JP2002270938A - 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、受光素子の内部に一
定の厚さを持つ溝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、溝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得
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等の光源に用いられる半導体レ
ーザ装置に関する。

【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。

【０００３】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（Automatic P
ower 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。

【０００４】ＦＡＰＣ方式で、半導体レーザを使用する
際の構成例を図４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、一部が受光部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。

【０００５】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５に示す構成がある（特開２
００１−１５８４９号公報）。図５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２
２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。

【０００６】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、Ａ
ＰＣ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。

【０００７】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４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５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、Ａ
ＰＣ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〜１
００ＭＨｚ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。

【０００８】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。

【０００９】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課題がある。

【００１０】

【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課題が
あった。

【００１１】本発明は上記課題を解決し、且つ、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る
新規な半導体レーザ装置を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、透過鏡と受光
素子表面との間に一定の幅の溝を設けることを特徴とす
る。この構造により、戻り光の光軸と透過直接光との光
軸をシフトさせることが可能となり、戻り光が受光素子
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ＦＡ
ＰＣ方式で制御することができる半導体レーザ装置であ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
を参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明の第１の実施形態を示す図
である。１は半導体レーザ、２５は半透過鏡で例えば半
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、溝である。溝４は、半透過鏡２５と間で、受光素
子２の受光面表面に例えばＲＩＥなどにより形成され
る。半導体レーザ１から出射した光は半透過鏡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、溝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、溝４の厚さを一定の厚さ以上に
することにより、半透過鏡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。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。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。

【００１５】図２は、本発明の第二の実施形態を示す断
面図である。図２（ａ）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。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２
８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧をかけて用いら
れる。半透過鏡２５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である。４は、溝でありＲＩＥな
どにより半透過鏡２５と受光素子基板２との間に形成さ
れており、表面は酸化膜などの絶縁膜で覆われている。
溝４は斜面２３とほぼ平行になるように斜面近傍に形成
されている。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、図２（ｂ）に示したように、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、透過した一部の直接光ビ
ーム３３は、溝４を透過後、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３１は半
透過膜２５により反射され,残りの一部は戻り光ビーム
３２となって、溝４を通過し、高濃度層２１に達する。
すなわち、半透過鏡２５を透過後のビームは、溝４を進
行中に直接光ビームと戻り光ビームとで進行方向の違い
を利用して分岐され、それぞれ異なる場所で基板２に入
射する。この構成により、戻り光ビーム３２は受光部に
ほとんど入射せずに直接光ビーム３３のみを受光する構
成が実現可能になり、戻り光によるＡＰＣ雑音が低減可
能となる。

【００１６】例えば、本実施の形態の構成によれば、半
導体レーザ１と斜面との出力光光軸方向距離を５０μ
ｍ、溝４の斜面法線方向の幅を２０μｍとし、直接光ビ
ーム３３および戻り光３１の広がり角を７°、斜面の傾
き角を４５°の場合には、溝４を透過した後には、戻り
光ビーム３２は直接光ビームとの交わり部が無いため、
受光素子の受光領域に戻り光ビームが入射しない構成が
実現できる。

【００１７】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。

【００１８】図３に本発明の第３の実施の形態を示す。
上記構造は次のようにしても実現される。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２
２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。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。その後、斜面２３上にＲＩＥなどによりトレ
ンチを複数形成後、還元性雰囲気中で約１１００℃で数
十分程度熱処理を行うことで、各トレンチによる空洞が
流動を起こし、空隙がＳｉ内に取り込まれ、斜面２３の
面上にあったトレンチ開口はふさがり、平坦になってい
く。その後、さらに熱処理を行うことで取り込まれた複
数の空隙がつながり、薄い半導体層６２により巨大な空
洞６が形成される（このプロセスの詳細は、特開２００
０−１２８５８号公報や、Ｔ．Sato et.al, Extended
Abstract of Int. Elec. Device Meet.(IEEE)p.
517(1999)などに掲載されている）。空洞６の大きさや
深さは、各トレンチの開口寸法、深さ、各トレンチ間隔
により一義的に決まる。また、斜面２３の面は、結晶と
して安定な面に平坦化されるため、異方性エッチングで
出した面がほぼ再現される。なお、トレンチの方向はサ
ブマウント基板２の表面法線方向である。ウェハを平坦
に置いてプロセス可能であるためプロセスが簡単である
という特徴をもつ。さらに、前記サブマウント基板２の
表面をＣＭＰなどの方法で除去し、空洞６の一部を露出
させる。さらに、全面に絶縁層２７を例えばＳｉＯ２な
どで形成する。その半透過ミラーとして膜２５を誘電体
膜で形成後、絶縁層２７の必要な部分にコンタクトホー
ルを空けて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。

【００１９】本製造法によれば、サブマウント基板２の
ウェハ表面からの一括プロセスによって斜面にほぼ平行
な溝４および分離領域８を形成可能であるため、直接光
ビーム３３の不要な吸収を最低限に抑えつつ、戻り光雑
音を有効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。

【００２０】上述した実施の形態では、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、ＰＩＮ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、勿論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。

【００２１】

【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、光ディスクへの書込みなどの光源に有効である
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施形態を説明するための
図。

【図２】 本発明の第二の実施形態を説明するための
図。

【図３】 本発明の第三の実施形態を説明するための
図。

【図４】 従来の半導体レーザ装置を説明するための
図。

【図５】 第2の従来例の半導体レーザを説明するため
の図。

【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 溝 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 AA01 AA20 AA43 BA01 BB03 CA09 DA01 FA05 FA25 FA27 FA33 HA13 HA38 JA57 5F073 BA02 BA06 EA14 EA15 GA12 5F089 AA01 AA02 AC02 CA12 CA15 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、 前記半透過鏡と前記受光素子の入射面表面との間に空隙
   を有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、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斜面上に形成された
   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、 前記半透過鏡と前記受光素子の入射面表面との間に空隙
   を有することを特徴とする半導体レーザ装置。