることができる。図８より、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１において、ＳＯＡ１４−１の飽和波長帯Ａは、１５７７ｎｍ〜１６１０ｎｍをカバーし、ＳＯＡ１４−２の飽和波長帯Ｂは、１５５３ｎｍ〜１５７７ｎｍをカバーし、ＳＯＡ１４−３の飽和波長帯Ｃは、１５２０ｎｍ〜１５５３ｎｍをカバーする。このとき、ＤＦＢレーザの出力光の波長に対応する飽和波長帯を有するＳＯＡを用いて光増幅をすることにより、少ないＡＳＥ光で光を増幅することができる。したがって、集積型半導体レーザ素子１は、１５２０ｎｍ以上１６２０ｎｍ以下の波長帯において、ＡＳＥ光の少ない信号光を出力することができる。
【００４０】
また、集積型半導体レーザ素子を通信に用いる場合、光源の出力は一定であることが望まれる。したがって、集積型半導体レーザ素子の理想的な使用条件として、ＤＦＢレーザが発振する出力光から飽和波長帯が外れているＳＯＡには、光が吸収されない程度の電流を印加する、または、全く電流を印加せず、ＤＦＢレーザが発振する出力光に飽和波長帯を有するＳＯＡには、集積型半導体レーザ素子からの最終的な出力光強度が波長によらず一定となるような強度の電流を印加することが望ましい。したがって、半導体レーザ装置１００における電源装置１７は、このような印加電流を制御する機能を備えていることが好ましい。
【００４１】
ここで、半導体は、バンドギャップエネルギーよりエネルギーの大きい光、つまり、増幅利得のピーク波長より短波長の光を吸収することが、一般に知られている。したがって、例えば電流が印加されておらず、反転分布が形成されていない場合、本集積型半導体レーザ素子１において、ＳＯＡ１４−１は、その飽和波長帯より波長の短い１５２０ｎｍ〜１５７７ｎｍの波長の光を吸収するが、ＳＯＡ１４−３は、その飽和波長帯より波長の長い１５５３ｎｍ〜１６１０ｎｍの波長の光をほとんど吸収しない。このとき、短波長側に飽和波長帯を有するＳＯＡ１４−３を長手方向の半導体光出力部に近い位置に配置すると、ＳＯＡ１４−３が増幅した光をＳＯＡ１４−１が吸収し、出力を下げてしまうため好ましくない。そこで、ＳＯＡ１４−１が光を吸収しないように、ＳＯＡ１４−１に最低限の電力を印加することが考えられるが、ＳＯＡ１４−１に電力を印加するとＡＳＥ光が発生してしまい好ましくない。一方で、長波長側に飽和波長帯を有するＳＯＡ１４−１を長手方向の半導体光出力部に近い位置に配置すると、ＳＯＡ１４−１が増幅した光はＳＯＡ１４−３には、ほとんど吸収されない。したがって、ＳＯＡ１４−３には、ほとんど電流を印加する必要がなく、ＡＳＥ光もほとんど発生しない。このように、ＡＳＥ光を低減するため、さらに、消費電力を低減するためには、長波長側に飽和波長帯を有するＳＯＡ１４−１が、半導体光出力部に近い位置に配置され、短波長側に飽和波長帯を有するＳＯＡ１４−３が、半導体光出力部から遠い位置に配置されていることが好ましい。
【００４２】
図９は、実施例に係る集積型半導体レーザ素子および比較例に係る集積型半導体レーザ素子の波長と集積型半導体レーザ素子から最終的に出力されるレーザ光の信号光対自然放出光比との関係を表す図である。図９における比較例に係る集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅部が単独のＳＯＡからなる構成であり、その他の構成は実施例に係る集積型半導体レーザ素子と同一の構成とした。この比較例のＳＯＡの増幅利得のピーク波長は、実施例のＳＯＡ１４−２と同じ、１５６４ｎｍとした。また、本実施例に係る集積型半導体レーザ素子において、１５７７ｎｍ〜１６１０ｎｍの波長帯はＳＯＡ１４−１を、１５５３ｎｍ〜１５７７ｎｍの波長帯はＳＯＡ１４−２を、１５２０ｎｍ〜１５５３ｎｍの波長帯はＳＯＡ１４−３を、それぞれ増幅用に用いることとする。図９に示すように、比較例において、特に低高両端の波長域でＳＳＥＲが著しく減少しているのに対し、本実施例では、全波長帯において４０ｄＢ／ｎｍ以上の高いＳＳＥＲを維持していることがわかる。したがって、本実施例に係る集積型半導体レーザ素子は、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子であることがわかる。
【００４３】
このように、複数の波長ごとに増幅利得が異なるＳＯＡを直列接続し、各ＳＯＡに印加する電流を最適化することによって、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図１０は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。図１０に示すように、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅部は、互いに組成の異なる活性層２４−１、２４−２、２４−３を有するＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３からなる。活性層以外の構成、および、半導体光増幅部以外の構成は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１と同一である。例えば、ＧａＩｎＡｓＰ系の材料において、Ｐの割合を増やし、Ａｓの割合減らすと、増幅利得が最大となるピーク波長は、短波長化し、同様に、Ｇａの割合を増やし、Ｉｎの割合を減らすと、増幅利得が最大となるピーク波長は、短波長化する。これによって、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１と同様に、増幅利得が最大となるピーク波長が異なるＳＯＡを製造することができる。したがって、３つのＳＯＡの飽和波長帯が、ＤＦＢレーザの発振波長帯カバーするよう組成を最適化することによって、ＡＳＥ光を低減することができる。このように、活性層の厚さだけでなく、活性層の組成を変えることによって、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４５】
次に、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する。図１１〜図１６は、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。はじめに、図１１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２からｎ型ＩｎＰ層４１までを順次積層し、さらに、活性層２４−１およびｐ型ＩｎＰ層２８を積層する。そして、図１２に示すように、ＳＯＡ１４−１となるべき領域の最表面にマスクＭを形成し、マスクＭが形成されていない領域の活性層２４−１およびｐ型ＩｎＰ層２８をエッチングによって除去する。次に、図１３に示すように、マスクＭが形成されていない領域に選択的に活性層２４−２およびｐ型ＩｎＰ層２８を積層する。さらに、図１４に示すように、ＳＯＡ１４−１となるべき領域のみならずＳＯＡ１４−２となるべき領域の最表面にもマスクＭを形成する。そして、図１５に示すように、マスクＭが形成されていない領域の活性層２４−２およびｐ型ＩｎＰ層２８をエッチングによって除去する。最後に、図１６に示すように、マスクＭの形成されていない、ＳＯＡ１４−３となるべき領域に活性層２４−３およびｐ型ＩｎＰ層２８を選択的に成長させる。これによって、ＳＯＡ１４−１、１４−２、１４−３が形成される。ここに、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４からｐ側電極３９までを、ＳＯＡごとに形成すると、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を製造することができる。
【００４６】
なお、このような選択成長とエッチングとを繰り返し行う方法によって、実施の形態１のような活性層の厚さが異なる複数のＳＯＡを形成してもよい。
【００４７】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図１７は、本発明の実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。図１７に示すように、本実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅部は、紙面左側が厚く、紙面右側が薄くなるよう、連続的に厚さが変化している。それ以外の構成は実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１と同一の構成である。ここに、各ＳＯＡとなるべき領域に対応して、離間して電極を形成することにより、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１と同様に、増幅利得が最大となるピーク波長が異なるＳＯＡを製造することができる。したがって、３つのＳＯＡの飽和波長帯が、ＤＦＢレーザの発振波長帯カバーするよう活性層の厚さを最適化することによって、ＡＳＥ光を低減することができる。このように、活性層の厚さが連続的に変化する場合においても、電極を離間して形成することによって、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４８】
次に、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する。図１８は、本発明の実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明するための図である。ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２からｎ型ＩｎＰ層４１までを順次積層した後、活性層２４を積層する際に、最表面に形成するマスクＭを、図１８のような形状とすることで、活性層の厚さを連続的に変化させることができる。さらに、活性層の上に離間してｐ側電極３９を形成することで、３つの活性層に対して、それぞれ異なる強度の電流を印加することができ、３つのＳＯＡ１４−１、ＳＯＡ１４−２、ＳＯＡ１４−３を形成することができる。これによって、本実施の形態３に係る集積型半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４９】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図１９は、本発明の実施の形態４に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。図１９に示すように、本実施の形態４に係る集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅部は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１のトレンチ溝５０−１、５０−２に対応する領域に、ｉ型ＩｎＰ電流ブロッキング層５１−１、５１−２を形成した構成である。このように、各ＳＯＡの電極は、トレンチ溝でなく、ｉ型ＩｎＰ電流ブロッキング層のような絶縁層によって、電気的に離間していてもよい。
【００５０】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。図２０は、本発明の実施の形態５に係る集積型半導体レーザ素子における半導体光増幅部の長手方向の断面図である。図２０に示すように、本実施の形態５に係る集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅部は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１のトレンチ溝５０−１、５０−２に対応する領域、および、その下部のｐ型ＩｎＰ層２８からｎ型ＩｎＰバッファ層２２までの層に樹脂層５２−１、樹脂層５２−２を形成した構成である。樹脂層５２−１、樹脂層５２−２は、各ＳＯＡの電極を電気的に離間するため、絶縁性の材料であり、さらに、各ＳＯＡ間で光の損失が生じないようＩｎＰと屈折率が近い材料であることが好ましい。このように、樹脂層等の絶縁性の材料によって、各ＳＯＡ間の電極を電気的に離間してもよく、さらに、この絶縁層は、活性層より下部まで形成されていてもよい。
【００５１】
以上、説明したように、上記実施の形態によれば、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子を提供することができる。さらに、上記実施の形態に電源装置を接続することによって、広帯域にわたって低雑音性に優れた半導体レーザ装置を提供することができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態において、ＳＯＡに出力光を入射させる光源はＤＦＢレーザとしたが、本発明はこれに限らず、互いに異なる２以上の波長の光を出力する光源であればよい。このとき、飽和波長帯の異なる複数形成されたＳＯＡのうち、光源が出力した光の波長に対応する飽和波長帯を有するＳＯＡを増幅用に用いることによって、ＡＳＥ光を低減した信号光を得ることができる。これによって、ＤＦＢレーザ以外の光源を用いても、広帯域にわたって低雑音性に優れた集積型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００５３】
また、上記実施の形態においてＳＯＡは３つとしたが、３つ以上であってもよく、２つであってもよい。そして、各ＳＯＡの飽和波長帯が波長に対して隙間なく連続的に形成されていることが好ましいが、必ずしも連続でなくてもよく、各ＳＯＡの飽和波長帯が、ＳＯＡに出力光を入射させる光源の出力波長帯をカバーしていることが好ましいが、必ずしも全ての出力波長帯をカバーしていなくてもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。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。
【符号の説明】
【００５５】
１  集積型半導体レーザ素子
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
１４−１、１４−２、１４−３  ＳＯＡ
１４ａ  出力端
１５  埋め込み部
１６−１〜１６−Ｍ、５０−１、５０−２  トレンチ溝
１７  電源装置
２１  ｎ型ＩｎＰ基板
２２  ｎ型ＩｎＰバッファ層
２３  下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２４、２４−１、２４−２、２４−３  活性層
２５  上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２６  ＩｎＰスペーサ層
２７  グレーティング層
２８  ｐ型ＩｎＰ層
３０  ＩｎＧａＡｓＰコア層
３１  ｉ型ＩｎＰ層
３２  ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
３３  ｎ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
３４  ｐ型ＩｎＰクラッド層
３５  ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３８  ＳｉＮ保護膜
３９  ｐ側電極
４０  ｎ側電極
４１  ｎ型ＩｎＰ層
５１−１、５１−２  ｉ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
５２−１、５２−２  樹脂層
１００  半導体レーザ装置
Ａ、Ｂ、Ｃ  飽和波長帯
Ｍ  マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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