JP2009212176A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser.
最近の高速、大容量なWDM(波長分割多重)光ネットワークの普及に伴い、光通信装置には広範囲な温度での省電力動作が求められている。 With the recent widespread use of high-speed, large-capacity WDM (wavelength division multiplexing) optical networks, optical communication devices are required to operate in a wide range of temperatures.
特にアクセスネットワークで使用される一芯双方向光トランシーバでは、半導体レーザ素子は、ペルチェ素子等を用いた冷却等の温度調整無しに−40〜+85℃の広範な温度での動作が求められる。 In particular, in a single-core bidirectional optical transceiver used in an access network, a semiconductor laser element is required to operate in a wide temperature range of −40 to + 85 ° C. without temperature adjustment such as cooling using a Peltier element or the like.
特に20km程度の距離で用いられる光トランシーバの光源には、一般に線幅が狭く、単一モード発振する分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)が用いられており、この種類のLDは、実装による応力印加に対して非常に敏感に軸モード特性が変化する。通常、単一軸モード発振を維持するため、活性層を含む発光部側を避けて基板側をヒートシンク上にハンダ融着して使用する。 In particular, as a light source of an optical transceiver used at a distance of about 20 km, a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) that generally has a narrow line width and oscillates in a single mode is used. The axial mode characteristics change very sensitively to stress application. Usually, in order to maintain single-axis mode oscillation, the substrate side is solder-fused onto a heat sink while avoiding the light emitting part side including the active layer.
なお、特許文献1には、従来のアレイ型レーザダイオードの構造が開示されており、特許文献2には、従来の光半導体モジュールが開示されている。
しかしながら、上述の活性層を含む発光部側を避けて基板側をヒートシンク上にハンダ融着場合には、発熱するLD発光部がヒートシンクから遠いため、活性層側をヒートシンク上に融着した場合と比較して排熱特性が劣るため、LDの光出力特性は低下する。 However, when soldering the substrate side on the heat sink while avoiding the light emitting part side including the active layer described above, since the LD light emitting part that generates heat is far from the heat sink, the active layer side is fused on the heat sink. Since the exhaust heat characteristic is inferior to that of the LD, the light output characteristic of the LD is lowered.
一方、一芯双方向光トランシーバの中にはPLCを利用した光モジュールを採用しているものもあり、PLCを構成する光導波路とDFB−LDとの結合効率を一定の水準に維持するためには、PLC上の電極とLDの活性層側電極とを融着してLD基板の研磨厚バラ付きの影響を排除することが望ましい。 On the other hand, some single-core bidirectional optical transceivers employ an optical module using a PLC, in order to maintain the coupling efficiency between the optical waveguide constituting the PLC and the DFB-LD at a certain level. It is desirable to eliminate the influence of the variation in polishing thickness of the LD substrate by fusing the electrode on the PLC and the active layer side electrode of the LD.
すなわち、PLC利用の光モジュールでは、排熱効率、結合効率何れの観点からも活性層側の電極をPLC上の電極に融着する方が有利であるが、単一モード発振を維持する観点からは基板側の電極をPLC上の電極に融着する方が有利であり、二律背反が生じる。 That is, in an optical module using PLC, it is more advantageous to fuse the electrode on the active layer side to the electrode on the PLC from the viewpoint of either exhaust heat efficiency or coupling efficiency, but from the viewpoint of maintaining single mode oscillation. It is advantageous to fuse the electrode on the substrate side to the electrode on the PLC, resulting in a trade-off.
上記内容から、通常、単一モード特性が必要な通信用半導体レーザでは図3に示す電極構造が、高温高出力特性が必要な高出力半導体レーザでは図4に示す電極構造が用いられ、前者は基板側、後者は活性層側をヒートシンク、若しくはPLC上に実装して利用されるのが一般的である。 From the above description, the electrode structure shown in FIG. 3 is usually used for a communication semiconductor laser that requires single mode characteristics, and the electrode structure shown in FIG. 4 is used for a high output semiconductor laser that requires high temperature and high output characteristics. The substrate side, the latter, is generally used by mounting the active layer side on a heat sink or PLC.
図3において、1は端面発光型半導体レーザであり、2は活性層であり、3は分離溝であり、4は誘電体等の保護膜であり、5は電極であり、31は引出し電極である。 In FIG. 3, 1 is an edge-emitting semiconductor laser, 2 is an active layer, 3 is a separation groove, 4 is a protective film such as a dielectric, 5 is an electrode, and 31 is an extraction electrode. is there.
また、図4において、1は端面発光型半導体レーザであり、2は活性層であり、3は分離溝であり、4は誘電体等の保護膜であり、5は電極である。 In FIG. 4, 1 is an edge-emitting semiconductor laser, 2 is an active layer, 3 is a separation groove, 4 is a protective film such as a dielectric, and 5 is an electrode.
すなわち、半導体レーザの温度特性の向上には、活性層の発熱による活性層温度の上昇を抑制するための排熱特性の向上が必須であり、排熱特性の向上にはLD活性層側の電極をヒートシンク上、若しくはPLC上の電極に直接融着することが有効である。 That is, in order to improve the temperature characteristics of the semiconductor laser, it is essential to improve the exhaust heat characteristics in order to suppress the rise of the active layer temperature due to the heat generation of the active layer. It is effective to fuse the electrode directly to the electrode on the heat sink or PLC.
しかし、上記の構造例では、DFB−LDを構成する半導体、ハンダ、PLCを構成するSiそれぞれの熱膨張係数の不一致から、DFB−LDの活性層に強い応力が印加されて回折格子近傍の屈折率が変化し、発振条件が影響を受けて高い確率で単一モード発振特性が劣化する。このため、高い排熱効率を維持や、高い結合効率を維持しつつ、単一モード発振特性を高歩留りで維持することは非常に困難である。 However, in the above structural example, due to the mismatch of the thermal expansion coefficients of the semiconductors constituting the DFB-LD, the solder, and the Si constituting the PLC, a strong stress is applied to the active layer of the DFB-LD to cause refraction near the diffraction grating. The rate changes and the oscillation condition is affected, and the single mode oscillation characteristic is degraded with high probability. For this reason, it is very difficult to maintain the single mode oscillation characteristic at a high yield while maintaining high exhaust heat efficiency and high coupling efficiency.
また、特許文献1や特許文献2に記載の発明でも同様の問題がある。
(発明の目的)
本発明の目的は、DFB−LDの活性層側の電極をヒートシンク上の電極に融着可能で、高い排熱特性と高い単一モード特性歩留りとを両立可能なDFB−LDの電極構造を提供することである。
The inventions described in
(Object of invention)
An object of the present invention is to provide an electrode structure of a DFB-LD in which an active layer side electrode of the DFB-LD can be fused to an electrode on a heat sink, and both a high heat removal characteristic and a high single mode characteristic yield can be achieved. It is to be.
上記課題を解決するにあたり、本発明の半導体レーザは、表面にメサ構造が形成され、メサ直上および分離溝の両側に十分な面積の電極パッドが形成され、かつ、メサ直上の電極と分離溝の両側の電極とがメサ両側の溝内に2つ以上に分割して形成された電極群を介して接続されていることを特徴とする。
(作用)
本発明によれば、メサ両脇に電極パッドを形成し、かつ、分離溝内部に適切な間隔で分割された電極を形成することで、DFB−LDの活性層側の電極とヒートシンク、若しくはPLC表面の電極とを直接ハンダ融着しても、融着時に溶融したハンダがメサ側部の分離溝に入り込まず、ハンダが溝に入り込んだ場合と比較して、メサ内部の活性層に掛かる応力が大幅に低減される。その結果、DFB−LDをPLCにハンダ融着した後でも高い歩留まりで単一モード特性を維持することが可能となり、高い排熱特性、若しくは高い結合特性との両立が実現できる。
In solving the above-described problems, the semiconductor laser of the present invention has a mesa structure formed on the surface, electrode pads having a sufficient area directly on the mesa and on both sides of the separation groove, and the electrodes on the mesa and the separation groove. The electrodes on both sides are connected to each other through two or more electrode groups formed in the grooves on both sides of the mesa.
(Function)
According to the present invention, an electrode pad is formed on both sides of the mesa, and an electrode divided at an appropriate interval is formed inside the separation groove, whereby the active layer side electrode and heat sink of the DFB-LD, or the PLC Even if the electrode on the surface is directly soldered, the solder melted at the time of fusion does not enter the separation groove on the side of the mesa, and the stress applied to the active layer inside the mesa compared to when the solder enters the groove Is greatly reduced. As a result, it is possible to maintain single mode characteristics with a high yield even after the DFB-LD is soldered to the PLC, and it is possible to achieve both high heat exhaustion characteristics or high coupling characteristics.
本発明によれば、DFB−LDの活性層側の電極をヒートシンク上の電極に融着可能で、高い排熱特性と高い単一モード特性歩留りとを両立可能なDFB−LDの電極構造を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode structure of DFB-LD which can fuse | bond the electrode of the active layer side of DFB-LD to the electrode on a heat sink, and can make a high heat exhaust characteristic and a high single mode characteristic yield compatible is provided. can do.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、端面発光型半導体レーザ素子の電極構造、およびその実装方法に関し、特に活性層を含むメサ構造上の電極とその他の領域との電極とが複数に分割された電極で接続され、排熱効率に優れ、かつ、平面光回路(PLC)と組み合わせて使用するのに適した電極構造、およびその実装方法に関する。
(構成の説明)
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
The present invention relates to an electrode structure of an edge-emitting semiconductor laser device and a mounting method thereof, and in particular, an electrode on a mesa structure including an active layer and an electrode in another region are connected by a plurality of divided electrodes and discharged. The present invention relates to an electrode structure excellent in thermal efficiency and suitable for use in combination with a planar optical circuit (PLC), and a mounting method thereof.
(Description of configuration)
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第一の実施形態の分布帰還形半導体レーザの概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view of a distributed feedback semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
図1において、1は端面発光型半導体レーザであり、2は活性層であり、3は分離溝であり、4は誘電体等の保護膜であり、5は電極であり、6は分離スリットである。 In FIG. 1, 1 is an edge emitting semiconductor laser, 2 is an active layer, 3 is a separation groove, 4 is a protective film such as a dielectric, 5 is an electrode, and 6 is a separation slit. is there.
端面発光型半導体レーザ1の活性層2の両側には分離溝3が設けられ、表面を誘電体等の保護膜4で活性層2直上以外の領域を被覆し、その上の活性層2直上とその他の領域に電極5を形成する。
電極5は活性層2両側のそれぞれの分離溝3中で、分離スリット6により複数の領域に分割されている。電極5の分割形状は、誘電体等の保護膜4および電極5の両者のハンダ濡れ性、および分離溝形状により、ハンダ融着時に分離溝3にハンダが流れ込まないように最適化する。図1には示していないが、半導体レーザ1の裏面にも電極が形成され、活性層に電流が流れる構造となっている。
The
図2は、図1に示した半導体レーザのPLCへの実装形態を示す概略斜視図である。 FIG. 2 is a schematic perspective view showing a mounting form of the semiconductor laser shown in FIG. 1 on a PLC.
図2において、11は図1に示した半導体レーザであり、12はSi基板であり、13はPLC電極であり、14はハンダである。 2, 11 is the semiconductor laser shown in FIG. 1, 12 is a Si substrate, 13 is a PLC electrode, and 14 is solder.
本発明によれば、活性層2上のメサ両脇に電極パッド5を形成し、かつ、分離溝3内部に適切な間隔で分割された電極5を形成することで、DFB−LDの活性層2側の電極とヒートシンク12、若しくはPLC13表面の電極とを直接ハンダ14で融着しても、融着時に溶融したハンダ14がメサ側部の分離溝3に入り込まず、ハンダ14が溝3に入り込んだ場合と比較して、メサ内部の活性層2に掛かる応力が大幅に低減される。
According to the present invention, the
その結果、DFB−LDをPLCにハンダ14で融着した後でも高い歩留まりで単一モード特性を維持することが可能となり、高い排熱特性、若しくは高い結合特性との両立が実現できる。
As a result, even after the DFB-LD is fused to the PLC with the
半導体レーザとヒートシンク(Si基板)との融着時に、ハンダがメサ側部の分離溝に入り込むと応力歪を生じレーザの特性が劣化するという問題がある。電極金属は熱伝導性に優れ、できるだけ広い面積で形成したいが、金属はハンダに対する濡れ性が大きく、図4の構造では、溝部3にハンダが吸われてしまう。 When the semiconductor laser and the heat sink (Si substrate) are fused, if the solder enters the separation groove on the side of the mesa, there is a problem that stress distortion occurs and the characteristics of the laser deteriorate. The electrode metal is excellent in thermal conductivity and is desired to be formed in as wide an area as possible. However, the metal has high wettability with respect to the solder, and in the structure shown in FIG.
そこで、本発明では、溝部分の電極金属を図1のように分断する。露出した部分(保護膜4、通常SiO2、SiN等が用いられる)のハンダ濡れ性は極めて低いので、ハンダ自身の表面張力により溝部3内の電極部分にもハンダが乗らなくなる。
Therefore, in the present invention, the electrode metal in the groove portion is divided as shown in FIG. Solder wettability of the exposed portion (
従って溝部3がハンダで埋まることがなくなり熱応力の影響を回避することができる。
Therefore, the
また、図3の電極構造では、導通はとれるものの、放熱面積が少なく、放熱性が不十分である。なおこれはヒートシンクをレーザ素子の下側に装着する構造で放熱効率は高くない。 Further, in the electrode structure of FIG. 3, although conduction can be obtained, the heat radiation area is small and the heat radiation property is insufficient. This is a structure in which a heat sink is mounted on the lower side of the laser element, and the heat dissipation efficiency is not high.
一方、本発明の構造では、図2のようにレーザ素子11を上下逆にして活性層2側が基板に装着されるように実装する場合に有効であり(たとえば、PLCへの実装)、放熱性の点でも有利である。
On the other hand, the structure of the present invention is effective when mounting the
本発明は、温度調整装置を使わずに、広い温度範囲で利用可能な半導体レーザモジュール、また、それを用いた光トランシーバを提供できる。 The present invention can provide a semiconductor laser module that can be used in a wide temperature range without using a temperature control device, and an optical transceiver using the semiconductor laser module.
1 端面発光型半導体レーザ
2 活性層
3 分離溝
4 誘電体膜
5 電極
6 分離スリット
11 応力低減電極型半導体レーザ
12 Si基板
13 PLC電極
14 ハンダ
31 引出し電極
DESCRIPTION OF
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