JP2005072402A - 半導体レーザ装置ならびにこれを使用した半導体レーザモジュールおよび光ファイバ増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性に優れ、かつ高出力動作の可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層および活性層を有する半導体レーザ装置において、前記ｎ型クラッド層は、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰを含んだ組成の互いに異なる２以上の層、特に好ましくは超格子構造からなり、かつ、前記ｎ型クラッド層の屈折率は前記ｐ型クラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザ装置に関するものであり、特に好適には、ＥＤＦＡやラマン増幅器等の光ファイバ増幅器用の励起光源として用いられる高出力の半導体レーザ装置に関する。

近年、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラフィックが飛躍的に増大している。このような中で、高速・大容量のデータ伝送を可能にするＷＤＭ（波長多重伝送）システムが発展を遂げ普及している。

ＷＤＭシステムでは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せることにより、１本のファイバで毎秒数十ギガビット〜数テラビットにも及ぶ大容量伝送を実現している。特に既存のＷＤＭシステムには、エルビウム添加光ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下、ＥＤＦＡ）やラマン増幅器等の光ファイバ増幅器が必須であり、これにより広帯域・長距離伝送を可能としている。ここでＥＤＦＡは、エルビウム（Ｅｒ）元素を添加した特殊な光ファイバを波長１４８０ｎｍあるいは９８０ｎｍの励起光源により励起することにより、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光を上記特殊な光ファイバの中で増幅する光ファイバ増幅器である。

また、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのように特殊なファイバを必要としない、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする光ファイバ増幅器である。励起光源の波長よりもおよそ100nm程度、長波長帯域でラマン利得が得られるため、任意の波長帯で増幅可能となる。このため、複数の励起光源を選ぶことにより、従来のＥＤＦＡをベースとしたＷＤＭ伝送システムに比べ広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。

ＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、高出力かつ広帯域の光ファイ増幅器が要求される。この光ファイバ増幅器用途の励起光源、特に高出力ＥＤＦＡ用途やラマン増幅器用途の励起光源としては、InP基板上に形成されたGaInAsPを材料とする埋め込みヘテロ構造（BH構造）の半導体レーザが用いられる。

ＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザにおいて高信頼性および高出力動作を実現するためには、素子長を長くすることや活性層幅を広くすることにより、素子抵抗や熱抵抗を低減させ、活性層からの発熱を抑制することが有効である。
ここで、活性層幅を広くする場合は、高次の横モードを抑制するために、活性層を含む領域と含まない領域での等価屈折率の差が小さくなるように活性層構造を最適化する必要がある。この等価屈折率差が小さいほど、活性層を含む領域の屈折率が小さくなるため、光の電界分布はクラッド層へよりしみ出すことになる。
また、ｎ型ＩｎＰ基板上にレーザ構造を形成する場合には、ｐ型上部クラッド層のドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）が一般的に用いられる。Ｚｎは光を吸収する性質を持つため、上部クラッド層へしみだした光を吸収し、半導体レーザの高出力動作を妨げる要因となっていた。これに対しては、以下のような技術が公開されている（非特許文献１参照）。これは、ｎ型ＩｎＰ基板を有する半導体レーザ装置において、バンドギャップ組成波長が０．９５μｍのＧａＩｎＡｓＰをｎ型クラッド層に用いるものである。上記ＧａＩｎＡｓＰは、ｐ型クラッド層に用いるＩｎＰに比べて屈折率が大きいため、レーザ光の強度分布が、従来の活性層を中心とした分布に比べてｎ型クラッド層寄りにシフトした分布となり、ｐ型クラッド層中のＺｎによる光吸収が抑制されることになる。

Y. Nagashima, S.Onuki, Y.Shimose, A.Yamada and T. Kikugawa, PD 1.4''Novel Asymmetric-Cladding 1.48-um Pump Laser with Extremely High Slope Efficiency and CW Output Power of > 1W'', LEOS 2002 Post Deadline Papers of "The 15th Annual Meeting of the IEEE Lasers & Electro-Optics Society", Scotland, November 10, 2002

しかしながら、上記のような構造では組成波長０．９５μｍのＧａＩｎＡｓＰをクラッド層として用いるために、相当な厚さ、たとえば７．５μｍといった厚さのＧａＩｎＡｓＰを基板上に結晶成長する必要がある。一般にＩｎＰ上にＧａＩｎＡｓＰを結晶成長する場合、格子整合条件を維持しながら良質な結晶を得るのが困難であるといった問題がある。特に、成長するＧａＩｎＡｓＰの厚さが厚くなるほど、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの格子定数差に基づく歪エネルギーが成長に伴って蓄積されるため、高品質の結晶を実現することが困難となり、製造される半導体レーザ装置の高出力動作や信頼性の面で不利である。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、信頼性に優れ、かつ高出力動作の可能な半導体レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層および活性層を有する半導体レーザ装置において、前記ｎ型クラッド層は、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰを含んだ組成の互いに異なる２以上の層からなり、かつ、前記ｎ型クラッド層の屈折率は前記ｐ型クラッド層の屈折率より大きいことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、上記の半導体レーザ装置において、前記ＧａＩｎＡｓＰの組成波長は、１．０μｍ以上であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置において、前記組成の互いに異なる２以上の層は、超格子構造を形成していることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記活性層は、量子井戸構造を有することを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ装置は、分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造を有することを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の半導体レーザ装置において、前記ＳＣＨ構造は単一の層または二以上の層からなり、前記超格子構造の実効的なバンドギャップ組成波長は、前記ＳＣＨ構造を構成する層のうち最もバンドギャップ組成波長の小さい層の組成波長以下であることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光導波路と、前記半導体レーザ装置と前記光導波路とを光結合する光結合手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザモジュールである。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザモジュールと、信号光を伝送する光導波路と、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光を該光導波路に入射させるための光合波手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ増幅装置である。

以下、本発明の効果について説明する。本発明の請求項１に記載の半導体レーザ装置は、ｎ型クラッド層がＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰを含んだ組成の互いに異なる２以上の層からなり、かつ、前記ｎ型クラッド層の屈折率は前記ｐ型クラッド層の屈折率より大きいため、レーザ光の強度分布をｎ型クラッド層寄りにシフトさせ、ｐ型クラッド層中における光吸収を抑制することができる。したがって、ＩｎＰ基板上に作製される半導体レーザ装置において高出力動作を実現することができる。

本発明の請求項２に記載の半導体レーザ装置においては、ｎ型クラッド層中のＧａＩｎＡｓＰの組成波長は１．０μｍ以上であるため、良質な結晶のn型クラッド層を得ることができ、高出力で信頼性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。

本発明の請求項３に記載の半導体レーザ装置においては、前記組成の互いに異なる２以上の層は超格子構造を形成しているため、ｎ型クラッド層の結晶成長の際に歪エネルギーの蓄積を抑制できる。このため良好な結晶性が得られ、高出力で信頼性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。

本発明の請求項４に記載の半導体レーザ装置においては、前記活性層は量子井戸構造を有するため、高出力化に特に有利であるという効果を奏する。

本発明の請求項５に記載の半導体レーザ装置は、分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造を有するため、高出力化に更に有利であるという効果を奏する。

本発明の請求項６に記載の発明によれば、前記超格子構造の実効的なバンドギャップ組成波長は、前記ＳＣＨ構造を構成する層のうち最もバンドギャップ組成波長の小さい層の組成波長以下であることとしたため、超格子結晶を含んだｎ型クラッド層からＳＣＨ層を介した活性層へのキャリアの注入が良好に行われるという効果を奏する。

本発明の請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置を用いてレーザモジュールを構成するため、高出力・高信頼性のレーザモジュールを得ることができる。

本発明の請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載のレーザモジュールを用いて光増幅装置を構成するため、高性能・高信頼性の光増幅装置を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る半導体レーザ装置、半導体レーザ装置モジュールおよび光増幅装置の実施の形態を説明する。但し、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。
なお、以下において特に断りのない限り、化合物半導体の組成を表すのに、その組成を持つ半導体が吸収できる光の最大波長（バンドギャップ組成波長）をもって表すこととする。

[実施の形態１]
まず、実施の形態１に係る半導体レーザ装置について説明する。実施の形態１に係る半導体レーザ装置は、のちに説明するように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：分布屈折率分離閉じ込め多重量子井戸）構造を有する埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置であり、ｎ型のＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ系の材料を用いて構成されている。特に、ｎ型クラッド層として、ＩｎＰおよび組成波長が１．０μｍ以上のＧａＩｎＡｓＰを含み、かつ等価的な組成波長が１．０μｍ以下である超格子構造を用いていることが特徴である。但し、ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ組成波長は半導体レーザ装置の発振波長を超えない値が望ましい。

図１は実施の形態１に係る半導体レーザ装置の縦断面図である。特に、図１（ａ）は、長手方向の縦断面図を示し、図１（ｂ）は、光出射面に平行な断面図を示す。図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部を拡大したものである。図１において、この半導体レーザ装置１０は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１上に、ｎ型の下部クラッド層２Ａ、アンドープの下部光閉じ込め層３Ａ、活性層４、アンドープの上部光閉じ込め層３Ｂ、ｐ型の上部クラッド層２Ｂ、ｐ型のＧａＩｎＡｓＰコンタクト層５が積層されている。なお、上部クラッド層、下部クラッド層および活性層を構成する材料については後述する。これらの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などのエピタキシャル成長法を用いて形成される。ＩｎＰからなるクラッド層へのドーパントとしては、ｐ型にはＺｎが用いられ、ｎ型にはＳｅ、Sなどが用いられる。

図１（ｂ）に示すように、上部クラッド層２Ｂ、活性層４および下部クラッド層２Ａは、メサストライプ７を構成している。このメサストライプ７は、フォトリソグラフィとエッチングを用いて形成される。メサストライプ７の側方には、ｐ型ブロック層８およびｎ型ブロック層９が形成され、メサストライプ７を埋め込んでいる。

また、この半導体レーザ装置１０は、ＩｎＰ基板１の下側表面にはｎ側下部電極６Ａを備え、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層５の表面にはｐ側上部電極６Ｂを備えている。

さらに、図１（ａ）に示すように、光が出射する前端面ｆおよびそれに対向した後端面ｒが、共振器長Ｌをもつ共振器を形成している。前端面および後端面は、へき開により作られる。前端面ｆ上および後端面ｒ上には、それぞれ、高出力動作のために、低反射膜１１および高反射膜が被覆されている。

ｐ側上部電極６Ｂおよびｎ側下部電極６Ａは、電源（図示されていない。）に接続される。電源から供給された電流は、ｐ側上部電極６Ｂから、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層５、ｐ型上部クラッド層２Ｂ、上部光閉じ込め層３Ｂ、活性層４、下部光閉じ込め層３Ａ、ｎ型下部クラッド層２Ａ、ｎ型ＩｎＰ基板１を通って、ｎ側下部電極６Ａに至る。注入された電流によって活性層４が発光し、前端面ｆと後端面ｒから形成される共振器によってレーザ発振する。

メサストライプ７をｐ型ブロック層８およびｎ型ブロック層９が埋め込んでいる埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造は、電流を活性層４に注入する役割を持つと共に、安定した水平単一横モードでの発振を可能にする。また、横モードの制御が可能であれば、ＢＨ構造でなくとも良く、たとえばリッジ構造やセルフアライン構造（ＳＡＳ）などであっても良い。

また、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置１０は、高出力動作を可能にする構造として、共振器長Ｌ、低反射膜１１および高反射膜１２の反射率、活性層４付近の構造、活性層４へのドーピング、そして本発明の特徴であるｎ型下部クラッド層２Ａの構造に特徴を持たせている。以下、これらの特徴について説明する。

（共振器長ならびに反射膜の反射率） 共振器長Ｌは、光出力・消費電力・動作電流といった半導体レーザ装置の仕様に応じて決められるものであり、高出力動作のためには８００μｍ以上とすることが望ましい。本実施の形態ではＬ＝１３００μｍとした。また、低反射膜１１の反射率は５％以下、高反射膜１２の反射率は９０％以上が望ましい。本実施の形態では、Ｌ＝１３００μｍに対して、低反射膜１１の反射率を１．５％、高反射膜１２の反射率を９８％とした。なお、これらの反射率として適切な値は、共振器長Ｌ、等価屈折率差、光閉じ込め係数、内部損失などの活性層構造に応じて変わるものである。

（活性層付近の層の組成・厚さなど） 図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置における、活性層付近のバンドギャップダイアグラムである。活性層４は、井戸層４Ａと障壁層４Ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。図２では特に、井戸層数が５層である場合について示している。なお、本実施の形態においては、活性層に多重量子井戸構造を用いているが、井戸数が１から構成される単一量子井戸構造であっても、問題はない。

また、下部光閉じ込め層３Ａおよび上部光閉じ込め層３Ｂは、バンドギャップエネルギーが活性層４から離れるに従って階段状に増加する複数の層３Ａ_１、３Ａ_２、・・・、３Ａ_ｎおよび３Ｂ_１、３Ｂ_２、・・・、３Ｂ_ｎからなる傾斜屈折率（ＧＲＩＮ）構造としている。このＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造は線形であることが好ましい。すなわち、図２に示されるように、３Ａ_１、３Ａ_２、・・・、３Ａ_ｎのエネルギーバンドエッジを繋ぐ包絡線h１ならびに３Ｂ_１、３Ｂ_２、・・・、３Ｂ_ｎのエネルギーバンドエッジを繋ぐ包絡線h２が、それぞれ直線となることが好ましい。

また、上部および下部光閉じ込め層は、その厚さや組成が互いに対称となるように設計される。しかし、下部光閉じ込め層３Ａの厚さを上部光閉じ込め層３Ｂよりも厚くした非対称構造とすることも、後述するｎ型下部クラッド層の構造と組み合わせることで、高出力動作に効果的である。

また、高出力動作のために、活性層を歪多重量子井戸構造とすることが好ましい。井戸層の歪量としては、絶対値が０．５％以上であれば、圧縮歪・引張歪のいずれであっても高出力動作が可能であるが、より好ましくは、井戸層に圧縮歪が生じ、障壁層に引張歪が生じるような歪補償構造とし、井戸層の歪量を１．５％以上とすることで、高出力動作を更に有利に実現することができる。

以上のような好ましいＭＱＷ−ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の一例として、本実施の形態ではＧａＩｎＡｓＰ系の材料を用い、各層の材料の組成波長を表１のようにした。また、表１において、光閉じ込め層については下部光閉じ込め層３Ａの各層について示したが、上部光閉じ込め層３Ｂについても同様とする。すなわち、３Ａ_１を３Ｂ_１などと読み替えればよい。

表１ 図２に示したＭＱＷ−ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造における各層の組成波長

また、上部光閉じ込め層３Ｂおよび下部光閉じ込め層３Ａの厚さは、共に３０〜４０ｎｍであることが好ましい。
なお、活性層付近の層の厚さ・組成は、上記に示したものに限定されるわけではない。たとえば、光閉じ込め層の構造は、所望の高出力動作が可能であれば、線形なＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造に限られるものではない。

（活性層へのドーピング） 本実施形態では、同出願人による特開２００２−３６８３４１に開示されているように、活性層４にｎ型不純物がドーピングされている。これにより、素子抵抗が低減されるため、素子の熱抵抗を小さくすることができ、高い電流注入時においても低消費電力動作が可能になる。不純物としては、たとえばセレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。また、ｎ型不純物に代えて、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を用いてもよい。なお、活性層４の全ての領域に不純物がドーピングされている必要は必ずしもなく、一部領域であっても良い。また、ドーピング濃度は、１Ｅ＋１７ｃｍ^−３〜３Ｅ＋１８ｃｍ^−３の範囲とすると、特に高出力動作に有利である。なお、所望の高出力動作が可能であれば、活性層にドーピングされた構造としなくても良い。

（クラッド層の構造） 次に、本発明の特徴であるクラッド層の構造について説明する。図１（ｂ）（ｃ）において、ｐ型の上部クラッド層２ＢはＺｎをドーピングしたＩｎＰからなる。一方、ｎ型の下部クラッド層２Ａは、Ｓｅなどがドーピングされ、ＩｎＰ（図中の符号は２Ａ_１）と四元混晶ＧａＩｎＡｓＰ（図中の符号は２Ａ_２）を数分子層単位の極薄膜として交互に積層してなる超格子結晶で構成される。

この超格子結晶中のＧａＩｎＡｓＰは、どのような組成であっても、ｎ型クラッド層の屈折率を大きくする効果を生ずる。しかし、発明者らは、ＩｎＰ上に組成波長の小さいＧａＩｎＡｓＰを結晶成長する場合、成長装置の違いや成長条件の変動によって結晶品質が大きく左右されることに着目し、良好なＧａＩｎＡｓＰ結晶を得るためにはＧａＩｎＡｓＰの組成波長を１．０μｍ以上とすることが望ましいことを見出した。
ＧａＩｎＡｓＰの組成および厚さは、ＧａＩｎＡｓＰの組成波長と超格子結晶の組成波長をそれぞれ所望の値にするように決められる。

上のように超格子結晶の組成波長を制御する方法について以下に述べる。ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの極薄膜からなる超格子結晶ＳＬは、以下の構造式で表すことができる。なお、λＱは組成波長λの四元混晶（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）ＧａＩｎＡｓＰを表す。但し、Ｎは整数で、超格子の周期数を表す。
[（λＱ）_ｐ／（ＩｎＰ）_ｑ]・Ｎ （式１）
ここで、ｐおよびｑは、それぞれＧａＩｎＡｓＰおよびＩｎＰの分子層数である。超格子結晶のバンドギャップエネルギーＥｇ_ＳＬおよび屈折率ｎ_ＳＬは、次のように表すことができる。
Ｅｇ_ＳＬ＝ｐ／（ｐ＋ｑ）・Ｅｇ_λＱ＋ｑ／（ｐ＋ｑ）・Ｅｇ_ＩｎＰ （式２）
ｎ_ＳＬ＝ｐ／（ｐ＋ｑ）・ｎ_λＱ＋ｑ／（ｐ＋ｑ）・ｎ_ＩｎＰ （式３）
また、式２より超格子結晶の組成波長Λ_ＳＬは次のように表される。
Λ_ＳＬ＝λ・Λ_ＩｎＰ（ｐ＋ｑ）／（Λ_ＩｎＰ・ｐ＋λ・ｑ） （式３）
つまり、ＧａＩｎＡｓＰの組成波長λおよび各極薄膜の分子層数ｐ、ｑを適切に選ぶことによって、超格子結晶の組成波長Λ_ＳＬや屈折率ｎ_ＳＬを所望の値とすることができる。

また、超格子結晶全体の厚さｔは
ｔ＝（ｐ＋ｑ）・Ｎ・ｔ_１ＭＬ （式４）
で表される。ここでｔ_１ＭＬは、１分子層に相当する膜厚であり、ＩｎＰ系の場合０．２９３４４ｎｍ（ＩｎＰの格子定数の半分）である。

超格子結晶の成長における各極薄膜の分子層数ｐ、ｑの制御は、あらかじめ分子層数と原料供給量との関係を求めておくことにより可能である。１分子層に相当する原料を供給すると、二次元エピタキシャル成長モデルでは成長表面が新しい分子層によって１００％覆われることになる。しかし、ｐ、ｑは必ずしも整数としなくともよい。

本実施の形態では、ＧａＩｎＡｓＰの組成波長λを１．０μｍとし、各極薄膜の分子層数をｐ＝３、ｑ＝３とした。この超格子結晶の組成波長は、式３より０．９５８μｍとなる。但し、Λ_ＩｎＰ＝０．９２μｍを用いた。また、屈折率は、式（２）より３．２０５９となる。但し、ｎ_１．０Ｑ＝３．２３２５、ｎ_ＩｎＰ＝３．１７９２を用いた。したがって、ｎ型下部クラッド層２Ａの屈折率は、ＩｎＰからなるｐ型上部クラッド層２Ｂの屈折率３．１７９２に比べて大きくなる。

図３に、基板に垂直な方向における実効的な屈折率分布および活性層４で生じる光の強度分布を模式的に示す。光の強度分布は，図３に示すようなｎ型の下部クラッド層側に偏った分布となる。したがって、ｐ型の上部クラッド層中のドーパントであるＺｎによる光吸収が抑制されるため、内部損失の小さなレーザ動作が可能になり、高出力の半導体レーザ装置を得ることができる。

また、上記のような屈折率分布を実現しようとする場合に、従来はたとえば一方のクラッド層の全領域を単一の四元混晶ＧａＩｎＡｓＰで形成していたため、結晶成長に伴って格子歪エネルギーが蓄積し、製造される半導体レーザ装置の信頼性に問題が生じていた。これに対し、本実施の形態のようにＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰからなる超格子構造とすることによって、クラッド層の結晶成長における格子歪エネルギーの蓄積が抑制され、信頼性に優れた高出力半導体レーザ装置を得ることが可能である。

なお、本実施の形態では、ｎ型の下部クラッド層２ＡをＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰからなる超格子結晶で構成したが、他の組合せによる超格子結晶、たとえば互いに組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる超格子結晶としても良い。また、ｎ型の下部クラッド層２ＡをＩｎＰとＩｎＧａＡｓからなる超格子結晶としても良い。

[実施の形態２]
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２は、上述した実施の形態１に示した半導体レーザ装置と、この半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光導波路と、前記半導体レーザ装置と前記光導波路とを光結合する光結合手段とを備えたことをを特徴としている。本実施の形態では、光導波路として光ファイバを、また光結合手段としてレンズを用いているが、もちろんこれらの種類の構成部品に限定されるものではない。

図４は、この発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図４において、この半導体レーザモジュール５０は、上述した実施の形態１または実施の形態２で示した半導体レーザ装置に対応するレーザ装置５１を有する。なお、この半導体レーザ装置５１は、ｐ側上部電極がヒートシンク５７ａに接合されるジャンクションダウン構成としている。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、温度制御装置としてのペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。ペルチェ素子５７には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ装置５１の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、ペルチェ素子５８は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、ヒートシンク５７ａ上であって、半導体レーザ装置５１の近傍に配置されたサーミスタ５８ａの検出値を元に制御され、図示しない制御装置は、通常、ヒートシンク５７ａの温度が一定に保たれるようにペルチェ素子５８を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置５１の駆動電流を上昇させるに従って、ヒートシンク５７ａの温度が下がるようにペルチェ素子５８を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ装置５１の出力安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、ヒートシンク５７ａは、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率を持つ材質によって形成することが望ましい。これは、ヒートシンク５７ａが高熱伝導率の材質で形成されると、高電流印加時の発熱が抑制されるからである。

ベース５７上には、半導体レーザ装置５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ装置５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、ディテクタ５６は、半導体レーザ装置５１の反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
なお、ラマン増幅器用励起光源において安定したラマン利得を実現するためには、発振波長が駆動電流によらず安定化していることが要求される。この観点から、本実施の形態のより望ましい変形例として、アイソレータ５３を用いずに、ファイバピグテイルにファイバブラッググレーティングを具備したモジュールとしてもよい。

この実施の形態２では、実施の形態１で示した半導体レーザ装置をモジュール化しているため、高出力かつ高信頼性のレーザモジュールを得ることができる。

[実施の形態３]
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態３は、上述した実施の形態２の変形例に示した半導体レーザモジュールを光増幅器、特にラマン増幅器に適用したものである。

図５は、この発明の実施の形態３に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図５において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態２に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用い、さらに、信号光を伝送する光導波路と、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光を該光導波路に入射させるための光合波手段とを備えたことを特徴とする。本実施の形態では、光導波路として光ファイバを、また、光合波手段としてカプラを用いているが、もちろんこれらの種類の構成部品に限定されるものではない。

各半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｂは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である。また、半導体レーザモジュール６０ｃ、６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。これは、ラマン増幅が偏波依存性を有するためであり、偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。

各偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂから出力された異なる波長を持ったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成され、合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。

増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。

制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光を元に各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。

この実施の形態３に示したラマン増幅器では、実施の形態２に示した半導体レーザモジュールを使用しているため、高性能で信頼性に優れたラマン増幅器となる。

なお、本実施の形態には、実施の形態２に示した光モジュールをラマン増幅器に適用した例を示したが、ラマン増幅器に限らず、他の種類の光増幅器にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の概略を示す縦断面である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の活性層付近のバンドギャップダイアグラムである。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置における基板に垂直な方向における実効的な屈折率分布および活性層４で生じる光の強度分布を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態３に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ ＩｎＰ半導体基板
２Ａ 下部クラッド層
２Ａ_１ ＩｎＰ
２Ａ_２ ＧａＩｎＡｓＰ
２Ｂ 上部クラッド層
３Ａ 下部光閉じ込め層
３Ａ_１、３Ａ_２、・・・、３Ａ_ｎ 下部光閉じ込め層を構成する層
３Ｂ 上部光閉じ込め層
３Ｂ_１、３Ｂ_２、・・・、３Ｂ_ｎ 上部光閉じ込め層を構成する層
４ 活性層
４Ａ 井戸層
４Ｂ 障壁層
５ ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
６Ａ ｎ側下部電極
６Ｂ ｐ側上部電極
７ メサストライプ
１０、２０、５１ 半導体レーザ装置
１１ 反射膜
１２ 反射膜
ｆ 前端面
ｒ 後端面
ｈ１ 包絡線
ｈ２ 包絡線
５０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 半導体レーザモジュール
５２ 第１レンズ
５３、６６ アイソレータ
５４ 第２レンズ
５５ 光ファイバ
５６ ディテクタ
５７ ベース
５８ ペルチェ素子
５９ パッケージ
６１ａ 偏波合成カプラ
６４ 増幅用ファイバ
６５ ＷＤＭカプラ
６７ モニタ光分配用カプラ
６８ 制御回路
７０ 信号光出力ファイバ
７１ 偏波面保持ファイバ

Claims (8)

1. ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層および活性層を有する半導体レーザ装置において、前記ｎ型クラッド層は、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰを含んだ組成の互いに異なる２以上の層からなり、かつ、前記ｎ型クラッド層の屈折率は前記ｐ型クラッド層の屈折率より大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ組成波長は、１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記組成の互いに異なる２以上の層は、超格子構造を形成していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記活性層は、量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記半導体レーザ装置は、分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記ＳＣＨ構造は単一の層または二以上の層からなり、前記超格子構造の実効的なバンドギャップ組成波長は、前記ＳＣＨ構造を構成する層のうち最もバンドギャップ組成波長の小さい層の組成波長以下であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光導波路と、前記半導体レーザ装置と前記光導波路とを光結合する光結合手段とを備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
8. 請求項７に記載のレーザモジュールと、信号光を伝送する光導波路と、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光を該光導波路に入射させるための光合波手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ増幅装置。
   

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