JP4600776B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光を検出するための光検出素子を備えた半導体レーザ装置に係り、特に、光検出精度が高度に要求される用途で好適に適用可能な半導体レーザ装置に関する。
従来から、光ファイバや、光ディスクなどの用途の半導体発光装置には、これに組み込まれた半導体レーザの光出力レベルを一定にする目的の一環として、光検出機構により半導体レーザのレーザ光を検出することが行われている。この光検出機構は、例えば、レーザ光の一部を分岐させる反射板と、この分岐したレーザ光を検出する半導体光検出器とにより構成することが可能である。ところが、このようにすると、部品点数が多くなるだけでなく、反射板や、半導体光検出器を半導体レーザに対して高精度に配置しなければならないという問題がある。そこで、そのような問題を解決する方策の1つとして、半導体レーザと半導体光検出器とを一体に形成することが考えられる。
しかし、これらを一体に形成すると、半導体光検出器が、本来検出すべき誘導放出光だけでなく、自然放出光までも検出する可能性がある。そのような場合には、半導体光検出器によって変換された光電流に基づいて計測される半導体レーザの光出力レベルには、自然放出光の分だけ誤差が含まれることとなる。ここで、自然放出光は温度や動作電流などにより変化するものであり、レーザ光と光電流との相関を非線形にするので、この方法も光出力レベルを高精度に制御することが要求される用途には適さない。
そこで、特許文献1では、半導体光検出器内の光検出層をレーザ光の定在波の腹の位置に1つ設け、自然放出光よりも誘導放出光を検出し易くする技術が提案されている。
特表2003−522421号公報
しかし、定在波の腹と節は発振波長λの半分の間隔で現れるので、光検出層を極めて薄くすることが要求される。例えば、発振波長λが850nmの場合には、半導体光検出器内での波長(λ/n:nは半導体光検出器内の屈折率)は250nm程度となり、125nm周期で腹と節が存在することとなるので、光検出層の厚さは厚くても100nm程度となる。通常、光検出層の厚さはμmオーダであることから勘案すると、特許文献1の技術では、半導体光検出器によって充分な量の誘導放出光を光電流に変換することは困難であり、光検出精度を向上させることは容易ではない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光検出精度を向上させることの可能な半導体レーザ装置を提供することにある。
本発明の半導体レーザ装置は、第1導電型の第1半導体層、活性層、および第2導電型の第2半導体層をこの順に含んで構成された積層構造を備えたものである。この半導体レーザ装置は、さらに、第1の光吸収層と、複数の第2の光吸収層と、第1の光吸収層から光電流を取り出す第1電極と、複数の第2の光吸収層から光電流を取り出す第2電極とを備えている。第1の光吸収層は、積層構造との関係で第1半導体層側に配置され、活性層から出力された光を吸収するようになっている。複数の第2の光吸収層は、第1半導体層の内部、第1半導体層と第1の光吸収層との間、または第1の光吸収層との関係で積層構造とは反対側に設けられると共に、活性層から出力された光の定在波の節の位置に設けられている。第1の光吸収層および第2の光吸収層は、第1導電型および第2導電型のいずれの不純物も全くドープされていない半導体、または、吸収した光を光電流に変換することの可能な程度にわずかな不純物がドープされている半導体により構成されている。
本発明の半導体レーザ装置では、活性層で生じた光により積層構造内で誘導放出が繰り返された結果、所定の波長の光が積層構造から出力される。積層構造(活性層)から出力された光の一部は第1の光吸収層および複数の第2の光吸収層に入射する。なお、積層構造から出力された光には、誘導放出による光だけでなく、自然放出による光も含まれている。
ここで、第2の光吸収層活性層から出力された光の定在波の節の位置に設けられているので、第2の光吸収層は誘導放出光よりも自然放出光を主に吸収する。これにより、第2の光吸収層が活性層と第1の光吸収層との間に設けられている場合には、活性層から出力された光に含まれる自然放出光が第1の光吸収層に到達する前に、各第2の光吸収層で選択的に吸収されるので、第1半導体層に到達する光に含まれる誘導放出光の割合が高くなる。従って、第1半導体層では誘導放出光の割合の多い光が吸収される。他方、第2の光吸収層が第1半導体層に関して活性層とは反対側に設けられている場合には、第1半導体層では誘導放出光だけでなく自然放出光も吸収され光電流に変換されるので誘導放出光が選択的に吸収されることはないが、各第2の光吸収層において第1半導体層を透過した光のうち自然放出光が選択的に吸収される。
ところで、第1の光吸収層および第2の光吸収層が第1導電型の不純物がドープされた半導体により構成されている場合には、第1の光吸収層および第2の光吸収層で吸収された光が熱に変換されるだけであるが、第1の光吸収層および第2の光吸収層が実質的にノンドープの半導体により構成されているときには、第1の光吸収層および第2の光吸収層で吸収された光が光電流に変換される。ここで、上記した「実質的にノンドープの半導体」とは、第1導電型および第2導電型のいずれの不純物も全くドープされていない半導体、または、吸収した光を光電流に変換することの可能な程度にわずかな不純物がドープされている半導体も含まれる概念であり、本明細書全体に対してこの概念を適用するものとする。
また、第1の光吸収層または第2の光吸収層が実質的にノンドープの半導体により構成されている場合に、実質的にノンドープの半導体により構成されている光吸収層と電気的に接続された一対の電極を設けたときには、その光吸収層で変換された光電流を外部に取り出すことができる。
本発明の半導体レーザ装置によれば、第1の光吸収層の他に、活性層から出力された光の定在波の節の位置に複数の第2の光吸収層を設けるようにしたので、第2の光吸収層を第1半導体層と第1の光吸収層との間に設け、かつ実質的にノンドープの半導体により構成した場合には、各第2の光吸収層において自然放出光を検出し、第1の光吸収層において誘導放出光の割合の多い光を検出することが可能となる。これにより、外部回路を用いて双方の検出データを演算することにより自然放出光の寄与を消去し、誘導放出光に起因する光電流の値を算出することが可能となるので、光検出精度が向上する。
また、第2の光吸収層を第1半導体層と第1の光吸収層との間に設け、かつ第1導電型の不純物がドープされた半導体により構成した場合には、第1の光吸収層に光が到達する前に、各第2の光吸収層において自然放出光の成分を削減することが可能となる。これにより、誘導放出光の割合の多い光が第1の光吸収層に到達するので、第1の光吸収層において誘導放出光の割合の多い光を検出することが可能となるので、光検出精度が向上する。
また、第2の光吸収層を第1の光吸収層に関して活性層とは反対側に設け、かつ実質的にノンドープの半導体により構成した場合には、第1の光吸収層において誘導放出光および自然放出光の区別なく第1の光吸収層に入射してきた光を検出し、各第2の光吸収層において第1の光吸収層を透過した光のうち自然放出光を選択的に検出することが可能となる。これにより、外部回路を用いて双方の検出データを演算することにより自然放出光の寄与を消去し、誘導放出光に起因する光電流の値を算出することが可能となるので、光検出精度が向上する。
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。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザ装置1の断面構成を表すものである。この半導体レーザ装置1は、半導体光検出器10上に面発光型半導体レーザ20を一体に形成したものである。
この半導体レーザ装置1は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光がn側電極28(後述)側から外部に射出されると共に半導体光検出器10側に漏れ出し、この半導体光検出器10側に漏れ出したレーザ光の出力レベルに応じた光電流が半導体光検出器10から出力されるようになっている。すなわち、この半導体レーザ装置1は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光が外部に射出される側とは反対側に半導体光検出器10を配置して構成したものである。なお、図1は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
(面発光型半導体レーザ20)
面発光型半導体レーザ20は、半導体光検出器10上に、p型DBR層21、下部クラッド層22、活性層23、上部クラッド層24、電流狭窄層25、n型DBR層26、n型コンタクト層27をこの順に積層して構成されている。
p型DBR層21は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を1組として、それを複数組分積層して構成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ/4n(λは発振波長、n は屈折率)のp型Alx1Ga1−x1As(0<x1≦1)、高屈折率層は、例えば厚さがλ/4n(nは屈折率)のp型Alx2Ga1−x2As(0≦x2<x1)によりそれぞれ構成されている。p型不純物としては、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)などが挙げられる。
下部クラッド層22は、例えばAlx3Ga1−x3As(0≦x3≦1)により構成されている。活性層23は、例えばAlx4Ga1−x4As(0≦x4≦1)により構成され、後述の電流注入領域25Bと対向する領域に発光領域23Aを有している。上部クラッド層24は、例えばAlx5Ga1−x5As(0≦x5≦1)により構成されている。
電流狭窄層25は面発光型半導体レーザ20の側面から所定の深さまでの領域にリング状の電流狭窄領域25Aを有し、それ以外の領域が電流注入領域25Bとなっている。ここで、電流注入領域25Bは、例えばn型Alx6Ga1−x6As(0<x6≦1)からなる。電流狭窄領域25Aは、Al(酸化アルミニウム)を含んで構成され、後述するように、n型Alx6Ga1−x6Asからなる電流狭窄層25Dをその側面から酸化することにより得られたものである。従って、電流狭窄層25は電流を狭窄する機能を有している。なお、n型不純物としては、例えばケイ素(Si)またはセレン(Se)などが挙げられる。
n型DBR層26は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を1組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ/4n(nは屈折率)のn型Alx7Ga1−x7As(0<x7≦1)、高屈折率層は、例えば厚さがλ/4n(nは屈折率)のn型Alx8Ga1−x8As(0≦x8<x7)によりそれぞれ構成されている。
n型コンタクト層27は、例えばn型GaAsにより構成されている。面発光型半導体レーザ20はまた、n型コンタクト層27の表面のうち中央部分に開口部を有するリング状のn側電極28を有している。ここで、n側電極28は、例えば金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金,ニッケル(Ni)および金(Au)とをこの順に積層した構造を有しており、n型コンタクト層27と電気的に接続されている。
(半導体光検出器10)
半導体光検出器10は、n型半導体基板11上に、光検出層12、多層膜半導体層13およびp型コンタクト層14をこの順に積層して構成されている。
n型半導体基板11は、例えばn型GaAsにより構成されている。光検出層12は、例えば、実質的にノンドープのGaAsにより構成され、面発光型半導体レーザ20から出力されるレーザ光の一部を吸収すると共に、吸収した光を光電流に変換するようになっている。この光電流は、半導体光検出器10に接続された光出力演算回路(図示せず)に光出力モニタ信号として入力され、光出力演算回路において面発光型半導体レーザ20からn側電極28側(外部)に出力されたレーザ光の出力レベルを計測するために用いられる。
多層膜半導体層13は、光非吸収層13Aおよび光吸収層13Bを交互に積層して構成されたものであり、最上層(p型コンタクト層14と接する層)が光非吸収層13Aとなっている。
光非吸収層13Aは、発振波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するp型半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の腹の位置に設けられている。従って、光非吸収層13Aでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光および自然放出光の双方ともほとんど吸収されないので、光非吸収層13Aはレーザ光を吸収せず透過する機能を有している。
光吸収層13Bは、発振波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップを有するp型半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節の位置に設けられている。従って、光吸収層13Bでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光はほとんど吸収されず、レーザ光に含まれる自然放出光が主として吸収され熱に変換されるので、光吸収層13Bは自然放出光を選択的に除去する機能を有している。
光吸収層13Bにおける自然放出光の吸収割合(コントラスト比)は、光吸収層13Bの厚さを薄くするにつれて高くなるが、あまり薄くすると自然放出光の吸収量が低下するので、光吸収層13Bの厚さを数十nm程度以上とすることが好ましい。また、光吸収層13Bにおけるコントラスト比は、光吸収層13Bの厚さを厚くするにつれて低下するので、光吸収層13Bの厚さをλ/(4n)(nは光吸収層13Bの屈折率)以下とすることが好ましい。
ところで、光非吸収層13Aおよび光吸収層13Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させる場合、すなわち、多層膜半導体層13をp型DBR層21の一部とする場合には、光非吸収層13Aと光吸収層13Bとの間の屈折率差をp型DBR層21内の低屈折率層と高屈折率層との間の屈折率差と等しくすると共に、光非吸収層13Aおよび光吸収層13Bのそれぞれの厚さを低屈折率層および高屈折率層のそれぞれの厚さと等しくすることが好ましい。
また、光非吸収層13Aおよび光吸収層13Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させない場合、すなわち、多層膜半導体層13を共振器とは別体として設ける場合には、光非吸収層13Aと光吸収層13Bとの界面での反射により共振モードに影響を与えないようにするために、光非吸収層13Aと光吸収層13Bとの間の屈折率差を小さく(0より大きく0.1以下)しておくことが好ましい。例えば、面発光型半導体レーザ20の発振波長λが850nmとなっている場合には、光非吸収層13Aを850nmの光が吸収されないp型Al0.1Ga0.9Asで構成し、光吸収層13Bを850nmの光が吸収されるp型GaAsで構成することにより、光非吸収層13Aと光吸収層13Bとの間の屈折率差をおよそ0.1とすることができる。
p型コンタクト層14は、例えば、p型Alx9Ga1−x9 As(0≦x9≦1)により構成され、多層膜半導体層13と電気的に接続されている。このp型コンタクト層14の表面のうち面発光型半導体レーザ20の形成されていない周辺領域に、p側共通電極15が形成されている。また、n型半導体基板11の裏面にはn側電極16が形成されている。ここで、p側共通電極15は、例えばチタン(Ti),白金(Pt)および金(Au)をこの順に積層した構造を有しており、p型コンタクト層14と電気的に接続されている。n側電極16は、例えば、AuGe,NiおよびAuを基板11の側からこの順に積層した構造を有しており、基板11と電気的に接続されている。
このような構成を有する半導体レーザ装置1は、例えば、次のようにして製造することができる。
図2、図3および図4はその製造方法を工程順に表したものである。半導体レーザ装置1を製造するためには、n型GaAsからなる基板11上にGaAs系化合物半導体からなる半導体層を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :有機金属気相成長)法により一括に形成する。この際、GaAs系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン (AsH)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素(HSe)を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛(DMZn)を用いる。
具体的には、まず、n型半導体基板11上に、光検出層12、多層膜半導体層13、p型コンタクト層14、p型DBR層21、下部クラッド層22、活性層23、上部クラッド層24、電流狭窄層25、n型DBR層26およびn型コンタクト層27をこの順に積層する(図2)。
次に、n型コンタクト層27の表面のうち所定の領域にマスク(図示せず)を形成したのち、例えばドライエッチング法によりn型コンタクト層27からp型DBR層21までを選択的に除去してメサ形状を形成し、その後、マスクを除去する(図3)。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、側面から電流狭窄層25Dを選択的に酸化する。これにより電流狭窄層25Dの外縁領域が絶縁層(酸化アルミニウム)となる。これにより、外縁領域にリング状の電流狭窄領域25Aが形成され、その中央領域が電流注入領域25Bとなる。このようにして、電流狭窄層25が形成される(図4)。
次に、例えば蒸着法によりn型コンタクト層27の表面にリング状のn側電極28を形成し、同様にして、p型コンタクト層14のうち露出している表面にp側共通電極15を、n型半導体基板11の裏面にn側電極16をそれぞれ形成する(図1)。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ装置1が製造される。
以下、本実施の形態の半導体レーザ装置1の作用および効果について説明する。
この半導体レーザ装置1では、p側共通電極15とn側電極28との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層25により電流狭窄された電流が活性層23の利得領域である発光領域23Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光には誘導放出によって生じた光だけでなく、自然放出によって生じた光も含まれているが、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がn側電極28側から外部に出力されると共に、半導体光検出器10側に漏れ出す。この半導体光検出器10側に出力された光は多層膜半導体層13に入射したのち、多層膜半導体層13を透過して光検出層12に入射する。
ここで、上記したように多層膜半導体層13内に設けられた各光吸収層13Bは面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に設けられているので、各光吸収層13Bは誘導放出光よりも自然放出光を主に吸収する。つまり、各光吸収層13Bにおいて自然放出光が選択的に吸収され熱に変換されるので、光検出層12にレーザ光が到達する前に自然放出光の成分が削減される。これにより、誘導放出光の割合の多い光が光検出層12に到達するので、光検出層12において誘導放出光の割合の多い光が吸収され、吸収された光の出力レベルに応じた光電流に変換される。この光電流はp側共通電極15およびn側電極16に電気的に接続されたワイヤ(図示せず)を介して光出力モニタ信号として光出力演算回路に出力される。これにより、n側電極28側から外部に出力されたレーザ光の出力レベルが計測される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ装置1では、光検出層12と活性層23との間であって、かつ面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に、p型不純物がドープされた複数の光吸収層13Bを設けるようにしたので、自然放出光の成分が削減され、誘導放出光の割合の多い光を光検出層12で検出することができる。これにより、半導体光検出器10によって変換された光電流は温度や動作電流などにより変化する自然放出光の影響をほとんど受けなくなるので、面発光型半導体レーザ20から外部に出力されるレーザ光と半導体光検出器10から出力される光電流との相関がほぼ線形になり、光検出精度が向上する。その結果、面発光型半導体レーザ20の出力レベルを高精度に制御することが可能となる。
[第2の実施の形態]
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザ装置2の断面構成を表すものである。なお、図5は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。また、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。
この半導体レーザ装置2は、面発光型半導体レーザ20の裏面に、半導体光検出器40,素子分離層50,半導体光検出器30をこの順に配置すると共に一体に形成して構成したものである。この半導体レーザ装置2は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光がn側電極28側から外部に射出されると共に、半導体光検出器30,40側にわずかに漏れ出すようになっている。さらに、半導体光検出器30,40からは入射した光の出力レベルに応じた光電流が出力されるようになっている。
すなわち、この半導体レーザ装置2は、光電流を出力可能な2つの半導体光検出器を備えている点で、そのような半導体光検出器を1つだけ備えていた上記実施の形態と主に相違する。そこで、以下、主として上記相違点について詳細に説明し、上記実施の形態と同様の構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。
(半導体光検出器30)
半導体光検出器30は、半導体光検出器10と同様、面発光型半導体レーザ20から出力されるレーザ光の一部(具体的には半導体光検出器40を透過した光)を吸収すると共に、吸収した光を光電流に変換するためのものであり、n型半導体基板11上に、光検出層12およびp型半導体層17をこの順に積層して構成されている。また、p型半導体層17の表面のうち半導体光検出器40の形成されていない周辺領域にp側電極18が形成されており、n型半導体基板11の裏面にはn側電極16が形成されている。ここで、p型半導体層17は、例えばp型GaAsにより構成されている。また、p側電極18は、例えばTi,PtおよびAuをこの順に積層した構造を有しており、p型コンタクト層14と電気的に接続されている。
(素子分離層50)
素子分離層50は、半導体光検出器30と半導体光検出器40とを電気的に分離するためのものであり、例えばノンドープのGaAsにより構成されている。
(半導体光検出器40)
半導体光検出器40は、半導体光検出器30のp型半導体層17上に形成された素子分離層50上に、n型半導体層41、多層膜半導体層42、p型コンタクト層43をこの順に積層して構成されている。
n型半導体層41は例えばn型GaAsからなり、p型コンタクト層43は例えばn型GaAsからなる。多層膜半導体層42は、光非吸収層42Aおよび光吸収層42Bを交互に積層して構成されたものであり、最上層(p型コンタクト層43と接する層)が光非吸収層42Aとなっている。
光非吸収層42Aは、発振波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する実質的にノンドープの半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の腹の位置に設けられている。従って、光非吸収層42Aでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光および自然放出光の双方ともほとんど吸収されないので、光非吸収層42Aはレーザ光を吸収せず透過する機能を有している。
光吸収層42Bは、発振波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップを有する実質的にノンドープの半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節の位置に設けられている。従って、光吸収層42Bでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光はほとんど吸収されず、レーザ光に含まれる自然放出光が主として吸収され光電流に変換されるので、光吸収層42Bは自然放出光を選択的に検出する機能を有している。
光吸収層42Bにおける自然放出光の吸収割合(コントラスト比)は、光吸収層42Bの厚さを薄くするにつれて高くなるが、あまり薄くすると自然放出光の吸収量が低下するので、光吸収層42Bの厚さを数十nm程度以上とすることが好ましい。また、光吸収層42Bにおけるコントラスト比は、光吸収層42Bの厚さを厚くするにつれて低下するので、光吸収層42Bの厚さをλ/(4n)(nは光吸収層42Bの屈折率)以下とすることが好ましい。
ところで、光非吸収層42Aおよび光吸収層42Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させる場合、すなわち、多層膜半導体層42をp型DBR層21の一部とする場合には、光非吸収層42Aと光吸収層42Bとの間の屈折率差をp型DBR層21内の低屈折率層と高屈折率層との間の屈折率差と等しくすると共に、光非吸収層42Aおよび光吸収層42Bのそれぞれの厚さを低屈折率層および高屈折率層のそれぞれの厚さと等しくすることが好ましい。
また、光非吸収層42Aおよび光吸収層42Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させない場合、すなわち、多層膜半導体層42を共振器とは別体として設ける場合には、光非吸収層42Aと光吸収層42Bとの界面での反射により共振モードに影響を与えないようにするために、光非吸収層42Aと光吸収層42Bとの間の屈折率差を小さく(0より大きく0.1以下)しておくことが好ましい。例えば、面発光型半導体レーザ20の発振波長λが850nmとなっている場合には、光非吸収層42Aを850nmの光が吸収されない実質的にノンドープのAl0.1Ga0.9Asで構成し、光吸収層42Bを850nmの光が吸収される実質的にノンドープのGaAsで構成することにより、光非吸収層42Aと光吸収層42Bとの間の屈折率差をおよそ0.1とすることができる。
この半導体光検出器40はまた、n型半導体層41の表面のうち多層膜半導体層42の形成されていない周辺領域にn側電極44が形成されており、p型コンタクト層43のうち面発光型半導体レーザ20の形成されていない周辺領域にp側電極45が形成されている。ここで、n側電極44は、例えば、AuGe,NiおよびAuを基板11の側からこの順に積層した構造を有しており、n型半導体層41と電気的に接続されている。p側電極45は、例えばTi,PtおよびAuをこの順に積層した構造を有しており、p型コンタクト層43と電気的に接続されている。
このような構成の半導体レーザ装置2では、p側電極45とn側電極28との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層25により電流狭窄された電流が活性層23の利得領域である発光領域23Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光には誘導放出によって生じた光だけでなく、自然放出によって生じた光も含まれているが、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がn側電極28側から外部に出力されると共に、半導体光検出器30,40側に漏れ出す。この半導体光検出器30,40側に出力された光は半導体光検出器40に入射したのち、半導体光検出器40を透過して半導体光検出器30に入射する。
ここで、上記したように半導体光検出器40の多層膜半導体層42内に設けられた各光吸収層42Bは面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に設けられているので、各光吸収層42Bは誘導放出光よりも自然放出光を主に吸収する。つまり、各光吸収層42Bにおいて自然放出光が選択的に吸収され光電流に変換されるので、半導体光検出器30の光検出層12にレーザ光が到達する前に自然放出光の成分が削減される。これにより、誘導放出光の割合の多い光が光検出層12に到達するので、光検出層12において誘導放出光の割合の多い光が吸収され、吸収された光の出力レベルに応じた光電流に変換される。半導体光検出器40の光電流はp側電極45およびn側電極44に電気的に接続されたワイヤ(図示せず)を介して、半導体光検出器30の光電流はp側電極18およびn側電極16に電気的に接続されたワイヤ(図示せず)を介して、それぞれ光出力モニタ信号として光出力演算回路に出力される。そして、光出力演算回路において、これらの光電流を演算することにより自然放出光の寄与を消去して、誘導放出光に起因する光電流の値を求める。例えば、半導体光検出器30で変換された光電流における誘導放出光の寄与をL1、自然放出光の寄与をS1とし、半導体光検出器40で変換された光電流における誘導放出光の寄与をL2、自然放出光の寄与をS2とすると、半導体光検出器30で変換された光電流から半導体光検出器40で変換された光電流のS1/S2倍を減算することにより、半導体光検出器30で変換された光電流から自然放出光の寄与を消去することができる。これにより、n側電極28側から外部に出力されたレーザ光の出力レベルが計測される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ装置2では、光検出層12と活性層23との間であって、かつ面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に、実質的にノンドープの複数の光吸収層42Bを設けるようにしたので、自然放出光の割合の多い光を各光吸収層42Bで検出し、自然放出光の成分が削減され、誘導放出光の割合の多い光を光検出層12で検出することができる。そして、半導体光検出器30,40で変換されたこれらの光電流を光出力演算回路で演算することにより誘導放出光に起因する光電流の値を求めることができる。これにより、光出力演算回路で求められた光電流は温度や動作電流などにより変化する自然放出光の影響を全く受けなくなるので、面発光型半導体レーザ20から外部に出力されるレーザ光と光出力演算回路で求められた光電流との相関が線形になり、光検出精度が向上する。その結果、面発光型半導体レーザ20の出力レベルを高精度に制御することが可能となる。
[第2の実施の形態の変形例]
上記実施の形態では、各光吸収層42Bを定在波の節に設けるようにしていたが、例えば、定在波の腹に設けるようにしてもよい。この場合には、各光吸収層42Bにおいて誘導放出光を選択的に検出し、光検出層12おいて自然放出光の割合の多い光を検出することができる。これにより、光出力演算回路を用いて双方の光電流を演算することにより自然放出光の寄与を消去し、誘導放出光に起因する光電流の値を求めることができるので、上記実施の形態と同様、光検出精度が向上し、面発光型半導体レーザ20の出力レベルを高精度に制御することが可能となる。
[第3の実施の形態]
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザ装置3の断面構成を表すものである。なお、図6は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。また、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。
この半導体レーザ装置3は、面発光型半導体レーザ20の裏面側に、半導体光検出器70,素子分離層50,半導体光検出器60を面発光型半導体レーザ20の裏面側からこの順に配置すると共に一体に形成して構成したものである。この半導体レーザ装置3は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光がn側電極28側から外部に射出されると共に、半導体光検出器60,70側にわずかに漏れ出すようになっている。さらに、半導体光検出器60,70に入射した光の出力レベルに応じた光電流が半導体光検出器60,70から出力されるようになっている。
すなわち、この半導体レーザ装置3は、光電流を出力可能な2つの半導体光検出器を備えている点で、上記第2の実施の形態と共通するが、後述するように、光検出層46が多層膜半導体層19よりも面発光型半導体レーザ20側に設けている点で、多層膜半導体層42が光検出層12よりも面発光型半導体レーザ20側に設けていた上記第2の実施の形態と主に相違する。そこで、以下、主として上記相違点について詳細に説明し、上記実施の形態と同様の構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。
(半導体光検出器70)
半導体光検出器70は、素子分離層50上に、n型半導体層41、光検出層46およびp型半導体層43をこの順に積層して構成されている。
n型半導体層41は、例えばn型GaAsにより構成されている。光検出層46は、例えば、実質的にノンドープのGaAsにより構成され、面発光型半導体レーザ20から出力されるレーザ光の一部を吸収すると共に、吸収した光を光電流に変換するようになっている。p型半導体層43、例えばp型GaAsにより構成されている。
また、n型半導体層41の表面のうち光検出層46の形成されていない周辺領域にn側電極44が形成されており、p型半導体層43の表面のうち面発光型半導体レーザ20の形成されていない周辺領域にはp側電極45形成されている。
(素子分離層50)
素子分離層50は、半導体光検出器60と半導体光検出器70とを電気的に分離するためのものであり、例えばノンドープのGaAsにより構成されている。
(半導体光検出器60)
半導体光検出器60は、n型半導体基板11上に、多層膜半導体層19、p型半導体層17をこの順に積層して構成されている。
多層膜半導体層19は、光非吸収層19Aおよび光吸収層19Bを交互に積層して構成されたものであり、最上層(p型半導体層17と接する層)が光非吸収層19Aとなっている。
光非吸収層19Aは、発振波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する実質的にノンドープの半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の腹の位置に設けられている。従って、光非吸収層19Aでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光および自然放出光の双方ともほとんど吸収されないので、光非吸収層19Aはレーザ光を吸収せず透過する機能を有している。
光吸収層19Bは、発振波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップを有する実質的にノンドープの半導体により構成されており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節の位置に設けられている。従って、光吸収層19Bでは、面発光型半導体レーザ20のレーザ光に含まれる誘導放出光はほとんど吸収されず、レーザ光に含まれる自然放出光が主として吸収され光電流に変換されるので、光吸収層19Bは自然放出光を選択的に検出する機能を有している。
光吸収層19Bにおける自然放出光の吸収割合(コントラスト比)は、光吸収層19Bの厚さを薄くするにつれて高くなるが、あまり薄くすると自然放出光の吸収量が低下するので、光吸収層19Bの厚さを数十nm程度以上とすることが好ましい。また、光吸収層19Bにおけるコントラスト比は、光吸収層19Bの厚さを厚くするにつれて低下するので、光吸収層19Bの厚さをλ/(4n)(nは光吸収層19Bの屈折率)以下とすることが好ましい。
ところで、光非吸収層19Aおよび光吸収層19Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させる場合には、光非吸収層19Aと光吸収層19Bとの間の屈折率差をp型DBR層21内の低屈折率層と高屈折率層との間の屈折率差と等しくすると共に、光非吸収層19Aおよび光吸収層19Bのそれぞれの厚さを低屈折率層および高屈折率層のそれぞれの厚さと等しくすることが好ましい。
また、光非吸収層19Aおよび光吸収層19Bをp型DBR層21と共に共振器ミラーとして機能させない場合、すなわち、多層膜半導体層19を共振器とは別体として設ける場合には、光非吸収層19Aと光吸収層19Bとの界面での反射により共振モードに影響を与えないようにするために、光非吸収層19Aと光吸収層19Bとの間の屈折率差を小さく(0より大きく0.1以下)しておくことが好ましい。例えば、面発光型半導体レーザ20の発振波長λが850nmとなっている場合には、光非吸収層19Aを850nmの光が吸収されない実質的にノンドープのAl0.1Ga0.9Asで構成し、光吸収層19Bを850nmの光が吸収される実質的にノンドープのGaAsで構成することにより、光非吸収層19Aと光吸収層19Bとの間の屈折率差をおよそ0.1とすることができる。
この半導体光検出器60はまた、p型半導体層17の表面のうち素子分離層50の形成されていない周辺領域にp側電極18が形成されており、n型半導体基板11の裏面にはn側電極16が形成されている。
このような構成の半導体レーザ装置3では、p側電極45とn側電極28との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層25により電流狭窄された電流が活性層23の利得領域である発光領域23Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光には誘導放出によって生じた光だけでなく、自然放出によって生じた光も含まれているが、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がn側電極28側から外部に出力されると共に、半導体光検出器60,70側に漏れ出す。この半導体光検出器60,70側に出力された光は半導体光検出器70に入射したのち、半導体光検出器70を透過して半導体光検出器60に入射する。
ここで、上記したように各光吸収層19Bが光検出層46の活性層23とは反対側に設けられており、面発光型半導体レーザ20のレーザ光が直接に光検出層46に入射するので、光検出層46にレーザ光が到達する前に自然放出光の成分が削減されることはない。そのため、光検出層46では誘導放出光だけでなく自然放出光も吸収され光電流に変換される。しかし、各光吸収層19Bは面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に設けられているので、各光吸収層19Bは誘導放出光よりも自然放出光を主に吸収する。つまり、各光吸収層19Bにおいて自然放出光が選択的に吸収され光電流に変換される。半導体光検出器70の光電流はp側電極45およびn側電極44に電気的に接続されたワイヤを介して、半導体光検出器60の光電流はp側電極18およびn側電極16に電気的に接続されたワイヤを介して、それぞれ光出力モニタ信号として光出力演算回路に出力される。そして、光出力演算回路において、これらの光電流を演算することにより自然放出光の寄与を消去して、誘導放出光に起因する光電流の値を求める。例えば、半導体光検出器60で変換された光電流における誘導放出光の寄与をL3、自然放出光の寄与をS3とし、半導体光検出器70で変換された光電流における誘導放出光の寄与をL4、自然放出光の寄与をS4とすると、半導体光検出器60で変換された光電流から半導体光検出器70で変換された光電流のS3/S4倍を減算することにより、半導体光検出器60で変換された光電流から自然放出光の寄与を消去することができる。これにより、n側電極28側から外部に出力されたレーザ光の出力レベルが計測される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ装置3では、光検出層46の活性層23とは反対側であって、かつ面発光型半導体レーザ20のレーザ光の定在波の節に、実質的にノンドープの複数の光吸収層19Bを設けるようにしたので、誘導放出光および自然放出光の区別なくレーザ光を光検出層46で検出し、自然放出光の割合の多い光を各光吸収層19Bで検出することができる。そして、半導体光検出器60,70で変換されたこれらの光電流を光出力演算回路で演算することにより誘導放出光に起因する光電流の値を求めることができる。これにより、光出力演算回路で求められた光電流は温度や動作電流などにより変化する自然放出光の影響を全く受けなくなるので、面発光型半導体レーザ20から外部に出力されるレーザ光と光出力演算回路で求められた光電流との相関が線形になり、光検出精度が向上する。その結果、面発光型半導体レーザ20の出力レベルを高精度に制御することが可能となる。
[第3の実施の形態の変形例]
上記実施の形態では、各光吸収層19Bを定在波の節に設けるようにしていたが、例えば、定在波の腹に設けるようにしてもよい。この場合には、各光吸収層19Bにおいて誘導放出光を選択的に検出することができる。これにより、光出力演算回路を用いて双方の光電流を演算することにより自然放出光の寄与を消去し、誘導放出光に起因する光電流の値を求めることができるので、上記実施の形態と同様、光検出精度が向上し、面発光型半導体レーザ20の出力レベルを高精度に制御することが可能となる。
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。
例えば、上記実施の形態等では、半導体材料をGaAs系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、AlGaAs、GaInPなどの赤色系材料や、GaInNなどの青色系材料などにより構成することも可能である。
また、上記実施の形態等では、半導体光検出器10,30,40,60,70を面発光型半導体レーザ20の裏面側に設けていたが、レーザ光を外部に出力する側に設けてもよい。この場合に、光非吸収層13Aおよび光吸収層13Bや、光非吸収層42Aおよび光吸収層42B、光非吸収層19Aおよび光吸収層19Bをn型DBR層26の一部として機能させたり、n型DBR層26の一部として機能として機能させないようにすることはもちろん可能である。
また、上記実施の形態等では、共通基板としてn型半導体基板11を用いた場合について説明したが、本発明は、共通基板としてp型半導体基板を用いた場合にも適用可能である。ただし、その場合には、上記実施の形態等で説明した導電型をp型からn型に、n型からp型に置き換えればよい。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成図である。 図1の半導体発光装置の製造工程を説明するための断面図である。 図2に続く工程を説明するための断面図である。 図3に続く工程を説明するための断面図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成図である。 本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成図である。
符号の説明
1…半導体レーザ装置、10,30,40,60,70…半導体光検出器、11…n型半導体基板、12,46…光検出層、13,19,42…多層膜半導体層、13A,19A,42A…光非吸収層、13B,19B,42B…光吸収層、14,43…p型コンタクト層、15…p側共通電極、16,28,44…n側電極、17…p型半導体層、18,45…p側電極、20…面発光型半導体レーザ、21…p型DBR層、22…下部クラッド層、23…活性層、23A…発光領域、24…上部クラッド層、25,25D…電流狭窄層、25A…電流狭窄領域、25B…電流注入領域、26…n型DBR層、27…n型コンタクト層、41…n型半導体層、50…素子分離層。

Claims (3)

  1. 第1導電型の第1半導体層、活性層、および第2導電型の第2半導体層をこの順に含んで構成された積層構造と、
    前記積層構造との関係で前記第1半導体層側に配置され、前記活性層から出力された光を吸収する第1の光吸収層と、
    前記第1半導体層と前記第1の光吸収層との間、または前記第1の光吸収層との関係で前記積層構造とは反対側に設けられると共に前記活性層から出力された光の定在波の節の位置に設けられた複数の第2の光吸収層と、
    前記第1の光吸収層から光電流を取り出す第1電極と、
    前記複数の第2の光吸収層から光電流を取り出す第2電極と
    を備え
    前記第1の光吸収層および第2の光吸収層は、第1導電型および第2導電型のいずれの不純物も全くドープされていない半導体、または、吸収した光を光電流に変換することの可能な程度にわずかな不純物がドープされている半導体により構成されている
    半導体レーザ装置。
  2. 前記第1半導体層と前記複数の第2の光吸収層との間に、前記第1半導体層と前記複数の第2の光吸収層とを電気的に分離する素子分離層を備えた
    請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記複数の第2の光吸収層は、前記第1半導体層と前記第1の光吸収層との間に設けられ、
    前記第1半導体層および前記複数の第2の光吸収層は共振器ミラーとして機能する
    請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ装置。
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