JP2005216925A - Vertical cavity surface emitting laser array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信等の光源に用いられる面発光型半導体レーザアレイに関し、特に、レーザ素子のレイアウトに関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser array used for a light source such as optical communication, and more particularly to a layout of a laser element.
面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode 以下、VCSELという)は、しきい値電流が低く、消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、光源の二次元アレイ化が可能であるなどの優れた特徴を持つ。その反面、各レーザ素子からの光出力は小さいため、大きな出力を要求される場合には、複数のレーザ素子をアレイ状に配列し、これらを同時に駆動したり、またはグループ化したものを時分割的に駆動している。 A surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode, hereinafter referred to as VCSEL) has a low threshold current, low power consumption, and a circular light spot can be easily obtained. It has excellent features such as being possible. On the other hand, since the light output from each laser element is small, when a large output is required, multiple laser elements are arranged in an array, and these are driven at the same time, or grouped elements are time-shared. Is driving.
こうしたマルチスポットのレーザ光を出力させるVCSELに関し、種々の報告がなされている。例えば特許文献1は、基板上に形成された単一の柱状部分の端面に単純な正方形状となる位置に4つの開口部(2×2アレイ)を有する上部電極を設け、この開口部を覆うように上部反射ミラーを配置する面発光型半導体レーザを開示している。これにより発光スポットを近接させ放射角を小さくすることを可能にしている。
Various reports have been made on VCSELs that output such multi-spot laser beams. For example, in
特許文献2は、単純な正方形状の位置に2×2のレーザ素子を配置した二次元レーザアレイを含み、これらレーザからの光をマルチモード光ファイバに入射させる送信装置に関するものである。
特許文献3は、半導体結晶による正六角柱状の導波路を選択成長技術により形成し、各側面に独立に駆動できる発光活性層を設けて面発光レーザを構成するものである。
In
特許文献4は、発光領域を2×2の複数の領域に分割し、それぞれ電流を分割して注入することにより、それぞれの発光領域を効率の高い状態で動作させ、全体として光出力の高い垂直共振型発光ダイオードを得るものである。
In
しかしながら、従来の面発光型半導体レーザアレイには次のような課題がある。図13は、レーザ素子を5行×5列のマトリックス状に配列したときの模式的な平面図である。円形部分が1つ1つのレーザ素子のポストを表しており、各レーザ素子は50μmの間隔で配列されている。電極Eを介して各レーザ素子に10mAの駆動電流を供給し、レーザ素子を同時に全点灯させたとき、各レーザ素子からの発熱によりレーザ素子間に温度変化が生じる。例えば、中心のレーザ素子Cと、4隅のレーザ素子A、B、D、Eとの間には約10℃の温度差が生じする。レーザ素子間に温度差が生じると、それぞれのレーザ素子の波長、光出力および平均寿命が変化してしまい、レーザアレイから一様なレーザ発振を得ることができないという課題がある。 However, the conventional surface emitting semiconductor laser array has the following problems. FIG. 13 is a schematic plan view when laser elements are arranged in a matrix of 5 rows × 5 columns. A circular portion represents a post of each laser element, and each laser element is arranged at an interval of 50 μm. When a drive current of 10 mA is supplied to each laser element via the electrode E and all the laser elements are turned on simultaneously, a temperature change occurs between the laser elements due to heat generated from each laser element. For example, a temperature difference of about 10 ° C. occurs between the center laser element C and the four corner laser elements A, B, D, and E. When a temperature difference occurs between laser elements, the wavelength, light output, and average life of each laser element change, and there is a problem that uniform laser oscillation cannot be obtained from the laser array.
本発明は、上記従来の課題を解決し、レーザ素子間の温度差をできるだけ小さくし、より均一な特性を有する面発光型半導体レーザアレイを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and provide a surface emitting semiconductor laser array having a more uniform characteristic by minimizing a temperature difference between laser elements.
本発明は、上記従来の課題を解決するために以下のような解析を行った。図14(a)は、図13に示した5×5のマトリックス配列されたレーザ素子A、B、C、D、Eの波長を測定したグラフであり、横軸に波長、縦軸に光出力を示している。図14(b)の表は、レーザ素子A、B、C、D、Eのピーク波長(λp)、中心のレーザ素子Cの波長(859.72nm)を基準としたときの波長差(Δλp)、波長差から推定される温度差(ΔT℃)を示している。表からも明らかなように、レーザ素子A、B、D、Eの各波長は、レーザ素子Cと比較して、それぞれ−0.6nm、−0.64nm、−0.6nm、−0.52nmだけ短くなっている。レーザ光の発振波長が温度変化によって遷移することは良く知られており、この波長変化と温度差の関係は、0.6nm/℃の式にて表すことができる。この式を用いて、中心のレーザ素子Cを基準に、4隅のレーザ素子A、B、D、Eの温度差を推定すると、それぞれ−10℃、−10.6667℃、−10℃、−8.66667℃となる。 In order to solve the above conventional problems, the present invention has been analyzed as follows. FIG. 14A is a graph in which the wavelengths of the laser elements A, B, C, D, and E shown in FIG. 13 arranged in a 5 × 5 matrix are measured. The horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the optical output. Is shown. The table of FIG. 14B shows the wavelength difference (Δλp) with reference to the peak wavelength (λp) of the laser elements A, B, C, D, and E and the wavelength of the central laser element C (859.72 nm). The temperature difference (ΔT ° C.) estimated from the wavelength difference is shown. As is clear from the table, the wavelengths of the laser elements A, B, D, and E are −0.6 nm, −0.64 nm, −0.6 nm, and −0.52 nm, respectively, as compared with the laser element C. Only shortened. It is well known that the oscillation wavelength of laser light transitions due to a temperature change, and the relationship between the wavelength change and the temperature difference can be expressed by an equation of 0.6 nm / ° C. Using this equation, the temperature difference between the laser elements A, B, D, and E at the four corners is estimated with reference to the center laser element C, and −10 ° C., −10.6667 ° C., −10 ° C., − 8.66667 ° C.
また、各レーザ素子に対して10mAの駆動電流を供給したときのレーザ素子自身の温度上昇は約30度である。各レーザ素子は、GaAs基板上から突出するメサもしくはポストを有しており、各ポストからの発熱はGaAs基板に対して一様に熱伝導するものと考えられる。中心のレーザ素子Cの温度が他のレーザ素子よりも相対的に高くなる理由は、隣接するレーザ素子からの熱の影響を受けるものと推測される。 Further, when a 10 mA drive current is supplied to each laser element, the temperature rise of the laser element itself is about 30 degrees. Each laser element has a mesa or post projecting from the GaAs substrate, and the heat generated from each post is considered to conduct heat uniformly to the GaAs substrate. The reason why the temperature of the central laser element C is relatively higher than the other laser elements is presumed to be affected by the heat from the adjacent laser elements.
レーザ素子Cに着目すると(図13参照)、レーザ素子Cの周囲には、8つの隣接するレーザ素子C1〜C8が存在する。C2、C4、C6、C8のレーザ素子は、レーザ素子Cと50μmだけ離間され、C1、C3、C5、C7のレーザ素子はレーザ素子Cと約70μmだけ離間されている。以降、50μm離間されたレーザ素子を「隣接レーザ素子」、70μm離間されたレーザ素子を「対角隣接レーザ素子」という。 Focusing on the laser element C (see FIG. 13), there are eight adjacent laser elements C1 to C8 around the laser element C. The laser elements C2, C4, C6, and C8 are separated from the laser element C by 50 μm, and the laser elements C1, C3, C5, and C7 are separated from the laser element C by about 70 μm. Hereinafter, laser elements separated by 50 μm are referred to as “adjacent laser elements”, and laser elements separated by 70 μm are referred to as “diagonal adjacent laser elements”.
一方、コーナーに位置するレーザ素子Aに着目すると、レーザ素子Aの周囲には2つの隣接レーザ素子A1、A2と1つの対角隣接レーザ素子C1とが存在する。他のコーナーのレーザ素子B、D、Eに関してもそれぞれ2つの隣接レーザ素子と1つの対角隣接レーザ素子が存在する。 On the other hand, paying attention to the laser element A located at the corner, there are two adjacent laser elements A1 and A2 and one diagonally adjacent laser element C1 around the laser element A. Regarding the laser elements B, D, and E at the other corners, there are two adjacent laser elements and one diagonal adjacent laser element, respectively.
マトリックス状に配列された各レーザ素子は、それぞれがの位置によって、熱的に影響を受ける隣接レーザ素子数および対角隣接レーザ素子数を異にし、この数量の違いが結果的に各レーザ素子に温度差を生じさせていると考えられる。以上を実験データに基づいた測定値で等方的に熱拡散したと仮定し各レーザ素子からの熱流入を試算すると、1つの隣接レーザ素子から受ける温度上昇(熱流入)は、2.5℃、1つの対角隣接レーザ素子から受ける温度上昇(熱流入)は1.67℃と表すことができる。 The laser elements arranged in a matrix form have different numbers of adjacent laser elements and diagonally adjacent laser elements that are thermally affected depending on their positions, and this difference in quantity results in each laser element. It is considered that a temperature difference is caused. Assuming that the above is isotropically heat-diffused with measured values based on experimental data and calculating the heat inflow from each laser element, the temperature rise (heat inflow) received from one adjacent laser element is 2.5 ° C. The temperature rise (heat inflow) received from one diagonally adjacent laser element can be expressed as 1.67 ° C.
図15(a)に示す表は、レーザ素子A〜Eについての隣接レーサ素子数と対角隣接レーザ素子数と、上記仮定に従って算出された温度上昇と、自己発熱(30℃)を加算したときの温度を表している。また、同図(b)は、ビーム間隔(レーザ素子間隔)と熱流入との関係を示している。中心のレーザ素子Cと、コーナーのレーザ素子A、B、D、Eとを比較すると、レーザ素子Cについての隣接レーザ素子数および対角隣接レーザ素子がコーナーのレーザ素子数よりも多い。両者の差分は、隣接レーザ素子数で2つ、対角隣接レーザ素子数で3つであり、熱流入による温度差は10℃となる。 The table shown in FIG. 15A is obtained when the number of adjacent laser elements and the number of diagonally adjacent laser elements for laser elements A to E, the temperature rise calculated according to the above assumption, and self-heating (30 ° C.) are added. Represents the temperature. FIG. 2B shows the relationship between the beam interval (laser element interval) and heat inflow. Comparing the center laser element C with the corner laser elements A, B, D, and E, the number of adjacent laser elements and the diagonally adjacent laser elements for the laser element C are larger than the number of corner laser elements. The difference between them is 2 for the number of adjacent laser elements and 3 for the number of diagonally adjacent laser elements, and the temperature difference due to heat inflow is 10 ° C.
以上の解析に基づき、本発明では以下の手段を採用する。本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、基板と、基板上に二次元的に配列された複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、前記複数のレーザ素子は少なくとも中心部を除く領域に配列されている。中心部の温度上昇の影響を抑えることで、各レーザ素子間の温度差を小さくし、アレイの特性、すなわち、発振波長、光出力および平均寿命の均一化を図ることができる。 Based on the above analysis, the present invention employs the following means. A surface emitting semiconductor laser array according to the present invention includes a substrate, a plurality of laser elements two-dimensionally arranged on the substrate, and an electrode portion for supplying current to the plurality of laser elements, The plurality of laser elements are arranged in a region excluding at least the central portion. By suppressing the influence of the temperature rise at the center, the temperature difference between the laser elements can be reduced, and the characteristics of the array, that is, the oscillation wavelength, the optical output, and the average life can be made uniform.
好ましくは複数のレーザ素子はマトリックス状に配列され、その中心を除く領域にレーザ素子が配列されている。また、好ましくはマトリックス配列において、コーナーを除く領域にレーザ素子が配列されている。マトリックス配列は、少なくとも3行×3列を有する。コーナーに配列されるレーザ素子は他の素子よりも温度上昇が小さいため、これらのレーザ素子をなくすことでレーザ素子間の温度差を小さくでき、アレイの特性の均一性を図ることができる。 Preferably, the plurality of laser elements are arranged in a matrix, and the laser elements are arranged in a region excluding the center thereof. Preferably, the laser elements are arranged in a region excluding the corners in the matrix arrangement. The matrix array has at least 3 rows x 3 columns. Since the temperature rise of the laser elements arranged in the corners is smaller than that of other elements, the temperature difference between the laser elements can be reduced by eliminating these laser elements, and the uniformity of the array characteristics can be achieved.
さらに本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、基板と、基板上に二次元的に配列された複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、複数のレーザ素子はすべて等間隔で配列されている。これにより、各レーザ素子が他のレーザ素子から受ける熱の影響を均一化し、レーザ素子間の温度差を低減しアレイの特性の均一化を図ることができる。 Furthermore, the surface emitting semiconductor laser array according to the present invention includes a substrate, a plurality of laser elements arranged two-dimensionally on the substrate, and an electrode portion for supplying current to the plurality of laser elements, The plurality of laser elements are all arranged at equal intervals. As a result, the influence of heat received by each laser element from other laser elements can be made uniform, the temperature difference between the laser elements can be reduced, and the characteristics of the array can be made uniform.
さらに本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、基板と、基板上に二次元的に配列される複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、各レーザ素子は、基板から突出するポストを有し、該ポストは選択的に酸化された酸化領域と該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む電流狭窄層を有し、レーザ素子の配列において内側に位置するレーザ素子の導電領域の径が外側に位置するレーザ素子の導電領域の径よりも大きい。導電領域の径が大きいほど熱の発生が小さくなるため、内側のレーザ素子の導電領域の径を大きくすることで、レーザ素子間の温度差を小さくすることがでる。 Furthermore, the surface emitting semiconductor laser array according to the present invention includes a substrate, a plurality of laser elements arranged two-dimensionally on the substrate, and an electrode portion for supplying current to the plurality of laser elements, Each laser element has a post protruding from the substrate, the post having a current confinement layer including an oxidized region selectively oxidized and a conductive region surrounded by the oxidized region. The diameter of the conductive region of the laser element located inside is larger than the diameter of the conductive region of the laser element located outside. Since the generation of heat decreases as the diameter of the conductive region increases, the temperature difference between the laser elements can be reduced by increasing the diameter of the conductive region of the inner laser element.
好ましくは、内側に位置するレーザ素子のポスト径は外側に位置するレーザ素子のポスト径よりも大きく、すべてのレーザ素子の酸化領域がポストの側面から実質的に等しい距離だけ酸化されている。これにより各ポストの酸化領域を同一の酸化工程で形成することができる。 Preferably, the post diameter of the laser element located on the inside is larger than the post diameter of the laser element located on the outside, and the oxidized regions of all the laser elements are oxidized by a substantially equal distance from the side surface of the post. Thereby, the oxidation region of each post can be formed in the same oxidation step.
本発明によれば、レーザ素子の配列を上記のようにすることで、レーザ素子間の温度差を小さくし、これによってアレイとしての特性の均一性を図ることができる。 According to the present invention, by arranging the laser elements in the above-described manner, the temperature difference between the laser elements can be reduced, thereby achieving uniformity in characteristics as an array.
本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、好ましくは半導体基板上に複数のレーザ素子がマトリックス状に配列され、各レーザ素子は選択酸化された電流狭窄層を含む円柱状のポストまたはメサを有している。各レーザ素子は、好ましくは同時に発光するように駆動され、光通信装置等の光源として利用される。以下、図面を参照して詳細に説明する。 The surface-emitting type semiconductor laser array according to the present invention preferably has a plurality of laser elements arranged in a matrix on a semiconductor substrate, and each laser element has a cylindrical post or mesa including a selectively oxidized current confinement layer. doing. Each laser element is preferably driven to emit light at the same time, and is used as a light source for an optical communication device or the like. Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを上方からみたときの模式的な平面図である。同図に示す面発光型半導体レーザアレイ110は、GaAs等の半導体基板120上に、5行×5列のマトリックス状に配列された複数のレーザ素子130を含んでいる。但し、本実施例のレーザアレイ110は、マトリックス配列の中心はレーザ素子を形成しておらず、この点が従来のマトリックス配列と異なる。
FIG. 1 is a schematic plan view of a surface-emitting type semiconductor laser array according to the first embodiment of the present invention as viewed from above. A surface-emitting type semiconductor laser array 110 shown in FIG. 1 includes a plurality of
各レーザ素子130は、隣接するレーザ素子と50μmの間隔で配置され、従って、対角方向の隣接するレーザ素子との間隔は約70μmである。また、レーザ素子120への注入電流は電極部Eから行われるが、電極部Eとレーザ素子との間の配線は省略されている。配線は、すべてのレーザ素子に共通のパターン形状であっても良いし、レーザ素子に個別となるようなパターン形状であってもよい。
Each
上記したように、複数のレーザ素子をマトリックス配列したとき、中心のレーザ素子への熱流入がもっとも大きく(隣接レーザ素子数および対角隣接レーザ素子数が8)、相対的に温度が一番上昇する。このため、本実施例では中心のレーザ素子を除く配列とすることで、アレイ上の各レーザ素子間の温度差を小さくする。 As described above, when a plurality of laser elements are arranged in a matrix, the heat flow into the central laser element is the largest (the number of adjacent laser elements and the number of diagonally adjacent laser elements is 8), and the temperature rises the most. To do. For this reason, in this embodiment, the temperature difference between the laser elements on the array is reduced by adopting an arrangement excluding the central laser element.
図2は、図1のマトリックス配列のときの各レーザ素子へ熱流入されるべき隣接レーザ素子数と対角隣接レーザ素子数の合計を示したものである。コーナーに位置するレーザ素子の隣接レーザ素子数および対角レーザ素子数の合計が一番小さく(3つ)、内側の位置するレーザ素子数の合計が7で、一番大きい。両者の差分は4であり、従来例の差分5(図15(a)を参照)よりも小さい。また、内側に位置するレーザ素子132と134は、合計数は7で等しいが、レーザ素子132は隣接レーザ素子数が4、対角隣接レーザ素子数が3であり、レーザ素子134は隣接レーザ素子数が3、対角隣接レーザ素子数が3である。この結果、レーザ素子132の熱流入による温度上昇は約15℃であり、レーザ素子134の温度上昇は約14℃であり、レーザ素子132の温度上昇が幾分高くなる。
FIG. 2 shows the total of the number of adjacent laser elements and the number of diagonally adjacent laser elements to be heat-inflowed into each laser element in the matrix arrangement of FIG. The sum of the number of adjacent laser elements and the number of diagonal laser elements of the laser element located at the corner is the smallest (three), and the sum of the number of laser elements located on the inside is seven, which is the largest. The difference between the two is 4, which is smaller than the
図3は、本発明の第2の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを示す図である。第2の実施例に係るレーザアレイ111は、図1のマトリックス配列からさらに4隅(コーナー)に位置する4つのレーザ素子A、B、D、Eを削除したものである。上記したように、コーナーに位置するレーザ素子は、熱流入されるべき隣接レーザ素子数が一番少ないため、これをなくすることで、アレイ上のレーザ素子間の温度差を一層小さくすることができる。第2の実施例の場合、外側に位置するレーザ素子136(図2を参照)への熱流入が一番小さくなり、温度差は約11℃となる。 FIG. 3 is a view showing a surface emitting semiconductor laser array according to a second embodiment of the present invention. The laser array 111 according to the second embodiment is obtained by deleting four laser elements A, B, D, and E located at four corners from the matrix arrangement of FIG. As described above, the laser elements located at the corners have the fewest number of adjacent laser elements to which heat should flow, so eliminating this can further reduce the temperature difference between the laser elements on the array. it can. In the case of the second embodiment, the heat flow into the laser element 136 (see FIG. 2) located on the outside is the smallest, and the temperature difference is about 11 ° C.
図4は、本発明の第3の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを示す図である。第3の実施例に係るレーザアレイ112は、基板120上に配列される14個のレーザ素子がそれぞれ等しい距離dだけ離間されている。図5は、各レーザ素子が熱流入の影響を受ける隣接するレーザ素子数を示した図である。内側に配列されたレーザ素子140の素子数が6、コーナーのレーザ素子142の素子数3、それ以外のレーザ素子144の素子数が4である。距離dが50μmである場合、レーザ素子間の温度差は7.5℃となり、レーザ素子間の温度変化をより小さくすることができる。
FIG. 4 is a view showing a surface emitting semiconductor laser array according to a third embodiment of the present invention. In the laser array 112 according to the third embodiment, 14 laser elements arranged on the
図6は、等間隔に配列されるレーザ素子の他のレイアウトを示している。基板120上に12個のレーザ素子が距離dの間隔で六角形の外周に沿うようなレイアウトで配列されるが、中心部または内側にはレーザ素子は配置されていない。この結果、各レーザ素子が熱流入されるべき隣接するレーザ素子数がすべて2となり、熱流入による温度差がゼロとなる。このため、レーザ間の温度差は実質的になくすことができる。
FIG. 6 shows another layout of laser elements arranged at equal intervals. Twelve laser elements are arranged on the
図7は、本発明の第4の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを示す図である。第4の実施例に係るレーザアレイ113は、5行×5列のマトリックス配列されたレーザ素子を含むが、レーザ素子の酸化径の大きさを異ならしめている(図中、円形状の破線は酸化径を表している)。 FIG. 7 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser array according to a fourth embodiment of the present invention. The laser array 113 according to the fourth embodiment includes laser elements arranged in a matrix of 5 rows × 5 columns, but the sizes of the oxidation diameters of the laser elements are different (in the figure, the circular broken line is the oxidation line). Represents the diameter).
図8は、ポスト内に形成される電流狭窄層を模式的に示す平面図である。電流狭窄層50は、ポストの側面から一定の距離だけ選択的に酸化された酸化領域52と、酸化領域52によって囲まれた導電領域(酸化径)54とを有する。酸化径54は、ポストの外形に応じた円形状を有し、酸化領域52の酸化距離を調整することで、酸化径54の大きさSを変えることができる。酸化領域52は導電領域54と比べて反射率が高く非導通であるため、ポスト内の垂直共振器において電流およびレーザ光を閉じ込める作用をする。 FIG. 8 is a plan view schematically showing a current confinement layer formed in the post. The current confinement layer 50 includes an oxidized region 52 that is selectively oxidized by a certain distance from the side surface of the post, and a conductive region (oxidized diameter) 54 that is surrounded by the oxidized region 52. The oxidized diameter 54 has a circular shape corresponding to the outer shape of the post, and the size S of the oxidized diameter 54 can be changed by adjusting the oxidation distance of the oxidized region 52. Since the oxidized region 52 has higher reflectivity than the conductive region 54 and is non-conductive, it functions to confine current and laser light in the vertical resonator in the post.
図9はレーザ素子に通電したときの酸化径と温度上昇の関係を示す表である。この表から明らかなように、酸化径が大きくなるにつれて温度上昇が小さくなる。これは、酸化径が小さいと、抵抗が高くなり、また電流密度が高くなることが原因と考えられる。 FIG. 9 is a table showing the relationship between the oxidation diameter and the temperature rise when the laser element is energized. As is apparent from this table, the temperature rise decreases as the oxidation diameter increases. This is presumably because the resistance increases and the current density increases when the oxidized diameter is small.
そこで、第4の実施例では、各レーザ素子のポスト径を等しくし、かつ中心部レーザ素子の酸化径54をより大きく、外側に位置するレーザ素子の酸化径54を小さくする。例えば、中心のレーザ素子160の酸化径をS1、レーザ素子160を包囲するレーザ素子162の酸化径をS2、レーザ素子162を包囲するレーザ素子164の酸化径をS3としたとき、S1>S2>S3の関係にする。あるいは、中心のレーザ素子160の酸化径S1を大きくし、これ以外のすべてのレーザ素子の酸化径をS1よりも小さな値にしてもよい。
Therefore, in the fourth embodiment, the post diameters of the respective laser elements are made equal, the oxidation diameter 54 of the central laser element is made larger, and the oxidation diameter 54 of the laser element located outside is made smaller. For example, when the oxidation diameter of the
中心の酸化径を大きくすることで、熱流入により温度上昇が大きい中心のレーザ素子の自己発熱を抑制し、結果としてアレイ上のレーザ素子間の温度差を小さくすることができる。 By increasing the center oxidation diameter, the self-heating of the center laser element, which has a large temperature rise due to heat inflow, can be suppressed, and as a result, the temperature difference between the laser elements on the array can be reduced.
図10は、本発明の第5の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを示す図である。同図に示すように、第5の実施例に係るレーザアレイ114は、5行×5列のマトリックス配列されたレーザ素子を含むが、レーザ素子のポスト径の大きさを異ならしめている。中心のレーザ素子170のポスト径をP1、これを取り巻くレーザ素子172のポスト径をP2、さらにレーザ素子172を取り巻く外側のレーザ素子174のポスト径をP3とすると、P1<P2<P3の関係にある。なお、ここでいうポスト径とは、後述するように、ポストの外周を被覆する保護膜(絶縁膜)形成前の外径である。 FIG. 10 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser array according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the laser array 114 according to the fifth embodiment includes laser elements arranged in a matrix of 5 rows × 5 columns, but the post diameters of the laser elements are made different. When the post diameter of the central laser element 170 is P1, the post diameter of the laser element 172 surrounding this is P2, and the post diameter of the outer laser element 174 surrounding the laser element 172 is P3, the relation of P1 <P2 <P3 is established. is there. The post diameter here is an outer diameter before the formation of a protective film (insulating film) covering the outer periphery of the post, as will be described later.
ポスト径を異ならせる一方で、第5の実施例では、ポストの側面から酸化される酸化距離、すなわち電流狭窄層の酸化領域52が一定距離となるように酸化制御される。この結果、一番大きなポスト径のレーザ素子70の酸化径が一番大きくなり、レーザ素子72、74の順に酸化径が小さくなる。これにより、マトリックス配列の中心のレーザ素子170の温度上昇を従来のマトリックス配列に比べて小さくすることができ、レーザ素子間の温度差を低減することができる。
While the post diameter is varied, in the fifth embodiment, the oxidation is controlled so that the oxidation distance oxidized from the side surface of the post, that is, the oxidation region 52 of the current confinement layer becomes a constant distance. As a result, the oxidation diameter of the
次に、本発明の各実施例による面発光型半導体レーザアレイと従来のレーザアレイとの効果について説明する。 Next, effects of the surface emitting semiconductor laser array according to each embodiment of the present invention and the conventional laser array will be described.
前提となる条件は全レーザ素子を一括同時点灯後のチップ発熱の平衡状態を想定する。厳密にはレーザ発光部の構造、チップ厚さ材質、結線ワイヤー配線材料/レイアウト、チップを取り囲む空気の効果を考慮する必要があるが、空気やワイヤーへの熱伝導はチップ内の熱伝導に比べ無視できるほど小さいため(数%)、レーザ素子間の熱流入に着目する。従来例の図13のアレイでは隣接ビーム間隔は50μmに配列しており、対角のビームまで70.7μmである。基板の厚さは100μm程度のため基板内への熱伝導が均一であることを考慮すると熱流入に大きな影響を与えるビームは隣接レーザ素子対角隣接レーザ素子を考慮すれば良い。 The precondition is that an equilibrium state of chip heat generation after all laser elements are turned on simultaneously is assumed. Strictly speaking, it is necessary to consider the structure of the laser emission part, the chip thickness material, the wiring wire wiring material / layout, and the effect of the air surrounding the chip, but the heat conduction to the air and the wire is compared to the heat conduction in the chip. Since it is negligibly small (several percent), attention is paid to the heat inflow between the laser elements. In the conventional array shown in FIG. 13, the adjacent beam interval is 50 μm, and the diagonal beam is 70.7 μm. Since the thickness of the substrate is about 100 μm, considering that the heat conduction into the substrate is uniform, the beam that has a large influence on the heat inflow may be considered by the adjacent laser element diagonally adjacent laser element.
図13のアレイでは、前述したように中央のレーザ素子Cについての隣接レーザ素子数と対角隣接レーザ素子数はそれぞれ4つであり、4隅のレーザ素子は2つの隣接レーザ素子数と1つの対角隣接レーザ素子数である。素子数の熱流入差が10℃(Iop=10mA)あると言う結果と、隣接レーザ素子と対角隣接レーザ素子の距離比50μm/70μmを考慮し、均等に熱配分されたと仮定すると、熱平衡状態におけるレーザ素子1個当たりの熱流入は2.5℃/隣接レーザ素子、1.67℃/対角隣接レーザ素子と見積もることができる。この熱流入見積もりを用いて、各実施例のアレイの素子レイアウトについての最大温度差と温度差によるレーザ特性変化量を算出した表を図11に示す。 In the array of FIG. 13, as described above, the number of adjacent laser elements and the number of diagonally adjacent laser elements for the central laser element C are four, and the laser elements at the four corners are two adjacent laser elements and one laser element. This is the number of diagonally adjacent laser elements. Assuming that the heat inflow difference of the number of elements is 10 ° C. (Iop = 10 mA) and the distance ratio between adjacent laser elements and diagonally adjacent laser elements is 50 μm / 70 μm, it is assumed that heat is evenly distributed. The heat inflow per laser element can be estimated as 2.5 ° C./adjacent laser element and 1.67 ° C./diagonal adjacent laser element. A table in which the maximum temperature difference and the laser characteristic change amount due to the temperature difference for the element layout of the array of each example are calculated using this heat inflow estimation is shown in FIG.
また、第4および第5の実施例についても、上記と同様の温度変化に対する考え方を用い試算している。第4および第5の実施例ともに、中央のポストの酸化径を他のポストの酸化径よりも2μmだけ大きくしている。両実施例の違いがポスト径の差異になるが、酸化径が大きいポスト径が30μmであるのに対し、酸化径の小さいポスト径が28μmでありポスト径に大きな差がないため、熱的にはほとんど影響がなく同様の扱いにした。この前提で計算すると、中央のレーザ素子と4隅のレーザ素子の温度差は最大4.6℃になる見込みである The fourth and fifth examples are also estimated using the same concept for temperature change as described above. In both the fourth and fifth embodiments, the oxidized diameter of the central post is made 2 μm larger than the oxidized diameter of the other posts. The difference between the two examples is the difference in the post diameter, but the post diameter with a large oxidation diameter is 30 μm, whereas the post diameter with a small oxidation diameter is 28 μm, and there is no large difference in the post diameter. Had almost no effect and was treated the same way. Based on this assumption, the maximum temperature difference between the center laser element and the four corner laser elements is expected to be 4.6 ° C.
表は、図6に示すレーザ素子のレイアウトを基準(各レーザ素子の熱流入が等しいので)としたときの比較値が示されている。このことからも明らかなように、各実施例に係る面発光型半導体レーザアレイは、従来のマトリックス配列されたレーザアレイと比較して、レーザ素子間の温度差が小さく、その結果、アレイの特性、波長の変化、光出力低下(I−L特性)および平均寿命(ライフ比)をより均一にすることができる。 The table shows comparison values when the layout of the laser elements shown in FIG. 6 is used as a reference (because the heat inflow of each laser element is equal). As is clear from this, the surface emitting semiconductor laser array according to each example has a smaller temperature difference between the laser elements as compared with the conventional matrix array laser array. , Change in wavelength, decrease in light output (IL characteristic) and average life (life ratio) can be made more uniform.
次に、本実施例の面発光型半導体レーザアレイ上に形成されたレーザ素子の構成および製造方法について説明する。図12は、AlAs層の選択酸化による電流狭窄する面発光レーザ素子のポストの縦断面構造を示している。同図において、先ずn型GaAs基板2上に、n型GaAsバッファー層3が設け、バッファー層上、共振器を構成する下部のミラー層としてn型Al0.9 Ga0.1 As/Al0.3 Ga0.7 As多層膜分布ブラッグ(DBR)ミラー層4−1、4−2が設けられている。
Next, the structure and manufacturing method of the laser element formed on the surface emitting semiconductor laser array of this example will be described. FIG. 12 shows a vertical cross-sectional structure of a post of a surface emitting laser element in which current is confined by selective oxidation of an AlAs layer. In the figure, first, an n-type
DBRミラー層上に、アンドープAl0.6 Ga0.4 As下部スペーサー層5が形成され、更に下部スペーサー層5上、例えば厚さ9nmのアンドープAl0.12Ga0.88As量子井戸層7と例えば厚さ5nmのアンドープAl0.3 Ga0.7 As障壁層6からなる量子井戸活性層が形成されている。図12では最も簡単な単一の量子井戸(Single Quantum Well)活性層構造にしているが、例えば障壁層−量子井戸層−障壁層−量子井戸層−障壁層のような二重量子井戸(Double Quantum Well)構造や更に多重の量子井戸構造にしてもかまわない。
An undoped Al 0.6 Ga 0.4 As
この活性層上に、アンドープAl0.6Ga0.4 As上部スペーサー層8が形成されている。この上部スペーサー層8上にp型Al0.9Ga0.1As層/p型AlAs層/p型Al0.9Ga0.1As層9、10、11が形成されている。p型AlAs層10を選択酸化し、酸化領域である電流狭窄部10aを形成する。電流狭窄層10上に、共振器を構成する上部のミラー層としてp型Al0.9 Ga0.1 As/Al0.3 Ga0.7 As多層膜分布ブラッグ(DBR)ミラー層12−1、12−2が形成され、このDBRミラー層上に、p型GaAsコンタクト層13が形成されている。コンタクト層13上には、Au/Tiからなるp側電極14が形成されて、更にポストを覆うように保護膜15が形成され、ポストの頂部において保護膜15に形成された開口を介してp側電極14と接続される電流注入用引き出し電極16が形成される。また、n型GaAs基板2の裏面側には、Au/AuGeからなるn側電極1が形成されている。
On the active layer, an undoped Al 0.6 Ga 0.4 As
以上の構成において、各層の膜厚は、光学膜厚としてみて、発振波長をλとすると、下部のDBRミラー層4−1、4−2を構成する各膜厚をλ/4、下部スペーサー層5と上部スペーサー層8と量子井戸活性層6、7との合計膜厚をλ、p型電流狭窄層10および結晶欠陥抑制層の各膜厚をλ/4、p型GaAsコンタクト層13の膜厚をλ/4、選択酸化後の上部のDBRミラー層12−1、12−2を構成する各膜厚をλ/4とする。キャリア濃度は、n型で2×1018cmm-3、p型はGaAsコンタクト層13が1×1019cm-3、それ以外のp型は2×1018cm-3で、レーザポストサイズは約30μmΦである。
In the above configuration, the film thickness of each layer is the optical film thickness. If the oscillation wavelength is λ, each film thickness constituting the lower DBR mirror layers 4-1 and 4-2 is λ / 4, and the lower spacer layer. 5, the total thickness of the
次に、レーザ素子の製造方法について説明する。先ず、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD法)により、n型GaAs基板2上に、n型GaAsバッファー層3を積層し、このバッファー層3上に、共振器の下部のミラー層を構成するn型Al0.9 Ga0.1 As/Al0.3 Ga0.7 Asを40.5周期で積層した多層膜分布ブラッグ(DBR)ミラー層4−1、4−2を形成し、このDBRミラー層上に、アンドープAl0.6 Ga0.4 As下部スペーサー層5を積層し、下部スペーサー層5上に、アンドープAl0.12Ga0.88As量子井戸層7(厚さ9nm)とアンドープAl0.3 Ga0.7 As障壁層6(厚さ5nm)からなる量子井戸活性層を積層し、この活性層上にアンドープAl0.6Ga0.4 As上部スペーサー層8を積層し、この上部スペーサー層8上にp型Al0.9Ga0.1As層/p型AlAs層/p型Al0.9Ga0.1As層9、10、11を積層し、この上部に共振器の上部のミラー層を構成するp型Al0.9 Ga0.1 As/Al0.3 Ga0.7 As多層膜分布ブラッグ(DBR)ミラー層12−1、12−2を積層し、この上部DBRミラー層上に、p型GaAsコンタクト層13を積層し、エピタキシャル成長が終了する。
Next, a method for manufacturing a laser element will be described. First, an n-type
次に、p側電極層14をスパッタ、蒸着等で着膜し、フォトリソグラフィでパターニングしレーザ出射窓を形成し、さたにフォトリソグラフィによるレジストパターンをドライエッチングしてポストを形成する。特に、第5の実施例の場合には、各ポスト径が異なるので、各ポスト径が対応するマスクパターンを用いてエッチングされる。ドライエッチング深さは量子井戸活性層を貫通し、下部DBR層の一部にまで到達させる。この状態の基板を高温酸化炉(高温水蒸気酸化)に一定時間被爆させることでAlAs層10が選択酸化され、電流狭窄酸化部10aが形成される。この後、スパッタ、プラズマCVDなどで保護膜15を着膜し、フォトリソグラフィでポスト頂部に開口が形成されるようにパターニングされる。そして、リフトオフ法を用いてTi/Auを蒸着して外部引き出し電流注入電極16を形成する。指定通りの大きさにチップダイシング、裏面研磨をし、n型GaAs基板2の裏面側にAu/AuGeを蒸着して、n側電極1を形成し、工程は完了する。
Next, the p-
各レーザ素子のP側電極は全てのレーザ素子に対して共通に接続される共通配線であってもよいし、各レーザ素子に対して分離されるような個別配線であってもよい。レーザ素子が同時に全ビーム点灯する場合には同様の効果を得ることができる。 The P-side electrode of each laser element may be a common wiring commonly connected to all the laser elements, or may be an individual wiring that is separated from each laser element. A similar effect can be obtained when all the beams are turned on simultaneously.
第1ないし第3の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを形成するとき、レーザ素子のレイアウトパターンに対応したマスクパターンを用いることで、基板上の対応する位置にポストが形成される。ポストの間隔は50μmで形成されるが、間隔は50μm以下であっても良い。 When the surface emitting semiconductor laser arrays according to the first to third embodiments are formed, a post is formed at a corresponding position on the substrate by using a mask pattern corresponding to the layout pattern of the laser element. The distance between the posts is 50 μm, but the distance may be 50 μm or less.
第4の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイを形成する場合には、各ポストの電流狭窄層10を所定の酸化径のサイズにするため、高温酸化工程を複数回繰り返して行う。この際、AlAs層10への水蒸気侵入を防ぐため、繰り返すたびにフォトレジストによるマスキングを行い、レジストマスキング−酸化−レジストマスク除去−レジストマスキングの工程を繰り返す。
When forming the surface emitting semiconductor laser array according to the fourth embodiment, the high temperature oxidation process is repeated a plurality of times in order to make the
第5の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイは、第4の実施例より簡易な工程により製造することができる。中心のレーザ素子より外側に行くに従ってポスト径が減少されているため、1回の高温水蒸気酸化工程にて酸化径を作成することができる。ポスト径の設計ルールは、アレイ間隔と通電電流に依存し、アレイ間隔50μm以下、定格5mAのケースでは、1.5℃/μmのルールを採用している。5×5のマトリックスレーザアレイでは、中央のレーザ素子と外側のレーザ素子で5℃の温度変化があるため、中央のレーザ素子の酸化径から3.3μmポスト径を小さくしている。中央のレーザ素子の周辺レーザ素子は中央のレーザ素子と同様に熱流入される平面配列になるため、ほとんど温度低下はしないことからポスト径は中央のレーザ素子と同じポスト径にした。 The surface emitting semiconductor laser array according to the fifth embodiment can be manufactured by a simpler process than that of the fourth embodiment. Since the post diameter decreases as going outward from the central laser element, the oxidized diameter can be created in one high-temperature steam oxidation step. The design rule of the post diameter depends on the array interval and the energization current, and in the case of the array interval of 50 μm or less and the rating of 5 mA, the rule of 1.5 ° C./μm is adopted. In the 5 × 5 matrix laser array, since there is a temperature change of 5 ° C. between the central laser element and the outer laser element, the 3.3 μm post diameter is made smaller than the oxidized diameter of the central laser element. Since the peripheral laser elements of the central laser element have a planar arrangement in which heat flows in in the same manner as the central laser element, there is almost no temperature drop, so the post diameter is the same as the central laser element.
この例では2種類のポスト径にしたが、必ずしもこれに限らず、更にアレイ上のレーザ素子間に多くの温度分布がある場合はその温度分布に応じたポスト径とすることができる。 In this example, two types of post diameters are used. However, the present invention is not limited to this, and when there are many temperature distributions between laser elements on the array, the post diameters can be set according to the temperature distribution.
第4および第5の実施例の場合でも、P側電極を各レーザ素子に共通配線にしても良いし、各レーザ素子に個別配線してもよく、同時に全レーザ素子を点灯する場合には本発明の効果は変らない。 Also in the case of the fourth and fifth embodiments, the P-side electrode may be a common wiring for each laser element, or may be individually wired for each laser element. The effect of the invention does not change.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.
第1ないし第3の実施例に示されたレーザ素子のレイアウトに対して第4および第5の実施例に示された酸化径の大きさを変える思想を組み合わせることも勿論可能である。 It is of course possible to combine the idea of changing the size of the oxidation diameter shown in the fourth and fifth embodiments with the layout of the laser elements shown in the first to third embodiments.
本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、光通信機器等の光源や、その他の電子機器の光源等に広く利用することができる。 The surface-emitting type semiconductor laser array according to the present invention can be widely used for a light source of an optical communication device, a light source of other electronic devices, and the like.
1:n側電極
2:GaAs基板
3:バッファ層
4−1、4−2:下部DBRミラー層
5:下部スペーサ層
6:障壁層
7:量子井戸層
8:上部スペーサ層
12−1、12−2:上部DBRミラー層
13:コンタクト層
14:p側電極
15:保護膜
16:引き出し電極
110、111、112、113、114:面発光型半導体レーザアレイ
120:基板
130レーザ素子
150:電流狭窄層
152:酸化領域
154:導電領域(酸化径)
1: n-side electrode 2: GaAs substrate 3: buffer layer 4-1, 4-2: lower DBR mirror layer 5: lower spacer layer 6: barrier layer 7: quantum well layer 8: upper spacer layers 12-1, 12- 2: upper DBR mirror layer 13: contact layer 14: p-side electrode 15: protective film 16: extraction electrodes 110, 111, 112, 113, 114: surface emitting semiconductor laser array 120:
Claims (11)
基板上に二次元的に配列された複数のレーザ素子と、
複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、
前記複数のレーザ素子は少なくとも中心部を除く領域に配列されている、
面発光型半導体レーザアレイ。 A substrate,
A plurality of laser elements arranged two-dimensionally on a substrate;
An electrode portion for supplying current to a plurality of laser elements,
The plurality of laser elements are arranged in a region excluding at least the central portion,
Surface emitting semiconductor laser array.
基板上に二次元的に配列された複数のレーザ素子と、
複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、
前記複数のレーザ素子はすべて等間隔で配列されている、
面発光型半導体レーザアレイ。 A substrate,
A plurality of laser elements arranged two-dimensionally on a substrate;
An electrode portion for supplying current to a plurality of laser elements,
The plurality of laser elements are all arranged at equal intervals.
Surface emitting semiconductor laser array.
基板上に二次元的に配列される複数のレーザ素子と、
複数のレーザ素子へ電流を供給するための電極部とを有し、
各レーザ素子は、基板から突出するポストを有し、該ポストは選択的に酸化された酸化領域と該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む電流狭窄層を有し、レーザ素子の配列において内側に位置するレーザ素子の導電領域の径が外側に位置するレーザ素子の導電領域の径よりも大きい、
面発光型半導体レーザアレイ。 A substrate,
A plurality of laser elements arranged two-dimensionally on a substrate;
An electrode portion for supplying current to a plurality of laser elements,
Each laser element has a post protruding from the substrate, the post having a current confinement layer including an oxidized region selectively oxidized and a conductive region surrounded by the oxidized region. The diameter of the conductive region of the laser element located inside is larger than the diameter of the conductive region of the laser element located outside,
Surface emitting semiconductor laser array.
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