JP2012015134A

JP2012015134A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2012015134A
Application number: JP2010147033A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Takeshita; 達也竹下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】ＨＲ膜端面の反射率を下げることなくＨＲ膜端面の放熱を向上させることや、リッジの放熱を向上させることにより、安定動作のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などの半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】誘電体多層膜から成るＨＲ膜１８を一方の端面に備えた半導体レーザ２３と、低屈折率調整膜１８ｃを一方の端面に備えた透明放熱ブロック１９とを有し、且つ、半導体レーザ２３に備えたＨＲ膜１８に透明放熱ブロック１９に備えた低屈折率調整膜１８ｃを接触させて成る高反射膜構造２４を有していることを特徴とする半導体レーザ素子２２の構成とする。また、半導体レーザと、側面電極とこの側面電極につながっている上面電極パッドとを備えた放熱ブロックとを有し、且つ、半導体レーザの表面電極に放熱ブロックの側面電極を接触させて成る放熱構造を有していることを特徴とする半導体レーザ素子の構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などに用いられる高温度特性を持つ半導体レーザ素子(例えばＤＦＢレーザ素子)などの半導体レーザ素子に関するものである。

急激に増大する伝送容量に対応するため、メトロエリア及びローカルエリア系のネットワークでは２.５又は１０Gb/sの高速伝送サービスが行われている。このようなサービスでは低コストのネットワークが構築されることが求められており、この観点から、低消費電力、低コスト及び小型化の特徴を持つ温度調整(温調)なしの光トランシーバモジュールが採用されている。この光トランシーバモジュールの実現は、従来、雰囲気温度７０℃までの範囲において動作するＩｎＧａＡｓＰを活性層に持つ高温特ＤＦＢレーザが開発されたためであり、この広い温度範囲で高速動作する高温特ＤＦＢレーザチップの実現は低コストのネットワークの構築に大きく寄与をした。

近年、１０Gbps (X) Form-factor Pluggable(ＸＦＰ)に代表されるように、モジュールの実装密度が高くなると、チップ温度が雰囲気温度より大きく上昇することが予想されるため、更に高温動作のＤＦＢレーザが求められている。そこで、これに対応する高温特レーザとして、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とするＤＦＢレーザが注目されている。

ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓＰを活性層とするレーザに比べ、高温で電子のオーバーフローが少ないという特徴を持つ。このＩｎＧａＡｌＡｓ活性層ＤＦＢレーザは１３０℃までの最高発振温度特性を持ち、更に、１００℃の雰囲気温度でも良好なopen-eye特性(１０Gbps変調)を持つことが報告されている。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザではＡｌを含む活性層を持つため、活性層側壁をエッチングした場合、酸化による欠陥が生成される。従って、現在のところ、信頼性の観点から、活性層側壁をエッチングしないリッジ構造が採用されている。

図７（ａ）には従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の横断面（光出射端面に平行な面）の構造を示し、図７（ｂ）には前記リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の縦断面（リッジ中央をストライプ方向に切った面：図７（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面）の構造を示す。

図７（ａ）及び図７（ｂ）において、１はＩｎＧａＡｌＡｓ(１.３１μｍ組成)活性層、２はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第１のＳＣＨ層、３はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第２のＳＣＨ層、４はｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、５はｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、６はｎ-ＩｎＰバッファー層である。７はｐ-ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層であり、回折格子により動的単一モードの動作が実現される。８はｐ-ＩｎＰクラッド層、９はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０はｎ-ＩｎＰ基板、１１はＳｉＯ₂絶縁膜、１２はｐ電極（表面電極）、１３はｎ電極（裏面電極）、１４はAntireflection (ＡＲ，反射防止)膜、１５は誘電体多層膜から成るHigh reflection (ＨＲ，高反射)膜、１６はＡｕＳｎハンダ、１７はＡｌＮ（アルミナイトライド）ヒートシンクである。

ここで、ＡＲ膜１４は反射率０.１％以下の膜であり、ＴｉＯ₂高屈折率膜１４ａとＳｉＯ₂低屈折率膜１４ｂから成る。ＨＲ膜１５はＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａとＳｉ高屈折率膜１５ｂから成る。図８の実線（屈折率ｎ_x＝１.０）は、ＨＲ膜１５が空気に接している場合のＨＲ膜１５の端面の反射率(計算値)の波長依存性を示している。レーザ発振波長（λ）が1310nmでＨＲ膜１５の端面の反射率は約７７％である。

リッジは幅１.５μmのｐ-ＩｎＰクラッド層８とｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９から成っている。また、リッジ頂上を除く半導体表面にはＳｉＯ₂絶縁膜１１があり、このＳｉＯ₂絶縁膜１１によって半導体８（ｐ-ＩｎＰクラッド層８）とｐ電極１２を絶縁する構造になっている。電流はリッジ頂上から注入される。素子長は２００μmである。

図９に従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の光出力特性を示す。８５℃雰囲気において閾値電流は１９ｍＡ、最大光出力は１６ｍＷの光出力が得られ、良好なリッジレーザ素子が作製されている。しかしながら、リッジ型構造は従来の埋込み構造に比べて放熱が悪く、素子の温度上昇が大きくなる欠点を持つ。光出力の飽和は、素子の発熱によって素子の温度が上昇したことによるものである。

半導体レーザは劈開によって作製されることから、端面において非発光再結合センターがレーザ内部に比べて多く存在し、半導体レーザの発熱は端面近傍で大きくなる。この発熱による温度上昇は半導体のバンドギャップを縮小させ、端面近傍で光吸収を大きくさせる。このため、更に電流集中を促進させ、端面近傍は素子内部に比べて温度が局部的に高くなる。

ＡＲ／ＨＲコーティングされたＤＦＢレーザでは、ＡＲ／ＨＲコーティングされたファブリ・ペロー型レーザと異なり、ＨＲ膜１５側の端面の光密度がＡＲ膜１４側の端面に比べて高くなる。ＡＲ膜１４側の端面に対するＨＲ膜１５側の端面の光密度比は、回折格子による結合係数κ値に依存し、κ＝７５cm^-1では最大約３倍、κ＝１００cm^-1では最大約８倍となる。このようにＡＲ／ＨＲコーティングされたＤＦＢレーザではＨＲ膜１５側の端面近傍がＡＲ膜１４側の端面近傍に比べ光密度が高く、その結果、ＨＲ膜１５側の端面近傍で局部的に最も温度上昇が大きくなる。

O. Kagaya, K. Yoshimoto, H. Kuwano, T. Yuasa, K. Kogo and K. Nakahara, "Record high mask margin in uncooled directly-modulated laser-diode modules with a driver IC for 10.7 Gbit/s SONET applications," Optical Fiber Communication Conference (OFC), Los Angeles, CA USA, ThD5, 2004.

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す半導体レーザ素子では、半導体レーザがヒートシンク１７上にマウントされ、半導体レーザで発生した熱が、このヒートシンク１７を介して放熱される構造になっているが、この放熱構造には次のような問題がある。

１つ目の問題として、リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの光密度はＨＲ膜１５側の端面近傍で高く、発熱による温度上昇はバンドギャップを縮小させ、光吸収を促進させると同時に、電流集中を引き起こす。この結果、エイジング時間とともに欠陥密度が増加し、ＨＲ膜１５側の端面の温度上昇は大きくなっていく。
これに対し、放熱を向上させる方法としては、ＨＲ１５膜の端面に放熱ブロックを接触させて配置する方法がある。しかし、放熱ブロックは反射率の観点から問題を引き起こす。ＨＲ膜１５の端面側の部分を空気の代わりに放熱ブロックに置き換えた場合、即ちＨＲ膜１５の端面が空気に接触する代わりに放熱ブロックに接触する場合には、ＨＲ膜１５の端面の反射率（計算）の波長依存性は図８に示すようになる。放熱ブロックの屈折率ｎ_xが１.０から増加するに従い、ＨＲ膜１５の端面の反射率は低下している。更に、光一定駆動のため、ＨＲ膜から出力される一部の光はモニタされる必要がある。このため、放熱ブロックは半導体レーザの発振波長域の光に対して透明とすることにより、ＨＲ膜１５からの出力光をパスすることができることが必須である。

２つ目の問題として、リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザはリッジ形状からくる構造により、従来の埋込み構造に比べて放熱が悪く、素子の温度上昇が大きくなる欠点を持つ。これはリッジの熱は横方向に逃げられないためであり、リッジに熱がこもり、半導体レーザの温度上昇を招いてしまうためである。

従って、本発明は、このような課題を解決するものであり、ＨＲ膜端面の反射率を下げることなくＨＲ膜端面の放熱を向上させることや、リッジの放熱を向上させることにより、安定動作のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などの半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１発明の半導体レーザ素子は、誘電体多層膜から成る高反射膜を、少なくとも一方の端面に備えた半導体レーザと、低屈折率調整膜を一方の端面に備えた透明放熱ブロックとを有し、且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明放熱ブロックに備えた前記低屈折率調整膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする。

また、第２発明の半導体レーザ素子は、第１発明の半導体レーザ素子において、前記透明放熱ブロックの他方の端面に反射防止膜を備えたことを特徴とする。

また、第３発明の半導体レーザ素子は、第１又は第２発明の半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子と前記透明放熱ブロックを、ヒートシンク上にマウントしたことを特徴とする。

また、第４発明の半導体レーザ素子は、半導体レーザと、側面電極とこの側面電極につながっている上面電極パッドとを備えた放熱ブロックとを有し、且つ、前記半導体レーザの表面電極に前記放熱ブロックの前記側面電極を接触させて成る放熱構造を有していることを特徴とする。

また、第５発明の半導体レーザ素子は、第４発明の半導体レーザ素子において、前記半導体レーザを、ヒートシンク上にマウントしたことを特徴とする。

また、第６発明の半導体レーザ素子は、第５発明の半導体レーザ素子において、前記ヒートシンクと前記放熱ブロックを、支持台上にマウントしたしたことを特徴とする。

また、第７発明の半導体レーザ素子は、第４〜第６発明の何れか１つの半導体レーザ素子において、前記半導体レーザに電流を供給するためのボンディングワイヤを、前記放熱ブロックの前記電極パッドにワイヤボンディングしたことを特徴とする。

本発明の半導体レーザ素子は、半導体レーザに備えた高反射膜に透明放熱ブロックに備えた低屈折率調整膜を接触させて成る高反射膜構造を有しているため、高反射膜の端面の反射率を下げることなく、高反射膜の端面の放熱を向上させることできる。
また、本発明の半導体レーザ素子は、半導体レーザの表面電極に放熱ブロックの側面電極を接触させて成る放熱構造を有しているため、表面電極側の放熱を向上させることができる。従って、前記半導体レーザがリッジレーザである場合には、リッジの放熱を向上させることができる。
このため、安定動作のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などの半導体レーザ素子を実現することができる。

（ａ）は本発明の実施例１に係る低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の縦断面（リッジ中央をストライプ方向に切った面）の構造を示す図、（ｂ）は前記リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の横断面（光出射端面に平行な面：（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面）の構造を示す図である。本発明及び従来構造を用いたＨＲ膜端面の反射率(計算値)の波長依存性を示すグラフである。本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロックがＨＲ膜端面にある場合とない場合のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の光出力特性を示すグラフである。本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子を用いたレーザモジュールの構造を示す図である。（ａ）は本発明の実施例２に係る電極表面に放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の横断面（光出射端面に平行な面）の構造を示す図、（ｂ）は前記リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の縦断面（リッジ中央をストライプ方向に切った面：（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面）の構造を示す図である。本発明による電極表面に放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の光出力特性を示すグラフである。（ａ）は従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の横断面（光出射端面に平行な面）の構造を示す図、図７（ｂ）は前記リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の縦断面（リッジ中央をストライプ方向に切った面：図７（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面）の構造を示す図である。従来のＨＲ膜が空気に接している場合と前記空気を放熱ブロックに代えた場合におけるＨＲ膜端面の反射率(計算値)の波長依存性を示すグラフである。従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの光出力特性を示すグラフである。

本発明の実施の形態例に係るリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザは、次のような手段を施したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザを特徴とする。

＜手段１＞
本手段１の半導体レーザ素子は、リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザのＨＲ膜に低屈折率調整膜付き透明放熱ブロックの前記低屈折率調整膜を接触させ成る高反射膜構造を有する構成とする。前記低屈折率調整膜付き透明放熱ブロックは、放熱ブロックの一方の端面（光入射面）に低屈折率調整膜（例えばＳｉＯ₂低屈折率調整膜）を備えたものである。また、前記透明放熱ブロックの他方の端面（光出射面）には、低反射膜（反射防止膜）を配置する。なお、前記透明放熱ブロックとしては、例えば本半導体レーザのＩｎＰ基板と同じＩｎＰを用いる。

＜手段２＞
本手段２の半導体レーザ素子は、ヒートシンクの横側面にリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザを配置し、このＤＦＢレーザの表面電極に放熱ブロックの横側面に設けた横側面金電極が接触（密着）するように前記放熱ブロックをマウントすることにより、本半導体レーザの発熱を、前記ヒートシンク及び前記放熱ブロックの底面を介して放熱する構成とする。また、この構造により本半導体レーザの金電極パッドに直接ワイヤボンディングをすることができなくなるため、前記放熱ブロックの横側面金電極を前記放熱ブロックの上面に設置した上面金電極パッドにつなぎ、この上面金電極パッドにボンディングワイヤをワイヤボンディングする。

＜作用効果＞
上記の手段１によれば、リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザのＨＲ膜に透明放熱ブロックの低屈折率調整膜を接触させて成る高反射膜構造を有することにより、ＨＲ膜の端面の反射率を高反射に維持するとともに（ＨＲ膜の機能を低下させることなく）、放熱を向上させることができる。また、透明放熱ブロックは本半導体レーザの発振波長域の光に対して透明であるため、ＨＲ膜からの出力光をパスすることができる。更に、透明放熱ブロックの光出射面に低反射膜（反射防止膜）を配置したため、透明放熱ブロックに入った光を確実に光出射面から出射することができる。

また、上記の手段２によれば、リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの表面電極に横側面金電極が接触するように放熱ブロックをマウントすることにより、本半導体レーザのリッジ表面からも放熱することができる。更に、放熱ブロックの上面金電極パッドにボンディングワイヤをワイヤボンディングしたことにより、このボンディングワイヤから放熱ブロックの上面金電極パッド及び横側面金電極を介して、本半導体レーザに電流を供給することができる。

そして、上記の手段１，２によって半導体レーザの放熱を向上させることにより、半導体レーザの温度上昇が抑制されるため、半導体レーザの光出力特性が向上するとともに長期信頼性が向上する。更に、半導体レーザの光出力特性の向上によって、光ファイバとの結合係数を上げなくても光結合が充分にとれるようなることから、光ファイバの調整トレランスが緩くなり、レーザモジュールの歩留まりが向上する。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１（ａ）及び図１（ｂ）に基づいて、本発明の実施例１に係る低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２の構造を説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施例１のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２は、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザであるリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ２３と、この半導体レーザ２３のＨＲ膜１８に接触させた低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９とを有し、これらの半導体レーザ２３とＩｎＰ放熱ブロック１９をＡｕＳｎハンダ１６でＡｌＮ（アルミナイトライド）ヒートシンク１７上にマウントして成るものである。従って、半導体レーザ２３の発熱は、半導体レーザ２３の裏面側からＡｌＮヒートシンク１７へ放熱され、且つ、半導体レーザ２３のＨＲ膜１８側の端面からもＩｎＰ放熱ブロック１９を介してＡｌＮヒートシンク１７へ放熱される。ＩｎＰ放熱ブロック１９は透明放熱ブロックである。

詳述すると、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、１はＩｎＧａＡｌＡｓ(1310nm組成)活性層、２はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第１のＳＣＨ層、３はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第２のＳＣＨ層、４はｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、５はｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、６はｎ-ＩｎＰバッファー層である。７はｐ-ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層であり、回折格子により動的単一モードの動作が実現される。８はｐ-ＩｎＰクラッド層、９はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０はｎ-ＩｎＰ基板、１１はＳｉＯ₂絶縁膜、１２はp電極（表面電極）、１３はn電極（裏面電極）、１４はＡＲ膜（ＡＲコーティング膜）、１８は前述のＨＲ膜（ＨＲコーティング膜）であり、誘電体多層膜から成るものである。これらによってリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ２３が構成されている。

また、１６は前述のＡｕＳｎハンダ、１７は前述のＡｌＮヒートシンク、１９は前述の低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロックである。ＩｎＰ放熱ブロック１９は、半導体レーザ２３の発振波長域の光に対して透明にするため、材料にＩｎＰを用いて作製したものであり、ＨＲ膜１８からの出力光をパスさせることができる。２０はＡＲ膜、２１はＡｕコーティング膜である。

ここで、半導体レーザ２３の前端面（ＡＲ膜１４側の端面）には、ＴｉＯ₂高屈折率膜１４ａとＳｉＯ₂低屈折率膜１４ｂをコーティングして、反射率０.１％以下のＡＲ膜１４を作製した。一方、半導体レーザ２３の後端面（ＨＲ膜１８側の端面）には、ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａとＳｉ高屈折率膜１８ｂをコーティングして、誘電体多層膜であるＨＲ膜１８を作製した。

図２に短い破線で示したように、従来（図７（ｂ））と同様のＩｎＰ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／Ｓｉ高屈折率膜１８ｂ／空気の構成(構造１)では、ＨＲ膜１８の端面の反射率が約７７％(λ＝1310nm)の高反射特性を持つ。次に、構造１の空気の代わりにＩｎＰ放熱ブロック１９を直接、ＨＲ膜１８に接触させたＩｎＰ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／Ｓｉ高屈折率膜１８ｂ／ＩｎＰの構成(構造２)では、図２に長い破線に示したように、ＨＲ膜１８の端面の反射率が約４３％(λ＝1310nm)となり、大きく低下する。

これを避けるため、ＩｎＰ放熱ブロック１９の一方の端面（光入射面）にＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃを配置し、このＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃを半導体レーザ２３に備えたＨＲ膜１８に接触（密着）させて高反射膜構造２４を構成することにより、半導体レーザ２３の後端面（ＨＲ膜１８側の端面）の高反射特性が低下しないようにした。このＩｎＰ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／Ｓｉ高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃ／ＩｎＰの構成(構造３)におけるＨＲ膜２４の端面の反射率(計算値)の波長依存性を、図２に実線で示す。半導体レーザ２３の発振波長の1310nmで約８４％の反射率の高反射特性が得られている。本発明による構造３の反射率は従来の構造１の反射率と比べ高くなり、反射率は増加している。

なお、半導体レーザ２３からＩｎＰ放熱ブロック１９に入った光は、ＩｎＰ放熱ブロック１９の他方の面（光出射面）から出射される。従って、このＩｎＰ放熱ブロック１９の光出射面には、ＴｉＯ₂高屈折率膜２０ａとＳｉＯ₂低屈折率膜２０ｂを配置することにより、反射率０.１％以下のＡＲ膜２０を作製した。

図１（ｂ）に示すように、半導体レーザ２３のリッジは幅１.５μmのｐ-ＩｎＰクラッド層８と、ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９から成っている。また、リッジ頂上を除く半導体表面にはＳｉＯ₂絶縁膜１１があり、このＳｉＯ₂絶縁膜１１によって半導体（ｐ-ＩｎＰクラッド層８）とｐ電極１２を絶縁する構造になっている。電流はリッジ頂上から注入される。素子長は２００μmである。

図３に本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２と、ＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載していない従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の光出力特性を示す。低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９の搭載なしの場合と搭載ありの場合の光出力が飽和するときの光出力（駆動（動作）電流）は、それぞれ約１６mW（１１０ｍＡ）と約１９mW (１２０mＡ）になっている。これは低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９の搭載により、放熱効果が向上したことによるものである。

また、８５℃１００mＡで長期信頼性試験を行った。本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２の光出力低下は、ＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載していない従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子に比べ小さくなり、低屈折率調整膜付き放熱ブロック１９の搭載により長期信頼性が改善した。

図４に基づいて、本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２を用いたレーザモジュールの構造を説明する。図４において、２２は本発明による低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子、２５は受光素子、２６はプリアンプ、２７はWavelength division multiplexing（ＷＤＭ）フィルタ、２８はボールレンズ、２９はシングルモード光ファイバである。半導体レーザ素子２２の飽和光出力の向上により、シングルモード光ファイバ２９との結合効率が低下しても一定の光出力を得ることができるため、レーザモジュールの作製歩留まり向上に貢献した。

以上述べたように、本実施例１では、半導体レーザ２３の後端面（ＨＲ膜１８側の端面）に低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載することにより、後端面の反射率が下がることなく、放熱を向上させることができた。その結果、半導体レーザ２３の前端面（ＡＲ膜１４側の端面）から出射される光出力が飽和するときの光出力(駆動電流)が向上し、また、劣化が抑制されて長期信頼性が改善した。更に、半導体レーザ２３の飽和光出力の向上により、シングルモード光ファイバ２９との結合効率が低下しても一定の光出力を得ることができるため、作製トレランスが緩くなり、レーザモジュールの作製歩留まりが向上した。

なお、ここではリッジレーザを用いて説明したが、埋込み構造レーザであっても同様の放熱効果が得られることは自明である。

＜実施例２＞
図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づいて、本発明の実施例２に係る放熱ブロック４８を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１の構造を説明する。

図５（ａ）に示すように、本実施例２のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１は、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザであるリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ４２と、半導体レーザ４２の裏面側に配置したＡｌＮヒートシンク１７と、半導体レーザ４２の表面（リッジ）側に配置した放熱ブロック４８とを有し、ＡｌＮヒートシンク１７と放熱ブロック４８をＣＡＮパッケージのコバール台（支持台）４４上にマウントした構成のものである。従って、半導体レーザ４２の発熱は、半導体レーザ４２の裏面側から（即ち半導体レーザ４２の基板経由で）ＡｌＮヒートシンク１７へ放熱されて更にＡｌＮヒートシンク１７の底面側からコバール台４４へ放熱され、且つ、半導体レーザ４２の表面（リッジ）側から放熱ブロック４８へ放熱されて更に放熱ブロック４８の底面側からコバール台４４へ放熱される。

詳述すると、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、１はＩｎＧａＡｌＡｓ(1310nm組成)活性層、２はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第１のＳＣＨ層、３はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第２のＳＣＨ層、４はｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、５はｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、６はｎ-ＩｎＰバッファー層である。７はｐ-ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層であり、回折格子により動的単一モードの動作が実現される。８はｐ-ＩｎＰクラッド層、９はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０はｎ-ＩｎＰ基板、１２は前述のp電極（表面電極）、１３はn電極（裏面電極）、１４はＡＲ膜（ＡＲコーティング膜）、１５はＨＲ膜（ＨＲコーティング膜）であり、誘電体多層膜から成るものである。ＡＲ膜１４はＴｉＯ₂高屈折率膜１４ａとＳｉＯ₂低屈折率膜１４ｂから成り、ＨＲ膜１５はＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａとＳｉ高屈折率膜１５ｂから成る。これらによってリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ４２が構成されている。この半導体レーザ４２はＡｌＮヒートシンク１７上にＡｕＳｎハンダ１６でマウントされる。

次に、半導体レーザ４２のマウントされたＡｌＮヒートシンク１７の側壁を底面にして、ＣＡＮパッケージのコバール台４４上にＡｕＳｎハンダ４３でマウントして固定した。このマウントで半導体レーザ４２はＡｌＮヒートシンク１７の横側面に配置することになる。

最後に、ＡｌＮヒートシンク１７の横側面に配置した半導体レーザ４２のリッジ頂上４５におけるp電極（表面電極）１２と、放熱ブロック４８の横側面金電極４６が接触（密着）するように放熱ブロック４８を配置し、この放熱ブロック４８の側壁を底面にして、ＣＡＮパッケージのコバール台４４上にＡｕＳｎハンダ４９でマウントして固定した。また、横側面金電極４６は放熱ブロック４８の上面に配置した上面金電極パッド４７につながっており、半導体レーザ４２に電流を供給するためのボンディングワイヤ５０を、上面金電極パッド４７にワイヤボンディングした。なお、放熱ブロック４８の材料としては空気に比べて放熱性（熱伝導率）の高いものであればよく、例えばＳｉ、ＡｌＮやダイヤモンドなどの材料を用いることができる。

図６に本発明による電極表面（p電極１２の表面）に放熱ブロック４８を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１の光出力特性を示す。光出力が飽和するときの光出力(駆動（動作）電流)は２０ｍＷ以上（１２０ｍＡ）となっている。これはp電極（表面電極）１２の表面に放熱ブロック４８を搭載したことにより、放熱効果が向上したことによるものである。

また、８５℃１００ｍＡで長期信頼性試験を行った。本発明による電極表面に放熱ブロック４８を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１の光出力低下は、放熱ブロック４８を搭載していない従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子に比べて小さくなり、電極表面に放熱ブロック４８を搭載したことにより長期信頼性が改善した。

また、本発明による電極表面に放熱ブロック４８を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１を用いて、図４と同様のレーザモジュールを作製した。図４のレーザモジュールにおいて、低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２に代えて、放熱ブロック４８を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子４１を実装し、これ以外の構成については図４の構成と同じにした。その結果、半導体レーザ素子４１の飽和光出力の向上により、シングルモード光ファイバ２９との結合効率が低下しても一定の光出力を得ることができるため、レーザモジュールの作製歩留まり向上に貢献した。

以上述べたように、本実施例２では、従来の基板経由の放熱に加え、半導体レーザ４２の表面電極（p電極１２）に放熱ブロック４８を搭載したことにより、放熱を向上させることができた。その結果、半導体レーザ４２の前端面（ＡＲ膜１４側の端面）から出射される光出力が飽和するときの光出力(駆動電流)が向上し、また、劣化が抑制され、長期信頼性が改善した。更に、半導体レーザ４２の飽和光出力の向上により、シングルモード光ファイバ２９との結合効率が低下しても一定の光出力を得ることができるため、作製トレランスが緩くなり、モジュールの作製歩留まりが向上した。

なお、ここではリッジレーザを用いて説明したが、埋込み構造レーザであっても同様の放熱効果が得られることは自明である。
また、ここでは１例としてＤＦＢレーザを用いたが、ファブリ・ペローＬＤを用いても、レーザ全体の放熱が上がり同様の改善が得られることは明らかである。

本発明は半導体レーザ素子に関するものであり、ＤＦＢレーザやファブリ・ペローＬＤの放熱を向上させる場合に適用して有用なものである。

１ＩｎＧａＡｌＡｓ(1310nm組成)活性層
２ｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓの第１のＳＣＨ層
３ｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ第２のＳＣＨ層
４ｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層
５ｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層
６ｎ-ＩｎＰバッファー層
７ｐ-ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
８ｐ-ＩｎＰクラッド層
９ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
１０ｎ-ＩｎＰ基板
１１ＳｉＯ₂絶縁膜
１２ｐ電極
１３ｎ電極
１４ＡＲ膜
１４ａＴｉＯ₂高屈折率膜
１４ｂＳｉＯ₂低屈折率膜
１５ＨＲ膜
１５ａＳｉＯ₂低屈折率膜
１５ｂＳｉ高屈折率膜
１６ＡｕＳｎハンダ
１７ＡｌＮヒートシンク
１８ＨＲ膜
１８ａＳｉＯ₂低屈折率膜
１８ｂＳｉ高屈折率膜
１８ｃＳｉＯ₂低屈折率膜
１９低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロック
２０ＡＲ膜
２０ａＴｉＯ₂高屈折率膜
２０ｂＳｉＯ₂低屈折率膜
２１Ａｕコーティング膜
２２低屈折率調整膜付きＩｎＰ放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子
２３リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ
２４高反射膜構造
２５受光素子
２６プリアンプ
２７ Wavelength division multiplexing（ＷＤＭ）フィルタ
２８ボールレンズ
２９シングルモード光ファイバ
４１電極表面に放熱ブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子
４２リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ
４３ＡｕＳｎハンダ
４４ＣＡＮパッケージのコバール台
４５半導体レーザのリッジ頂上
４６横側面電極
４７上面金電極パッド
４８放熱ブロック
４９ＡｕＳｎハンダ
５０ボンディングワイヤ

Claims

誘電体多層膜から成る高反射膜を、少なくとも一方の端面に備えた半導体レーザと、
低屈折率調整膜を一方の端面に備えた透明放熱ブロックとを有し、
且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明放熱ブロックに備えた前記低屈折率調整膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
前記透明放熱ブロックの他方の端面に反射防止膜を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子において、
前記半導体レーザ素子と前記透明放熱ブロックを、ヒートシンク上にマウントしたことを特徴とする半導体レーザ素子。
半導体レーザと、
側面電極とこの側面電極につながっている上面電極パッドとを備えた放熱ブロックとを有し、
且つ、前記半導体レーザの表面電極に前記放熱ブロックの前記側面電極を接触させて成る放熱構造を有していることを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項４に記載の半導体レーザ素子において、
前記半導体レーザを、ヒートシンク上にマウントしたことを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項５に記載の半導体レーザ素子において、
前記ヒートシンクと前記放熱ブロックを、支持台上にマウントしたしたことを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項４〜６の何れか１項に記載の半導体レーザ素子において、
前記半導体レーザに電流を供給するためのボンディングワイヤを、前記放熱ブロックの上面電極パッドにワイヤボンディングしたことを特徴とする半導体レーザ素子。