(57)【要約】【課題】波長多重伝送装置の光源として用いる単一縦モード半導体レーザ素子において、活性層のバンドギャップによって決定する利得ピーク波長と、活性層の実効屈折率と回折格子の間隔によって決定する発振波長のずれを小さくし、発振効率を高くする。【解決手段】波長多重伝送装置に用いるレーザモジュール内の半導体レーザ素子において、膜応力を持った絶縁膜、電極膜、ひずみ調整膜の膜厚を調節する、またはチップキャリアやステムを実装する時に発生する応力を利用することによって、活性層に発生するひずみ量を変化させ、利得ピーク波長と発振波長とのずれを小さくする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子と伝送媒体とを光学的に結合する光結合部とを有する波長多重伝送装置であって、
前記半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成された第一の組成の活性層を備えた第一の波長を発振する第一の半導体レーザ素子と、半導体基板上に形成された前記第一の組成の活性層を備えた前記第一の波長より長い第二の波長を発振する第二の半導体レーザ素子と、を備え、
前記第一の半導体レーザ素子の活性層のひずみ量と前記第二の半導体レーザ素子の活性層のひずみ量が異なるよう形成されることを特徴とする伝送装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第一の半導体レーザ素子の活性層よりも、前記第二の半導体レーザ素子の活性層は大きな引張りひずみを有していることを特徴とする伝送装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、基板上に活性層と前記活性層に電気的に連絡する電極膜及び絶縁膜とを有し、前記第一の半導体レーザ素子の前記電極膜は前記第二の半導体レーザ素子の前記電極膜より厚くなるよう構成されていることを特徴とする伝送装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第一の半導体レーザ素子或いは前記第二の半導体レーザ素子の少なくとも一方は、前記活性層に及ぼすひずみを制御するひずみ調整膜を備えることを特徴とする伝送装置。
【請求項５】
請求項１において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、各々チップキャリア上に搭載されており、前記第一の半導体レーザ素子は、前記第二の半導体素子よりも前記チップキャリアの端部から離れたところに配置されることを特徴とする伝送装置。
【請求項６】
請求項１において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、各々チップキャリア上に搭載されており、前記第一の半導体レーザ素子のチップキャリアは前記第二の半導体レーザ素子のチップキャリアより薄くなるよう形成されていることを特徴とする伝送装置。
【請求項７】
活性層を備えた発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子と前記半導体レーザ素子を伝送径路に光学的に連絡する光結合部を備え、前記半導体レーザ素子は、第一の発振波長を有する第一の半導体レーザ素子と、第一の発振波長より長い第二の発振波長を有する第二の半導体レーザ素子を有し、前記第一の半導体レーザ素子と前記第二の半導体レーザ素子との活性層の組成の差は前記第一の半導体レーザ素子と前記第一の発振波長及び第二の発振波長と異なる第三の発振波長を有する第三の半導体レーザ素子との活性層の組成の差以下であり、前記第一の半導体レーザ素子と前記第二の半導体レーザ素子の少なくとも一方は、前記活性層のひずみ量を制御して前記活性層の組成に対応する利得波長のピーク波長を変化させ、前記ピーク波長と発振波長のずれを小さくしていることを特徴とする波長多重伝送装置。
【請求項８】
活性層と前記活性層に電気的に連絡する電極膜と絶縁膜とを備えた半導体レーザ素子であって、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ複数の前記半導体レーザ素子を備えた波長多重伝送装置において、膜応力を有する前記電極膜または前記絶縁膜の膜厚を変化させることによって前記活性層のひずみ量を制御し、前記活性層の組成に基づく利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくしている半導体レーザ素子を含むことを特徴とする半導体レーザ素子を用いた波長多重伝送装置。
【請求項９】
活性層と前記活性層に電気的に連絡する電極膜と絶縁膜とを備えた半導体レーザ素子であって、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ複数の前記半導体レーザ素子を備えた波長多重伝送装置において、膜応力を有する前記電極膜に隣接して前記膜応力を緩和するひずみ調整膜を有し、前記電極膜または絶縁膜または前記ひずみ調整膜の膜厚を変化させることによって活性層のひずみ量を制御し、前記活性層の組成に基づく利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくしている半導体レーザ素子を含むことを特徴とする波長多重伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子を備えた伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信においては、大容量のデータ送信を実現するために一本の光ファイバに異なる波長の光信号を送る伝送が行われてきた。例えば、波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＷＤＭと略記）技術が利用されている。
【０００３】
分布帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｌａｓｅｒ：以下、ＤＦＢレーザと略記）においては、発振波長が複数の素子においてそれぞれ異なるのに対して、活性層の光スペクトルが複数個の素子において同一であるため、図３（ａ）に示すように、各素子の利得ピーク波長と発振波長の間にずれが生じ、発振効率が下がる問題が生じていた。また、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくするためには、これまで、活性層の組成を発振波長ごとに変化させていた。例えば、特開平１０−１１７０４０号公報では、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくするために、回折格子の間隔に応じてレーザ領域における絶縁膜（ＳｉＯ２）の幅を変えることによって、複数の活性層それぞれの組成を異なるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、利得ピーク波長に対応する絶縁膜の幅を決定することが難しい、利得ピーク波長に対応する活性層の組成を知り作り分ける必要がある、といった課題点があり、発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子を備えた伝送装置を作成するのは実用的に容易ではなかった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、異なる発振波長を持つ複数の半導体レーザ素子を備えた、発振効率低下を抑制した高性能の伝送装置を容易に提供できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の波長多重伝送装置で用いる同一の活性層の組成で異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子において、活性層のひずみ量を制御することによって、利得ピーク波長を変化させ、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくしている。
【０００７】
利得ピーク波長は活性層のバンドギャップによって決定するが、このバンドギャップは活性層の組成以外に、活性層のひずみ量にも依存している。よって、活性層にひずみを与えることによって、利得ピーク波長を制御することができる。
ここで、電極膜や絶縁膜等の膜は膜応力を持っている。この膜応力によって、活性層にひずみを与えることができる。同様の方法で実装時に発生する応力を利用することによって、活性層にひずみを与えることができる。このように、活性層のひずみを制御して利得ピーク波長を変化させ、同一の活性層の組成で異なる発振波長を持つ単一縦モード半導体レーザ素子について、図３（ｂ）に示すように、利得ピーク波長と発振波長のずれが小さくなるような半導体レーザ素子を提供することができる。また、このような方法で作製した単一縦モード半導体レーザ素子を送信用光源として用いた波長多重伝送装置を構成することが好ましい。
【０００８】
なお本発明の具体的な形態の例を以下に述べる。
（１）　複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子と伝送媒体とを光学的に結合する光結合部とを有する波長多重伝送装置であって、前記半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成された第一の組成の活性層を備えた第一の波長を発振する第一の半導体レーザ素子と、半導体基板上に形成された前記第一の組成の活性層を備えた前記第一の波長より長い第二の波長を発振する第二の半導体レーザ素子と、を備え、前記第一の半導体レーザ素子の活性層のひずみ量と前記第二の半導体レーザ素子の活性層のひずみ量が異なるよう形成されることを特徴とする伝送装置である。
【０００９】
このようにひずみ量を制御することにより、活性層の組成に対応するバンドギャップが変化し、利得波長のピークがずれることによって発振波長との波長の差を小さくすることができ、損失の少ない伝送装置を形成することができる。前記第一の半導体レーザ素子と前記第二の半導体レーザ素子とは、一例として、実質的に構成要素は同じ組成を有するものであってよい。なお、製作誤差等の組成の相違を許容しないものではない。
例えば、異なるとは、両者の波長差が１ｎｍの場合に、ひずみ量が約０．０１％の相違を有するものであることができる。
（２）前記（１）において、前記第一の半導体レーザ素子の活性層よりも、前記第二の半導体レーザ素子の活性層は大きな引張りひずみを有していることが好ましい。
（３）前記（１）或いは（２）において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、基板上に活性層と前記活性層に電気的に連絡する電極膜及び絶縁膜とを有し、前記第一の半導体レーザ素子の前記電極膜は前記第二の半導体レーザ素子の前記電極膜より厚くなるよう構成されていることを特徴とする伝送装置である。
【００１０】
例えば、前記電極膜や絶縁膜が引張応力を有する膜である場合に、膜厚を厚くするとバンドギャップが拡大し、波長が短くすることができる。
（４）前記（１）から（３）において、前記第一の半導体レーザ素子或いは前記第二の半導体レーザ素子の少なくとも一方は、前記活性層に及ぼすひずみを制御するひずみ調整膜を備えることを特徴とする伝送装置である。
【００１１】
例えば、前記ひずみ調整膜は前記絶縁膜に隣接して配置され、前記電極より活性層側に配置される。例えば、絶縁膜上にひずみ調整膜を配置し、その上に電極を配置することができる。前記ひずみ調整膜が圧縮応力を有する膜である場合には、厚くすることでより波長の長い半導体レーザ素子とすることができる。なお、絶縁膜は二酸化シリコン、ひずみ調整膜が主に窒化シリコンからなることができる。
（５）前記（１）から（４）において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、各々チップキャリア上に搭載されており、前記第一の半導体レーザ素子は、前記第二の半導体素子よりも前記チップキャリアの端部から離れたところに配置されることを特徴とする伝送装置である。
【００１２】
搭載位置を中央よりにすることにより、より大きな圧縮ひずみが生じ、バンドギャップが拡大し、より短波長の出力が得られる。このように、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ単一縦モード半導体レーザ素子に関し、前記半導体レーザ素子のチップキャリアへの搭載位置を変化させることによって活性層のひずみ量を制御し、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくすることができる。
（６）前記（１）から（５）において、前記第一の半導体レーザ素子及び前記第二の半導体レーザ素子は、各々チップキャリア上に搭載されており、前記第一の半導体レーザ素子のチップキャリアは前記第二の半導体レーザ素子のチップキャリアより薄くなるよう形成されていることを特徴とする伝送装置である。
【００１３】
チップキャリアを薄くすることにより、バンドギャップが拡大し、波長が短くなるよう制御することができる。
【００１４】
このように、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ単一縦モード半導体レーザ素子に関し、前記半導体レーザ素子を搭載するチップキャリアの厚さを変化させることによって活性層のひずみ量を制御し、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくすることができる。
（７）活性層を備えた発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子と前記半導体素子を伝送径路に光学的に連絡する光結合部を備え、前記半導体レーザ素子は、第一の発振波長を有する第一の半導体レーザ素子と、第一の発振波長より長い第二の発振波長を有する第二の半導体レーザ素子を有し、前記第一の半導体レーザ素子と前記第二の半導体レーザ素子との活性層の組成の差は前記第一の半導体レーザ素子と前記第一の発振波長及び第二の発振波長と異なる第三の発振波長を有する第三の半導体レーザ素子との活性層の組成の差以下であり、少なくとも前記第一の半導体レーザ素子と前記第二の半導体レーザ素子の少なくとも一方は、前記活性層のひずみ量を制御して前記活性層の組成に対応する利得波長のピーク波長を変化させ、前記ピーク波長と発振波長のずれを小さくしていることを特徴とする波長多重伝送装置である。
【００１５】
例えば、前記半導体レーザ素子は単一縦モード半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子を複数有し、活性層の組成が実質的に同じ素子のグループを有し、また前記活性層の組成と異なる活性層の素子を有する場合に、活性層の組成が実質的に同じ素子のグループ中の素子では、発振波長の相違を活性層のひずみ制御により行うことができる。
（８）前記のような半導体レーザ素子を有する波長多重伝送装置であって、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ複数の前記半導体レーザ素子を備えた波長多重伝送装置であって、膜応力を有する前記電極膜または前記絶縁膜の膜厚を変化させることによって前記活性層のひずみ量を制御し、前記活性層の組成に基く利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくしている半導体レーザ素子を含むことを特徴とする。
（９）前記のような半導体レーザ素子を有する波長多重伝送装置であって、同一の活性層の組成で、異なる発振波長を持つ複数の前記半導体レーザ素子を備えた波長多重伝送装置であって、膜応力を有する前記電極膜に隣接して前記膜応力を緩和するひずみ調整膜を有し、前記電極膜または絶縁膜または前記ひずみ調整膜の膜厚を変化させることによって活性層のひずみ量を制御し、前記活性層の組成に基く利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくしている半導体レーザ素子を含む。
【００１６】
なお、前記半導体レーザ素子は、単一縦モード半導体レーザ素子が分布帰還型半導体レーザ素子あるいは分布ブラッグ型半導体レーザ素子であることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例の形態を図を用いて説明する。なお、従来技術を含む各図における同一符号は同一物または相当物を示す。
本発明を適応する対象としては各種の伝送装置に適応することができる。とくに、大容量のデータ送信するために一本の光ファイバに異なる波長の光信号を送る伝送方式に適応することが好ましい。例えば、波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＷＤＭと略記）技術を用いた装置である。このＷＤＭ方式は、例えば、所定の波長帯域（例えば約３０ｎｍ）に狭い間隔（例えば０．８ｎｍ）で伝送波長を配置するので、伝送波長の精度は非常に厳しく要求される。そのため、このような波長仕様を満足させるような送信用光源は製造が困難であり、非常に高価となっている。しかし、送信用光源の需要はますます増加すると考えられており、本発明の実施によりこの光源に用いられる半導体レーザ素子を容易にまた、安価に製造することができる。
【００１８】
ＷＤＭ方式に用いられる送信用光源は、単一波長の波長選択機能を有する。例えば、単一縦モード半導体レーザの代表的なものとして、ＤＦＢレーザを用いることができる。ＤＦＢレーザは、以下詳述する図２に示すように鋭い波長選択性を持つ回折格子構造を導波路内にもち、発振波長は、その回折格子の間隔に応じた波長が発振され、更に、活性層の実効屈折率および活性層のバンドギャップによって決定される。
【００１９】
なお、本願発明は実施例の形態に限定されるものではなく、同様の作用効果を得る変更を許容するものである。
（実施例１）
本発明の第１実施例の波長多重伝送装置を図１、図２および図４から図８を参照しながら説明する。図１は本発明の波長多重伝送装置を示す図、図２はそのレーザモジュールに用いる半導体レーザ素子の斜視図、図４は異なる発振波長を持つ複数個の半導体レーザ素子を示す要部正面図、図５は同半導体レーザ素子の要部正面図、図６は同半導体レーザ素子のひずみ分布図、図７は同半導体レーザ素子の解析モデル図、図８は図２のＡ−Ａ’断面図である。なお図２では内部構造が分かるように一部を切り欠いてある。
図１において、波長多重伝送装置は、異なる波長の光を出射するレーザモジュール１と光合波部５と伝送媒体６とを備えている。レーザモジュール１内には、半導体レーザ素子２、例えばＳｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮの何れかで形成された半導体レーザ素子を搭載するチップキャリア３、前記チップキャリア３を搭載する台座であるステム４が形成されている。また、ここで、受光素子、レンズ、サーミスタ、配線、ペルチェ素子は表示していない。
【００２０】
図２において、半導体レーザ素子２は、基板７、ｎクラッド層８、活性層９、光ガイド層１０、ｐクラッド層１１、コンタクト層１２、ｐ埋込み層１３、ｎ埋込み層１４、絶縁膜１５、ｎ電極膜１６、ｐ電極膜１７を備えて構成されている。光ガイド層上には、各発振波長に対応する間隔を持つ回折格子１８が形成されている。
【００２１】
また、絶縁膜１５は、例えば熱ＣＶＤで成膜されたシリコン酸化膜で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。前記絶縁膜１５は電極膜１７に隣接して形成され、活性層が配置された領域の両側の領域を含むように形成されている。また、半導体レーザ素子２の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００２２】
ｐ電極膜１７は、例えば蒸着で成膜された金で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、このｐ電極膜１７は、半導体レーザ素子上面全体に形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００２３】
ここで、波長１．５５μｍ帯の半導体レーザに適用した一例の詳細を説明する。基板７はｎ型ＩｎＰ基板（厚さ１００μｍ程度）、ｎクラッド層８はｎ型ＩｎＰ（厚さ１００ｎｍ程度）、活性層９はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層（厚さ１００ｎｍ程度）、光ガイド層１０はＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ７０ｎｍ程度）、ｐクラッド層１１はＰ型ＩｎＰ（厚さ１５００ｎｍ程度）、コンタクト層１２はＰ型ＩｎＧａＡｓ層（厚さ２００ｎｍ程度）、埋込み層１３、１４はそれぞれｐ型ＩｎＰ、ｎ型ＩｎＰ、絶縁膜１５は、熱ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜（厚さ５００ｎｍ程度）、前記絶縁膜１５より導電性の高い材料で形成された電極膜１６、１７は、チタン、白金を下地膜とする金（厚さ２００ｎｍ程度）である。
また、半導体レーザ素子２はレーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開し（共振器長２００μｍ）、端面１９を形成する。
【００２４】
上記以外の製法で成膜した絶縁膜１５及び電極膜１７でも、金以外の材料の電極膜１７でも本実施例に適用可能である。すなわち、本実施例では、活性層９より上層の膜である絶縁膜１５あるいは電極膜１７が応力を持つ場合について、適用可能である。
【００２５】
図５は半導体レーザ素子の要部正面図である。図５に示すように、引張応力を持つ絶縁膜、電極膜の影響で、活性層領域において、圧縮ひずみが発生し、バンドギャップが拡大する。よって利得ピーク波長が変化する。
【００２６】
活性層に発生するひずみ量は絶縁膜、電極膜の膜厚に依存しており、膜厚を厚くするにしたがって、発生するひずみ量は大きくなる。よって、図４に示すように、異なる発振波長が必要となる波長多重伝送装置の半導体レーザ素子において、絶縁膜、電極膜の膜厚を変えることによって、利得ピーク波長を変化させて、発振波長とのずれを小さくし、発振効率を上げることができる。前記絶縁膜や電極膜が引張応力を有する膜の場合、膜厚を厚くすることによりバンドギャップを拡大でき、短い発振波長を有する半導体レーザ素子を形成することができ、所定の波長間隔で複数の半導体レーザ素子を同様にして形成し、図１に示すような伝送装置を形成することができる。
【００２７】
半導体レーザ素子２の活性層に発生するひずみ分布を図６を参照しながら説明する。図６は有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）解析より得られた計算結果である。本解析では、ｐ電極膜の膜厚変化に対する活性層のひずみ変化を求めた。解析で用いる材料定数は、基板７、ｎクラッド層８、活性層９、光ガイド層１０、ｐクラッド層１１、コンタクト層１２、ｐ埋込み層１３、ｎ埋込み層１４については、インジウムリンの材料定数（ヤング率、ポアソン比、線膨張係数）を用い、一つの材料とした。絶縁膜１５は省略した。ｐ電極膜１７は金とし、ｐ電極膜１７が引張応力の初期応力を有する場合について解析した。
【００２８】
ＦＥＭ解析に用いた材料定数を次の表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004095975.tif 000003
図８は図２中の破線ＡＡ’における共振器方向の断面図である。図６において、横軸は図８中の端面１９からの距離を、縦軸は活性層９に発生するひずみを表す。ひずみ成分は、図２に示した座標系でのｙ方向のひずみεｙである。ここで、ひずみが正であることは、引張ひずみを示す。本解析では、活性層でのひずみを効率よく変化させるために図７（ｂ）、（ｃ）に示すように金の電極膜をつけた。ここで、図７（ｂ）のモデルを電極膜外側モデル、図７（ｃ）のモデルを電極膜内側モデルと呼ぶことにする。また、図７（ａ）の電極膜が全面についている部分の厚さは１００ｎｍとし、電極膜外側モデルでの電極膜を付け足す部分の厚さをｈｂ、電極膜内側モデルでの電極膜を付け足す部分の厚さをｈｃとする。
図６では、ｈｂ＝１００、２００、３００ｎｍ、ｈｃ＝１００、２００ｎｍの場合の結果と電極膜を付け足さない場合の結果を示す。図６より、活性層のひずみは約０．０４％変化している。本解析で用いた電極膜の真性応力は、０．７４ＧＰａであり、この値は成膜方法を変えることによって大きくすることができる。
また、電極膜の厚さをさらに厚くすることができることからも、活性層のひずみ量をより大きく変化させることが可能である。活性層のひずみ量と利得ピーク波長の関係は、別途計算した結果、０．１％のひずみ変化量に対して、利得ピーク波長は約１０ｎｍ変わることが分かっている。波長多重伝送で必要な波長範囲は約３０ｎｍであるが、電極膜の膜厚を変えることによって、この範囲の大部分の利得ピーク波長を実現できる。
【００３０】
なお、図１のような多数の半導体レーザ素子を備えた伝送装置を構成する場合は、すべて同じ組成の活性層を有する半導体レーザ素子から構成し、活性層のひずみを調整して発振波長を制御することもできるが、同じ組成の活性層を有する半導体レーザ素子のグループと、他の異なる組成の活性層を有する半導体レーザ素子を備え，前記グループを構成する半導体レーザ素子について、前記ひずみの異なる素子を含むようにすることができる。例えば、活性層の組成が同じ半導体レーザ素子の中で最も発振波長が長いものと短いものを比較した場合に、引張応力を有する電極膜の膜厚は波長の短い素子の方が厚くなるよう形成する。引張応力を有する絶縁膜の場合は同様にすることができる。
【００３１】
また、本実施例での半導体レーザ素子は分布帰還型レーザであったが、これは分布ブラッグ反射型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ　Ｌａｓｅｒ：以下、ＤＢＲレーザと略記）でも適用できる。以下の実施例についても同様である。
（実施例２）
本発明の第２実施例の波長多重伝送装置を図１および図９から図１１を参照しながら説明する。図１は実施例１と同図であり、本発明の波長多重伝送装置を示す図、図９はそのレーザモジュールに用いる半導体レーザ素子の斜視図、図１０は異なる発振波長を持つ複数個の半導体レーザ素子を示す要部正面図、図１１は同半導体レーザ素子の要部正面図である。なお図９では内部構造が分かるように一部を切り欠いてある。
【００３２】
図９において、半導体レーザ素子２は、基板７、ｎクラッド層８、活性層９、光ガイド層１０、ｐクラッド層１１、コンタクト層１２、ｐ埋込み層１３、ｎ埋込み層１４、絶縁膜１５、ｎ電極膜１６、ｐ電極膜１７、ひずみ調整膜２１を備えて構成されている。光ガイド層１０上には、各発振波長に対応する間隔を持つ回折格子１８が形成されている。基本的には実施例１の説明の中で用いた図と同様の構成を有するが、ひずみ調整膜２１を備える点で相違している。
【００３３】
また、絶縁膜１５は、例えば熱ＣＶＤで成膜されたシリコン酸化膜で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００３４】
ｐ電極膜１７は、例えば蒸着で成膜された金で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、このｐ電極膜１７は、半導体レーザ素子上面全体に形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００３５】
ひずみ調整膜２１は、例えば窒化シリコンからなり、電極膜上に圧縮応力を有する状態で成膜されている。ただし、ｐ電極膜１７から電流を供給できるように、ひずみ調整膜２１は一部除去されている。
【００３６】
ここで、波長１．５５μｍ帯の半導体レーザに適用した一例の説明する。ひずみ調整膜２１以外は基本的な部分は実施例１と同じである。ひずみ調整膜２１は窒化シリコン膜（厚さ２００ｎｍ程度）である。
【００３７】
上記以外の製法で成膜したひずみ調整膜でも、窒化シリコン以外のひずみ調整膜でも本実施例に適用可能である。すなわち、本実施例では、絶縁膜１５およびｐ電極膜１７の持つ膜応力とひずみ調整膜２１の持つ膜応力とが異符号である場合について、適用可能である。
図１１は半導体レーザ素子の要部正面図である。図１１に示すように、引張応力を持つ絶縁膜、電極膜および圧縮応力を持つひずみ調整膜の影響で、活性層領域において、引張ひずみあるいは圧縮ひずみが発生し、バンドギャップが収縮あるいは拡大する。よって利得ピーク波長が変化する。
活性層に発生するひずみ量は絶縁膜、電極膜およびひずみ調整膜の膜厚関係に依存しており、引張応力を持った膜の膜厚が厚くなれば、発生するひずみは圧縮側へ移動し、圧縮応力を持った膜の膜厚が厚くなれば、発生するひずみは引張側へ移動する。よって、図１０に示すように、異なる発振波長が必要となる波長多重伝送装置の半導体レーザ素子において、引張応力を持つ絶縁膜または電極膜を厚くすれば、圧縮ひずみが発生し、バンドギャップが拡大して、利得ピーク波長を短波長側に移動することができる。また圧縮応力をもつひずみ調整膜の膜厚を厚くすれば、引張ひずみが発生し、バンドギャップが収縮して、利得ピーク波長を長波長側に移動することができる。このように、利得ピーク波長を変化させて、発振効率を上げることができる。このようにして、多数の半導体レーザ素子を形成して図１の伝送装置に搭載することが好ましい。
（実施例３）
本発明の第３実施例の波長多重伝送装置を図１および図１２を参照しながら説明する。図１は実施例１の同図であり本発明の波長多重伝送装置を示す図、図１２はそのレーザモジュールに用いる半導体レーザ素子の斜視図である。
実施例１および実施例２における半導体レーザ素子のストライプ構造は、埋込型ヘテロ構造導波路型であったが、絶縁膜、電極膜およびひずみ調整膜の膜応力を用いて活性層のひずみの制御を行う方法は、他のストライプ構造においても適用できる発明である。本実施例は、ストライプ構造が図１２に示すようにリッジ導波路型の場合についてである。なお、ここでストライプ構造とは、発振された光の進行方向に垂直な面内での光強度分布のうち、ＰＮ接合に平行な方向の分布である水平横モードを制御するためにとられる構造のことである。
【００３８】
半導体レーザ素子２は、基板７、ｎクラッド層８、活性層９、光ガイド層１０、ｐクラッド層１１、コンタクト層１２、絶縁膜１５、ｎ電極膜１６、ｐ電極膜１７を備えて構成されている。光ガイド層上には、各発振波長に対応する間隔を持つ回折格子１８が形成されている。
また、絶縁膜１５は、例えば熱ＣＶＤで成膜されたシリコン酸化膜で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００３９】
ｐ電極膜１７は、例えば蒸着で成膜された金で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、このｐ電極膜１７は、半導体レーザ素子上面全体に形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００４０】
ここで、波長１．５５μｍ帯の半導体レーザに適用した一例の詳細を説明する。基板７はｎ型ＩｎＰ基板（厚さ１００μｍ程度）、ｎクラッド層８はｎ型ＩｎＰ（厚さ１００ｎｍ程度）、活性層９はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層（厚さ１００ｎｍ程度）、光ガイド層９はＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ７０ｎｍ程度）、ｐクラッド層１１はＰ型ＩｎＰ（厚さ１．５μｍ程度）、コンタクト層１２はＰ型ＩｎＧａＡｓ層（厚さ５００ｎｍ程度）、絶縁膜１５は、熱ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜（厚さ５００ｎｍ程度）、電極膜１６、１７は、チタン、白金を下地膜とする金（厚さ２００ｎｍ程度）である。また、半導体レーザ素子２はレーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開し（共振器長２００μｍ）、端面を形成する。
【００４１】
上記以外の製法で成膜した絶縁膜１５および電極膜１７でも、金以外の材料の電極膜１７でも本実施例に適用可能である。
また、実施例２に示したように、電極膜上に圧縮応力の膜応力を持ったひずみ調整膜を有していてもよい。
（実施例４）
本発明の第４実施例の波長多重伝送装置を図１および図１３から図１５を参照しながら説明する。図１は実施例１と同図であり本発明の波長多重伝送装置を示す図、図１３はレーザモジュール内の半導体レーザ素子、チップキャリアおよびステムを示す斜視図、図１４はチップキャリア上のひずみ分布を示す図、図１５は異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子を示す要部正面図である。
半導体レーザ素子２は、実施例１、実施例２または実施例３で用いたものである。実施例１、実施例２または実施例３では、活性層のひずみを制御するために、膜応力を利用した。本実施例では、半導体レーザ素子２とチップキャリア３およびステム４の熱膨張係数の違いによる熱応力を利用して活性層のひずみを制御する方法を提案する。
熱応力による半導体レーザ素子２の活性層に発生するひずみを求めるために、応力解析を行った。解析モデルは、厚さ１００μｍのＩｎＰの半導体レーザ素子、厚さ２５０μｍのＳｉのチップキャリア、厚さ１０ｍｍのＣｕのステムとし、温度を１８３℃から２０℃まで下げる条件で解析を行った。なお、レーザモジュール内に存在する受光素子、レンズ、サーミスタ、配線、ペルチェ素子は、活性層のひずみへの影響は小さいため、省略した。
【００４２】
ＦＥＭ解析に用いた材料定数を表１に示す。
活性層に発生するひずみは約−０．０８％であった。チップキャリア上でのひずみ分布を図１４に示す。図１４において、横軸は図１３中に示したようにチップキャリア上の端部からの距離を、縦軸はチップキャリア上に発生しているひずみを表す。ひずみ成分は、図１３に示した座標系でのｙ方向のひずみεｙである。ここで、ひずみが正であることは、引張ひずみを示す。本解析例では、活性層の位置はＸ＝１０８０μｍである。チップキャリア上に発生しているひずみは、活性層に発生するひずみと比例関係にあると考えられるので、図１４の結果より、活性層のひずみは約０．０９％変化すると考えられる。図１５に示すように半導体レーザ素子２の搭載場所をチップキャリア上の端部にすれば、あまり圧縮ひずみは発生せず、搭載場所をチップキャリア上の中央部にすれば、大きな圧縮ひずみが発生する。この方法によって、バンドギャップを変化させて利得ピーク波長を移動させることができる。よって、短波長を発振する半導体レーザ素子２は、より長波長を発振するレーザ素子よりも前記チップキャリアの中央よりに配置される。このようにして、図１に搭載する複数の半導体レーザ素子を構成することができる。
（実施例５）
実施例４では、チップキャリア３の厚さを固定し、半導体レーザ素子２の搭載位置を変化させたが、本実施例では、半導体レーザ素子の搭載位置を固定し、チップキャリア３の厚さを変化させる。
実施例４と同様に熱応力解析を行い、チップキャリア上でのひずみ分布を求めた。解析条件は、チップキャリアの厚さを２５０μｍ、３５０μｍの２通りとした。同一個所でのひずみ量を比較したところ、最大で約０．０３％の差があった。よって、例えば、図１６に示すようにチップキャリアの厚さを薄くすれば、圧縮ひずみが発生し、バンドギャップが拡大して、利得ピーク波長を短波長側に移動することができる。またチップキャリアの厚さを厚くすれば、引張ひずみが発生し、バンドギャップが収縮して、利得ピーク波長を長波長側に移動することができる。このように、利得ピーク波長を変化させて、発振効率を上げることができる。
また、実施例４と実施例５を組み合せて、半導体レーザ素子の搭載位置とチップキャリアの厚さを変化させることによって、より広い範囲の利得ピーク波長を実現できる。よって、図１の構造の伝送装置を構成する場合には、同一の活性層を備えた場合であっても、長い波長のレーザを発振する半導体レーザ素子の方を、短い波長を発振するレーザ素子よりもチップキャリアを厚く構成することによって発振効率の高い多重波伝送装置を形成することができる。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、活性層のひずみ量を調整することによって、利得ピーク波長と発振波長のずれを小さくし、発振効率をよくすることができる。
【００４４】
また、このような方法で製造した半導体レーザ素子を用いることによって、波長多重伝送装置を安価に提供することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明により、異なる発振波長を持つ複数の半導体レーザ素子を備え、発振効率低下を抑制した高性能の伝送装置を容易に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例、第２実施例、第３実施例および第４実施例の波長多重伝送装置を表す図である。
【図２】本発明の第１実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図３】半導体レーザの発振波長と光スペクトルの関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例の異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子を示す要部正面図である。
【図５】同半導体レーザ素子の要部正面図である。
【図６】同半導体レーザ素子のひずみ分布図である。
【図７】同半導体レーザ素子の解析モデル図である。
【図８】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図９】本発明の第２実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施例の異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子を示す要部正面図である。
【図１１】同半導体レーザ素子の要部正面図である。
【図１２】本発明の第３実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第４実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図１４】チップキャリア上のひずみ分布を示す図である。
【図１５】本発明の第４実施例の異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子を示す要部正面図である。
【図１６】本発明の第５実施例の異なる発振波長を持つ半導体レーザ素子を示す要部正面図である。
【符号の説明】
１…レーザモジュール、２…半導体レーザ素子、３…チップキャリア、４…ステム、５…光合波部、６…伝送媒体、７…基板、８…ｎクラッド層、９…活性層、１０…光ガイド層、１１…ｐクラッド層、１２…コンタクト層、１３…ｐ埋込み層、１４…ｎ埋込み層、１５…絶縁膜、１６…ｎ電極膜、１７…ｐ電極膜、１８…回折格子、１９…端面、２１…ひずみ調整膜。
【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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