JP2002270937A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＤＶＤ−ＲＡＭなどの光ディスク光源におい
て、書込み時に必要な高速ＡＰＣを施す際、ＡＰＣ回路
の帯域が信号周波数と同等あるいはそれ以上の高い周波
数になってくると、戻り光によるモニター雑音が、全て
雑音として増幅され、ひいてはＡＰＣが不可能になるこ
とさえあるという問題がある。 【解決手段】 本発明は、半透過鏡２５とその後部に配
置した受光素子２との間、または、受光素子２の内部に
一定の厚さを持つ透明層４を設けることを特徴とする。
この構造により、戻り光の光軸が、透明層通過後に受光
素子の受光部７を通る事の無いよう配置することが可能
となり、戻り光の全てあるいは大部分が受光部に入射せ
ず、戻り光雑音を大幅に低減することが可能となる高速
ＦＡＰＣ方式で制御することができる半導体レーザ装置
構造を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光伝送技
術および光情報記録技術の光源として用いられる半導体
レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、光通信や光伝送および光情報記録
などの分野では出射光のコヒーレンシーや高速動作が可
能であること、あるいは非常に小型であることから光源
として半導体レーザが広く用いられている。半導体レー
ザは、外部から電流を注入することにより誘導放出光を
出力することと、熱変動に対して光強度が敏感に変化す
るため放熱路を確保するなどの理由により、リードフレ
ームやメタルブロックなどの金属部材に実装されている
が、金属と半導体レーザを構成する半導体材料との熱膨
張係数の違いを緩和するために、ＳｉやＡｌＮなどから
なるサブマウントと呼ばれる基材に実装された後、金属
部材に実装される。一方、半導体レーザは、環境温度変
化により敏感に光出力が変動する。そのため、半導体レ
ーザおよび実装基板の両方を一括して温度制御可能な素
子、例えばペルチェ素子などの上に実装される。しか
し、実装基板やサブマウントにも小さいながらも熱容量
が有るため、精密な光出力制御が必要な場合、実際の出
力光をモニタして駆動電流回路にフィードバック制御を
行わせる方法が取られる。これを自動光出力制御（Auto
matic Power Control: APC）と呼ぶ。端面出射型の
半導体レーザはへきかい面などで形成される両端面を共
振器ミラーとして用いているが、端面の反射率を特別に
制御しない限りは前後方向に対称に出力光が出射され
る。この後方より出力した光を受光素子などでモニタす
ることで、上記のＡＰＣを構成可能であるが、モニタさ
れた光は信号としては寄与しないため、光の利用効率は
下がる。そのため、高出力化や高効率化が必要なシステ
ムにおいては、後方の端面の反射率を誘電体多層膜など
で高めることで出来るだけ光の利用効率を上げる方法が
取られる。このような場合には、モニタに利用できる後
方からの出射光は、小さくなりＳＮ比が劣化して精密な
ＡＰＣがかけられなくなる。そのため、前方からの光
（信号光）の一部をモニタする必要が生じ、この制御方
式をフロントＡＰＣ（以下、ＦＡＰＣと記す）と呼ぶ。

【０００３】ＦＡＰＣ方式で、半導体レーザを使用する
際の構成例を図３に示す。１は半導体レーザ、２５は出
射光分割手段で例えばハーフミラーなどで構成される。
２はモニタ用受光素子で、一部に受光部７が形成されて
いる。半導体レーザ１から出射した光は分割手段２５で
分割され一部は、出力光となり例えば光ディスクへ出射
される。残りの一部は、光出力モニタ用の受光素子に入
力しＡＰＣ用のモニタ光電流を出力する。この構成を、
集積化しかつ短波長の光にも適用可能な方式として、図
４に示す構成がある（特開２００１−１５８４９号公
報）。図４で、１は半導体レーザ素子である。２はサブ
マウント基板で例えばＳｉ等からなり、高濃度に不純物
ドープされたｎ型伝導型の基板２１上に不純物濃度が低
い層２２と、さらに低濃度層２２上にｐ型電動型の高濃
度層２４がエピタキシャル成長などで形成された基板
に、異方性エッチングなどにより凹部が形成されてい
る。該凹部の斜面２３上の一部には、誘電体多層膜や薄
い金属からなる半透過膜２５が形成されている。２４，
２２，２１の各層でｐｉｎ型フォトダイオードを構成す
る。２６は、フォトダイオード引出しｐ電極であり、一
部が高濃度層２４とコンタクトしている以外は、絶縁層
２７で電気的に絶縁される。引き出しｐ電極２６と裏面
電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧をかけて
ほぼ低濃度層２２全体に広がる空乏層を受光部として用
いられる。半導体レーザ素子１は、半田などからなる導
電性の接着剤５により凹部に実装されており、その出射
光１４は、斜面２３上に形成された半透過膜２５で一部
は反射され基板上方に出力され、透過した一部の光は低
濃度層２２内に広がった空乏層に入り、吸収されて光電
流となる。この電流を、ＡＰＣ回路に入力することで、
半導体レーザ素子の出力光が制御される。通常、ＡＰＣ
回路の帯域は数十〜数百Ｈｚと低く設定されており、半
導体レーザの出力光変動の遅い成分を識別して制御する
ように設計される。これは、半導体レーザ光の大きな変
動要因が温度変化にあるためである。

【０００４】一方、光ディスク応用などを考慮した場
合、出力光は光ディスク表面で反射され、途中に挿入さ
れたホログラム素子などで分岐されて信号受光素子など
に入力される。しかしながら、ホログラム素子での分岐
は回折を利用しており、光ディスク媒体の複屈折率の違
いなどで、反射光の１００％が回折できず、光源に戻っ
てくる戻り光がある。そのため、半導体レーザ側では、
信号周波数よりも高い周波数で一定の変調をかけ続ける
高周波重畳技術により、半導体レーザの戻り光雑音低減
を図っている。図３においては、戻り光を３１、そのう
ち受光部７に入射する光を３２で示している。図４にお
いて、戻り光３１は半透過膜２５で大部分が反射される
が、一部はモニター用のフォトダイオードの受光部、す
なわち低濃度層２２付近に広がる空乏層に入射し、本来
の半導体レーザ出射光１４による光電流に付加されて、
ＡＰＣ回路へ入力され雑音となる。光ディスクからの戻
り光に含まれる信号光の周波数は、通常数１０ＭＨｚ〜
１００ＭＨｚと高い周波数であり、低域しかゲインの無
いＡＰＣ回路では、平均値のみが検出され、微小なオフ
セットが生じるだけである。これは、ほぼ一定の微小な
値になるため、ＡＰＣ回路のゲイン調整でキャンセル可
能である。

【０００５】しかし、ＲＡＭ応用では、書込み時の光パ
ルスを精密に制御するために、高速のＡＰＣを用いるこ
とが有効であることが報告されており（Ｐｒｏｃ．ＳＰ
ＩＥｖｏｌ．1499，pp.324-329）、書き込み光パルス強
度制御と戻り光雑音低減のために、高速のＡＰＣが有効
である。

【０００６】ＡＰＣ回路の帯域が信号周波数と同等ある
いはそれ以上の周波数になってくると、前述の戻り光に
よるモニタ雑音は、全て雑音として増幅され、ひいては
ＡＰＣが不可能になることさえあるという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上で詳述した通り、
フロントＡＰＣ用の受光素子の表面を半透鏡として利用
した半導体レーザ装置において、戻り光がフロントモニ
タＰＤに入射し、ＡＰＣ回路の雑音となるという問題が
あった。

【０００８】本発明は上記従来の問題を解決した新規な
半導体レーザ装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、反射鏡とその
後部に配置した受光素子との間に一定の厚さを持つ透明
層を設けることを特徴とする。この構造により、戻り光
の光軸が、透明層通過後に受光素子の受光部を通る事の
無いよう配置することが可能となり、戻り光の全てある
いは大部分が受光部に入射せず、戻り光雑音を大幅に低
減することが可能となる高速ＦＡＰＣ方式で制御するこ
とができる半導体レーザ装置構造を提供することで上記
課題を解決する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。

【００１１】図１は、本発明の第１の実施例を示す図で
ある。図１（ａ）で１は半導体レーザ、２５は出射光分
割手段で例えば半透膜などで構成される。２はモニタ用
受光素子である。４は、透明層である。透明層４は、半
導体レーザ１の出射光波長の光を吸収せず、ほぼ透明で
あれば良く、例えば、ＳｉＯ２厚膜などで構成される。
半導体レーザ１から出射した光は分割手段２５で分割さ
れ一部は、出力光となり例えば光ディスクへ出射され
る。残りの一部は、透明層４を通過後に光出力モニタ用
の受光素子２の受光部７に入射し、ＡＰＣ用のモニタ光
電流を出力する。ここで、透明層４の厚さを一定の厚さ
以上にすることにより、半透過膜２５通過後の戻り光の
うち大部分が受光素子の受光部７に入射しないように配
置することができる。

【００１２】図１では、説明のため光ビームは直線で示
しているが実際には、ある広がりを持った光であるた
め、戻り光のうち一部は受光部に入射する可能性はある
が、本実施例のように戻り光の光軸付近の光が受光部７
に入射しないように配置することで、大幅に戻り光雑音
を低減することができる。特に、外部の光学系でビーム
がある程度絞られる条件にある場合が多く、ビーム広が
りが限定されていればより効果的となる。例えば、光デ
ィスクシステムの場合、対物レンズの開口により光ディ
スクに照射されて反射するビームの広がり角は絞られて
おり、戻り光の広がり角は約７°程度である。光学系が
対称であれば、この広がり角で絞られたビームがちょう
ど半導体レーザ出射部付近で焦点を結ぶことになる。そ
の一部が、半透膜を透過して受光素子に入射する。

【００１３】この場合の、具体的な光ビームの様子を図
１（ｂ）で説明する。透明層４の屈折率を１．４６、厚
みを２０μm、半導体レーザ光の広がり角を７°、半導
体レーザと半透膜との距離を５０μm、半透膜と半導体
レーザ光の光軸とのなす角度を４５°とする。この時、
受光素子２表面での戻り光ビームは長径約１４μm（図
１（ｂ）中のｄ）の楕円となる。したがって、受光素子
の受光部をこのビームの外でかつ直接光を受光可能な位
置に配置すれば、光路のずれを利用してＦＡＰＣを実現
しつつ戻り光の影響をほとんど受けない構成が可能とな
る。図２は、本発明の第２の実施の形態を示す断面図で
ある。図２で、１は半導体レーザ素子である。２はサブ
マウント基板で例えばＳｉ等からなり、高濃度に不純物
ドープされたｎ型伝導型の基板２１上に不純物濃度が低
い層２２および高濃度に不純物がドーピングされたｐ型
伝導型領域２４がエピタキシャル成長などで形成された
基板に、異方性エッチングなどにより斜面２３を有する
凹部が形成されている。斜面２３上には、半導体レーザ
１の出射光の光に対して透明な透明層４が形成されてい
る。２４，２２，２１の各層でｐｉｎ型フォトダイオー
ドを構成する。２６は、フォトダイオード引出しｐ電極
であり、裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス
電圧をかけて用いられる。半導体レーザ素子１は、半田
などからなる導電性の接着剤５により凹部に実装されて
おり、その出射光１４は、斜面２３上に形成された誘電
体膜などからなる半透過膜２５で一部は反射され基板上
方に出力され、透過した一部の光は低濃度層２２内に広
がった空乏層に入り吸収されて光電流となる。戻り光３
１の一部は、半透過膜２５、透明層４を通過し、斜面２
３表面に達する。斜面２３まで達した戻り光ビーム３２
は、半導体レーザ１からの出射光１４が半透過膜２５を
通過後の直接光ビーム３３とは、異なる位置に入射す
る。そのため、受光領域を直接光ビーム３３が入射し、
戻り光ビーム３２が入射しない位置に配置することで、
戻り光によるＡＰＣ雑音が低減可能となる。受光領域
は、ほぼ低濃度層２２と同じ位置に形成される空乏層で
あるから、半導体レーザ１の実装されている凹部の深さ
を異方性エッチング時間のコントロールによって制御す
ることで、エピ層との相対高さを調節するなどの方法
で、上記の条件を満たすことが可能である。また、接着
剤５の厚み等によっても、半導体レーザ１の出射光１４
の高さを調節することも可能である。

【００１４】本実施例の構成によれば、透明層４の屈折
率を１．４６、斜面法線方向の厚みを２０μｍとし、戻
り光３１の広がり角を７°、斜面の傾き角を４５°の場
合には、戻り光ビーム３２は長径（斜面方向のビームの
広がり長さ）が約１４μｍ、戻り光ビーム３２と直接光
ビーム３３の斜面２３上での中心位置ずれ量は約２２μ
ｍとなり、十分直接光ビーム３３を受光しつつ戻り光ビ
ーム３２を受光しない位置に配置可能である。なお、図
２では、凹部の底面の反射面となる斜面２３側に溝２９
が形成されており、半導体レーザ素子１の光出射部（す
なわち活性層）が凹部底面に比較的近い位置にある場合
にも、出力光ビームが凹部底面で蹴られないようにして
いる。

【００１５】この構造は、次のようにして実現される。
まず、高濃度基板２１上にエピタキシャル成長などによ
り低濃度層２２および高濃度層２４が形成されたウェハ
を、熱酸化膜や窒化膜などをフォトリソグラフィーの手
法等を用いてパターニングし、これらの膜をマスクとし
てＫＯＨなどの溶液で底部が基板２１に到達するまで凹
部をエッチングする。更に同様の手法で底部の一部にパ
ターニング、エッチングを行い溝２９を形成できる。こ
の場合、ＫＯＨなどの異方性エッチング溶液を用いるこ
とにより凹部の斜面は特定の結晶面を出す事が出来、平
坦な面を得ることが出来る。さらに、全面に液体原料
（例えばＴＥＯＳ等）を用いたＣＶＤでＳｉＯ２を形成
するなど透明な厚膜形成可能方法で、透明層を形成す
る。その後、不要な部分をＲＩＥなどで除去し斜面２３
上に透明層４をパターニングする。この後に、半透過ミ
ラーとして膜２５を誘電体膜で形成後、フォトダイオー
ドの取出し電極２６および裏面電極２８を形成しダイシ
ング等によりチップに切り出す。

【００１６】上記実施の形態によれば、半導体レーザの
サブマウントにミラー付の受光素子を集積化しつつ戻り
光によるＡＰＣ雑音の低減が可能となり、小型で量産性
の良い集積化半導体装置の実現が可能である。

【００１７】また、前述までの実施の形態では、受光素
子構造として高速なＰＩＮ構造を示したが、通常のＰＮ
型の受光素子を用いても同様な効果が得られる。その場
合、低濃度層２２は不要であるが、ｐ型高濃度層とｎ型
高濃度層の境界付近に空乏層が形成され受光部となる。
この場合、基板の価格が低いという特徴をもつが、ＰＩ
Ｎ構造に比較すると同じバイアスで、空乏層厚が大きく
取れないため、感度が低く周波数応答が低いといった点
に注意が必要となる。また、基板２は２層のエピタイシ
ャル層で形成されているが、低濃度層２２のみの基板を
用いて外形を作成した後、熱拡散などであとからｐ層
（２４）を形成しても良い。さらに、基板はｎ型伝導型
としたがもちろんｐ型伝導型を用いた場合、伝導型を逆
にすれば同様の構成が得られる。

【００１８】

【発明の効果】上述した本発明によれば、半導体レーザ
からの直接光ビームの光軸中心部のほとんどは、受光素
子内の受光部に入力し、かつ、戻り光ビームの多くは受
光部に透過しない位置に受光部を配置することが可能で
あり、半導体レーザの出力光強度制御（ＡＰＣ）回路に
混入する戻り光雑音の低減が可能となる。したがって、
半導体レーザの出力光強度が精度良く、高速に制御が可
能となり、光ディスクの書き込みなどの光源に有効であ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を説明するための
図。

【図２】本発明の第二の実施の形態を説明するための
図。

【図３】従来の半導体レーザ装置を示す図。

【図４】第２の従来例を示す図。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ素子 ２ サブマウント基板（受光素子） ４ 透明層 ５ 接着剤 ６ 空洞 ７ 受光部 １４ 出力光ビーム ２１ 高濃度ｎ型伝導型の基板 ２２ 低濃度ｎ型エピタキシャル層 ２３ 凹部斜面 ２４ 高濃度ｐ型拡散層 ２５ 半透過膜（半透過鏡） ２６ 受光素子引出し電極 ２７ 絶縁層 ２８ サブマウント裏面電極 ２９ 受光素子分離溝 ３１ 戻り光 ３２ 受光素子内に入射した戻り光ビーム ３３ 受光素子内に入射した直接光ビーム ６２ 薄い半導体層

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5D119 AA20 AA43 BA01 BB03 CA09 DA01 FA05 FA25 FA27 HA13 HA38 JA57 LB06 5F073 AB27 BA02 BA06 EA14 EA15 GA02 GA12 5F089 AA01 AA02 AC02 CA12 CA15 CA20 GA03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと、半透過鏡と、光出力モ
   ニタ用受光素子とを具備し、前記半導体レーザの出力光
   が前記半透過鏡によって一部反射されて外部に出力さ
   れ、残りの一部は前記半透過鏡を透過して前記受光素子
   の受光部に入射する半導体レーザ装置において、 前記半透過鏡の反射面と前記受光素子の入射面法線方向
   とがほぼ平行であって、前記半透過鏡と前記受光素子と
   の間に所定の厚さの透明層を有し、前記半導体レーザの
   直接光のうち少なくとも光軸中心部が前記受光素子の受
   光部に入射し、戻り光の少なくとも光軸中心部が前記受
   光部に入射しないよう該受光部を配置することを特徴と
   する半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子
   を実装するサブマウント基板と両者を電気的に接続する
   手段とを有し、該サブマウント基板に少なくとも一つ以
   上の凹部が形成されており、該凹部の少なくとも一つの
   面が斜面を有し、該斜面上に所定の厚さの透明層が形成
   され、前記凹部の底面に実装された前記半導体レーザ素
   子の出射光の一部が前記透明層表面に形成された半透過
   鏡で反射されて出力され、残りの一部がサブマウント基
   板内に入射し前記斜面側の基板表面に形成された受光素
   子で受光される半導体レーザ装置であり、 前記半導体レーザの直接光のうち少なくとも光軸中心部
   が前記受光素子の受光部に入射し、戻り光の少なくとも
   光軸中心部が前記受光部に入射しないよう該受光部を配
   置することを特徴とする半導体レーザ装置。