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
【課題】内部で発生する迷光の前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子およびこれを備える半導体レーザモジュールを提供すること。
【解決手段】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、前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする。
【解決手段】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、前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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集積型半導体レーザ素子を備える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）。図１７は、従来の集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。この集積型半導体レーザ素子７０は、複数のＤＦＢ（Distributed Feedback）型のレーザストライプ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、多モード干渉型（Multi mode Interferometer ： MMI)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。
【０００３】
この集積型半導体レーザ素子７０の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。光導波路７２−１〜７２−ｎのうち駆動する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、駆動するＤＦＢレーザストライプからの出力光を導波する。ＭＭＩ合流器７３は、光導波路を導波した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から出力した光を増幅して出力端７４ａから出力する。
【０００４】
一方、図１８は、図１７に示す集積型半導体レーザ素子７０を備える光通信用の半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。この半導体レーザモジュール８０の動作を説明する。集積型半導体レーザ素子７０は、駆動するＤＦＢレーザストライプに対応する波長の光を出力する。コリメートレンズ８１は、集積型半導体レーザ素子７０からの出力光を平行光線とする。光アイソレータ８２は、コリメートレンズ８１からの平行光線を一方向にのみ透過する。ビームスプリッタ８３は、コリメートレンズ８１からの平行光線の大部分を透過し、一部を分岐する。パワーモニタＰＤ（Photo Detector）８４は、ビームスプリッタ８３により分岐した光を検出し、検出した光強度に応じた電流が流れる。一方、集光レンズ８５は、ビームスプリッタ８３を透過した光を集光して光ファイバ８６に結合する。光ファイバ８６は結合した光を伝搬し、伝搬した光は信号光などとして用いられる。
【０００５】
ここで、光ファイバ８６からの光出力（光ファイバ出力）は一定であることが要求される。光ファイバ出力を一定にするための集積型半導体レーザ素子７０の制御方法としては、駆動するＤＦＢレーザストライプの駆動電流を一定に制御した状態で、パワーモニタＰＤ８４に流れる電流が一定となるように半導体光増幅器７４の駆動電流を制御する制御方法がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５８３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来の集積型半導体レーザ素子を備える半導体レーザモジュールにおいては、上記の制御方法を用いても光ファイバ出力が一定にならない場合があった。図１９はパワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との関係を示す図である。図１９に示すように、パワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との間にはオフセットがある。
【０００８】
このオフセットは、ＤＦＢレーザストライプの光出力の経時的な低下や、ＤＦＢレーザストライプの設定温度や、駆動するＤＦＢレーザストライプによって変動する場合がある。このようなオフセットの変動があると、光ファイバ出力を一定にするための集積型半導体レーザ素子の制御方法は、上記変動を考慮した複雑なものとしなければならない。
【０００９】
このオフセットは、集積型半導体レーザ素子内部で発生する迷光が半導体光増幅器の出力端側に伝搬し、素子の前方へ出射し、光ファイバと結合せずにパワーモニタＰＤに入射することが原因と考えられる。この迷光は、ＤＦＢレーザストライプとＭＭＩ光合流器を接続する光導波路の曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器の出力ポート側の端面からの放射光であると考えられる。具体的には、光導波路は、曲がった部分において半径方向に光が放射することが知られている。また、ＭＭＩ光合流器については、例えばＮ入力ポート、１出力ポートのＭＭＩ光合流器を、どの入力ポートからの入力光も出力ポートから均一に出力されるように設計した場合、入力光強度の１／Ｎのみが出力ポートに結合し、入力光強度の（Ｎ−１）／Ｎは出力ポートに結合せずに損失となる。特に、光合流器が、半導体埋め込み型の導波路からなる場合は、出力ポートに結合しない光のほとんどが出力ポート側の端面から放射する。
【００１０】
すなわち、従来の集積型半導体レーザ素子は、内部で発生する迷光が半導体光増幅器の出力端側へ伝搬して素子の前方へ出射するという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内部で発生する迷光の前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子およびこれを備える半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、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、前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、この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、前記反射手段は、前記半導体光増幅器を埋め込む埋め込み部に幅方向にわたって設けた溝であることを特徴とする。
【００１４】
また、この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、前記溝を複数設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、この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、前記反射手段の反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面とのなす角度が０度より大きく４５度より小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、この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、前記半導体光増幅器と前記反射手段の該半導体光増幅器に近い端部との距離は、該半導体光増幅器を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れていることを特徴とする。
【００１７】
また、この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、前記反射手段の前記光合流器に近い反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面との距離の最大値Ｌと、前記光合流器の厚さ方向の中心位置からの前記反射面の下端部までの深さＤと、前記光合流器の出力ポート側の端面における該端面からの前記埋め込み部への放射光の前記厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、前記埋め込み部の屈折率ｎと、前記放射光の波長λとの間に、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立つことを特徴とする。
【００１８】
また、この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、前記複数の半導体レーザの間の埋め込み部に溝を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、この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。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記のいずれかの発明に係る集積型半導体レーザ素子と、前記集積型半導体レーザ素子からの出力光を透過および分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子を透過した光を伝送する光ファイバと、前記光分岐素子により分岐した光の強度を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光合流器の出力ポート側の端面の前部に半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことにより、内部で発生する迷光の伝搬を阻止することができるので、迷光の前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（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の構造と製造方法について説明する。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を模式的に表した平面概略図である。
【００２４】
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、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、ＭＭＩ合流器１３と、半導体光増幅器１４とを一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。そして、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂの前部の埋め込み部に、半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段である反射溝１６ａ、１６ｂを幅方向（半導体光増幅器１４の光の伝搬方向に直交する方向）にわたって設けている。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間の埋め込み部にトレンチ溝１７−１〜１７−ｍ（ｍ＝ｎ―１）を設けている。
【００２５】
ＤＦＢレーザストライプ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１０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、出力光の波長が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により、広い波長可変範囲を実現している。
【００２６】
ＭＭＩ合流器１３は集積型半導体レーザ素子１０の中央部付近に形成されている。また、光導波路１２−１〜１２−ｎはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとＭＭＩ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合流器１３とを光学的に接続する。半導体光増幅器１４は集積型半導体レーザ素子１０のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとは反対側の一端に形成されている。
【００２７】
この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１つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。トレンチ溝１７−１〜１７−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り、ＤＦＢレーザストライプ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。
【００２８】
つぎに、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザストライプと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザストライプからの出力光を導波する。ＭＭＩ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出力端１４ａから出力する。
【００２９】
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光のＭＭＩ合流器１３による光の損失を補い、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。
【００３０】
この集積型半導体レーザ素子１０が動作する際には、光導波路１２−１〜１２−ｎの曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂからの放射光が迷光となる。しかし、図２に示すように、反射溝１６ａ、１６ｂの内側面が反射面となって半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する図中矢印で示される迷光を後方に反射するので、迷光の素子の前方への放射を抑制することができる。反射溝１６ａ、１６ｂの反射率は埋め込み部１５の屈折率により異なるが、例えば溝内部が空気で埋め込み部１５が半導体の場合３０％程度である。
【００３１】
反射溝１６ａの内側面とＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂとのなす角度θ（図１参照）は、０度より大きく４５度より小さい。反射溝１６ｂについても同様である。角度θが０度であると反射溝１６ａ、１６ｂが反射した光がもとの方向に戻るので、ＭＭＩ光合流器１３を経由してＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎに戻り、レーザ発振の動作の不安定や雑音の発生の原因となる場合がある。角度θが４５度であると反射溝１６ａ、１６ｂが反射した光が集積型半導体レーザ素子１０の側面で反射し、再び反射溝１６ａ、１６ｂで反射してもとの方向に戻るので、ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂを経由してＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎに戻り、レーザ発振の動作の不安定や雑音の発生の原因となる場合がある。また、角度θが４５度より大きいと、溝の内側面で反射した迷光が集積型半導体レーザ素子１０の側面と溝との間の部分を通って前方に伝搬しやすくなる。
【００３２】
また、半導体光増幅器１４と反射溝１６ａの半導体光増幅器１４に近い端部との距離ｌ（図２参照）は、半導体光増幅器１４を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れており、たとえば２μｍ以上とする。その結果、反射溝１６ａが半導体光増幅器１４を導波する光の導波モードに影響を及ぼすことはない。ただし、距離ｌは、大きすぎると反射溝１６ａと半導体光増幅器１４の間から迷光が漏洩する量が多くなるので、５μｍ以下とすることが好ましい。半導体光増幅器１４と反射溝１６ｂの半導体光増幅器１４に近い端部との距離も同様の距離とする。
【００３３】
つぎに、図３〜１３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の製造方法について説明する。図３〜５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Ａ−Ａ線に沿った断面を概略的に示すものである。
【００３４】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ： MOCVD）法を用いて、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活性層２４、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７、ｐ型ＩｎＰ層２８を順次堆積する（図３）。なお、図中の領域Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれＤＦＢレーザストライプ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、ＭＭＩ光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域を示す。
【００３５】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１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ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７に回折格子となる格子溝２９を形成するとともに、領域Ｅ４のＩｎＧａＡｓＰ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〜Ｅ４の全面にｐ型ＩｎＰ層２８を再び堆積する。
【００３６】
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レーザストライプ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４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は下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３まで全て除去される。
【００３７】
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５に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１を順次堆積する。
【００３８】
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、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出させる。
【００３９】
図６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Ｅ１〜Ｅ４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Ｍ１〜Ｍ４が形成される。
【００４０】
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〜Ｅ４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。図７は、図６に示す半導体増幅器１４を形成する領域Ｅ４におけるＢ−Ｂ線に沿った断面を概略的に示すものである。
【００４１】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、図８に示すように、反射溝に対応するパターン３６ａ、３６ｂおよびトレンチ溝に対応するパターン３７−１〜３７−ｍになるようにパターンニングを施す。
【００４２】
そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、図１に示す反射溝１６ａ、１６ｂとトレンチ溝１７−１〜１７−ｍを形成する。図９は反射溝１６ａ、１６ｂを形成した様子を示す断面概略図である。
【００４３】
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。また、反射溝１６ａ、１６ｂについては、反射溝１６ａ、１６ｂのＭＭＩ光合流器１３に近い内側面とＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂとの距離の最大値Ｌと、ＭＭＩ光合流器１３のＩｎＧａＡｓＰコア層３０の厚さ方向の中心位置からの反射溝１６ａ、１６ｂの下端部までの深さＤと、ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂにおける、該端面１３ｂからのｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２への放射光の厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２の屈折率ｎと、放射光の波長λとの間に、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立つような深さに形成する。この関係について以下説明する。
【００４４】
図１０は、図８におけるＣ−Ｃ線に沿った断面を用いて、反射溝１６ｂの深さについて説明する図である。ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂにおいてＩｎＧａＡｓＰコア層３０からｐ型ＩｎＰ埋め込み層へと放射した光は強度分布Ｇを有し、その形状はＩｎＧａＡｓＰコア層３０の厚さ方向にｙ軸を取るとｅｘｐ（−ｙ／Ｗ02）で表される。この放射光が距離Ｌだけ進むと強度分布は曲線Ｓで示すように厚さ方向に広がり、強度が最大値から１／ｅ2となる幅の半値ＷはＷ（Ｌ）＝Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）で表される。したがって、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立っていれば、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０から放射した光が反射溝１６ｂの下を通過して前方へ到達することなく反射されるので、迷光の伝搬を一層効果的に抑制できる。たとえば、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０のバンドギャップ波長が１．３μｍで厚さが２００ｎｍ、放射光の波長λが１．５５μｍ、ｎが３．１７、Ｌが５μｍの場合は、Ｗ0は約０．８２μｍとなるので、Ｄは１．２５４μｍ以上にすればよい。
【００４５】
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。こうして、図６に示す領域Ｅ４に半導体増幅器１４が形成される。図１１は、この時点における領域Ｅ４におけるＢ−Ｂ線に沿った断面概略図である。
【００４６】
一方、図１２は、この時点での図６に示す領域Ｅ３のＦ−Ｆ線に沿った断面を、図１３は、この時点での領域Ｅ１のＨ−Ｈ線に沿った断面を、それぞれ概略的に示すものである。図１１〜１３に示すように、上記製造工程により、半導体増幅器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、同時に形成される。
【００４７】
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、完成する。
【００４８】
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１０によれば、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂの前部に半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する反射溝１６ａ、１６ｂを設けたことにより、ＭＭＩ光合流器１３や光導波路１２−１〜１２−ｎから放射する迷光の素子前方への放射を抑制することができる。
【００４９】
（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。本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子と同様の構造を有し、同様の方法で製造できるが、反射溝が素子の前方に向かって複数設けられている点が異なる。
【００５０】
図１４は、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。図１４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５０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、複数のＤＦＢレーザストライプ５１−１〜５１−ｎと、複数の光導波路５２−１〜５２−ｎと、ＭＭＩ合流器５３と、半導体光増幅器５４とを単一の基板上に集積し、埋め込み部５５により埋め込んだ構造を有する。そして、ＭＭＩ光合流器５３の出力ポート５３ａ側の端面５３ｂの前部の埋め込み部に、半導体光増幅器５４の出力端５４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する複数の反射溝５６ａ、５６ｂを幅方向にわたって設けている。また、ＤＦＢレーザストライプ５１−１〜５１−ｎ間の埋め込み部にトレンチ溝５７−１〜５７−ｍを設けている。
【００５１】
この集積型半導体レーザ素子５０が動作する際には、光導波路５２−１〜５２−ｎの曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器５３の出力ポート５３ａ側の端面５３ｂからの放射光が迷光となる。しかし、図１５に示すように、素子の前方に向かって設けられた複数の反射溝５６ａ、５６ｂが半導体光増幅器５４の出力端５４ａ側へ伝搬する図中矢印で示される迷光を後方に反射するので、迷光の素子前方への放射を抑制することができる。そして、一つの反射溝を透過した迷光も、図中幅のある矢印で示されるように複数の反射溝によって順次反射されて減衰する。また、半導体光増幅器５２と一つの反射溝の間を抜けて前方へ伝搬する迷光も、図中矢印で示されるように外側に広がることにより次の反射溝により反射される。その結果、素子の前方へ放射する迷光が一層抑制される。
【００５２】
なお、反射溝５６ａ、５６ｂのそれぞれの溝の数は３〜５程度である。また、反射溝５６ａ、５６ｂのそれぞれにおいて、複数の溝を所定の間隔で周期的に配置することによって、迷光を効果的に反射することができる。たとえば、迷光の波長をλ´、溝内部と溝以外の部分との平均屈折率をｎ´とすると、溝の間隔はλ´／４ｎ´とする。
【００５３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールは、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子５０を備えるものである。
【００５４】
図１６は、本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール６０の動作を説明する。集積型半導体レーザ素子５０は、駆動するＤＦＢレーザストライプに対応する波長の光を出力する。コリメートレンズ６１は、集積型半導体レーザ素子５０からの出力光を平行光線とする。光アイソレータ６２は、コリメートレンズ６１からの平行光線を一方向にのみ透過する。ビームスプリッタ６３は、コリメートレンズ６１からの平行光線の大部分を透過し、一部を分岐する。パワーモニタＰＤ６４は、ビームスプリッタ６３により分岐した光を検出し、検出した光強度に応じた電流が流れる。一方、集光レンズ６５は、ビームスプリッタ６３を透過した光を集光して光ファイバ６６に結合する。光ファイバ６６は結合した光を伝搬し、伝搬した光は信号光などとして用いられる。
【００５５】
本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール６０は、迷光の素子前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子５０を備えているので、パワーモニタＰＤ６４に流れる電流と光ファイバ６６からの光出力との間のオフセットが大幅に小さくなる。したがって、ＤＦＢレーザストライプの光出力の経時的な低下や設定温度などによるパワーモニタＰＤ６４の検出電流の変動がきわめて小さくなり、光ファイバ出力を一定にするための制御が容易になる。
【００５６】
なお、本実施の形態１または２に係る集積型半導体レーザ素子は、反射手段として溝を設けたが、反射手段として、埋め込み部とは屈折率や反射率が異なる材質からなる反射板を設けてもよい。このような反射板は、上記と同様な方法で形成した反射溝の内側面を前記材質で被覆したり、反射溝を前記材質で充填したりすることにより形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】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模式的に表した平面概略図である。
【図２】反射溝が迷光を反射することを説明する図である。
【図３】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を説明する断面概略図である。
【図４】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を説明する断面概略図である。
【図５】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を説明する断面概略図である。
【図６】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を説明する平面概略図である。
【図７】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を説明する断面概略図である。
【図８】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を説明する平面概略図である。
【図９】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を説明する断面概略図である。
【図１０】反射溝の深さについて説明する図である。
【図１１】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を説明する断面概略図である。
【図１２】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を説明する断面概略図である。
【図１３】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を説明する断面概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。
【図１５】複数の反射溝が迷光を反射することを説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。
【図１７】従来の集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。
【図１８】図１７に示す集積型半導体レーザ素子を備える光通信用の半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。
【図１９】パワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、５０ 集積型半導体レーザ素子
１１−１〜１１−ｎ、５１−１〜５１−ｎ ＤＦＢレーザストライプ
１２−１〜１２−ｎ、５２−１〜５２−ｎ 光導波路
１３、５３ ＭＭＩ光合流器
１３ａ、５３ａ 出力ポート
１３ｂ、５３ｂ 出力側端面
１４、５４ 半導体光増幅器
１４ａ、５４ａ出力端
１５、５５ 埋め込み部
１６ａ、１６ｂ 反射溝
１７−１〜１７−ｍ、５７−１〜５７−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 ＭＱＷ活性層２４
２５ 上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２６ ＩｎＰスペーサ層
２７ ＩｎＧａＡｓＰ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
３６ａ、３６ｂ パターン
３７−１〜３７−ｍ パターン
３８ 保護膜
３９ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
５６ａ、５６ｂ 複数の反射溝
６０ 半導体レーザモジュール
６１ コリメートレンズ
６２ 光アイソレータ
６３ ビームスプリッタ
６４ パワーモニタＰＤ
６５ 集光レンズ
６６ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
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集積型半導体レーザ素子を備える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）。図１７は、従来の集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。この集積型半導体レーザ素子７０は、複数のＤＦＢ（Distributed Feedback）型のレーザストライプ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、多モード干渉型（Multi mode Interferometer ： MMI)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。
【０００３】
この集積型半導体レーザ素子７０の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。光導波路７２−１〜７２−ｎのうち駆動する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、駆動するＤＦＢレーザストライプからの出力光を導波する。ＭＭＩ合流器７３は、光導波路を導波した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から出力した光を増幅して出力端７４ａから出力する。
【０００４】
一方、図１８は、図１７に示す集積型半導体レーザ素子７０を備える光通信用の半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。この半導体レーザモジュール８０の動作を説明する。集積型半導体レーザ素子７０は、駆動するＤＦＢレーザストライプに対応する波長の光を出力する。コリメートレンズ８１は、集積型半導体レーザ素子７０からの出力光を平行光線とする。光アイソレータ８２は、コリメートレンズ８１からの平行光線を一方向にのみ透過する。ビームスプリッタ８３は、コリメートレンズ８１からの平行光線の大部分を透過し、一部を分岐する。パワーモニタＰＤ（Photo Detector）８４は、ビームスプリッタ８３により分岐した光を検出し、検出した光強度に応じた電流が流れる。一方、集光レンズ８５は、ビームスプリッタ８３を透過した光を集光して光ファイバ８６に結合する。光ファイバ８６は結合した光を伝搬し、伝搬した光は信号光などとして用いられる。
【０００５】
ここで、光ファイバ８６からの光出力（光ファイバ出力）は一定であることが要求される。光ファイバ出力を一定にするための集積型半導体レーザ素子７０の制御方法としては、駆動するＤＦＢレーザストライプの駆動電流を一定に制御した状態で、パワーモニタＰＤ８４に流れる電流が一定となるように半導体光増幅器７４の駆動電流を制御する制御方法がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５８３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来の集積型半導体レーザ素子を備える半導体レーザモジュールにおいては、上記の制御方法を用いても光ファイバ出力が一定にならない場合があった。図１９はパワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との関係を示す図である。図１９に示すように、パワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との間にはオフセットがある。
【０００８】
このオフセットは、ＤＦＢレーザストライプの光出力の経時的な低下や、ＤＦＢレーザストライプの設定温度や、駆動するＤＦＢレーザストライプによって変動する場合がある。このようなオフセットの変動があると、光ファイバ出力を一定にするための集積型半導体レーザ素子の制御方法は、上記変動を考慮した複雑なものとしなければならない。
【０００９】
このオフセットは、集積型半導体レーザ素子内部で発生する迷光が半導体光増幅器の出力端側に伝搬し、素子の前方へ出射し、光ファイバと結合せずにパワーモニタＰＤに入射することが原因と考えられる。この迷光は、ＤＦＢレーザストライプとＭＭＩ光合流器を接続する光導波路の曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器の出力ポート側の端面からの放射光であると考えられる。具体的には、光導波路は、曲がった部分において半径方向に光が放射することが知られている。また、ＭＭＩ光合流器については、例えばＮ入力ポート、１出力ポートのＭＭＩ光合流器を、どの入力ポートからの入力光も出力ポートから均一に出力されるように設計した場合、入力光強度の１／Ｎのみが出力ポートに結合し、入力光強度の（Ｎ−１）／Ｎは出力ポートに結合せずに損失となる。特に、光合流器が、半導体埋め込み型の導波路からなる場合は、出力ポートに結合しない光のほとんどが出力ポート側の端面から放射する。
【００１０】
すなわち、従来の集積型半導体レーザ素子は、内部で発生する迷光が半導体光増幅器の出力端側へ伝搬して素子の前方へ出射するという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内部で発生する迷光の前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子およびこれを備える半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、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、前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、この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、前記反射手段は、前記半導体光増幅器を埋め込む埋め込み部に幅方向にわたって設けた溝であることを特徴とする。
【００１４】
また、この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、前記溝を複数設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、この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、前記反射手段の反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面とのなす角度が０度より大きく４５度より小さいことを特徴とする。
【００１６】
また、この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、前記半導体光増幅器と前記反射手段の該半導体光増幅器に近い端部との距離は、該半導体光増幅器を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れていることを特徴とする。
【００１７】
また、この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、前記反射手段の前記光合流器に近い反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面との距離の最大値Ｌと、前記光合流器の厚さ方向の中心位置からの前記反射面の下端部までの深さＤと、前記光合流器の出力ポート側の端面における該端面からの前記埋め込み部への放射光の前記厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、前記埋め込み部の屈折率ｎと、前記放射光の波長λとの間に、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立つことを特徴とする。
【００１８】
また、この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、前記複数の半導体レーザの間の埋め込み部に溝を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、この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。
【００２０】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記のいずれかの発明に係る集積型半導体レーザ素子と、前記集積型半導体レーザ素子からの出力光を透過および分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子を透過した光を伝送する光ファイバと、前記光分岐素子により分岐した光の強度を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光合流器の出力ポート側の端面の前部に半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことにより、内部で発生する迷光の伝搬を阻止することができるので、迷光の前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（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の構造と製造方法について説明する。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を模式的に表した平面概略図である。
【００２４】
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、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、ＭＭＩ合流器１３と、半導体光増幅器１４とを一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。そして、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂの前部の埋め込み部に、半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段である反射溝１６ａ、１６ｂを幅方向（半導体光増幅器１４の光の伝搬方向に直交する方向）にわたって設けている。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間の埋め込み部にトレンチ溝１７−１〜１７−ｍ（ｍ＝ｎ―１）を設けている。
【００２５】
ＤＦＢレーザストライプ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１０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、出力光の波長が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により、広い波長可変範囲を実現している。
【００２６】
ＭＭＩ合流器１３は集積型半導体レーザ素子１０の中央部付近に形成されている。また、光導波路１２−１〜１２−ｎはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとＭＭＩ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合流器１３とを光学的に接続する。半導体光増幅器１４は集積型半導体レーザ素子１０のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとは反対側の一端に形成されている。
【００２７】
この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１つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。トレンチ溝１７−１〜１７−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り、ＤＦＢレーザストライプ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。
【００２８】
つぎに、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザストライプと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザストライプからの出力光を導波する。ＭＭＩ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出力端１４ａから出力する。
【００２９】
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光のＭＭＩ合流器１３による光の損失を補い、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。
【００３０】
この集積型半導体レーザ素子１０が動作する際には、光導波路１２−１〜１２−ｎの曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂからの放射光が迷光となる。しかし、図２に示すように、反射溝１６ａ、１６ｂの内側面が反射面となって半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する図中矢印で示される迷光を後方に反射するので、迷光の素子の前方への放射を抑制することができる。反射溝１６ａ、１６ｂの反射率は埋め込み部１５の屈折率により異なるが、例えば溝内部が空気で埋め込み部１５が半導体の場合３０％程度である。
【００３１】
反射溝１６ａの内側面とＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂとのなす角度θ（図１参照）は、０度より大きく４５度より小さい。反射溝１６ｂについても同様である。角度θが０度であると反射溝１６ａ、１６ｂが反射した光がもとの方向に戻るので、ＭＭＩ光合流器１３を経由してＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎに戻り、レーザ発振の動作の不安定や雑音の発生の原因となる場合がある。角度θが４５度であると反射溝１６ａ、１６ｂが反射した光が集積型半導体レーザ素子１０の側面で反射し、再び反射溝１６ａ、１６ｂで反射してもとの方向に戻るので、ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂを経由してＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎに戻り、レーザ発振の動作の不安定や雑音の発生の原因となる場合がある。また、角度θが４５度より大きいと、溝の内側面で反射した迷光が集積型半導体レーザ素子１０の側面と溝との間の部分を通って前方に伝搬しやすくなる。
【００３２】
また、半導体光増幅器１４と反射溝１６ａの半導体光増幅器１４に近い端部との距離ｌ（図２参照）は、半導体光増幅器１４を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れており、たとえば２μｍ以上とする。その結果、反射溝１６ａが半導体光増幅器１４を導波する光の導波モードに影響を及ぼすことはない。ただし、距離ｌは、大きすぎると反射溝１６ａと半導体光増幅器１４の間から迷光が漏洩する量が多くなるので、５μｍ以下とすることが好ましい。半導体光増幅器１４と反射溝１６ｂの半導体光増幅器１４に近い端部との距離も同様の距離とする。
【００３３】
つぎに、図３〜１３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の製造方法について説明する。図３〜５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Ａ−Ａ線に沿った断面を概略的に示すものである。
【００３４】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ： MOCVD）法を用いて、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活性層２４、上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２５、ＩｎＰスペーサ層２６、ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７、ｐ型ＩｎＰ層２８を順次堆積する（図３）。なお、図中の領域Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれＤＦＢレーザストライプ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、ＭＭＩ光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域を示す。
【００３５】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１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ＩｎＧａＡｓＰグレーティング層２７に回折格子となる格子溝２９を形成するとともに、領域Ｅ４のＩｎＧａＡｓＰ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〜Ｅ４の全面にｐ型ＩｎＰ層２８を再び堆積する。
【００３６】
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レーザストライプ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４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は下部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層２３まで全て除去される。
【００３７】
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５に示すように、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０、ｉ型ＩｎＰ層３１を順次堆積する。
【００３８】
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、ｎ型ＩｎＰバッファ層２２を露出させる。
【００３９】
図６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Ｅ１〜Ｅ４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Ｍ１〜Ｍ４が形成される。
【００４０】
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〜Ｅ４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。図７は、図６に示す半導体増幅器１４を形成する領域Ｅ４におけるＢ−Ｂ線に沿った断面を概略的に示すものである。
【００４１】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、図８に示すように、反射溝に対応するパターン３６ａ、３６ｂおよびトレンチ溝に対応するパターン３７−１〜３７−ｍになるようにパターンニングを施す。
【００４２】
そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、図１に示す反射溝１６ａ、１６ｂとトレンチ溝１７−１〜１７−ｍを形成する。図９は反射溝１６ａ、１６ｂを形成した様子を示す断面概略図である。
【００４３】
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。また、反射溝１６ａ、１６ｂについては、反射溝１６ａ、１６ｂのＭＭＩ光合流器１３に近い内側面とＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂとの距離の最大値Ｌと、ＭＭＩ光合流器１３のＩｎＧａＡｓＰコア層３０の厚さ方向の中心位置からの反射溝１６ａ、１６ｂの下端部までの深さＤと、ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂにおける、該端面１３ｂからのｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２への放射光の厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２の屈折率ｎと、放射光の波長λとの間に、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立つような深さに形成する。この関係について以下説明する。
【００４４】
図１０は、図８におけるＣ−Ｃ線に沿った断面を用いて、反射溝１６ｂの深さについて説明する図である。ＭＭＩ光合流器１３の端面１３ｂにおいてＩｎＧａＡｓＰコア層３０からｐ型ＩｎＰ埋め込み層へと放射した光は強度分布Ｇを有し、その形状はＩｎＧａＡｓＰコア層３０の厚さ方向にｙ軸を取るとｅｘｐ（−ｙ／Ｗ02）で表される。この放射光が距離Ｌだけ進むと強度分布は曲線Ｓで示すように厚さ方向に広がり、強度が最大値から１／ｅ2となる幅の半値ＷはＷ（Ｌ）＝Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）で表される。したがって、Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄなる関係が成り立っていれば、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０から放射した光が反射溝１６ｂの下を通過して前方へ到達することなく反射されるので、迷光の伝搬を一層効果的に抑制できる。たとえば、ＩｎＧａＡｓＰコア層３０のバンドギャップ波長が１．３μｍで厚さが２００ｎｍ、放射光の波長λが１．５５μｍ、ｎが３．１７、Ｌが５μｍの場合は、Ｗ0は約０．８２μｍとなるので、Ｄは１．２５４μｍ以上にすればよい。
【００４５】
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。こうして、図６に示す領域Ｅ４に半導体増幅器１４が形成される。図１１は、この時点における領域Ｅ４におけるＢ−Ｂ線に沿った断面概略図である。
【００４６】
一方、図１２は、この時点での図６に示す領域Ｅ３のＦ−Ｆ線に沿った断面を、図１３は、この時点での領域Ｅ１のＨ−Ｈ線に沿った断面を、それぞれ概略的に示すものである。図１１〜１３に示すように、上記製造工程により、半導体増幅器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、同時に形成される。
【００４７】
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、完成する。
【００４８】
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１０によれば、ＭＭＩ光合流器１３の出力ポート１３ａ側の端面１３ｂの前部に半導体光増幅器１４の出力端１４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する反射溝１６ａ、１６ｂを設けたことにより、ＭＭＩ光合流器１３や光導波路１２−１〜１２−ｎから放射する迷光の素子前方への放射を抑制することができる。
【００４９】
（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。本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子と同様の構造を有し、同様の方法で製造できるが、反射溝が素子の前方に向かって複数設けられている点が異なる。
【００５０】
図１４は、本実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。図１４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５０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、複数のＤＦＢレーザストライプ５１−１〜５１−ｎと、複数の光導波路５２−１〜５２−ｎと、ＭＭＩ合流器５３と、半導体光増幅器５４とを単一の基板上に集積し、埋め込み部５５により埋め込んだ構造を有する。そして、ＭＭＩ光合流器５３の出力ポート５３ａ側の端面５３ｂの前部の埋め込み部に、半導体光増幅器５４の出力端５４ａ側へ伝搬する光を後方に反射する複数の反射溝５６ａ、５６ｂを幅方向にわたって設けている。また、ＤＦＢレーザストライプ５１−１〜５１−ｎ間の埋め込み部にトレンチ溝５７−１〜５７−ｍを設けている。
【００５１】
この集積型半導体レーザ素子５０が動作する際には、光導波路５２−１〜５２−ｎの曲がった部分からの放射光や、ＭＭＩ光合流器５３の出力ポート５３ａ側の端面５３ｂからの放射光が迷光となる。しかし、図１５に示すように、素子の前方に向かって設けられた複数の反射溝５６ａ、５６ｂが半導体光増幅器５４の出力端５４ａ側へ伝搬する図中矢印で示される迷光を後方に反射するので、迷光の素子前方への放射を抑制することができる。そして、一つの反射溝を透過した迷光も、図中幅のある矢印で示されるように複数の反射溝によって順次反射されて減衰する。また、半導体光増幅器５２と一つの反射溝の間を抜けて前方へ伝搬する迷光も、図中矢印で示されるように外側に広がることにより次の反射溝により反射される。その結果、素子の前方へ放射する迷光が一層抑制される。
【００５２】
なお、反射溝５６ａ、５６ｂのそれぞれの溝の数は３〜５程度である。また、反射溝５６ａ、５６ｂのそれぞれにおいて、複数の溝を所定の間隔で周期的に配置することによって、迷光を効果的に反射することができる。たとえば、迷光の波長をλ´、溝内部と溝以外の部分との平均屈折率をｎ´とすると、溝の間隔はλ´／４ｎ´とする。
【００５３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールは、実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子５０を備えるものである。
【００５４】
図１６は、本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール６０の動作を説明する。集積型半導体レーザ素子５０は、駆動するＤＦＢレーザストライプに対応する波長の光を出力する。コリメートレンズ６１は、集積型半導体レーザ素子５０からの出力光を平行光線とする。光アイソレータ６２は、コリメートレンズ６１からの平行光線を一方向にのみ透過する。ビームスプリッタ６３は、コリメートレンズ６１からの平行光線の大部分を透過し、一部を分岐する。パワーモニタＰＤ６４は、ビームスプリッタ６３により分岐した光を検出し、検出した光強度に応じた電流が流れる。一方、集光レンズ６５は、ビームスプリッタ６３を透過した光を集光して光ファイバ６６に結合する。光ファイバ６６は結合した光を伝搬し、伝搬した光は信号光などとして用いられる。
【００５５】
本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール６０は、迷光の素子前方への放射を抑制することができる集積型半導体レーザ素子５０を備えているので、パワーモニタＰＤ６４に流れる電流と光ファイバ６６からの光出力との間のオフセットが大幅に小さくなる。したがって、ＤＦＢレーザストライプの光出力の経時的な低下や設定温度などによるパワーモニタＰＤ６４の検出電流の変動がきわめて小さくなり、光ファイバ出力を一定にするための制御が容易になる。
【００５６】
なお、本実施の形態１または２に係る集積型半導体レーザ素子は、反射手段として溝を設けたが、反射手段として、埋め込み部とは屈折率や反射率が異なる材質からなる反射板を設けてもよい。このような反射板は、上記と同様な方法で形成した反射溝の内側面を前記材質で被覆したり、反射溝を前記材質で充填したりすることにより形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】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模式的に表した平面概略図である。
【図２】反射溝が迷光を反射することを説明する図である。
【図３】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を説明する断面概略図である。
【図４】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を説明する断面概略図である。
【図５】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を説明する断面概略図である。
【図６】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を説明する平面概略図である。
【図７】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を説明する断面概略図である。
【図８】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を説明する平面概略図である。
【図９】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を説明する断面概略図である。
【図１０】反射溝の深さについて説明する図である。
【図１１】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を説明する断面概略図である。
【図１２】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を説明する断面概略図である。
【図１３】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を説明する断面概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。
【図１５】複数の反射溝が迷光を反射することを説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。
【図１７】従来の集積型半導体レーザ素子を模式的に表した平面概略図である。
【図１８】図１７に示す集積型半導体レーザ素子を備える光通信用の半導体レーザモジュールを模式的に表した平面概略図である。
【図１９】パワーモニタＰＤに流れる電流と光ファイバ出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、５０ 集積型半導体レーザ素子
１１−１〜１１−ｎ、５１−１〜５１−ｎ ＤＦＢレーザストライプ
１２−１〜１２−ｎ、５２−１〜５２−ｎ 光導波路
１３、５３ ＭＭＩ光合流器
１３ａ、５３ａ 出力ポート
１３ｂ、５３ｂ 出力側端面
１４、５４ 半導体光増幅器
１４ａ、５４ａ出力端
１５、５５ 埋め込み部
１６ａ、１６ｂ 反射溝
１７−１〜１７−ｍ、５７−１〜５７−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 ＭＱＷ活性層２４
２５ 上部ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
２６ ＩｎＰスペーサ層
２７ ＩｎＧａＡｓＰ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
３６ａ、３６ｂ パターン
３７−１〜３７−ｍ パターン
３８ 保護膜
３９ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
５６ａ、５６ｂ 複数の反射溝
６０ 半導体レーザモジュール
６１ コリメートレンズ
６２ 光アイソレータ
６３ ビームスプリッタ
６４ パワーモニタＰＤ
６５ 集光レンズ
６６ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記反射手段は、前記半導体光増幅器を埋め込む埋め込み部に幅方向にわたって設けた溝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】
前記溝を複数設けたことを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記反射手段の反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面とのなす角度が０度より大きく４５度より小さい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。
【請求項５】
前記半導体光増幅器と前記反射手段の該半導体光増幅器に近い端部との距離は、該半導体光増幅器を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れてい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】
前記反射手段の前記光合流器に近い反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面との距離の最大値Ｌと、前記光合流器の厚さ方向の中心位置からの前記反射面の下端部までの深さＤと、前記光合流器の出力ポート側の端面における該端面からの前記埋め込み部への放射光の前記厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、前記埋め込み部の屈折率ｎと、前記放射光の波長λとの間に、
Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄ
なる関係が成り立つ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】
前記複数の半導体レーザの間の埋め込み部に溝を設けた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１〜７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】
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と、
前記集積型半導体レーザ素子からの出力光を透過および分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子を透過した光を伝送する光ファイバと、
前記光分岐素子により分岐した光の強度を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項１】
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、
前記光合流器の出力ポート側の端面の前部に前記半導体光増幅器の出力端側へ伝搬する光を後方に反射する反射手段を設けたことを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記反射手段は、前記半導体光増幅器を埋め込む埋め込み部に幅方向にわたって設けた溝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】
前記溝を複数設けたことを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記反射手段の反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面とのなす角度が０度より大きく４５度より小さい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。
【請求項５】
前記半導体光増幅器と前記反射手段の該半導体光増幅器に近い端部との距離は、該半導体光増幅器を導波する光の幅方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる位置よりも離れてい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】
前記反射手段の前記光合流器に近い反射面と前記光合流器の出力ポート側の端面との距離の最大値Ｌと、前記光合流器の厚さ方向の中心位置からの前記反射面の下端部までの深さＤと、前記光合流器の出力ポート側の端面における該端面からの前記埋め込み部への放射光の前記厚さ方向の強度分布が最大値から１／ｅ2となる幅の半値Ｗ0と、前記埋め込み部の屈折率ｎと、前記放射光の波長λとの間に、
Ｗ0√（１＋（λＬ／πｎＷ02）2）＜Ｄ
なる関係が成り立つ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】
前記複数の半導体レーザの間の埋め込み部に溝を設けた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１〜７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】
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と、
前記集積型半導体レーザ素子からの出力光を透過および分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子を透過した光を伝送する光ファイバと、
前記光分岐素子により分岐した光の強度を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−２５０８８９（Ｐ２００７−２５０８８９Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７３１４９（Ｐ２００６−７３１４９）
【出願日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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