JP4024483B2

JP4024483B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP4024483B2
Application number: JP2001062175A
Authority: JP
Inventors: 浩史濱崎; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: JP2002270937A

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の光源として用いられる半導体レーザに関する。
【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が広く用いられている。半導体レーザは、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。
一方、半導体レーザは、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。
【０００３】
ＦＡＰＣ方式で、半導体レーザを使用する際の構成例を図３に示す。１は半導体レーザ、２５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。２はモニタ用受光素子で、一部に受光部７が形成されている。半導体レーザ１から出射した光は分割手段２５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。この構成を、集積化しかつ短波長の光にも適用可能な方式として、図４に示す構成がある（特開２００１−１５８４９号公報）。図４で、１は半導体レーザ素子である。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と、さらに低濃度層２２上にｐ型電動型の高濃度層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。該凹部の斜面２３上の一部には、誘電体多層膜や薄い金属からなる半透過膜２５が形成されている。２４，２２，２１の各層で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、一部が高濃度層２４とコンタクトしている以外は、絶縁層２７で電気的に絶縁される。引き出しｐ電極２６と裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧をかけてほぼ低濃度層２２全体に広がる空乏層を受光部として用いられる。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。この電流を、ＡＰＣ回路に入力することで、半導体レーザ素子の出力光が制御される。通常、ＡＰＣ回路の帯域は数十〜数百Ｈｚと低く設定されており、半導体レーザの出力光変動の遅い成分を識別して制御するように設計される。これは、半導体レーザ光の大きな変動要因が温度変化にあるためである。
【０００４】
一方、光ディスク応用などを考慮した場合、出力光は光ディスク表面で反射され、途中に挿入されたホログラム素子などで分岐されて信号受光素子などに入力される。しかしながら、ホログラム素子での分岐は回折を利用しており、光ディスク媒体の複屈折率の違いなどで、反射光の１００％が回折できず、光源に戻ってくる戻り光がある。そのため、半導体レーザ側では、信号周波数よりも高い周波数で一定の変調をかけ続ける高周波重畳技術により、半導体レーザの戻り光雑音低減を図っている。図３においては、戻り光を３１、そのうち受光部７に入射する光を３２で示している。図４において、戻り光３１は半透過膜２５で大部分が反射されるが、一部はモニター用のフォトダイオードの受光部、すなわち低濃度層２２付近に広がる空乏層に入射し、本来の半導体レーザ出射光１４による光電流に付加されて、ＡＰＣ回路へ入力され雑音となる。光ディスクからの戻り光に含まれる信号光の周波数は、通常数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚと高い周波数であり、低域しかゲインの無いＡＰＣ回路では、平均値のみが検出され、微小なオフセットが生じるだけである。これは、ほぼ一定の微小な値になるため、ＡＰＣ回路のゲイン調整でキャンセル可能である。
【０００５】
しかし、ＲＡＭ応用では、書込み時の光パルスを精密に制御するために、高速のＡＰＣを用いることが有効であることが報告されており（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥｖｏｌ．1499，pp.324-329）、書き込み光パルス強度制御と戻り光雑音低減のために、高速のＡＰＣが有効である。
【０００６】
ＡＰＣ回路の帯域が信号周波数と同等あるいはそれ以上の周波数になってくると、前述の戻り光によるモニタ雑音は、全て雑音として増幅され、ひいてはＡＰＣが不可能になることさえあるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上で詳述した通り、フロントＡＰＣ用の受光素子の表面を半透鏡として利用した半導体レーザ装置において、戻り光がフロントモニタＰＤに入射し、ＡＰＣ回路の雑音となるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の問題を解決した新規な半導体レーザ装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の広がり角でレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子を基板表面と前記出射されたレーザ光の光軸がほぼ平行になるように実装するサブマウント半導体基板と、このサブマウント半導体基板の基板表面に形成され、前記基板表面方向に延びる低不純物濃度層とこの層を挟む互いに異なる伝導型の高不純物濃度層とを有し、前記低不純物濃度層に受光面となる斜面を形成した受光素子と、前記斜面上に形成された所定の厚さの透明層と、この透明層表面に形成された半透過鏡とを具備し、前記半導体レーザ素子の出射レーザ光の一部が前記半透過鏡で反射されて出力され、前記透明層によって前記出射レーザ光の残りの一部が広がり角を絞られて前記受光素子の受光面に入射して受光され、外部からの戻り光の光軸中心部が前記受光面に入射しないようにされた半導体レーザ装置を得るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例を示す図である。図１（ａ）で１は半導体レーザ、２５は出射光分割手段で例えば半透膜などで構成される。２はモニタ用受光素子である。４は、透明層である。透明層４は、半導体レーザ１の出射光波長の光を吸収せず、ほぼ透明であれば良く、例えば、ＳｉＯ２厚膜などで構成される。半導体レーザ１から出射した光は分割手段２５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、透明層４を通過後に光出力モニタ用の受光素子２の受光部７に入射し、ＡＰＣ用のモニタ光電流を出力する。ここで、透明層４の厚さを一定の厚さ以上にすることにより、半透過膜２５通過後の戻り光のうち大部分が受光素子の受光部７に入射しないように配置することができる。
【００１２】
図１では、説明のため光ビームは直線で示しているが実際には、ある広がりを持った光であるため、戻り光のうち一部は受光部に入射する可能性はあるが、本実施例のように戻り光の光軸付近の光が受光部７に入射しないように配置することで、大幅に戻り光雑音を低減することができる。特に、外部の光学系でビームがある程度絞られる条件にある場合が多く、ビーム広がりが限定されていればより効果的となる。例えば、光ディスクシステムの場合、対物レンズの開口により光ディスクに照射されて反射するビームの広がり角は絞られており、戻り光の広がり角は約７°程度である。光学系が対称であれば、この広がり角で絞られたビームがちょうど半導体レーザ出射部付近で焦点を結ぶことになる。その一部が、半透膜を透過して受光素子に入射する。
【００１３】
この場合の、具体的な光ビームの様子を図１（ｂ）で説明する。透明層４の屈折率を１．４６、厚みを２０μm、半導体レーザ光の広がり角を７°、半導体レーザと半透膜との距離を５０μm、半透膜と半導体レーザ光の光軸とのなす角度を４５°とする。この時、受光素子２表面での戻り光ビームは長径約１４μm（図１（ｂ）中のｄ）の楕円となる。したがって、受光素子の受光部をこのビームの外でかつ直接光を受光可能な位置に配置すれば、光路のずれを利用してＦＡＰＣを実現しつつ戻り光の影響をほとんど受けない構成が可能となる。
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。図２で、１は半導体レーザ素子である。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斜面２３を有する凹部が形成されている。斜面２３上には、半導体レーザ１の出射光の光に対して透明な透明層４が形成されている。２４，２２，２１の各層で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。戻り光３１の一部は、半透過膜２５、透明層４を通過し、斜面２３表面に達する。斜面２３まで達した戻り光ビーム３２は、半導体レーザ１からの出射光１４が半透過膜２５を通過後の直接光ビーム３３とは、異なる位置に入射する。そのため、受光領域を直接光ビーム３３が入射し、戻り光ビーム３２が入射しない位置に配置することで、戻り光によるＡＰＣ雑音が低減可能となる。受光領域は、ほぼ低濃度層２２と同じ位置に形成される空乏層であるから、半導体レーザ１の実装されている凹部の深さを異方性エッチング時間のコントロールによって制御することで、エピ層との相対高さを調節するなどの方法で、上記の条件を満たすことが可能である。また、接着剤５の厚み等によっても、半導体レーザ１の出射光１４の高さを調節することも可能である。
【００１４】
本実施例の構成によれば、透明層４の屈折率を１．４６、斜面法線方向の厚みを２０μｍとし、戻り光３１の広がり角を７°、斜面の傾き角を４５°の場合には、戻り光ビーム３２は長径（斜面方向のビームの広がり長さ）が約１４μｍ、戻り光ビーム３２と直接光ビーム３３の斜面２３上での中心位置ずれ量は約２２μｍとなり、十分直接光ビーム３３を受光しつつ戻り光ビーム３２を受光しない位置に配置可能である。
なお、図２では、凹部の底面の反射面となる斜面２３側に溝２９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。
【００１５】
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２９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、全面に液体原料（例えばＴＥＯＳ等）を用いたＣＶＤでＳｉＯ２を形成するなど透明な厚膜形成可能方法で、透明層を形成する。その後、不要な部分をＲＩＥなどで除去し斜面２３上に透明層４をパターニングする。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。
【００１６】
上記実施の形態によれば、半導体レーザのサブマウントにミラー付の受光素子を集積化しつつ戻り光によるＡＰＣ雑音の低減が可能となり、小型で量産性の良い集積化半導体装置の実現が可能である。
【００１７】
また、前述までの実施の形態では、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は不要であるが、ｐ型高濃度層とｎ型高濃度層の境界付近に空乏層が形成され受光部となる。この場合、基板の価格が低いという特徴をもつが、ＰＩＮ構造に比較すると同じバイアスで、空乏層厚が大きく取れないため、感度が低く周波数応答が低いといった点に注意が必要となる。また、基板２は２層のエピタイ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。さらに、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。
【００１８】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、半導体レーザからの直接光ビームの光軸中心部のほとんどは、受光素子内の受光部に入力し、かつ、戻り光ビームの多くは受光部に透過しない位置に受光部を配置することが可能であり、半導体レーザの出力光強度制御（ＡＰＣ）回路に混入する戻り光雑音の低減が可能となる。したがって、半導体レーザの出力光強度が精度良く、高速に制御が可能となり、光ディスクの書き込みなどの光源に有効であるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を説明するための図。
【図２】本発明の第二の実施の形態を説明するための図。
【図３】従来の半導体レーザ装置を示す図。
【図４】第２の従来例を示す図。
【符号の説明】
１半導体レーザ素子
２サブマウント基板（受光素子）
４透明層
５接着剤
６空洞
７受光部
１４出力光ビーム
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
２５半透過膜（半透過鏡）
２６受光素子引出し電極
２７絶縁層
２８サブマウント裏面電極
２９受光素子分離溝
３１戻り光
３２受光素子内に入射した戻り光ビーム
３３受光素子内に入射した直接光ビーム
６２薄い半導体層

Claims

所定の広がり角でレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子を基板表面と前記出射されたレーザ光の光軸がほぼ平行になるように実装するサブマウント半導体基板と、このサブマウント半導体基板の基板表面に形成され、前記基板表面方向に延びる低不純物濃度層とこの層を挟む互いに異なる伝導型の高不純物濃度層とを有し、前記低不純物濃度層に受光面となる斜面を形成した受光素子と、前記斜面上に形成された所定の厚さの透明層と、この透明層表面に形成された半透過鏡とを具備し、前記半導体レーザ素子の出射レーザ光の一部が前記半透過鏡で反射されて出力され、前記透明層によって前記出射レーザ光の残りの一部が広がり角を絞られて前記受光素子の受光面に入射して受光され、外部からの戻り光の光軸中心部が前記受光面に入射しないようにされた半導体レーザ装置。