JP4876480B2 - 面発光型半導体レーザアレイ - Google Patents

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode 以下ＶＣＳＥＬという）に関し、特に同一基板上に複数の面発光型半導体レーザ素子をアレイ状に配列した面発光型半導体レーザアレイの放熱技術に関する。

ＶＣＳＥＬは、半導体基板の表面から光が出射されるレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードと比べて、駆動電流が低い、ウエハレベルでの特性検査が可能、および２次元アレイ化が容易である、といった特徴を備えている。このため、光情報処理や光通信用の光源、または光を使用してなされるデータ記憶装置の光源として利用されている。

特許文献１は、面発光型半導体レーザアレイに関し、基板上に形成される複数の面発光レーザ素子のうち、その両側に、実際には使用しないダミー素子を配置している。これにより、アレイを構成する複数の面発光レーザ素子の特性の均一化を図っている。

特許文献２は、面発光型半導体レーザに関し、基板上に形成された柱状部分の光出射側の第２の電極が複数の開口部を有し、各々の開口部の周縁部が柱状部分の光出射側の端面とコンタクトされている。これにより、レーザ発光面上の発光スポットを近接して配置することを可能にしている。

特許文献３は、発光素子アレイ組立体に関し、１次元発光素子アレイが基板の表裏にそれぞれ少なくとも１つ実装されている。これにより、高密度な発光素子アレイを得ることを可能にしている。

特許文献４は、面発光型半導体レーザアレイにおいて、隣接する共振器の間の基板表面上に土手状のヒートパイプを設けることで、一方の共振器で生じた熱が他方の共振器に伝わる前に熱伝達を排除しクロストークを低減している。

特許文献５は、少なくとも一部が突起状の共振器を持つ垂直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、共振器突起部の周囲に融点が４００℃以下の埋めこみ金属が埋め込むことで、放熱性を飛躍的に高め、駆動中の素子温度の上昇を抑え、レーザ出力の向上を可能にしている。

特開２０００−１１４６５６号 特開平０８−３４０１５６号 特開平０９−２７０５３１号 特開平１１−２６１１６２号 特開平１０−２６１８３０号

同一基板上に複数のレーザ素子をアレイ状に配列したマルチビット、またはマルチスポット型のレーザアレイは、一般に、レーザ光を同時に出射するように駆動制御される。それぞれのレーザ素子は発光すると熱を発生し、この熱は、共通の基板を介して熱伝導する。このため、隣接する数の多いレーザ素子ほど、すなわちアレイの中心部に位置するレーザ素子ほど温度が上昇し、周辺のレーザ素子よりも高温になる傾向がある。アレイ上のレーザ素子間の温度が異なると、レーザ素子の温度特性、例えば、出射されるレーザ光の波長や光出力が変動してしまい、光通信等の光源として利用されるレーザアレイの特性として好ましいことではない。

アレイの面内でのレーザ素子間の不均一な温度分布を解消するために、本出願人は、これまでに、発熱体であるレーザ素子の配置を改良し、例えば、レーザ素子の配置を均等な距離で配置する等の技術を開示している。しかし、アレイの規模が大きくなると、中央付近のレーザ素子の温度が上昇してしまうという課題を依然として解決することができなかった。さらに、上記した特許文献１ないし５においても、こうした課題を解決するための具体的な方法を開示していない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、アレイ上において発熱が集中するレーザ素子の放熱を積極的に行うことでアレイ面内のレーザ素子間の温度の均一化を図る面発光型半導体レーザアレイを提供する。
さらに本発明では、電極配線、電極パッド、ボンディング細線等を利用して、発熱が集中するレーザ素子の放熱を促進し、レーザ素子間の温度の均一化を図るものである。

本発明に係る、面発光型半導体レーザアレイは、活性層と、活性層を挟み込む１対のミラー層とを備えた半導体レーザ素子を同一基板上にアレイ状に複数配置し、少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の断面積が、他の半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の断面積よりも大きい。他の半導体レーザ素子は、基板上に形成された複数の半導体レーザ素子の１つ若しくは複数である。つまり、少なくとも１つの半導体レーザ素子を除くすべての半導体レーザ素子が、上記した要件を必ずしも満足する必要はない。好ましくは、熱伝導体は、半導体レーザ素子の電極に接続される電極配線である。

少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の数を、他の半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の数よりも多くしたり、熱伝導体の幅を、他の半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の幅よりも大きくしたり、熱伝導体の厚さを、他の半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の厚さよりも大きくすることができる。また、熱伝導体は、多層構造の熱伝導体であってもよい。

さらに少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の熱伝導率を、他の半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の熱伝導率よりも高くしてもよい。さらに、少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の面積を、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の面積よりも大きくしてもよい。熱伝導体は、例えば、ボンディングワイヤが接続される電極パッドである。

さらに本発明の面発光型半導体レーザアレイでは、少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の断面積が、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の断面積よりも大きい。基板上に形成された複数の半導体レーザ素子のうち、その一部が、上記した要件を満足していればよい。

好ましくは、少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の数を、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の数よりも多くしたり、熱伝導体の幅を、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の幅よりも大きくしたり、熱伝導体の太さを、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の太さよりも大きくすることができる。さらに少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の熱伝導率を、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の熱伝導率よりも高くしてもよい。好ましくは、熱伝導体は、電極配線に結合する金属ボールおよび・／またはボンディングワイヤを含む。

好ましくは、少なくとも１つの半導体レーザ素子は、他の半導体レーザ素子よりも多数の半導体レーザ素子に隣接している。例えば、アレイの中央に位置する半導体レーザ素子は、周辺に位置する半導体レーザ素子よりも隣接するレーザ素子が多くなる。ここで言う隣接とは、必ずしも物理的な距離の大小のみならず、熱的に結合し得る関係にあるものも含む。

本発明によれば、少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する熱伝導体の断面積を、他の半導体レーザ素子のそれよりも大きくすることで、温度が上昇し易いアレイの中心部に位置する半導体レーザ素子の放熱を他のレーザ素子よりも積極的に効率良く行うことができる。その結果、アレイ面内におけるレーザ素子間の温度の均一化を図ることができる、レーザ素子の特性の均一化を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬアレイ１０は、基板２０、基板２０上に二次元的に配列された複数の面発光型半導体レーザ素子３０−１、３０−２、３０−３、３０−４、３０−５（以下、レーザ素子という）、各レーザ素子３０−１〜３０−５に接続された電極配線４０−１〜４０−８、電極配線４０−１〜４０−８に接続された電極パッド５０を含んでいる。

レーザ素子３０−１〜３０−５は、基板２０上に円筒状のメサまたはポスト構造を有し、その頂部からレーザ光を出射するように構成されている。アレイの中央に位置するレーザ素子３０−１は、十字方向に延びる４つのストリップ状の金属からなる電極配線４０−１〜４０−４に接続されている。レーザ素子３０−２〜３０−５は、電極配線４０−５〜４０−８を介して各電極パッド５０に接続されている。電極配線４０−１〜４０−８には円形状の電極パッド５０が接続され、各電極パッド５０には、ワイヤボンディング工程によりボンディングワイヤ６０が接続される

図２は、図1のＸ１−Ｘ１線断面図である。同図に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板２０上に、ｎ型の半導体多層膜からなる下部反射鏡１００、活性領域１０２、電流狭窄層１０４、ｐ型の半導体多層膜からなる上部反射鏡１０６、ｐ型のコンタクト層１０８が積層され、これらの半導体層をエッチングすることにより、同一基板上に円筒状のメサ構造のレーザ素子３０−１〜３０−５が形成される。電流狭窄層１０４は、メサ側面から酸化された酸化領域１０４ａを含み、酸化領域１０４ａにより電流および光の閉じ込めを行うようになっている。

ｎ型の下部反射鏡１００は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、λ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）である。活性領域１０２は、例えば、アンドープ下部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層とアンドープ上部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスペーサ層とで構成される。電流狭窄層１０４は、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層である。ｐ型の上部反射鏡１０６は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、媒質内波長の１／４とである。コンタクト層１０８は、例えば、キャリア濃度が１×１０¹⁹cm^-3となるｐ型のＧａＡｓ層である。

レーザ素子３０−１〜３０−５のメサは、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＮｘから構成される）１１０によって側壁、底部が覆われ、メサ頂部には、コンタクト層１０８を露出するためのコンタクトホールが形成されている。層間絶縁膜１１０のコンタクトホールを介してコンタクト層１０８とオーミック接続するｐ側電極１１２が形成されている。ｐ側電極１１２は、例えばＡｕから構成される。ｐ側電極１１２の中央にはレーザ光を出射するための円形状の出射窓１１４が形成されている。基板２０の裏面には、各レーザ素子３０−１〜３０−５に共通のｎ側電極１１６が形成されている。ｎ側の電極１１６は、例えばＡｕ／Ｇｅから構成される。

レーザ素子３０−１のｐ側電極１１２は、メサの側面に沿ってメサ底部まで延在し、メサ底部において４つの電極配線４０−１〜４０−４に接続されている。他のレーザ素子３０−２〜３０−５のｐ側電極１１２は、メサ底部において電極配線４０−５〜４０−８にそれぞれ接続される。電極配線４０−１〜４０−８は、層間絶縁膜１１０上を延在し、電極パッド５０に接続される。電極パッド５０には、ボンディングワイヤ（金属ボールを含む）６０に接続されている。ボンディングワイヤ６０は、図示しないパッケージのリードフレームまたは電極パッドに接続される。

図３は、ＶＣＳＥＬアレイを駆動する回路の構成を示す図である。レーザーダイオード・ドライバ（ＬＤＤ）１４０は、入力された駆動制御信号に応答してレーザ素子３０−１〜３０−５に対して同一の駆動信号１４２を出力する。この同一の駆動信号１４２は、ボンディングワイヤ６０、電極パッド５０、電極配線４０−１〜４０−８を介して各レーザ素子のｐ側電極１１２に供給される。これにより、レーザ素子３０−１〜３０−５は、メサ頂部の出射窓１１４から基板と垂直方向にレーザ光を同時に出射する。ＬＤＤ１４０の駆動信号１４２は、ＶＣＳＥＬアレイ１０によって光信号に変換され、全体として１つの光信号として、例えば、光ファイバ等に入射される。

本実施例のＶＣＳＥＬアレイ１０の特徴的な構成は、アレイ中央に位置するレーザ素子３０−１が、他のレーザ素子３０−２〜３０−５と異なり、４つの電極配線４０−１〜４０−４に接続されていることである。言い換えれば、レーザ素子３０−１に結合する電極配線４０−１〜４０−４の断面積は、他のレーザ素子３０−２〜３０−５に結合する電極配線４０−５〜４０−８の断面積よりも大きい。電極配線４０−１〜４０−８が、幅Ｗ、厚さＨのストリップ状の配線であるとき、１つの電極配線の断面積Ａは、図４（ｂ）に示すように、Ａ＝Ｗ×Ｈである。ここでいう断面積とは、図４（ａ）に示すように、ｐ側電極１１２がメサ底部において電極配線４０−１〜４０−４と接続される位置Ｐの断面積である。これは、レーザ素子３０−２〜３０−５についても同様である。

このように、レーザ素子３０−１には、４つの電極配線４０−１〜４０−４が結合しているため、断面積は４×Ａであり、他のレーザ素子３０−２〜３０−５に結合している電極配線４０−５〜４０−８の断面積Ａの４倍である。アレイ中央に位置するレーザ素子３０−１は、周囲の４つのレーザ素子３０−２〜３０−５に隣接するため、レーザ素子３０−２〜３０−５の発熱の影響を受けてより高温になるが、その代償として、レーザ素子３０−１に結合する電極配線の断面積を大きくし、積極的に熱を逃がしている。その結果、アレイ上において、レーザ素子３０−１〜３０−５間の温度の均一化を図ることができる。

上記実施例では、一例として、円筒状のレーザ素子３０−１の周囲に等しい距離で４つの円筒状のレーザ素子３０−２〜３０−５が形成されているが、レーザ素子の個数や配列は、これに限定されるものではない。また、レーザ素子の配列が変われば、レーザ素子の隣接する数も変わり、それによって発熱が集中するレーザ素子の位置も変わる。この場合、レーザ素子の隣接する数に応じて断面積を変えるようにしてもよい。隣接するレーザ素子は、例えば、当該レーザ素子から一定の距離内にあるレーザ素子を隣接するレーザ素子とすることができる。あるいは、当該レーザ素子に熱的に影響を及ぼすレーザ素子を隣接するレーザ素子とすることができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５（ａ）は、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。レーザ素子３０−２〜３０−５の構成は、第１の実施例と同様であるが、第２の実施例では、レーザ素子３０−１に、１つの幅広の電極配線４２−１が結合されている。電極配線４２−１は、図５（ｂ）に示すように、幅Ｗ１、厚さＨの配線であり、他の電極配線４０−５〜４０−８は、幅Ｗ、厚さＨの配線であり、幅Ｗ１＞幅Ｗの関係にある。すなわち、レーザ素子３０−１に結合する電極配線４２−１の断面積Ａ１は、Ａ１＝Ｗ１×Ｈであり、他のレーザ素子３０−２〜３０−５に結合する電極配線４０−５〜４０−８の断面積Ａは、Ａ＝Ｗ×Ｈであり、Ａ１＞Ａとなる。これにより、アレイの中央に位置するレーザ素子３０−１の放熱が促進される。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。図６（ａ）は、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。レーザ素子３０−２〜３０−５の構成は、第１の実施例と同様であるが、第３の実施例では、レーザ素子３０−１に、１つの厚い電極配線４３−１が結合されている。電極配線４３−１は、図６(ｂ)に示すように、幅Ｗ、厚さＨ１の配線であり、他の電極配線４０−５〜４０−８は、幅Ｗ、厚さＨの配線であり、厚さＨ１＞Ｈの関係にある。すなわち、レーザ素子３０−１に結合する電極配線４３−１の断面積Ａ２は、Ａ２＝Ｗ×Ｈ１であり、他のレーザ素子３０−２〜３０−５に結合する電極配線４０−５〜４０−８の断面積Ａは、Ａ＝Ｗ×Ｈであり、Ａ２＞Ａとなる。これにより、アレイの中央に位置するレーザ素子３０−１の放熱がより促進される。

電極配線４３−１は、同一の金属から構成されるものであってもよいし、図６（ｃ）に示すように、ｐ側電極１１２を下地金属とし、その上に同種または異種の金属を積層するものであってもよい。さらに、電極パッド５０は、電極配線４３−１と同じ厚さにしてもよいし、それよりも薄くてもよい。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。図７は、第４の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。第４の実施例において、レーザ素子３０−２〜３０−５の構成は、第１の実施例と同様であるが、レーザ素子３０−１に、熱伝導率の高い材質からなる電極配線４４−１が結合されている。例えば、レーザ素子３０−２〜３０−５に結合された電極配線４４−５〜４４−８が金による配線であるとき、電極配線４４−１は、金よりも熱伝導率の高い銅による配線とすることができる。電極配線４４−１は、必ずしも単層である必要はなく、熱伝導率の高い材料の層を包含する多層配線であってもよい。これにより、レーザ素子３０−１の放熱が促進されることになる。

次に、本発明の第５の実施例について説明する。図８は、第５の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。レーザ素子３０−２〜３０−５の構成は、第１の実施例と同様であるが、第５の実施例では、レーザ素子３０−１の電極配線４５−１に接続された電極パッド５０に、複数のボンディングワイヤ６０、６４が接続されている。ボンディングワイヤ６０、６４は、レーザ素子に駆動電流を供給するための電流通路として機能すると同時に、レーザ素子で発熱した熱を放熱するための熱伝導体としても機能する。

ボンディングワイヤ６０、６４の半径をＲとしたとき、レーザ素子３０−１の電極配線４５−１に結合する熱伝導体（ボンディングワイヤ）の断面積Ａ３は、Ａ３＝２×πＲ^２であり、他のレーザ素子３０−２〜３０−５の電極配線４０−５〜４０−８に結合する熱伝導体（ボンディングワイヤ）の断面積Ａ＝πＲ^２の２倍である。これにより、アレイの中央に位置するレーザ素子３０−１の放熱を、他のレーザ素子３０−２〜３０−５よりも効果的に行うことができる。

第５の実施例では、電極配線４５−１に２つのボンディングワイヤ６０、６４を結合させているが、勿論、これ以上のボンディングワイヤを結合するようにしてもよい。その場合、電極パッド５０の面積を、他の電極パッドよりも大きくしてもよい。さらに、複数接続されたボンディングワイヤのうち、１つのボンディングワイヤにのみ駆動電流を供給し、他のボンディングワイヤは、実質的に電流通路として機能しない放熱用のダミーワイヤとしてもよい。

次に、本発明の第６の実施例について説明する。図９は、第６の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。第６の実施例では、電極配線４５−１に接続された電極パッド５０には、太いボンディングワイヤ６６が結合されている。ボンディングワイヤ６６の半径はＲ１であり、他の電極パッドに結合されるボンディングワイヤ６０の半径はＲであり、半径Ｒ１＞半径Ｒの関係にある。従って、電極配線４５−１に接続された電極パッド５０に結合する熱伝導体の断面積Ａ４は、他のレーザ素子３０−２〜３０−５の電極配線４０−５〜４０−８に接続された電極パッド５０に結合する熱伝導体の断面積Ａよりも大きい。これにより、アレイの中央に位置するレーザ素子３０−１の放熱を、他のレーザ素子よりも促進させることができる。

次に、本発明の第７の実施例について説明する。図１０は、第７の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。第７の実施例は、第５の実施例のときのボンディングワイヤ６４の代わりに、熱伝導体６８を接続したものである。熱伝導体６８の形状、数量、材質は、特に限定されないが、好ましくは、熱伝導率の高い材質からなる熱伝導体を電極パッド５０に結合する。これによりレーザ素子３０−１の発熱を低減することができる。

次に、本発明の第８の実施例について説明する。図１１は、第８の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。第８の実施例は、第１の実施例における電極配線４０−１、４０−２、４０−４に接続された電極パッド５２を放熱用として用い、そこにはボンディングワイヤ６０が接続されていない。レーザ素子３０−１への駆動電流は、電極配線４０−３に接続された電極パッド５０のボンディングワイヤ６０を通して行われる。この場合、放熱用のパッド５２の面積を、他の放熱パッド５０の面積よりも大きくし、放熱を促進するようにしてもよい。

次に、本発明の第９の実施例について説明する。第１ないし第８の実施例は、電極パッドがレーザ素子毎に個別に形成されているため、レーザ素子３０−１〜３０−５を同時に駆動する以外にも個別駆動することが可能である。第９の実施例では、レーザ素子３０−１は、電極配線４６−１を介して電極パッド５０に接続されているが、他のレーザ素子３０−２〜３０−５は、電極配線４６−２、４６−３、４６−４、４６−５を介して電極パッド５４に接続されており、少なくともレーザ素子３０−２〜３０−５は、共通に駆動される構成になっている。この場合、レーザ素子３０−１に結合される電極配線４６−１の断面積を、第１ないし第４の実施例のときのように、他の電極配線４６−２〜４６−５の断面積よりも大きくしたり、電極配線４６−１の電極パッド５０に結合されるボンディングワイヤ等の熱伝導体の断面積を、電極配線４６−５の電極パッド５４に結合される熱伝導体の断面積よりも大きくすることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。勿論、実施例１ないし９の構成を組み合わせることも可能である。例えば、レーザ素子３０−１に結合される電極配線の断面積を他よりも大きくするとともに、レーザ素子３０−１の電極配線に結合される電極パッドやボンディングワイヤの断面積を他よりも大きくするようにしてもよい。さらに、面発光型半導体レーザ素子は、必ずしもメサ構造を有するものや、選択酸化型に限定されるものではない。

図１３は、ＶＣＳＥＬアレイのチップが実装された半導体レーザ装置のパッケージ（モジュール）例を示す概略断面を示す図である。同図に示すように、パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を、マウンタ３２０上のダイアタッチを介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０の貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成された下部電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の上面に形成された上部電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

キャップ３５０の出射窓３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。また、チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０からレーザ光が出射され、ボールレンズ３６０を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図１４は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の出射窓３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。

図１５は、図１３に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。

ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図１６は、図１４に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを用い、高出力を得るようにしてもよい。

図１７は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１８は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１９はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図２０および図２１に示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１５に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、映像信号伝送用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。

本発明に係る半導体レーザアレイは、画像記録装置や光通信装置の光源や、プリンタ、複写装置等の画像形成装置の光源等に用いることができる。

本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 図１のＸ１−Ｘ１線断面図である。 ＶＣＳＥＬアレイの駆動回路の構成を示す図である。 レーザ素子に結合する電極配線の断面積を説明する図である。 図５(ａ)は本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図、図５（ｂ）は第２の実施例に係る電極配線の断面図である。 図６(ａ)は本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図、図６（ｂ）は第３の実施例に係る電極配線の断面図、図６（ｃ）は図６(ａ)のＹ１−Ｙ１線断面図である。 本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 本発明の第５の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 本発明の第６の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 本発明の第７の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 本発明の第８の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 本発明の第９の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの模式的な平面図である。 ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。 他のパッケージの構成を示す概略断面図である。 図１３に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 図１４に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 光伝送装置の内部構成を示し、図１９Ａは上面を切り取ったときの内部構造を示し、図１９Ｂは側面を切り取ったときの内部構造を示している。 図１８の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 図２０の映像伝送システムを裏側から示した図である。

符号の説明

１０：ＶＣＳＥＬアレイ ２０：基板
３０−１〜３０−５：レーザ素子 ４０−１〜４０−８：電極配線
４２−１：電極配線 ４３−１：電極配線
４４−１：電極配線 ４５−１：電極配線
４６−１〜４６−５：電極配線 ５０：電極パッド
６０、６４、６６、６８：ボンディングワイヤ
１００：下部反射鏡 １０２：活性領域
１０４：電流狭窄層 １０４ａ：酸化領域
１０６：上部反射鏡 １０８：コンタクト層
１１０：層間絶縁膜 １１２：ｐ側電極
１１４：出射窓 １１６：ｎ側電極

Claims (19)

1. 活性層と、活性層を挟み込む１対のミラー層とを備えた半導体レーザ素子を同一基板上にアレイ状に複数配置した面発光型半導体レーザアレイであって、
   各々の半導体レーザ素子は、同一基板上に形成されたメサを有し、
   前記基板裏面には第１の電極が形成され、各々のメサの頂部には第２の電極が形成され、各々の半導体レーザ素子は、第１の電極および第２の電極への駆動信号により同時に発光するように駆動され、
   少なくとも１つの半導体レーザ素子は、他の半導体レーザ素子に囲まれており、
   少なくとも１つの半導体レーザ素子の第２の電極に接続される電極配線の数は、他の半導体レーザ素子の第２の電極に接続される電極配線の数よりも多く、
   少なくとも１つの半導体レーザ素子の第２の電極に接続される電極配線の断面積の総和は、他の半導体レーザ素子の第２の電極に接続される電極配線の断面積よりも大きい、面発光型半導体レーザアレイ。
2. 少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する電極配線の幅は、他の半導体レーザ素子に結合する電極配線の幅よりも大きい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
3. 少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する電極配線の厚さは、他の半導体レーザ素子に結合する電極配線の厚さよりも大きい、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
4. 少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する電極配線は、多層構造である、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
5. 少なくとも１つの半導体レーザ素子に結合する電極配線の熱伝導率が、他の半導体レーザ素子に結合する電極配線の熱伝導率よりも高い、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
6. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の断面積が、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の断面積よりも大きい、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
7. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の数は、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の数よりも多い、請求項６に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
8. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の幅は、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の幅よりも大きい、請求項６または８に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
9. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の太さは、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の太さよりも太い、請求項６ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
10. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の熱伝導率が、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の熱伝導率よりも高い、請求項６ないし９いずれか１つの面発光型半導体レーザアレイ。
11. 熱伝導体は、電極配線に結合するボンディングワイヤを含む、請求項６ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
12. 少なくとも１つの半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の面積が、他の半導体レーザ素子の電極配線に結合する熱伝導体の面積よりも大きい、請求項６ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
13. 熱伝導体は、ボンディングワイヤが接続される電極パッドを含む、請求項１２に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
14. 少なくとも１つの半導体レーザ素子および他の半導体レーザ素子は、それぞれのメサ内に活性層に近接して選択酸化された電流狭窄層を含む、請求項１ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ。
15. 請求項１ないし１４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイを実装したモジュール。
16. 請求項１５に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
17. 請求項１６に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
18. 請求項１６に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
19. 請求項１６に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。

Images