JP3735528B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【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における光源として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素子が広く用いられている。半導体レーザ素子は、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素子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】
また、半導体レーザ素子は、複数の反射鏡から成る共振器中に増幅率1以上の媒質を挟み込むことにより実現されているが、共振器の反射鏡に結晶のへきかい面を利用でき、増幅媒質を通過する距離を長く取れる、端面出射型の半導体レーザの開発が主流に成っている。一部には、半導体や誘電体多層膜等を用いて高反射鏡を作り基板の法線方向に出射光を出す面発光レーザ素子も実用化されているが、実用化の技術が十分ではなく、材料つまり出射光波長によってはいまだ研究段階のレベルに有る物が多いなど課題が多い。このことから、製品に用いられているほとんどの半導体レーザ素子からなる光源は端面出射型が用いられている。
【0004】
一方、半導体レーザ素子は、環境温度変化により敏感に光出力が変動する。そのため、半導体レーザ素子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 Power Control:APC)と呼ぶ。端面出射型の半導体レーザ素子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。
【0005】
FAPC方式で、半導体レーザ素子を使用する際の構成を図4に示す。101は半導体レーザ素子、102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、103はモニタ用受光素子で、半導体レーザ装置が構成される。半導体レーザ素子101から出射した光は分割手段102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。この構成では、半導体レーザ素子からモニタ用の受光素子に入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合、例えば、本装置を光ピックアップの光源として用いてDVD−ROMとDVD−RAMを同一の発光素子で実現するような場合、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、APC駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題がある。例えば、現在DVD−ROMおよびRAMに用いられている赤色半導体レーザ素子(波長約650nm)では、ROMモードでの半導体レーザ光出力は最大約5mWに対し、RAMでは約10倍の約50mWにも及ぶ。大きなダイナミックレンジと精密な制御を両立することは本質的に困難であるため、制御回路系が複雑化する。さらには、入射光強度が大きくなると、受光素子の出力電流は光強度に線形に追随できなくなる飽和現象が生じる場合がある。飽和が生じた場合、半導体レーザ素子の駆動電流を受光素子からの出力電流に対して非線形に制御する必要が生じ、制御回路構成が複雑化する。このため、RAMモードとROMモードでモニタ用受光素子を別々に設けたり、制御回路系を2系統用意するなどの必要が生じ、部品点数の増加を招きコストの上昇と小型化の障害となるという問題が生じる。
【0006】
FAPCで半導体レーザ素子を制御して使用する方法として、反射鏡後部にフロントAPC用の受光素子を集積化した図5に示すような提案(例えば特開平05−315700号公報等)がされている。半導体レーザ素子1をサブマウントであるシリコン基板2に形成した凹部3に実装し、凹部の壁面の高濃度n型拡散層24−2に形成した反射面で反射させて上方に光ビームを取出す構成である。この構成によれば、前面出力光の一部をモニタすることが可能である。また、この構成によれば出力光は、半導体レーザ素子の近傍でつまり、大きく広がる前に上方に反射されるため、特別に実装面との位置関係を考慮せずとも、実装面での蹴られは少なく、ビーム形状もほぼ保たれたまま出力光を取出すことが出来る。
【0007】
しかしながら、このような構成であっても上記従来例(図4)と本質的には同様の問題がある。半導体レーザ素子からモニタ用の受光素子に入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、APC駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上で詳述した通り、反射鏡などの光路分割手段後部にフロントAPC用の受光素子を配置した半導体レーザ装置において、光ピックアップの光源として用いてDVD−ROMとDVD−RAMを同一の発光素子で実現するような場合、発光素子から入射する光強度が段階的に大きく変化するため、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、APC駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題があった。
【0009】
本発明は上述した問題に対処してなされたもので、APC駆動用の外部制御回路に大きなダイナミックレンジの必要としない新規な半導体レーザ装置を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、反射鏡とその後部に配置した受光素子との間に、可変光減衰器を設ける事を特徴とする。
【0011】
さらには、反射鏡後部に配置した受光素子部に光路にほぼ垂直となる方向の溝を設け、光学的に直列に受光素子を分割し、入射光強度が大きい場合には、前段の受光素子をオフとして光吸収層として使用し、後段の受光素子からの出力電流を用いて制御を行う。また、入射光強度が小さいときには、前後両方の受光素子を用いて制御することができる半導体レーザ装置を提供する。
【0012】
【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。
図1は、本発明の第1の実施形態を説明するための図である。101は半導体レーザ素子、102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。103はモニタ用受光素子である。104は、可変光減衰器である。可変光減衰器は、電圧や電流などにより減衰量を変化させることのできる構造であればよく、例えば、液晶などで構成される。半導体レーザ101から出射した光は分割手段102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103に入力しAPC用のモニタ光電流を出力する。ここで、モニタ受光素子に入射する光強度が大きい場合には、可変光減衰器の減衰量を大きくし、光強度が小さい場合には減衰量を小さくすることによって、モニタ受光素子からの出力電流値を適切に制御することができる。これによって、別の受光素子を用意する必要が無く、制御回路の設計が容易になる。この図では、各要素は別素子のごとく描かれているがもちろん集積化されていてもよく、個別部品に限定されるものではない。
【0013】
図2は、本発明の第2の実施形態を説明するための断面図である。図2で、1は半導体レーザ素子であり、図で左右方向に共振器を持ち端面11から光が出射される端面発光型である。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凹部が形成されている。24,22,21の各層で受光素子である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28(=n電極)との間に逆バイアス電圧をかけて用いられる。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、斜面23上に形成された誘電体膜などからなる反射鏡となる半透過膜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。このとき、半透過膜25の後方に形成された受光素子は分離溝29により、半導体レーザの出射光14の透過光15の光軸対して直列となるようにフォトダイオード3および4の2つに分割されている。透過光15は、フォトダイオード4で一部が吸収されて透過後、フォトダイオード3で吸収される構造になっている。
【0014】
本構造を用いてFAPCを実現するには、入射光強度が小さい場合には、フォトダイオード3および4の両方の出力電流を用いて制御し、逆に大きい場合にはフォトダイオード3のみの光電流を用いて制御を行う。フォトダイオード3のみを用いる場合、フォトダイオード4は、光吸収層として働くため、例えば90%の光を吸収させて10%をフォトダイオード3で吸収させるように設計することで、RAMモードとROMモードでほぼ同程度の光電流が得られる。このように構成することで、別々のモニタ用受光素子を用意することなく、受光素子の飽和現象を抑制しながら駆動回路に大きい制御信号(モニタ出力電流)を入力することができ、適正な制御回路系全体の設計が容易になる。この構造では、前段の受光素子が可変光減衰器とモニタ用受光素子の両方の機能を持たせて、同じ素子構造で受光素子と光減衰器を構成できるようにし、より集積化が容易な構造である。
【0015】
なお、図2では、凹部の底面の反射面となる斜面23側に溝27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。
【0016】
この構造は、次のようにして実現される。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22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。更に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27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。さらに、レジストや酸化膜をマスクとしてRIEなどによって基板21に到達する分離溝29を形成する。
【0017】
溝29の側壁は、表面リークを抑えるため、熱酸化膜などによりパッシベーションされる。溝内部での反射ロスを減らすために、望ましくはパッシベーション膜が光軸に対して無反射膜となるように形成される。この後に、半透過ミラーとして膜25を誘電体膜で形成後、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。
【0018】
本実施形態では、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。
【0019】
また、基板2は2層のエピタキ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。また、溝の形状はトレンチ状に縦型の場合を図示したが、透過光が後段の受光素子3に入射する範囲であれば反射面23と同様の斜面であっても良い。この場合、分離溝を反射面23と同時に形成することも可能で、プロセスが簡単化される。
【0020】
本実施形態では、基板はn型伝導型としたがもちろん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。特に、凹部形成時には、p型不純物としてボロンを用いた場合、1×1020cm−3を超えるような高濃度に成るとKOHによるエッチングレートが遅くなるため、エッチングストップ層として機能させることでより平坦な凹部底面を得ることが出来る。
【0021】
図3は、本発明の第三の実施形態を説明するための図である。図2の構造との違いは、受光素子3と4の分離にn型拡散領域29−2を用いたことにある。分離がpn分離であるため、p型拡散領域24はイオン注入や熱拡散などにより部分的に形成される。この構造では、イオン注入などの通常のLSIプロセスでの分離が可能であることや、溝側壁の表面をパッシベーションする必要が無くプロセスが単純化される。ただし、分離領域での吸収はすべてn型電極に流れて遅い成分の光電流となるため、高速制御の場合には雑音となるため、低速制御に適している。
【0022】
【発明の効果】
本発明は、反射鏡とその後部に配置した受光素子との間に、可変光減衰器を設ける事を特徴とする。さらには、反射鏡後部に配置した受光素子部に光路にほぼ垂直となる方向の溝を設け、光学的に直列に受光素子を分割し、入射光強度が大きい場合には、前段の受光素子をオフとして光吸収層として使用し、後段の受光素子からの出力電流を用いて制御を行う。このように構成した半導体レーザ装置によれば、入射光強度が小さいときには、前後両方の受光素子を用いて制御することができ、また、光ピックアップの光源として用いてDVD−ROMとDVD−RAMを同一の発光素子で実現するような場合、すなわち、発光素子から入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合でも、単一の素子で受光素子からの出力電流値が大きく変動することなく、ほぼ一定の制御信号(光電流)を制御回路に入力することができるため、制御回路系全体の設計が容易となり、コストの上昇や大型化を抑える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1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の従来例を説明するための図。
【符号の説明】
1 半導体レーザ素子
11 へきかい端面
14 出力光ビーム
2 サブマウント基板
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
24−2 高濃度n型拡散層
25 半透過膜
26 フォトダイオード電極
27 溝
28 サブマウント裏面電極
29 受光素子分離溝
29−2 受光素子分離領域(n型拡散領域)
3、4 受光素子
5 接着剤[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device used as a light source in optical communication, optical transmission technology, and optical information recording technology.
[0002]
[Prior art]
Currently, semiconductor laser devices are widely used as light sources in the fields of optical communication, optical transmission, optical information recording, and the like because they can perform coherency and high-speed operation of emitted light, or are extremely small. Semiconductor laser devices are used for lead frames and metal blocks because they emit stimulated emission light by injecting current from the outside and secure a heat dissipation path because the light intensity changes sensitively to thermal fluctuations. In order to alleviate the difference in thermal expansion coefficient between the metal and the semiconductor material constituting the semiconductor laser element, it was mounted on a substrate called a submount made of Si, AlN, or the like. After that, it is mounted on a metal member.
[0003]
The semiconductor laser device is realized by sandwiching a medium having an amplification factor of 1 or more in a resonator composed of a plurality of reflecting mirrors. The development of edge-emitting semiconductor lasers that can take a long distance has become the mainstream. For some, surface-emitting laser elements that produce a high-reflecting mirror using a semiconductor or dielectric multilayer film and emit outgoing light in the normal direction of the substrate have also been put into practical use, but the technology for practical use is not sufficient However, depending on the material, that is, the wavelength of the emitted light, there are many problems such as many things still at the research stage level. For this reason, the edge emitting type light source is used as the light source composed of most semiconductor laser elements used in products.
[0004]
On the other hand, the optical output of the semiconductor laser element fluctuates sensitively due to environmental temperature changes. Therefore, both the semiconductor laser element and the mounting substrate are mounted on an element capable of controlling the temperature collectively, such as a Peltier element. However, since the mounting substrate and the submount also have a small heat capacity, when precise light output control is required, a method of monitoring the actual output light and causing the drive current circuit to perform feedback control is taken. This is called automatic light control (Automatic Power Control: APC). The end face emitting type semiconductor laser element uses both end faces formed by a scratched face or the like as a resonator mirror. However, unless the reflectance of the end face is specifically controlled, output light is emitted symmetrically in the front-rear direction. The APC can be configured by monitoring the light output from the rear with a light receiving element or the like. However, the monitored light does not contribute as a signal, so that the light use efficiency decreases. For this reason, in a system that requires high output and high efficiency, a method of increasing the light utilization efficiency as much as possible by increasing the reflectance of the rear end face with a dielectric multilayer film or the like is employed. In such a case, the emitted light from the back that can be used for the monitor becomes small and the SN ratio is deteriorated so that precise APC cannot be applied. Therefore, it becomes necessary to monitor a part of the light from the front (= signal light), and this control method is called front APC (hereinafter referred to as FAPC).
[0005]
FIG. 4 shows a configuration when a semiconductor laser element is used in the FAPC system.
[0006]
As a method of controlling and using a semiconductor laser element by FAPC, a proposal as shown in FIG. 5 in which a light receiving element for front APC is integrated in the rear part of a reflecting mirror (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 05-315700) has been proposed. . A configuration in which the semiconductor laser element 1 is mounted in a
[0007]
However, even such a configuration has essentially the same problem as the conventional example (FIG. 4). When the light intensity incident on the light receiving element for monitoring from the semiconductor laser element changes greatly in a stepwise manner, the output current value from the light receiving element fluctuates greatly, and the external control circuit for driving APC has a very large dynamic range. There is a problem that is necessary.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described in detail above, in a semiconductor laser device in which a light receiving element for front APC is arranged at the rear of an optical path dividing means such as a reflecting mirror, a DVD-ROM and a DVD-RAM are used as a light source for an optical pickup with the same light emitting element. In such a case, since the intensity of light incident from the light emitting element changes greatly in steps, the output current value from the light receiving element greatly fluctuates, and a very large dynamic range is required for the external control circuit for APC driving. There was a problem of becoming.
[0009]
The present invention has been made in response to the above-described problems, and provides a novel semiconductor laser device that does not require a large dynamic range in an external control circuit for driving APC.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor laser device of the present invention is characterized in that a variable optical attenuator is provided between the reflecting mirror and the light receiving element disposed at the rear part thereof.
[0011]
Furthermore, a groove in a direction almost perpendicular to the optical path is provided in the light receiving element portion arranged at the rear of the reflecting mirror, and the light receiving elements are optically divided in series. It is used as a light absorption layer in the off state, and control is performed using the output current from the light receiving element at the subsequent stage. Also provided is a semiconductor laser device that can be controlled by using both front and rear light receiving elements when the incident light intensity is low.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
[0013]
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the present invention. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a semiconductor laser element, which is an end-emitting type in which a resonator is provided in the left-right direction in the drawing and light is emitted from the end surface 11.
[0014]
In order to realize FAPC using this structure, when the incident light intensity is low, control is performed using the output currents of both the
[0015]
In FIG. 2, a groove 27 is formed on the side of the
[0016]
This structure is realized as follows. First, a wafer having the
[0017]
The sidewall of the
[0018]
In the present embodiment, a high-speed PIN structure is shown as the light receiving element structure, but the same effect can be obtained even if a normal PN light receiving element is used. In that case, the
[0019]
Further, although the
[0020]
In this embodiment, the substrate is an n-type conductivity type. Of course, when the p-type conductivity type is used, the same configuration can be obtained by reversing the conductivity type. In particular, when boron is used as a p-type impurity at the time of forming a recess, the etching rate by KOH becomes slow at a high concentration exceeding 1 × 10 20 cm −3. A flat concave bottom surface can be obtained.
[0021]
FIG. 3 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. The difference from the structure of FIG. 2 is that the n-type diffusion region 29-2 is used to separate the
[0022]
【The invention's effect】
The present invention is characterized in that a variable optical attenuator is provided between the reflecting mirror and the light receiving element disposed at the rear part thereof. Furthermore, a groove in a direction almost perpendicular to the optical path is provided in the light receiving element portion arranged at the rear of the reflecting mirror, and the light receiving elements are optically divided in series. It is used as a light absorption layer in the off state, and control is performed using the output current from the light receiving element at the subsequent stage. According to the semiconductor laser device configured as described above, when the incident light intensity is low, it can be controlled using both the front and rear light receiving elements, and the DVD-ROM and DVD-RAM can be used as the light source of the optical pickup. Even when realized with the same light emitting element, that is, when the intensity of light incident from the light emitting element changes greatly in steps, the output current value from the light receiving element does not vary greatly with a single element. Since a substantially constant control signal (photocurrent) can be input to the control circuit, the entire control circuit system can be easily designed, and there is an effect of suppressing an increase in cost and an increase in size.
[Brief description of the drawings]
[1] Figure of order to explain the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a conventional semiconductor laser device.
FIG. 5 is a diagram for explaining a second conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser element 11
3, 4
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