JP2007311394A

JP2007311394A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2007311394A
Application number: JP2006136233A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Ishii; 亮次石井; Nobuaki Ueki; 伸明植木; Hideo Nakayama; 秀生中山
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP4811116B2

Abstract

【課題】製造工程で生じる半導体レーザ素子の光出力特性のバラツキを調節し、歩止まりを向上させることを可能にする可変濃度フィルタを有する半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザ装置１０は、出射光が透過するパッケージのキャップ１３０の窓１３２に回転型濃度フィルタ１５０を設けている。回転型濃度フィルタ１５０を回転させることで、所望の光透過率の濃度フィルタ１５０ａ〜１５０ｄを窓１３２上に位置させる。これにより、製造工程で生じるＶＣＳＥＬの光出力特性のバラツキを調整することができ、歩止まりを改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される半導体レーザ装置に関し、特に、複数の半導体レーザ装置の光出力特性を均一化する技術に関する。

光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬ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、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。

ＶＣＳＥＬを通信分野等の光源に用いる場合、通信エラー等を抑制せるためには一定以上の光出力が必要であり、その反面、アイセーフの観点から光出力を一定以下に抑える必要がある。ＶＣＳＥＬの駆動方法には、定電流駆動（ＡＣＣ）と定電力駆動（ＡＰＣ）の２種類がある。ＡＣＣ駆動は、駆動電流が一定であるため、レーザ光の発振が安定化させるが、温度変化により光出力が変動するという欠点がある。ＡＰＣ駆動は、光出力が一定であるため、通常、ＶＣＳＥＬの温度補償に用いられる。すなわち、ＡＰＣ駆動は、ＶＣＳＥＬの温度が上昇すると、光出力が低下するため、駆動電流を増加させて光出力を上げ、温度が低下すると、光出力が上昇するため、駆動電流を低下させて光出力を下げるような駆動制御を行う。

このようなＡＰＣ駆動に関する技術は、例えば特許文献１に開示されている。この文献によれば、半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子からの出射光のうち窓ガラスで反射された反射光を受光する受光素子を有し、受光素子の出力に基づき駆動電流の制御を行っている。

特開２００４−７２０７２

ＶＣＳＥＬは、他の半導体レーザ装置と同様に、製造工程において、個々の光出力特性にバラツキが生じる。そのバラツキの幅が著しく大きい場合には不良品と判定される。すなわち、光出力が一定のレベルよりも高すぎれば、アイセーフの観点より問題となり、また、光出力が一定のレベルよりも低すぎれば、周波数応答が低下するという問題があるためである。仮に特許文献１に示されるように、バラツキのあるＶＣＳＥＬを、ＡＰＣ駆動する場合であっても、駆動回路の許容範囲を超えたものは是正できない。バラツキの幅が大きなＶＣＳＥＬを良品として使用することができれば、製造歩止まりは飛躍的に向上し、製造コストを大幅に削減することができる。

本発明は、このような課題を解決するものであり、半導体レーザ素子光出力特性のバラツキを調整し、歩止まりを向上させ、低コスト化を図ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載する搭載手段と、前記半導体レーザ素子を封止する封止手段とを含み、前記封止手段は、前記半導体レーザ素子から発せられるレーザ光を通過させる光出射領域を有し、光透過率が異なる複数の領域を含む可変濃度フィルタが前記光出射領域を覆うように備えている。

好ましくは、前記可変濃度フィルタは、回転軸を中心に回転させて前記光出射領域を通過するレーザ光に対する光透過率を可変可能な回転型濃度フィルタを含み、選択された光透過率の領域を光出射領域に位置合わせする。前記可変濃度フィルタは、直線的にスライドさせて前記光出射領域を通過するレーザ光に対する光透過率を可変可能なスライド式濃度フィルタを含み、選択された光透過率の領域を光出射領域に位置合わせする。また、前記可変濃度フィルタは、段階的に透過率が異なる領域を含み、連続的に濃度勾配のある領域を含む。

さらに好ましくは、半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子が発したレーザ光のうち前記濃度フィルタから反射されたレーザ光を受光する受光素子と、受光素子からの出力に基づき半導体レーザ素子の駆動を制御する駆動制御回路とを含み、可変濃度フィルタを透過したレーザ光を入射するレンズを含む。前記半導体レーザ素子は、面発光型半導体レーザ素子からなる。

本発明によれば、半導体レーザ装置の光出射領域を覆うように可変濃度フィルタを設けたことにより、光出力特性のバラツキを調整するようにしたので、良品と判定されるレンジが広がり、半導体レーザ装置の歩止まりを向上させ、製造コストを削減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例に係る半導体レーザ装置１０の概略構成を示す上面図および側面断面図である。本実施例に係る半導体レーザ装置１０は、金属製の円盤状のステム１００と、ステム１００に搭載されたＶＣＳＥＬ１１０および受光素子１２０と、ステム１００を覆うキャップ１３０と、ステム１００に取り付けられた複数の導電性金属からなるリード端子１４０、１４２、１４４と、光透過率が異なる複数の濃度フィルタを備えた回転型濃度フィルタ１５０を含んでいる。

ステム１００の中央に、サブマウント１０２を介してＶＣＳＥＬ１１０が固定されている。ＶＣＳＥＬ１１０は、図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板２１０の裏面にｎ側電極２２０を含み、基板２１０上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層２２４、ｎ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ型反射鏡）２２６、活性領域２２８、ｐ型のＡｌＡｓの外縁を酸化させた層からなる電流狭窄層２３０、ｐ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる上部ＤＢＲ２３２、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２３４を含む半導体層が積層されている。基板２１０には、コンタクト層２３４から下部ＤＢＲ２２６の一部に到達する深さのリング状の溝２３６が形成され、この溝２３６によりレーザ光の発光部である円筒状のポストＰとパッド形成領域２３８とが規定されている。ポストＰの頂部には、コンタクト層２３４にオーミック接続されたｐ側電極２４２が設けられ、ｐ側電極２４２の中央には、レーザ光の出射領域を規定する円形状の出射口２４４が形成されている。また、パッド形成領域２３８には、層間絶縁膜２４０を介して円形状の電極パッド２４６が形成され、電極パッド２４６はｐ側電極２４２に電気的に接続されている。このように形成されたＶＣＳＥＬ１１０は、ポストＰの出射口２４４から約８５０ｎｍの波長のレーザを出射する。

図１に戻り、ステム１００には、図示しない複数の貫通孔が形成されており、それぞれの貫通孔内にリード端子１４０、１４２、１４４が挿入される。リード１４０、１４２、１４４は、ガラス樹脂等により貫通孔内においてステム１００と電気的に絶縁されている。ＶＣＳＥＬ１１０のｎ側電極２２０は、導電性接着剤等を介してサブマウント１０２上に固定され、サブマウント１０２は、リード１４２に電気的に接続されている。またｐ側電極２４２に接続される電極パッド２４６は、ボンディングワイヤ１１２によりリード端子１４０に電気的に接続されている。リード端子１４０および１４２間に駆動電圧を印加することで、ＶＣＳＥＬ１１０が駆動され、ポストＰの出射口２４４からレーザ光が出射され、出射されたレーザ光はキャップ１３０の中央から回転型濃度フィルタ１５０を介して外部に出力される。

ＶＣＳＥＬ１１０から一定距離だけ離された位置に受光素子１２０が取り付けられている。受光素子１２０は、ＶＣＳＥＬ１１０から出射されたレーザ光のうち回転型濃度フィルタ１５０で反射されたレーザ光の光の一部を受光する。受光素子１２０は、例えば、フォトダイオードまたはフォトトランジスタから構成される。受光素子１２０のカソード電極は、リード端子１４２に電気的に接続され、アノード電極はリード端子１４４に電気的に接続される。受光素子１２０の出力信号はリード端子１４２と１４４の間に出力され、ＡＰＣ駆動に用いられる。

キャップ１３０は円形状の金属部材であり、その周縁の脚部１３４がステム１００に溶接等により固定されている。キャップ１３０の内部空間内にＶＣＳＥＬ１１０および受光素子１２０が封止されている。なお、封止は、完全な気密状態であることは要しない。

キャップ１３０上部中央には、円形状の窓１３２が形成され、窓１３２の中心からオフセットされた位置に回転軸１５２を有する、円形状の回転型濃度フィルタ１５０が設けられている。回転型濃度フィルタ１５０は、光透過率の異なる４つの濃度フィルタ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄから成り、例えば、波長８５０ｎｍのレーザ光に対して１５％、２０％、２５％、３０％の４段階の光透過率を持つ。それぞれの濃度フィルタ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ、１５０ｄは、内角が均等に９０度の領域を含み、その領域は、窓１３２を覆うのに十分な大きさである。これにより、選択された光透過率の濃度フィルタが窓１３２を覆うことができる。ＶＣＳＥＬ１１０の表面から出射されたレーザ光は窓１３２を通過し、回転型濃度フィルタ１５０を透過し外部に出射される。ここでは、回転型濃度フィルタ１５０は、光透過率の異なる複数の濃度フィルタで構成される例を示したが、勿論、光透過率が連続的に変化しているような可変濃度フィルタであってもよい。

次に、第１の実施例において、回転型濃度フィルタ１５０による光透過率を調整する方法について図３のフローチャートおよび図４の適応例を参照し、説明する。まず、ＶＣＳＥＬ１１０の製造工程において、ウエハ上に製造された多数のＶＣＳＥＬ１１０の端子にプローブピンを接触させ、各ＶＣＳＥＬ１１０の光出力特性を測定する（ステップＳ１０１）。ウエハ上の各ＶＣＳＥＬ１１０は、測定された光出力特性によって４段階に選別される（ステップＳ１０２）。選別された結果は、例えば、ウエハ上のＶＣＳＥＬ１１０の位置に対応つけてメモリに記憶したり、チップ上にマーキングすることによって識別できるようにしておく。次に、ウエハ上のＶＣＳＥＬ１１０は、個々のチップに切り落とされ、各ＶＣＳＥＬ１１０は、回転型濃度フィルタ１５０を含む、キャップ１３０でパッケージされる（ステップＳ１０３）。次に、選別された４段階に従い、個々の半導体レーザ装置１０の回転型濃度フィルタ１５０で調整する（ステップＳ１０４）。次に面発光レーザ装置は、ＡＰＣ駆動される（ステップＳ１０５）。

例えば、仮に図４に示すようにＶＣＳＥＬ１１０の光出力特性が０．９（ｍＷ）、１．０８（ｍＷ）、１．３５（ｍＷ）、１．８（ｍＷ）の４段階で選別され、これらを光出力特性が２７０（μＷ）となるように調整する。光出力特性が０．９（ｍＷ）と選別されたＶＣＳＥＬ１１０の場合には、回転型濃度フィルタ１５０で、光透過率３０％の濃度フィルタを選択し、これを窓１３２に合わせる。光出力特性が１．０８（ｍＷ）であれば、光透過率２５％の濃度フィルタが選択され、光出力特性が１．３５（ｍＷ）であれば、光透過率２０％の濃度フィルタが選択され、光出力特性が１．８（ｍＷ）であれば、光透過率１５％の濃度フィルタが選択され、これが窓１３２に合わせられる。こうして、ＶＣＳＥＬ１１０から出射される光出力を２７０（μＷ）に調整する。このように光出力特性にバラツキを持つＶＣＳＥＬ１１０から出射する光であっても、可変濃度フィルタを透過することで、光出力特性を調整することができる。

さらに、第１の実施例において、図５に示すように回転型濃度フィルタ１５０の外側に、ＶＣＳＥＬ１１０の光偏光方向を示すための偏光方向指示マーカーベゼル１７０を装着し、それらがそれぞれ独立に回転する機構を備えてもよい。回転型濃度フィルタ１５０によって、光出力のバラツキを調整するとともに、偏光指示マーカー１７２によってＶＣＳＥＬ１１０の偏光方向を示すことができる。

次に、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ装置について説明する。第２の実施例は、回転型濃度フィルタ１５０に代わり、スライド式濃度フィルタ１６０を用いている。図６は、第２の実施例に係る半導体レーザ装置１２の概略構成を示す上面図および側面断面図である。第１の実施例と共通する部分には同一番号を付してある。キャップ１３０の上部には、窓１３２を覆うように、長方形状のスライド式濃度フィルタ１６０が設けられている。スライド式濃度フィルタ１６０は、窓１３２から近接する位置に一対の平行なリニアガイド１６２、１６４によって支持されている。スライド式濃度フィルタ１６０は、第１の実施例の回転型濃度フィルタ１５０と同様に、光透過率が異なる４つの濃度フィルタ１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄから成り、スライド位置を可変することにより、任意の光透過率を選択できる。ＶＣＳＥＬ１１０の表面から出射されたレーザ光は窓１３２を通過し、スライド濃度フィルタを透過することで、ロットごとの光出力特性を調整し、ＡＰＣ駆動回路の許容範囲内に光出力特性を収めることができる。

次に、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ装置１４について説明する。第３の実施例では、図７に示すようにキャップ１３０上部中央の開口部にボールレンズ１８０が固定されている。この場合、ＶＣＳＥＬ１１０とボールレンズ１８０の間に回転型濃度フィルタ１５０を設置するような構造にしてもよい。回転型濃度フィルタ１５０の外縁の一部がキャップ１３０の側面の開口から外側に突出していて、その突出部分を回転させるで、任意の光透過率を選択する。このとき、ボールレンズ１８０の光軸は、ＶＣＳＥＬ１１０のほぼ中心と一致するように位置決めされている。ＶＣＳＥＬ１１０から発せられたレーザ光は、回転型濃度フィルタ１５０を通過した後、ボールレンズ１８０に入射し、外部に出射される。

図８は、図７に示す半導体レーザ装置を光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム１００に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ４６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

ＶＣＳＥＬ１１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ１８０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ４６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード１４０、１４２、１４４に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図９は、空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、図１に示す半導体レーザ装置１０と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。

図１０は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１１は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１２はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１３示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１０に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。

上記実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。

本発明に係る半導体レーザ装置は、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ装置の概略上面図および断面図である。図１のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。本発明の実施例に係る半導体レーザ装置の光透過率調整を示すフローチャートである。本発明の実施例に係る半導体レーザ装置の適応例である。図１の回転型濃度フィルタ外縁に偏光方向指示マーカーベゼルを設けた面発光半導体型レーザ装置の概略上面図である。本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ装置の概略上面図および断面図である。本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ装置の概略上面図および断面図である。図７に示す半導体レーザ装置を用いた光送信装置の構成を示す断面図である。空間伝送システムの構成を示す図である。光伝送システムの構成を示すブロック図である。光伝送装置の外観構成を示す図である。光伝送装置の内部構成を示し、同図(ａ)は上面を切り取ったときの内部構造を示し、同図（ｂ）は側面を切り取ったときの内部構造を示している。図１１の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。

符号の説明

１０：半導体レーザ装置１００：ステム
１１０：ＶＣＳＥＬ１１２：ボンディングワイヤ
１２０：受光素子１３０：キャップ
１３２：窓１４０、１４２、１４４：リード端子
１５０：回転型濃度フィルタ１５０ａ〜１５０ｄ：濃度フィルタ
１５２：回転軸１６０：スライド式濃度フィルタ
１６０ａ〜１６０ｄ：濃度フィルタ１６２、１６４：リニアガイド
１７０：偏光方向指示マーカーベゼル１７２：偏光指示マーカー
１８０：ボールレンズ

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を搭載する搭載手段と、
前記半導体レーザ素子を封止する封止手段とを含み、
前記封止手段は、前記半導体レーザ素子から発せられるレーザ光を通過させる光出射領域を有し、光透過率が異なる複数の領域を含む可変濃度フィルタが前記光出射領域を覆うように備えられた半導体レーザ装置。
前記可変濃度フィルタは、回転軸を中心に回転させて前記光出射領域を通過するレーザ光に対する光透過率を可変可能な回転型濃度フィルタを含み、選択された光透過率の領域を光出射領域に位置合わせする、請求項１の半導体レーザ装置。
前記可変濃度フィルタは、直線的にスライドさせて前記光出射領域を通過するレーザ光に対する光透過率を可変可能なスライド式濃度フィルタを含み、選択された光透過率の領域を光出射領域に位置合わせする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記可変濃度フィルタは、段階的に透過率が異なる領域を含む、請求項１ないし３いずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記可変濃度フィルタは、連続的に濃度勾配のある領域を含む、請求項１ないし３いずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
半導体レーザ装置はさらに、半導体レーザ素子が発したレーザ光のうち前記濃度フィルタから反射されたレーザ光を受光する受光素子と、受光素子からの出力に基づき半導体レーザ素子の駆動を制御する駆動制御回路とを含む、請求項１ないし５いずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
半導体レーザ装置はさらに、可変濃度フィルタを透過したレーザ光を入射するレンズを含む、請求項１ないし６いずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子は、面発光型半導体レーザ素子からなる、請求項1ないし７いずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
請求項１ないし８いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、当該半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
請求項１ないし８いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、当該半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
請求項１ないし８いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、当該半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
請求項１ないし８いずれか１つに記載された半導体レーザ装置と、当該半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。