(57)【要約】  半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザは、第１活性層を含み、前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、前記第１活性層および前記第２活性層は、多重量子井戸構造を有し、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも量子井戸の数が多いことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。これにより、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な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を実現することができる。
2015122367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザは、第１活性層を含み、
前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、
前記第１活性層および前記第２活性層は、多重量子井戸構造を有し、
前記第２活性層は、前記第１活性層よりも量子井戸の数が多いことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２活性層の量子井戸の数は、５以上であ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】
半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザは、第１活性層を含み、
前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、
前記第１活性層および前記第２活性層は、多重量子井戸構造を有し、
前記第２活性層は、前記第１活性層よりも量子井戸１層あたりの厚さが厚いことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザは、第１活性層を含み、
前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、
前記第２活性層への光閉じ込め係数は、前記第１活性層への光閉じ込め係数よりも大きいことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項５】
当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、スペクトル線幅が３００ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項６】
当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、光強度が４０ｍＷ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項７】
当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、連続光である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。
【請求項８】
前記第２活性層は、前記第１活性層よりバンドギャップエネルギーに対応する波長が長いことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記半導体レーザと前記半導体光増幅器との間に配置され、
前記半導体レーザの出力レーザ光の光強度に損失を与えて前記半導体光増幅器に入力させる光損失部を備え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。
【請求項１０】
前記半導体レーザの出力レーザ光の波長が互いに異なる複数の前記半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザの出力レーザ光を合流させる光合流器と、を備え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。
【請求項１１】
前記半導体レーザの光共振器長方向の長さは、１０００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記半導体レーザおよび前記半導体光増幅器は、ＩｎＰからなる前記基板上に集積され、
前記第１活性層および前記第２活性層は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記半導体レーザおよび前記半導体光増幅器は、ＩｎＰからなる前記基板上に集積され、
前記第１活性層は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を含み、
前記第２活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記半導体レーザは、分布帰還型レーザ部と分布ブラック反射部とを有し、
前記分布帰還型レーザ部では、前記第１活性層は光共振器長方向にわたって連続しており、かつ前記第１活性層の近傍に該第１活性層に沿って回折格子層が配置されており、
前記分布ブラック反射部では、前記第１活性層が回折格子を形成するように離散的かつ周期的に配置されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４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。
【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モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（特許文献１参照）。【０００３】
この集積型半導体レーザ素子は、複数のＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザストライプと、複数の光導波路と、多モード干渉型（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ  ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）光合流器と、半導体光増幅器とを一つの基板上に集積したものである。光導波路は、ＤＦＢレーザストライプからの出力光を導波する。ＭＭＩ光合流器は、光導波路を導波した光を通過させて出力する。半導体光増幅器は、ＭＭＩ光合流器から出力した光を増幅して出力する。
この集積型半導体レーザ素子では、波長の異なる複数のＤＦＢレーザストライプのいずれか一つを選択することで波長の粗調を行い、さらに、集積型半導体レーザ素子を温度調整することで波長の微調を行うことによって、波長可変レーザとして使用される。波長可変レーザは、光通信の信号光源として、波長多重通信の所望のチャネルを得るために用いられる。【０００４】
また、近年、光通信では、通信速度を上げるために多値変調方式が用いられている。多値変調方式としては、位相シフトキーイング（ＰＳＫ）を主としたコヒーレント通信方式が用いられる。このようなコヒーレント通信では、送信側の信号光源のほかに受信側に局所発振光源が必要となる。【０００５】
コヒーレント通信では、光の位相に情報を載せるため、信号光源および局所発振光源には位相揺らぎが小さいことが求められる。位相揺らぎの大きさの指標となる特性値としてレーザ光のスペクトル線幅が用いられており、スペクトル線幅が狭いほど位相揺らぎが小さい。コヒーレント通信に用いられる光源のスペクトル線幅は、たとえば通信の変調レートが２５Ｇｂａｕｄの四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ  ＰＳＫ）の場合、５００ｋＨｚ以下であることが求められる。さらに、今後のさらなる多値化のために、コヒーレント通信に用いられる光源のスペクトル線幅は、３００ｋＨｚ以下であることが求められている。これらの特性値に対する要求は、多値変調方式の高度化に伴って変化し、直角位相振幅変調（ＱＡＭ：Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）などの多値度が高い変調方式では１００ｋＨｚ以下等のさらに狭いスペクトル線幅が要求されることが予想される。【０００６】
さらに、近年、信号光源が出力するレーザ光の高強度化の要求が高まっている。レーザ光を高強度にすることにより、送信器の後に設置する増幅器を省略することができる、あるいはレーザ光を分岐することで一つの光源を信号光と局所発振光の両方に用いることができる、などのメリットがある。このようなメリットを享受できる光強度として、たとえば４０ｍＷ以上の出力光強度が求められる。【０００７】
このように近年、信号光源として用いられる波長可変レーザには、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度であることが求められている。【０００８】
ここで、集積型半導体レーザ素子において、レーザ光のスペクトル線幅を狭くにするためには、ＤＦＢレーザストライプを長くすることが有効であることが知られている。また、出力するレーザ光の高強度化のためには、半導体光増幅器を長くすることが有効であることが知られている。【０００９】
また、レーザ光のスペクトル線幅を狭くする別の方法として、たとえば、非特許文献１には、半導体レーザまたは半導体光増幅器の活性層の量子井戸数を多くするほど線幅増大係数が小さくなり、狭いスペクトル線幅が得られることが記載されている。【００１０】
また、高出力光強度化の別の方法として、特許文献２には、半導体光増幅器の活性層の厚さを半導体レーザの活性層の厚さよりも薄くすることで、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を小さくし、飽和光出力強度を高くした集積型半導体レーザ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２５８３６８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１１３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｈ．  Ｃｈｏ，  ｅｔ．  ａｌ．  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  ＶＯＬ．  ９，  ＮＯ．  ８，  ｐｐ．１０８１，    ＡＵＧＵＳＴ  １９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、近年の信号光源に求められるレーザ光のスペクトル線幅の狭幅化と、高強度化の両方を同時に満たすことは困難であった。【００１４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な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】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザは、第１活性層を含み、前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、前記第１活性層および前記第２活性層は、多重量子井戸構造を有し、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも量子井戸の数が多いことを特徴とする。【００１６】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記第２活性層の量子井戸の数は、５以上であることを特徴とする。【００１７】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザは、第１活性層を含み、前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、前記第１活性層および前記第２活性層は、多重量子井戸構造を有し、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも量子井戸１層あたりの厚さが厚いことを特徴とする。【００１８】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザと、前記半導体レーザの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器と、を基板上に集積した集積型半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザは、第１活性層を含み、前記半導体光増幅器は、第２活性層を含み、前記第２活性層への光閉じ込め係数は、前記第１活性層への光閉じ込め係数よりも大きいことを特徴とする。【００１９】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、スペクトル線幅が３００ｋＨｚ以下であることを特徴とする。【００２０】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、光強度が４０ｍＷ以上であることを特徴とする。【００２１】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、当該集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光は、連続光であることを特徴とする。【００２２】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記第２活性層は、前記第１活性層よりバンドギャップエネルギーに対応する波長が長いことを特徴とする。【００２３】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザと前記半導体光増幅器との間に配置され、前記半導体レーザの出力レーザ光の光強度に損失を与えて前記半導体光増幅器に入力させる光損失部を備えることを特徴とする。【００２４】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザの出力レーザ光の波長が互いに異なる複数の前記半導体レーザと、前記複数の半導体レーザの出力レーザ光を合流させる光合流器と、を備えることを特徴とする。【００２５】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザの光共振器長方向の長さは、１０００μｍ以上であることを特徴とする。【００２６】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザおよび前記半導体光増幅器は、ＩｎＰからなる前記基板上に集積され、前記第１活性層および前記第２活性層は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を含むことを特徴とする。【００２７】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザおよび前記半導体光増幅器は、ＩｎＰからなる前記基板上に集積され、前記第１活性層は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を含み、前記第２活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を含むことを特徴とする。【００２８】
本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子は、前記半導体レーザは、分布帰還型レーザ部と分布ブラック反射部とを有し、前記分布帰還型レーザ部では、前記第１活性層は光共振器長方向にわたって連続しており、かつ前記第１活性層の近傍に該第１活性層に沿って回折格子層が配置されており、前記分布ブラック反射部では、前記第１活性層が回折格子を形成するように離散的かつ周期的に配置されていることを特徴とする。【００２９】
本発明の一態様に係る半導体レーザモジュールは、本発明の一態様に係る集積型半導体レーザ素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な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を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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Ａ−Ａ線要部断面図である。
【図３】図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線要部断面図である。
【図４】図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ−Ｃ線要部断面図である。
【図５】図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＤ−Ｄ線要部断面図である。
【図６】図６は、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光のスペクトル線幅と、量子井戸の数との関係を表す図である。
【図７】図７は、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の光強度と、量子井戸の数との関係を表す図である。
【図８】図８は、半導体レーザの出力光に含まれるレーザ光の強度とＡＳＥ光強度との比の計算結果を表す図である。
【図９】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図である。
【図１０】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図である。
【図１１】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図である。
【図１２】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図である。
【図１３】図１３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図である。
【図１４】図１４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図である。
【図１５】図１５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模式的な平面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す集積型半導体レーザ素子のＨ−Ｈ線要部断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。
【図１９】図１９は、図１６に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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モジュール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、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、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。
【００３３】
（実施の形態１）
まず、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、本発明の実施の形態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１０は、集積型半導体レーザ素子として構成されている。集積型半導体レーザ素子１０は、レーザ光を出力する半導体レーザである複数のＤＦＢレーザストライプ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、光合流器であるＭＭＩ光合流器１３と、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器１４とを一つの半導体基板上に集積し、これらの周囲に埋め込み部１５を形成した構造を有する。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間には各ＤＦＢレーザストライプを電気的に分離するためのトレンチ溝１６−１〜１６−ｍ（ｍ＝ｎ−１）が設けられている。また、ここでは複数のＤＦＢレーザストライプ１１を有する形態について説明するが、ＤＦＢレーザストライプ１１は１つでもよく、この場合、トレンチ溝は不要である。
【００３４】
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、各々が幅１．３〜２．５μｍ、長さ１２００μｍ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１０の光出力側の出力端１４ａとは反対側の一端において、幅方向に２５μｍピッチで形成されている。ＤＦＢレーザストライプのピッチは、トレンチ溝や電極の作製精度の範囲内で小さく設計する。
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、各ＤＦＢレーザストライプ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、出力レーザ光の波長が１５５０ｎｍ帯（たとえば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）の範囲で相違するように構成されている。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子１０の設定温度を変化させることにより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１０は、駆動するＤＦＢレーザストライプ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。なお、ＤＦＢレーザストライプは、外部から一定の電流を供給されることにより連続光を出力するが、外部から変調電流を供給されることにより変調された信号光を出力することも可能である。
【００３５】
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、集積型半導体レーザ素子１０の出力レーザ光のスペクトル線幅を狭くするために、しきい値利得が低減されていることが有効である。しきい値利得は、結合係数の２乗に比例し、共振器長の３乗に反比例するため、結合係数と共振器長との積を一定としても共振器長に反比例する。したがって、しきい値利得は、共振器長を長くすることで低減することができる。このため、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、集積型半導体レーザ素子１０の出力レーザ光のスペクトル線幅を狭くするために、共振器長が長いことが望ましく、具体的にはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの光共振器長は、１０００μｍ以上であることが好適である。
【００３６】
光導波路１２−１〜１２−ｎは、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと、ＭＭＩ光合流器１３との間に形成されており、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとＭＭＩ光合流器１３とを光学的に接続する。
【００３７】
半導体光増幅器１４は、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａに接続されている。半導体光増幅器１４は、幅１．３μｍ〜４．０μｍ、長さ１５００μｍ（５００μｍ〜２０００μｍ）のストライプ状の埋め込み構造を有する。また、半導体光増幅器１４は、出力端１４ａに近づくほどストライプ幅が広くなるフレア構造を有していてもよい。
【００３８】
図２、図３、図４は、それぞれ、集積型半導体レーザ素子１０におけるＤＦＢレーザストライプの断面であるＡ−Ａ線要部断面図、ＭＭＩ光合流器１３の断面であるＢ−Ｂ線要部断面図、半導体光増幅器１４の断面であるＣ−Ｃ線要部断面図である。
【００３９】
図２に示すように、ＤＦＢレーザストライプ１１−２、１１−３は、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、下部クラッド層を兼ねるｎ型ＩｎＰバッファ層２２と、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａと、第１活性層である活性層２４ａと、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ａと、ＩｎＰスペーサ層２６ａと、回折格子が形成されたＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７と、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ａと、が順次積層した構造を有する。ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ａからｎ型ＩｎＰバッファ層２２の途中に到る深さまでは、ＤＦＢレーザストライプ１１−２、１１−３を構成するメサ構造となっている。メサ構造の幅方向両側は、埋め込み部１５を構成するｐ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３２とｎ型電流ブロッキング層３３との積層構造により埋め込まれている。
【００４０】
さらに、ＤＦＢレーザストライプ１１−２、１１−３は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ａおよびｎ型電流ブロッキング層３３の上に順次形成された、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５を備えている。また、トレンチ溝１６−２、１６−３は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５からｎ型ＩｎＰバッファ層２２の途中に到る深さまで形成されている。ＳｉＮ保護膜３８は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５の表面およびトレンチ溝１６−２、１６−３の内表面を覆うように形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５の上面のＤＦＢレーザストライプ１１−２、１１−３に対応する位置には、ＳｉＮ保護膜３８で覆われていない開口部が形成されている。ｐ側電極３９は、この開口部においてＩｎＧａＡｓコンタクト層３５と接触するように形成されている。なお、図１では、ｐ側電極３９の記載を省略している。集積型半導体レーザ素子１０は、さらに、ｎ型ＩｎＰ基板２１の裏面に形成されたｎ側電極４０を備えている。なお、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、いずれもＤＦＢレーザストライプ１１−２、１１−３と同様の構造を有する。
【００４１】
ここで、活性層２４ａと、活性層２４ａを上下から挟む下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ａ、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２およびｐ型ＩｎＰクラッド層２８ａ、３４とは導波路構造を構成している。
【００４２】
活性層２４ａは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が４である。下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａ、活性層２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ａの合計の厚さは１４５ｎｍである。また、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、３．０％と算出される。
なお、量子井戸層の厚さは、量子効果を十分用いるためには３．５ｎｍ〜７ｎｍの範囲で選ぶことが好適である。また、スペクトル線幅を３００ｋＨｚ以下とするためには、半導体レーザの活性層の量子井戸の数を、５以下とすることが好ましく、さらに好ましくは４以下である。ただし、量子井戸の数を少なくしすぎると、一つの井戸が負担する利得量が大きくなり、温度特性が悪くなるため、量子井戸の数は３以上とすることが好ましい。
ここで、光閉じ込め係数とは、活性層を含んで構成される導波路構造にて導波する光の強度のうち、活性層内に含まれる光強度の割合である。本実施の形態のように活性層が多重量子井戸構造を有する場合には、障壁層やＳＣＨ層を含まず、量子井戸層のみを活性層として光閉じ込め係数を算出するものとする。
【００４３】
図３に示すように、ＭＭＩ光合流器１３は、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２と、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０と、ｉ型ＩｎＰ層３１とが順次積層した構造を有する。ＩｎＧａＡｓＰコア層３０を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成は、そのバンドギャップ波長が、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長より短い波長となるように設定されている。ｉ型ＩｎＰ層３１からｎ型ＩｎＰバッファ層２２の途中に到る深さまではＭＭＩ光合流器１３を構成するメサ構造となっている。メサ構造の幅方向両側は、ｐ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３２とｎ型電流ブロッキング層３３との積層構造により埋め込まれている。
【００４４】
さらに、ＭＭＩ光合流器１３は、ｉ型ＩｎＰ層３１およびｎ型電流ブロッキング層３３の上に順次形成された、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５、ＳｉＮ保護膜３８を備えている。ＳｉＮ保護膜３８は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５の上面を全て覆うように形成されている。
【００４５】
なお、光導波路１２−１〜１２−ｎも、いずれもＭＭＩ光合流器１３と同様の構造を有する。ただし、ＭＭＩ光合流器１３では、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０のコア幅（メサ幅）は、ＭＭＩ光合流器１３として機能するように設定されている。これに対して、光導波路１２−１〜１２−ｎでは、対応するＩｎＧａＡｓＰコア層のコア幅（メサ幅）は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長の光をシングルモード伝搬するように設定されている。
【００４６】
図４に示すように、半導体光増幅器１４は、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２と、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂと、第２活性層である活性層２４ｂと、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ｂと、ＩｎＰスペーサ層２６ｂと、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ｂと、が順次積層した構造を有する。ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ｂからｎ型ＩｎＰバッファ層２２の途中に到る深さまでは半導体光増幅器１４を構成するメサ構造となっている。メサ構造の幅方向両側は、ｐ型ＩｎＰ電流ブロッキング層３２とｎ型電流ブロッキング層３３との積層構造により埋め込まれている。
【００４７】
さらに、半導体光増幅器１４は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ｂおよびｎ型電流ブロッキング層３３の上に順次形成された、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５、ＳｉＮ保護膜３８を備えている。なお、ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５の上面のメサ構造に対応する位置には、ＳｉＮ保護膜３８で覆われていない開口部が形成されている。ｐ側電極３９は、この開口部においてＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３５と接触し、かつ開口部を全て覆うように形成されている。
【００４８】
ここで、活性層２４ｂと、活性層２４ｂを上下から挟む下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ｂ、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２およびｐ型ＩｎＰクラッド層２８ｂ、３４とは導波路構造を構成している。
【００４９】
活性層２４ｂは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が６である。このとき、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂ、活性層２４ｂ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ｂの合計の厚さは１７５ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、５．４％と算出される。
なお、量子井戸層の厚さは、量子効果を十分用いるためには３．５ｎｍ〜７ｎｍの範囲で選ぶことが好適である。また、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の光強度を３５ｍＷ以上、より好ましくは４０ｍＷ以上とするためには、半導体レーザの活性層の量子井戸の数を、５以上とすることが好ましく、さらに好ましくは６以上である。また、均一注入の観点からは量子井戸の数を８以下とすることが好ましい。
【００５０】
つぎに、図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＤ−Ｄ線要部断面図である。図５において、領域Ｓ１はＤＦＢレーザストライプ、領域Ｓ２は光導波路、領域Ｓ３はＭＭＩ光合流器１３、領域Ｓ４は半導体光増幅器１４を表す。図５に示すように、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４は、同一のｎ型ＩｎＰ基板２１上に形成されている。
また、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０を上下から挟む、ｉ型ＩｎＰ層３１、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４とｎ型ＩｎＰバッファ層２２とは導波路構造を構成している。
【００５１】
ここで、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層２４ａと、半導体光増幅器１４の活性層２４ｂとは、その構成が異なる。この構成の相異により、半導体光増幅器１４の活性層２４ｂへの光閉じ込め係数は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層２４ａへの光閉じ込め係数よりも大きくなっている。
【００５２】
具体的には、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０では、半導体レーザであるＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層２４ａの量子井戸の数が４であり、半導体光増幅器１４の活性層２４ｂの量子井戸の数が６であり、活性層２４ａの量子井戸の数より多い。その結果、半導体光増幅器１４の活性層２４ｂへの光閉じ込め係数（５．４％）は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層２４ａへの光閉じ込め係数（３．０％）よりも大きい。
その結果、後述するように、集積型半導体レーザ素子１０は、出力レーザ光のスペクトル線幅の狭幅化と、高強度化の両方を同時に満たすことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態１では、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４との量子井戸への光閉じ込め係数の比は１．８倍であるが、光閉じ込め係数の比を、たとえば１．２倍以上とすると、レーザ光のスペクトル線幅の狭幅化と高強度化の効果が顕著に得られるため好適である。なお、活性層の多重量子井戸の障壁層と下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層と上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層とは、光閉じ込め係数を微調整するために厚さを適宜選択することができる。活性層の多重量子井戸の障壁層の厚さは、たとえば、１０ｎｍ前後（５〜１５ｎｍ）、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層および上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層の厚さは、たとえば数１０ｎｍ程度（３０〜１５０ｎｍ）である。
【００５４】
つぎに、集積型半導体レーザ素子１０の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中から選択した一つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。駆動されたＤＦＢレーザストライプはレーザ光を出力する。トレンチ溝１６−１〜１６−ｍはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間を電気的に分離するので、ＤＦＢレーザストライプ間の分離抵抗が大きくなる。これによって、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中の一つを選択して駆動することが容易になる。
【００５５】
そして、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎのうち駆動されたＤＦＢレーザストライプと光学的に接続している光導波路は、駆動されたＤＦＢレーザストライプからのレーザ光を導波する。ＭＭＩ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。半導体光増幅器１４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から外部に出力する。
【００５６】
なお、ＤＦＢレーザストライプの出力レーザ光は、ＭＭＩ光合流器１３でＤＦＢレーザストライプの数に反比例した量に減衰する。本実施の形態１において、ＤＦＢレーザストライプはｎ個であるから、ＭＭＩ光合流器１３の出力レーザ光は、ＤＦＢレーザストライプの出力レーザ光のおよそ１／ｎになる。そこで、半導体光増幅器１４は、駆動するＤＦＢレーザストライプからの出力レーザ光のＭＭＩ光合流器１３による光の損失を補い、出力端１４ａから出力するレーザ光を所望の光強度に増幅する。
【００５７】
ここで、本発明者らが本実施の形態１の構成を案出する際に行った考察の内容について説明する。出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な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を実現するためには、半導体レーザおよび半導体光増幅器の活性層の構成を適切に設定することが重要である。
【００５８】
半導体レーザの出力レーザ光のスペクトル線幅は、理論的に、出力光強度、しきい値利得、線幅増大係数、内部損失などに依存することが知られている。これらの特性値は、半導体レーザの共振器長や活性層の構成により調整することができる。
【００５９】
上述したように、半導体レーザは、スペクトル線幅を狭くするために、共振器長を長くすることが好ましい。
【００６０】
しかしながら、共振器長を長くすると素子面積の増大により一つのウェハからとることができるチップの数が減るなどの問題があり、単純に共振器長を長くすることには限度がある。そこで、さらにスペクトル線幅を狭くするには、半導体レーザの活性層の構成の最適化が必要である。
【００６１】
出力レーザのスペクトル線幅を狭くするための重要な要素として、線幅増大係数がある。線幅増大係数は、その２乗がスペクトル線幅に寄与する。すなわち、スペクトル線幅を狭くするには、線幅増大係数を小さくすればよい。
【００６２】
線幅増大係数は、注入キャリア密度が小さいほど、小さくなる傾向がある。この観点から、スペクトル線幅を狭くするためには、しきい値において注入キャリア密度が小さくなるように量子井戸の数を大きくし、閉じ込め係数を大きくすることが有効である。たとえば、非特許文献１には、量子井戸の数が大きいほど線幅増大係数が小さくなることが記載されている。
【００６３】
しかしながら、半導体レーザの量子井戸の数を大きくしても、スペクトル線幅が狭くならない場合がある。
【００６４】
これを確認するために、本発明者らは、実際に互いに量子井戸の数が異なる半導体レーザを備え、光導波路と、ＭＭＩ光合流器と、半導体光増幅器とを備えた複数の集積型半導体レーザ素子を製造した。そして、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光のスペクトル線幅と、量子井戸の数との関係を実験により確認した。その結果を以下に示す。なお、各半導体レーザは、共振器長が１２００μｍであり、結合係数など、量子井戸の数以外の構成は同一である。
【００６５】
図６は、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光のスペクトル線幅と、量子井戸の数との関係を表す図である。図６に示すように、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光のスペクトル線幅は、いずれの電流値においても量子井戸の数を小さくするほど、狭くなる。この理由は、光通信波長である１５５０ｎｍ帯（１５２５ｎｍ〜１６１０ｎｍ）では、スペクトル線幅が、線幅増大係数よりも内部損失による影響を大きく受けているためであると推定される。また、所望のスペクトル線幅の出力レーザ光を得るための駆動電流は、量子井戸の数が小さいほど、小さいことがわかる。すなわち、量子井戸の数が小さい半導体レーザほど、低消費電力でスペクトル線幅の狭い出力レーザ光を得ることができる。
【００６６】
また、量子井戸の数が小さい本実施の形態１の半導体レーザでは、外部微分量子効率が高いという効果も奏し、これにより、発光効率のよい半導体レーザが実現される。
【００６７】
つぎに、半導体光増幅器の活性層の構成について説明する。集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光を高強度化するには、半導体光増幅器の光導波方向における長さや活性層の構成を最適化することが重要である。
【００６８】
半導体光増幅器の長さが長ければ、単位長さあたりの活性層の利得が低くても、光出力が得られる。しかしながら、半導体光増幅器を長くすると素子面積の増大により一つのウェハからとることができるチップの数が減るとともに、面積の増大に伴って透明化に必要な電流が大きくなる。したがって、単純に半導体光増幅器を長くすることには限度がある。よって、活性層の利得を高くする必要がある。
【００６９】
特許文献２に係る集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の活性層の厚さを半導体レーザの活性層の厚さよりも薄くして、利得飽和を回避するために活性層への光閉じ込め係数を小さくしている。
ここで、利得飽和とは、入力に対して線形な出力が得られなくなる現象である。半導体光増幅器は、光強度が十分小さい領域では入力電力に対する増幅率は一定であるが、光強度が大きい領域では、入力電力に対する増幅率が下がる。これは、光増幅のための誘導放出によってキャリアが消費されて、一定の増幅率を得るためのキャリア密度が維持できなくなるためである。このように利得飽和によって、入力電力と出力光強度との線形性が得られなくなると、入力光強度が時間的に変化する変調光信号を増幅する際には大きな問題となる。そこで、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を下げることによって増幅率を下げると、誘導放出をある程度制限することができ、入力電力が大きくなってもキャリア密度の低下を抑えることができる。これにより、利得飽和の発生を抑制することができる。
しかしながら、変調信号光ではなく連続光を増幅する場合には、特許文献２のような入力電力と出力光強度の線形性は必要ない。したがって、連続光の増幅のみを考慮して、半導体光増幅器の活性層を、集積型半導体レーザ素子の高出力化を実現するように最適化することができる。
【００７０】
集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の強度を効率よく高くするには、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を大きくして利得を大きくすることが有効である。なぜなら、利得を大きくすると、誘導放出が起こりやすくなり、より効率的に電気エネルギーを光エネルギーに変換することができるためである。光閉じ込め係数は、上述したように、量子井戸の数を大きくすることにより大きくすることができる。
【００７１】
ここで、実際に半導体レーザと、光導波路と、ＭＭＩ光合流器と、互いに量子井戸の数が異なる半導体光増幅器とを備えた複数の集積型半導体レーザ素子を製造し、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の光強度と、量子井戸の数との関係を実験により確認した。なお、実験において、集積型半導体レーザ素子の温度は５５℃であり、半導体光増幅器への注入電流は３００ｍＡである。また、各集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅器は、共振器長が１５００μｍであり、量子井戸の数以外の構成は同一である。図７は、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の光強度と、量子井戸の数との関係を表す図である。図７に示すように、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の光強度は、量子井戸の数を大きくするほど、大きくなる。すなわち、この実験結果から、半導体光増幅器の活性層の量子井戸の数が大きく、半導体光増幅器の活性層へ光閉じ込め係数が大きいほど、より光強度の高い出力レーザ光を得られることがわかる。
【００７２】
また、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を上げることで高い利得を得る方法は、特に集積型半導体レーザ素子を高温（例えば、６０℃以上）で動作させる場合には有効性が高い。通常、集積型半導体レーザ素子は、高温では活性層の利得が低下しやすく、利得が不十分であることにより光出力が制限されることがある。一方、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数が高い本実施形態の集積型半導体レーザ素子は、高温でも十分な光出力を得られる。また、集積型半導体レーザ素子を高温で動作させると温調部品の消費電力を抑えることができるため、集積型半導体レーザ素子全体として消費電力を抑制することができる。したがって、集積型半導体レーザ素子の高出力光強度化には、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数が大きい方が好ましい。
【００７３】
なお、半導体光増幅器の出力端近傍で電気エネルギーから光エネルギーへの変換効率の低下を抑制するため、半導体光増幅器を出力側ほど幅が広いフレア構造としてもよい。
【００７４】
また、半導体光増幅器の活性層として、ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を用いることが好ましい。
ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を用いることで、利得を大きくしやすく、かつ高温特性が良好となる。したがって、特に、レーザ素子を高温で動作させる場合には、ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を用いることが有効である。なお、実施の形態２として半導体光増幅器の活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を用いた集積型半導体レーザ素子を後述する。
【００７５】
以上説明したように、出力レーザ光に狭線幅と高強度とが同時に求められる集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザと半導体光増幅器とで異なる特性が要求される。このため、従来知られている特許文献１に記載の集積型半導体レーザ素子のように、半導体レーザと半導体光増幅器とで共通の活性層を用いる構造では、出力レーザ光の狭線幅と高強度との特性がトレードオフとなり、両者を同時に満たすことができなかった。
【００７６】
また、半導体レーザと半導体光増幅器とで活性層の構成を異なるものとしても、特許文献２に係る集積型半導体レーザ素子のように、半導体レーザの活性層の厚さよりも半導体光増幅器の活性層の厚さが薄い構成では、半導体光増幅器の利得飽和を抑制することが設計指針であるために、半導体光増幅器の高光出力化には限度があった。さらに、特許文献２に係る集積型半導体レーザ素子は、スペクトル線幅については考慮されておらず、狭線幅を得るには不適であった。
【００７７】
以上の考察の下、本発明者らが案出した本実施の形態１の集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザと半導体光増幅器との活性層を個別に最適化し、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を半導体レーザの活性層への光閉じ込め係数よりも大きくしている。その結果、本実施の形態１の集積型半導体レーザ素子は、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭くかつ高強度であるという２つの特性を同時に良好なものとしている。
【００７８】
また、半導体光増幅器の活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長を、半導体レーザの活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長より、やや長波長にしておくことが好ましい。たとえば、１５５０ｎｍ帯の波長で使用する集積型半導体レーザ素子において、半導体レーザの活性層と半導体光増幅器の活性層のバンドギャップエネルギーに対応する波長は、半導体光増幅器の方が５ｎｍ〜２０ｎｍ長波長であることが好適である。これにより、利得が大きい半導体光増幅器とすることができる。
【００７９】
また、本発明の実施の形態１の集積型半導体レーザ素子は、出力光に含まれるレーザ光の強度と増幅された自然放出（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光の強度との比を大きくすることができるという効果も有する。
【００８０】
図８は、半導体レーザの出力光に含まれるレーザ光の強度とＡＳＥ光強度との比の計算結果を表す図である。図８において、横軸は半導体レーザの発振波長、縦軸はＳＳＥＲ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｒａｔｉｏ）である。ＳＳＥＲは、レーザ光の最大光強度（波長幅１ｎｍあたり）と、光強度が最大となる波長におけるＡＳＥ光強度（波長幅１ｎｍあたり）との比である。図８に示すように、半導体レーザの量子井戸の数を小さくすることによって、レーザ光の強度とＡＳＥ光強度との比が大きくなる効果がある。集積型半導体レーザ素子においては、半導体レーザ単体のレーザ光強度とＡＳＥ光強度との比に、半導体光増幅器の特性が重畳した値としての、レーザ光強度とＡＳＥ光強度との比が得られるが、本発明の実施の形態１の集積型半導体レーザ素子は、半導体光増幅器の増幅率を低下させずに、レーザ光強度とＡＳＥ光強度との比を改善することができる。
【００８１】
つぎに、図９〜１５を用いて、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０の製造方法について説明する。図９〜１４は、各製造工程において、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＤ−Ｄ線に沿った断面を概略的に示すものである。
【００８２】
まず、図９に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂ、活性層２４ｂ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ｂ、ＩｎＰスペーサ層２６ｂ、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ｂを順次堆積する。
【００８３】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、半導体光増幅器１４となる領域Ｓ４よりもやや幅広いパターンになるようにパターニングし、図１０に示すように、領域Ｓ３の一部までを覆うようなマスクＭ１を形成する。そして、図１１に示すように、ＳｉＮ膜であるマスクＭ１をマスクとしてエッチングし、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂまでを除去してｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出する。続いて、図１２に示すように、マスクＭ１をそのまま選択成長のマスクとして用い、ＭＯＣＶＤ法により、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａ、活性層２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ａ、ＩｎＰスペーサ層２６ａ、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８ａを積層する。
【００８４】
つぎに、マスクＭ１を除去した後、新たに全面にＳｉＮ膜を堆積し、領域Ｓ１のＤＦＢレーザストライプ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、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７に回折格子となる溝Ｇを形成する（図１３の領域Ｓ１を参照）。次に、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に全面にｐ型ＩｎＰクラッド層を再び堆積する。
【００８５】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとなる領域Ｓ１および半導体光増幅器１４となる領域Ｓ４に対応した長さで、かつやや幅広のパターンになるようにパターニングを施す。このとき、半導体光増幅器１４となる領域Ｓ４に対しては、最初のパターニングよりもやや幅が狭いパターンとすることが望ましい。そして、図１３に示すように、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、２種類の活性層２４ａまたは２４ｂを含む下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａまたは２３ｂまでを除去し、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出する。続いて、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１４に示すように、領域Ｓ２および領域Ｓ３にＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１を積層する。
【００８６】
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レーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するパターンになるようにパターニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するメサ構造を形成するとともに、それ以外の領域においては、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出させる。
【００８７】
図１５は、この工程を行った後の状態を説明する平面概略図である。領域Ｓ１〜Ｓ４においては、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４のそれぞれに対応する形状をしたメサ構造ＭＳ１〜ＭＳ４が形成される。
【００８８】
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電流ブロッキング層３２、ｎ型電流ブロッキング層３３を順次堆積する。これによって、埋め込み部１５が形成される。ついで、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、領域Ｓ１〜Ｓ４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。
【００８９】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、トレンチ溝１６−１〜１６−ｍに対応するパターンになるようにＳｉＮ膜にパターニングを施す。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１６−１〜１６−ｍを形成する。
【００９０】
トレンチ溝１６−１〜１６−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レーザストライプ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。
【００９１】
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レーザストライプ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を形成する。さらに、全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる２層の導電膜を堆積した後、ＤＦＢレーザストライプ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、ｎ型ＩｎＰ基板２１の厚さを研磨によって調整した後、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる２層構造のｎ側電極４０を形成する。上記製造工程により、半導体光増幅器１４、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３が、形成される。
【００９２】
最後に、ｎ型ＩｎＰ基板２１を、集積型半導体レーザ素子１０が複数並んだバー状にへき開し、ＤＦＢレーザストライプ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１０ごとに分離することにより、集積型半導体レーザ素子１０が完成する。
【００９３】
以上のように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０が製造され、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な集積型半導体レーザ素子が実現される。
【００９４】
（実施例１）
本発明の実施例１に係る半導体レーザモジュールとして、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０の構成を有する集積型半導体レーザ素子を用いた半導体レーザモジュールを製造した。
実施例１のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、各々が幅２．０μｍ、長さ１２００μｍのストライプ状の埋め込み構造を有し、集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅器は、幅２．０μｍ、共振器長が１５００μｍである。また、ｎは１６である。
【００９５】
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層２４ａは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が４である。また、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ａ、活性層２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ａの合計の厚さは１４５ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、３．０％である。
【００９６】
半導体光増幅器１４の活性層２４ｂは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が６である。
また、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３ｂ、活性層２４ｂ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５ｂの合計の厚さは１７５ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、５．４％である。
本実施例１に係る半導体レーザモジュールにおいて、集積型半導体レーザ素子の温度は５５℃であり、ＤＦＢレーザストライプの駆動電流を２００ｍＡとし、半導体光増幅器の駆動電流を３００ｍＡとした。その結果、半導体レーザモジュールの出力レーザ光のスペクトル線幅は、３００ｋＨｚ未満であり、かつ半導体レーザモジュールの出力レーザ光の光強度は、４０ｍＷであった。
【００９７】
本実施例１に係る半導体レーザモジュールは、ＤＦＢレーザストライプの活性層への光閉じ込め係数を小さくしたことにより、出力レーザ光のスペクトル線幅を小さくすることができた。また、本実施例１に係る半導体レーザモジュールは、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を大きくしたため、出力レーザ光の光強度を高くすることができた。
【００９８】
また、本実施例１に係る半導体レーザモジュールの出力光のＳＳＥＲを実測したところ、使用する全波長範囲において、４０ｄＢ以上であった。したがって、本実施例１に係る半導体レーザモジュールでは、集積型半導体レーザ素子の出力レーザ光の強度とＡＳＥ光の光強度との比が大きく、ノイズが少なかった。
【００９９】
（実施の形態２）
つぎに、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模式的な平面図である。図１６に示すように、本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子１１０は、集積型半導体レーザ素子として構成されている。集積型半導体レーザ素子１１０は、レーザ光を出力する半導体レーザである複数のＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路１１２−１〜１１２−ｎと、ＭＭＩ光合流器１１３と、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎの出力レーザ光を増幅する半導体光増幅器１１４とを一つの半導体基板上に集積し、これらの周囲に埋め込み部１１５を形成した構造を有する。また、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎ間には各ＤＲレーザストライプを電気的に分離するためのトレンチ溝１１６−１〜１１６−ｍ（ｍ＝ｎ−１）が設けられている。また、ここでは複数のＤＲレーザストライプ１１１を有する形態について説明するが、ＤＲレーザストライプ１１１は１つでもよく、この場合、トレンチ溝は不要である。
【０１００】
ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎは、各々が幅１．３〜２．５μｍ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１１０の光出力側の出力端１１４ａとは反対側の一端において、幅方向に２５μｍピッチで形成されている。ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎは、後述するように電流注入を行う分布帰還型レーザ部と、電流注入を行わない分布ブラック反射部とを備え、各部の長さはそれぞれ１２００μｍおよび３００μｍである。ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎは、各ＤＲレーザストライプ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、出力レーザ光の波長が１５５０ｎｍ帯（たとえば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ）の範囲で相違するように構成されている。また、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子１１０の設定温度を変化させることにより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１１０は、駆動するＤＲレーザストライプ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。
【０１０１】
光導波路１１２−１〜１１２−ｎは、実施の形態１の光導波路１２−１〜１２−ｎと同一の構成であるが、特に限定はされない。ＭＭＩ光合流器１１３は、実施の形態１のＭＭＩ光合流器１３と同一の構成であるが、特に限定はされない。ＭＭＩ光合流器１１３の出力ポート１１３ａに接続されている半導体光増幅器１１４は、後述する下部ＳＣＨ層、活性層、上部ＳＣＨ層の設計を除いて、実施の形態１の半導体光増幅器１４と同一の構成であるが、特に限定はされない。
【０１０２】
また、集積型半導体レーザ素子１１０におけるＤＲレーザストライプの断面である図１６のＥ−Ｅ線要部断面図、ＭＭＩ光合流器１１３の断面である図１６のＦ−Ｆ線要部断面図、半導体光増幅器１１４の断面である図１６のＧ−Ｇ線要部断面図は、それぞれ、図２、３、４と同様である。
【０１０３】
図１７は、図１６に示す集積型半導体レーザ素子のＨ−Ｈ線要部断面図である。図１７において、領域Ｓ１１−１はＤＲレーザストライプの分布ブラック反射部、領域Ｓ１１−２はＤＲレーザストライプの分布帰還型レーザ部、領域Ｓ１２は光導波路、領域Ｓ１３はＭＭＩ光合流器１１３、領域Ｓ１４は半導体光増幅器１１４を表す。図１７に示すように、ＤＲレーザストライプ、光導波路、ＭＭＩ光合流器１１３、半導体光増幅器１１４は、同一のｎ型ＩｎＰ基板１２１およびｎ型ＩｎＰバッファ層１２２上に形成されている。なお、ｎ型ＩｎＰ基板１２１の裏面には、ｎ側電極１４０が形成されている。
【０１０４】
分布帰還型レーザ部と分布ブラック反射部とは、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２２上に形成された同じ設計の下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、多重量子井戸層を含む第１活性層である活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａを有する。さらに、分布帰還型レーザ部と分布ブラック反射部とは、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａ上に、ＩｎＰスペーサ層１２６ａと、等間隔に溝Ｇが配置されたグレーティングが形成されたＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａと、が順次積層した構造を有する。そして、分布帰還型レーザ部では、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａは光共振器長方向にわたって連続しており、かつ活性層１２４ａの近傍に該活性層１２４ａに沿ってＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７が配置されている。分布ブラック反射部では、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａが回折格子を形成するように離散的かつ周期的に配置されており、その周期はＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７の周期と同一である。
【０１０５】
ｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａからｎ型ＩｎＰバッファ層１２２の途中に到る深さまではＤＲレーザストライプを構成するメサ構造となっている。メサ構造の幅方向両側は、埋め込み部１１５を構成するｐ型ＩｎＰ電流ブロッキング層とｎ型電流ブロッキング層との積層構造により埋め込まれている。
【０１０６】
さらに、ＤＲレーザストライプは、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａおよびｎ型電流ブロッキング層の上に順次形成された、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３４、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５を備えている。活性層１２４ａと、活性層１２４ａを上下から挟む下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａ、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２２およびｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａ、１３４とは導波路構造を構成している。また、トレンチ溝１１６−１〜１１６−ｍは、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５からｎ型ＩｎＰバッファ層１２２の途中に到る深さまで形成されている。ＳｉＮ保護膜１３８は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５の表面およびトレンチ溝１１６−１〜１１６−ｍの内表面を覆うように形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５のＤＲレーザストライプの分布帰還型レーザ部に対応する位置の上面には、ＳｉＮ保護膜３８で覆われていない開口部が形成されており、ｐ側電極１３９は、この開口部においてＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５と接触するように形成されている。このとき、分布ブラック反射部に対応する位置にはＳｉＮ保護膜１３８に開口部が形成されていない。そのため、ｐ側電極１３９は、ＤＲレーザストライプの分布ブラック反射部に対応する位置では、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３５と接していない（図１７参照）。
【０１０７】
活性層１２４ａは、実施の形態１の活性層２４ａと同じ組成、量子井戸層厚、量子井戸数、ならびに、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、および上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａの合計の厚さを有し、および量子井戸への光閉じ込め係数の和も、活性層２４ａの場合と同じ３．０％である。
【０１０８】
ＭＭＩ光合流器１１３は、実施の形態１のＭＭＩ光合流器１３と同様の構成を有する。なお、ＩｎＧａＡｓＰコア層１３０、ｉ型ＩｎＰ層１３１はそれぞれＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１に対応する。したがって、ＩｎＧａＡｓＰコア層１３０を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成は、そのバンドギャップ波長が、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎのレーザ発振波長より短い波長となるように設定されている。
【０１０９】
また、半導体光増幅器１１４の活性層１２４ｂは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、実施の形態１の活性層２４ｂと同じ量子井戸層厚、量子井戸数を有する。また、組成を段階的に変化させたＳＣＨ層として、下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２３ｂおよび上部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２５ｂが設けられている。下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２３ｂ、活性層１２４ｂ、上部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２５ｂの合計の厚さは１５０ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、５．８％と算出される。
なお、本実施の形態２における各構成要素のパラメータの好適な範囲は、上記の実施の形態１における対応する構成要素に関してパラメータの好適な範囲として例示した範囲と同じである。
【０１１０】
集積型半導体レーザ素子１１０は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０と同様に動作する。
【０１１１】
ここで、上述したように、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎの活性層１２４ａと、半導体光増幅器１１４の活性層１２４ｂとは、その構成が異なる。たとえば、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎの活性層１２４ａの量子井戸の数は４であり、半導体光増幅器１１４の活性層１２４ｂの量子井戸の数は６である。この構成の相異により、半導体光増幅器１１４の活性層１２４ｂへの光閉じ込め係数（５．８％）は、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎの活性層１２４ａへの光閉じ込め係数（３．０％）よりも大きい。したがって、集積型半導体レーザ素子１１０は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０と同様に、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度である。なお、本実施の形態２では、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎと半導体光増幅器１１４との量子井戸への光閉じ込め係数の比は１．９倍以上であり、実施の形態１のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４との量子井戸への光閉じ込め係数の比より大きくなっている。ＤＲレーザを用いる場合、ＤＦＢレーザを用いる場合よりも、所望の特性を得るために好適な、レーザの量子井戸数が少ない。したがって、本実施の形態２においてはレーザと半導体光増幅器の好適な量子井戸数の違いが大きくなる。これに応じて、光閉じ込め係数の違いも大きくなるので、よりいっそう大きな本発明の実施の形態の効果を得ることができる。
【０１１２】
つぎに、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。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は、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎを製造する工程を除き、実施の形態１と同様に製造することができる。したがって、主にＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎを製造する工程について説明するが、適宜実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０の製造方法を説明する図９〜１５を参照する。
【０１１３】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２２、下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２３ｂ、活性層１２４ｂ、上部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２５ｂ、ＩｎＰスペーサ層１２６ｂ、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ｂを順次堆積する（図９も参照）。活性層１２４ｂは、半導体光増幅器１１４に含まれる活性層である。
【０１１４】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、半導体光増幅器１１４となる領域Ｓ１４よりもやや幅広いパターンになるようにパターニングし、領域Ｓ１３の一部までを覆うようなマスクを形成する（図１０も参照）。そして、ＳｉＮ膜であるマスクをマスクとしてエッチングし、下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２３ｂまでを除去してｎ型ＩｎＰバッファ層１２２を露出する（図１１も参照）。続いて、マスクをそのまま選択成長のマスクとして用い、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａ、ＩｎＰスペーサ層１２６ａ、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａを積層する（図１２参照）。活性層１２４ａは、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎに含まれる活性層である。
【０１１５】
つぎに、分布帰還型レーザ部と分布ブラック反射部とを備えるＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎを形成する。図１８、１９は、図１６に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。まず、マスク（図１２のマスクＭ１に対応）を除去した後、図１８の最上段の図に示すように、新たに全面にＳｉＮ膜を堆積し、分布ブラック反射部となる領域Ｓ１１−１と分布帰還型レーザ部となる領域Ｓ１１−２とのＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−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ニングを施し、マスクＭ２とする。そして、図１８の上から２番目の図に示すように、マスクＭ２をマスクとしてメタンおよび水素をエッチングガスとするドライエッチング装置によりエッチングして、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７に回折格子となる溝Ｇを形成する。
【０１１６】
さらに、図１８の上から３番目の図に示すように、溝Ｇを埋め、かつマスクＭ２を覆うようにマスクＭ３を形成し、さらに分布帰還型レーザ部となる領域Ｓ１１−２のマスクＭ３にレジスト膜Ｒを形成する。ここで、マスクＭ３は、所定のエッチング液に対するエッチングレートがマスクＭ２のエッチングレートとは差がある材料とする。マスクＭ３の材料としてはたとえばＳｉＯ２であり、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）を利用できる。なお、マスクＭ３がＳｉＯ２からなるものであれば、マスクＭ２はシリコンや金属からなる膜でもよい。
【０１１７】
つぎに、図１８の最下段の図に示すように、緩衝フッ酸液（ＢＨＦ：Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ＨＦ）によって分布ブラック反射部となる領域Ｓ１１−１のマスクＭ３を除去し、溝Ｇを露出させる。このとき、ＢＨＦに対するマスクＭ３のエッチングレートは、ＢＨＦに対するマスクＭ２のエッチングレートよりも大きいため、マスクＭ３は選択エッチングされ、マスクＭ２は残存する。
【０１１８】
つぎに、図１９の最上段の図に示すように、レジスト膜Ｒを除去する。さらに、図１９の上から２番目の図に示すように、メタンおよび水素をエッチングガスとするドライエッチング装置によりエッチングを行い、溝Ｇをさらに下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａの底面に到る深さまで深くエッチングする。その結果、分布ブラック反射部となる領域Ｓ１１−１においては、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａは溝Ｇによって分離され、周期的に配置された回折格子構造が形成される。一方、分布帰還型レーザ部となる領域Ｓ１１−２では、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａは光共振器長方向にわたって連続したままである。すなわち、この工程は、分布帰還型レーザ部となる領域Ｓ１１−２の最表面にマスクＭ３を形成し、分布帰還型レーザ部となる領域Ｓ１１−２の下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａをこの工程におけるエッチングから保護して行う工程である。
【０１１９】
なお、分布ブラック反射部においては、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７は必ずしも存在する必要はないが、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層１２７も分布ブラック反射部における結合係数κに寄与するので、製造工程において特に除去しなくてもよい。
【０１２０】
その後、図１９の上から３番目の図に示すように、マスクＭ２、Ｍ３を除去し、図１９の最下段の図に示すように、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層１２８ａを再び堆積する。
【０１２１】
以上の工程によって、ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎのＤＲ構造が形成される。その後は、集積型半導体レーザ素子１０の製造方法において図１３を用いて説明した工程に対応する工程、およびそれ以降の工程を適宜行い集積型半導体レーザ素子１１０が完成する。
【０１２２】
なお、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において、ＤＲレーザストライプの分布ブラック反射部の加工は、メタンと水素とをエッチングガスとして用いたエッチングにより行われる。メタンと水素とをエッチングガスとして用いたドライエッチングでは、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰは良好にエッチングされるが、ＡｌＧａＩｎＡｓはエッチングがほとんど進まない。一方、塩素系のガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングでは、ＡｌＧａＩｎＡｓのエッチングが良好に進むが、半導体の損傷が大きいために活性層への微細加工には不向きである。したがって、活性層をエッチングするこの種のＤＲレーザストライプにおいては、活性層はＡｌＧａＩｎＡｓではなくＩｎＧａＡｓＰであることが加工上好ましい。本実施の形態２の集積型半導体レーザ素子では、半導体光増幅器の活性層の構成材料をＡｌＧａＩｎＡｓとし、ＤＲレーザストライプの活性層の構成材料をＩｎＧａＡｓＰとしている。このため、半導体光増幅器においてはＡｌＧａＩｎＡｓの良好な利得特性を利用しながら、ＤＲレーザストライプにおいては容易に加工が行えるという利点がある。
【０１２３】
以上のように、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子１１０が製造され、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な集積型半導体レーザ素子が実現される。
【０１２４】
（実施例２）
本発明の実施例２に係る半導体レーザモジュールとして、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子１１０の構成を有する集積型半導体レーザ素子を用いた半導体レーザモジュールを製造した。
実施例２のＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎは、各々が幅２．０μｍ、長さ１２００μｍのストライプ状の埋め込み構造を有し、集積型半導体レーザ素子の半導体光増幅器は、幅２．０μｍ、分布帰還型レーザ部と、分布ブラック反射部との長さはそれぞれ１２００μｍおよび３００μｍである。また、ｎは１６である。
【０１２５】
ＤＲレーザストライプ１１１−１〜１１１−ｎの活性層１２４ａは、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が４である。また、下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２３ａ、活性層１２４ａ、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２５ａの合計の厚さは１４５ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、３．０％である。
【０１２６】
半導体光増幅器１１４の活性層１２４ｂは、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる多重量子井戸活性層を有し、量子井戸層の厚さが６ｎｍ、量子井戸の数が６である。
また、下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２３ｂ、活性層１２４ｂ、上部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層１２５ｂの合計の厚さは１５０ｎｍである。このとき、量子井戸への光閉じ込め係数の和は、５．８％である。
【０１２７】
集積型半導体レーザ素子が３０℃の場合、本実施例２に係る半導体レーザモジュールにおいて、ＤＲレーザストライプの駆動電流を２００ｍＡとし、半導体光増幅器の駆動電流を２５０ｍＡとした。その結果、半導体レーザモジュールの出力レーザ光のスペクトル線幅は、１５０ｋＨｚであり、かつ半導体レーザモジュールの出力レーザ光の光強度は、４０ｍＷであった。さらに、集積型半導体レーザ素子が７０℃の場合、本実施例２に係る半導体レーザモジュールにおいて、ＤＲレーザストライプの駆動電流を２００ｍＡとし、半導体光増幅器の駆動電流を４００ｍＡとすると、半導体レーザモジュールの出力レーザ光のスペクトル線幅は、１５０ｋＨｚであり、かつ半導体レーザモジュールの出力レーザ光の光強度は、４０ｍＷであった。
【０１２８】
本実施例２に係る半導体レーザモジュールは、ＤＲレーザストライプの活性層への光閉じ込め係数を小さくし、さらに、狭線幅に有利なＤＲレーザストライプとしたことにより、出力レーザ光のスペクトル線幅を狭くすることができた。また、本実施例２に係る半導体レーザモジュールは、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を大きくし、さらに、半導体光増幅器に高利得特性にすぐれたＡｌＧａＩｎＡｓ活性層を用いたため、出力レーザ光の光強度を高くすることができた。
【０１２９】
さらに、本実施例２に係る半導体レーザモジュールは、高温においても特性劣化が少ない。このように、本実施例２に係る半導体レーザモジュールは、集積型半導体レーザ素子の温度を高くして使用することができるため、半導体レーザモジュールの温調部品の消費電力を低減することができた。
【０１３０】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、出力レーザ光のスペクトル線幅が狭く、かつ高強度な集積型半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１３１】
なお、上記実施の形態において、複数の半導体レーザであるＤＦＢレーザストライプまたはＤＲレーザストライプと、半導体光増幅器とを備え、さらに、光導波路とＭＭＩ光合流器とを備えた集積型半導体レーザ素子について説明したが、本発明はこれに限られない。たとえば、半導体レーザと半導体光増幅器とが直接接続され、光導波路、ＭＭＩ光合流器等の光合流器を有しない構成であってよい。また、たとえば、半導体レーザと半導体光増幅器との間に配置されて、半導体レーザの出力レーザ光の光強度に損失を与えて半導体光増幅器に入力させる光損失部を備える集積型半導体レーザ素子であってよい。この場合も、半導体レーザおよび半導体光増幅器の多重量子井戸活性層への光閉じ込め係数を適切に選択することにより、本発明の効果を得ることができる。
【０１３２】
また、上記実施の形態では、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を半導体レーザの活性層への光閉じ込め係数より大きくするために、半導体光増幅器の活性層の量子井戸の数を半導体レーザの活性層の量子井戸の数より多くする構成を採用しているが、本発明はこれに限られない。
【０１３３】
すなわち、１次元の層構造に関する光閉じ込め係数は、マトリックス法などによって求めることができる。実際の光素子における導波路は２次元的な閉じ込めのチャネル導波路であるが、半導体レーザと半導体光増幅器との相対的な関係を設計する場合には、積層方向の１次元のみについて考えて差し支えない。そこで、半導体レーザと半導体光増幅器との活性層の量子井戸１層あたりの厚さを変えることにより、光閉じ込め係数に差をつけることができる。この場合、半導体光増幅器の活性層への光閉じ込め係数を半導体レーザの活性層への光閉じ込め係数より大きくするには、半導体光増幅器の活性層（第２活性層）の量子井戸１層あたりの厚さを、半導体レーザの活性層（第１活性層）の量子井戸１層あたりの厚さよりも厚くすればよい。なお、量子井戸の利得や光吸収は厚さに反比例するので、光閉じ込め係数を量子井戸１層あたりの厚さで除算した値を基準として相対関係を設定するとよい。
【０１３４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
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は、主に光通信用に利用して好適なものである。
【符号の説明】
【０１３６】
１０、１１０  集積型半導体レーザ素子
１１−１〜１１−ｎ  ＤＦＢレーザストライプ
１１１−１〜１１１−ｎ  ＤＲレーザストライプ
１２−１〜１２−ｎ、１１２−１〜１１２−ｎ  光導波路
１３、１１３  ＭＭＩ光合流器
１３ａ、１１３ａ  出力ポート
１４、１１４  半導体光増幅器
１４ａ、１１４ａ  出力端
１５、１１５  埋め込み部
１６−１〜１６−ｍ、１１６−１〜１１６−ｍ  トレンチ溝
２１、１２１  ｎ型ＩｎＰ基板
２２、１２２  ｎ型ＩｎＰバッファ層
２３ａ、２３ｂ、１２３ａ  下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
１２３ｂ  下部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層
２４ａ、２４ｂ、１２４ａ、１２４ｂ  活性層
２５ａ、２５ｂ、１２５ａ  上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
１２５ｂ  上部ＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層
２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂ  ＩｎＰスペーサ層
２７、１２７  ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層
２８ａ、２８ｂ、１２８ａ、１２８ｂ  ｐ型ＩｎＰクラッド層
３０、１３０  ＩｎＧａＡｓＰコア層
３１、１３１  ｉ型ＩｎＰ層
３２  ｐ型ＩｎＰ電流ブロッキング層
３３  ｎ型電流ブロッキング層
３４、１３４  ｐ型ＩｎＰクラッド層
３５、１３５  ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３８、１３８  ＳｉＮ保護膜
３９、１３９  ｐ側電極
４０、１４０  ｎ側電極
Ｇ  溝
Ｍ１〜Ｍ３  マスク
ＭＳ１〜ＭＳ４  メサ構造
Ｒ  レジスト膜
【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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【国際調査報告】
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