JP6238226B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。
光通信における信号光源として、半導体レーザチップを搭載した半導体レーザ装置が用いられている(例えば、特許文献1参照)。半導体レーザチップは、活性層をn型半導体層とp型半導体層とで挟んだ構造を有する。
特開2013−80900号公報
n型半導体層に電気的に接続される電極パッドとp型半導体層に電気的に接続される電極パッドとを共に、基板の上面側に配置する場合がある。この場合、活性層に共振器方向(光出射端面に垂直な方向)に均一の電流が注入されることを考慮して、各電極パッドを共振器方向に対して中央部に配置することが考えられる。しかしながら、この構成では、半導体レーザチップを駆動させる駆動用ICチップと電極パッドとの間に接続されるワイヤが長くなり、高周波特性が劣化してしまう。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高周波特性の劣化を抑制することが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明は、基板上に順に配置された第1導電型の半導体層、活性層、第2導電型の半導体層を有する光閉じ込め構造と、光出力側に向けて配置される第1端面と、前記第1端面と対向した第2端面と、前記第1端面と前記第2端面とが対向する方向における中央が、前記第1端面と前記第2端面との距離の半分よりも前記第2端面に近い位置に配置され、前記第1導電型の半導体層あるいは前記第2導電型の半導体層の何れか一方と接続された第1電極パッドと、前記第1電極パッドよりも前記第1端面と前記第2端面とが対向する方向において長く延在し、前記第1導電型の半導体層あるいは前記第2導電型の半導体層の何れか他方と接続された第2電極パッドと、を備えることを特徴とする半導体レーザチップである。本発明によれば、高周波特性の劣化を抑制することができる。
上記構成において、前記第1電極パッドと前記第1導電型の半導体層あるいは前記第2導電型の半導体層の何れか一方とを接続する配線は、前記第1端面と前記第2端面とが対向する方向と交差する方向に延在した後、前記第2端面側に屈曲して前記第1電極パッドに接続されている構成とすることができる。
上記構成において、前記第1電極パッドと前記第1端面との間に、識別用パターンが設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記第2電極パッドには、直流電圧と変調器信号とが印加される構成とすることができる。
本発明は、上記いずれかに記載の半導体レーザチップと、前記半導体レーザチップの前記第2端面の後方に配置された駆動用ICチップと、前記第2電極パッドの前記第2端面側の領域と前記駆動用ICチップの変調器信号端子とを接続する第1ワイヤと、前記第1電極パッドと前記駆動用ICチップの基準電位端子とを接続する第2ワイヤと、前記第2電極パッドの前記第1端面側の領域と前記駆動用ICチップの直流端子とを接続する第3ワイヤと、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置である。
上記構成において、前記基準電位端子から前記第1電極パッドに入力される信号は、前記第2電極パッドに入力される変調信号と逆相の変調信号である構成とすることができる。
上記構成において、前記半導体レーザチップが搭載された搭載部を備え、前記第3ワイヤは、前記第1電極パッドと前記搭載部に設けられた接続用パッドとの間に接続されたワイヤと、前記接続用パッドと前記直流端子との間に接続されたワイヤと、によって構成されている構成とすることができる。
上記構成において、前記接続用パッドは、前記第1ワイヤと重ならない位置に設けられている構成とすることができる。
本発明によれば、高周波特性の劣化を抑制することができる。
図1(a)は、実施例1に係る半導体レーザチップを示す上面図、図1(b)は、図1(a)のA−A間の断面図、図1(c)は、図1(b)の領域Bの拡大図である。 図2は、比較例1に係る半導体レーザチップを示す上面図である。 図3(a)は、実施例2に係る半導体レーザ装置を示す斜視図、図3(b)は、図3(a)におけるキャリアを拡大した斜視図である。 図4は、半導体レーザチップと駆動用ICチップとが搭載された領域を拡大した上面図である。 図5(a)は、実施例2の変形例1に係る半導体レーザ装置を示す斜視図、図5(b)は、図5(a)におけるキャリアを拡大した斜視図である。 図6は、半導体レーザチップと駆動用ICチップとが搭載された領域を拡大した上面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1(a)は、実施例1に係る半導体レーザチップを示す上面図、図1(b)は、図1(a)のA−A間の断面図、図1(c)は、図1(b)の領域Bの拡大図である。図1(a)から図1(c)のように、実施例1の半導体レーザチップ100は、基板10に凹部12a、12bが設けられ、凹部12aと12bとの間に凸部14が設けられている。
凸部14は、基板10上に設けられたメサ形状をした光閉じ込め構造40と、光閉じ込め構造40の両側に設けられた第1埋込層34と、第1埋込層34上に設けられた第2埋込層36と、光閉じ込め構造40及び第2埋込層36上に設けられた第3埋込層38と、を含む。光閉じ込め構造40は、基板10側から順に積層された下部クラッド層42(第1導電型の半導体層)、活性層44、及び上部クラッド層46(第2導電型の半導体層)を含む。凹部12a、12bと凸部14と基板10とを覆って絶縁膜16が設けられている。
基板10は、例えばn型InP基板である。下部クラッド層42は、基板10と同じ導電型を有する半導体層であり、例えば厚さ0.5μmのn型InP層である。活性層44は、例えばInGaAsP系の多重量子井戸構造を有する。上部クラッド層46は、下部クラッド層42と反対の導電型を有する半導体層であり、例えば厚さ0.2μmのp型InP層である。第1埋込層34は、例えばp型半導体層であり、厚さ1.3μmのp型InP層を用いることができる。第2埋込層36は、例えばn型半導体層であり、厚さ0.2μmのn型InP層を用いることができる。第3埋込層38は、上部クラッド層46と同じ導電型及び材料からなり、クラッド層としての役割を果たす。第3埋込層38は、例えば厚さ2.0μmのp型InP層である。絶縁膜16は、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。
半導体レーザチップ100は、矩形形状をしており、活性層44からの光が出射される端面であり、光出力側に向けて配置された第1端面18と、第1端面18に対して反対側の端面である第2端面20と、を有する。凸部14は、第1端面18と第2端面20との間を延在して(即ち、共振器方向に延在して)設けられている。つまり、光閉じ込め構造40は、第1端面18と第2端面20との間を延在して設けられている。凸部14が延在する方向(即ち、第1端面18と第2端面20とが対向する方向)を第1方向、第1方向に交差する方向を第2方向とする。
凸部14の一方の側方にある凹部12aでは、絶縁膜16の一部が除去されて、基板10が露出している。基板10の露出した部分上に、オーミック電極であるN電極22が設けられている。N電極22は、例えばAu(金)とGe(ゲルマニウム)の合金とNi(ニッケル)とAuとの積層体からなる。N電極22は、第1方向に延在して設けられている。N電極22には第1配線24の一端が接続され、第1配線24の他端にはN電極パッド26が接続されている。第1配線24は、第1方向におけるN電極22の中央部から引き出されてN電極パッド26に接続されている。例えば、第1配線24は、N電極22から第2方向に延在した後、第2端面20側に屈曲してN電極パッド26に接続されている。第1配線24は、例えば厚さ3μmのAuからなる。N電極パッド26は、例えば厚さ6μmのAuめっきからなる。N電極パッド26は、第1配線24、N電極22、及び基板10を介して、下部クラッド層42に電気的に接続されている。
N電極パッド26と第2端面20との間隔(最短距離)は、N電極パッド26と第1端面18との間隔(最短距離)よりも短くなっている。このように、光閉じ込め構造40の一方の側方に設けられ、N電極22(第1導電型電極)を介して下部クラッド層42(第1導電型の半導体層)に電気的に接続されたN電極パッド26(第1電極パッド)は、第1端面18よりも第2端面20側に寄って設けられている。即ち、N電極パッド26は、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置されている。なお、図1(a)では、N電極パッド26は円形形状をしている場合を例に図示しているが、矩形形状等、その他の形状をしていてもよい。
凸部14上では、絶縁膜16の一部が除去されて、第3埋込層38が露出している。第3埋込層38の露出した部分上に、オーミック電極であるP電極28が設けられている。P電極28は、例えばTi(チタン)とPt(白金)とAu(金)との積層体からなる。P電極28は、第1方向に延在して設けられている。P電極28には第2配線30の一端が接続され、第2配線30の他端にはP電極パッド32が接続されている。第2配線30は、第1方向におけるP電極28の中央部から引き出されてP電極パッド32に接続されている。例えば、第2配線30は、P電極28から第2方向に延在してP電極パッド32に接続されている。第2配線30は、例えば厚さ3μmのAuからなる。P電極パッド32は、例えば厚さ6μmのAuめっきからなる。P電極パッド32は、N電極パッド26とは凸部14に対して反対側に設けられている。P電極パッド32は、第2配線30、P電極28、及び第3埋込層38を介して、上部クラッド層46に電気的に接続されている。
P電極パッド32は、第1端面18と第2端面20との間の中央部に設けられ、第1方向においてN電極パッド26よりも長い形状をしている。即ち、P電極パッド32と第1端面18との間隔(最短距離)と、P電極パッド32と第2端面20との間隔(最短距離)とは、同程度になっている。このように、光閉じ込め構造40の他方の側方に設けられ、P電極28(第2導電型電極)を介して上部クラッド層46(第2導電型の半導体層)に電気的に接続されたP電極パッド32(第2電極パッド)は、第1方向においてN電極パッド26よりも長く延在して設けられている。なお、図1(a)では、P電極パッド32が楕円形状をしている場合を例に図示したが、矩形形状等、その他の形状をしていてもよい。
実施例1の半導体レーザチップ100は、直接変調型レーザであり、入力される電流には高周波の変調がかけられる。したがって、P電極パッド32には、直流電圧と高周波の交流電圧とが印加されることになる。言い換えると、P電極パッド32には、直流電圧と変調器信号とが印加されることになる。N電極パッド26は、基準電位(例えばグランド電位)に接続される。なお、一般的な直接変調型レーザは、基板の上面側に直流電圧と変調器信号とが印加される電極パッドが設けられ、基準電位に接続される電極パッドは基板の下面側に設けられるが、容量及びマッチングの点から、実施例1では、両電極パッドを基板の上面側に設けている。
このように、P電極パッド32には、直流電圧と変調器信号とが印加されることから、それぞれを印加するためのワイヤが接続されるため、第1方向において長い形状をしている。一方、N電極パッド26は、基準電位に接続するためのワイヤが1本接続されるだけであるため、P電極パッド32よりも小さい形状をしている。
ここで、実施例1の半導体レーザチップの効果を説明するために、比較例1の半導体レーザチップについて説明する。図2は、比較例1に係る半導体レーザチップを示す上面図である。図2のように、比較例1の半導体レーザチップは、P電極パッド32だけでなく、N電極パッド26も、第1端面18と第2端面20との間の中央部に設けられている。即ち、N電極パッド26と第1端面18との間隔(最短距離)と、N電極パッド26と第2端面20との間隔(最短距離)とは、同程度になっている。N電極パッド26とP電極パッド32とを、第1端面18と第2端面20との間の中央部に設けているのは、活性層44に第1方向において電流が均一に注入されることを考慮したものである。
半導体レーザチップを駆動させるための駆動用IC(Integrated Circuit)チップは、活性層44からの光が第1端面18から出射されることを踏まえ、第2端面20の後方に配置されることになる。駆動用ICチップの各端子と、N電極パッド26及びP電極パッド32とは、ワイヤによって接続される。この際、N電極パッド26はP電極パッド32よりも小さな形状をしているため、比較例1のように、N電極パッド26とP電極パッド32とが共に第1端面18と第2端面20との間の中央部に設けられると、N電極パッド26に接続されるワイヤが長くなってしまう。これにより、高周波特性の劣化を招いてしまう。
一方、実施例1によれば、図1(a)のように、N電極パッド26は、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置されている。即ち、N電極パッド26は、第1端面18よりも第2端面20側に寄って設けられている。これにより、N電極パッド26に接続されるワイヤを短くすることができる。よって、高周波特性の劣化を抑制することができる。
また、N電極パッド26の第1方向における中央を、第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置することで、N電極パッド26と第1端面18との間の領域が広くなる。このため、図1(a)のように、N電極パッド26と第1端面18との間に、識別用パターン48を設けることが可能となる。識別用パターン48とは、半導体レーザチップ100を識別するためのパターンであり、例えば図1(a)のように、数字が記載される。また、識別用パターン48は、N電極パッド26及びP電極パッド32と同じ材料、即ちAuめっきで形成されることができる。
活性層44に注入される電流の第1方向における均一性を考慮すると、図1(a)のように、第1配線24は、第1方向におけるN電極22の中央部から引き出されていることが好ましく、第2配線30は、第1方向におけるP電極28の中央部から引き出されていることが好ましい。また、N電極パッド26とP電極パッド32とに接続されるワイヤ長を同程度とするために、N電極パッド26と第2端面20との間隔(最短距離)と、P電極パッド32と第2端面20との間隔(最短距離)とは、同程度であることが好ましい。
実施例1では、N電極パッド26が、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置され、P電極パッド32が、第1方向においてN電極パッド26よりも長く延在している場合を例に示したが、逆の場合でもよい。即ち、P電極パッド32が、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置され、N電極パッド26が、第1方向においてP電極パッドよりも長く延在している場合でもよい。したがって、光閉じ込め構造40に含まれる下部クラッド層42(第1導電型の半導体層)あるいは上部クラッド層46(第2導電型の半導体層)のいずれか一方と接続される第1電極パッドが、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置され、下部クラッド層42(第1導電型の半導体層)あるいは上部クラッド層46(第2導電型の半導体層)のいずれか他方と接続される第2電極パッドが、第1電極パッドよりも第1方向において長く延在している場合であればよい。
また、実施例1では、第1導電型がn型で、第2導電型がp型である場合を例に示したが、第1導電型がp型で、第2導電型がn型である場合でもよい。さらに、下部クラッド層42が露出するまで掘り込まれた光閉じ込め構造40を有し、光閉じ込め構造40の周囲が埋込層で埋め込まれた埋込型の半導体レーザチップの場合を例に示したが、上部クラッド層まで掘り込まれた光閉じ込め構造を有するリッジ型の半導体レーザチップの場合でもよい。
図3(a)は、実施例2に係る半導体レーザ装置を示す斜視図、図3(b)は、図3(a)におけるキャリアを拡大した斜視図である。図3(a)及び図3(b)のように、実施例2の半導体レーザ装置200は、例えば箱型の矩形形状をしたパッケージ50にスリーブ52が結合され、パッケージ50の内部には、キャリア54が収納されている。スリーブ52は、光ファイバを結合保持するためのものである。なお、図3(a)においては、パッケージ50内への部品の実装状態を示すために、上部が開放された状態を図示しているが、実際は、上部の開口には蓋が設けられ、パッケージ50内部は密閉状態となっている。
キャリア54上には、実施例1の半導体レーザチップ100と駆動用ICチップ56とが搭載されたサブマウント58、第1のレンズ部品60、第2のレンズ部品62、及び光合波器64が実装されている。サブマウント58上に搭載された半導体レーザチップ100は複数個あり、各半導体レーザチップ100に対応して駆動用ICチップ56と第1のレンズ部品60とが配置されている。複数の半導体レーザチップ100それぞれから出射される信号光の中心波長は異なっている。半導体レーザチップ100と駆動用ICチップ56とは、ワイヤによって電気的に接続されているが、ワイヤについては、図4で説明することとし、図3(a)及び図3(b)では図の明瞭化のために図示を省略している。
駆動用ICチップ56の制御によって各半導体レーザチップ100から出射された信号光は、第1のレンズ部品60によって集光されて、光合波器64に入射する。光合波器64には光導波路66が形成されている。各半導体レーザチップ100から出射された信号光は、光導波路66を導波して合波される。光合波器64で合波された信号光は、光合波器64か出射された後、第2のレンズ部品62で集光されて、スリーブ52に結合保持された光ファイバに入射する。
このように、実施例2の半導体レーザ装置200は、中心波長が異なる半導体レーザチップ100を複数個搭載し、光合波器64を用いて1本の光ファイバに光結合させるもので、波長の異なる複数の信号光を伝搬できるため、伝送速度の高速化を実現することができるものである。
図4は、半導体レーザチップと駆動用ICチップとが搭載された領域を拡大した上面図である。図4のように、半導体レーザチップ100の光出射面である第1端面18に対向する第2端面20の後方に、駆動用ICチップ56が配置されている。半導体レーザチップ100のP電極パッド32の第2端面20側の領域には、第1ワイヤ74の一端が接続されている。第1ワイヤ74の他端は、駆動用ICチップ56の変調器信号端子68に接続されている。P電極パッド32の第1端面18側の領域には、第3ワイヤ78の一端が接続され、第3ワイヤ78の他端は、駆動用ICチップ56の直流端子72に接続されている。なお、P電極パッド32の第2端面20側の領域とは、第1方向(図1(a)参照)におけるP電極パッド32の中央よりも第2端面20側の領域をいう。同様に、P電極パッド32の第1端面18側の領域とは、第1方向におけるP電極パッド32の中央よりも第1端面18側の領域をいう。
N電極パッド26には、第2ワイヤ76の一端が接続され、第2ワイヤ76の他端は、駆動用ICチップ56の基準電位端子70に接続されている。第1ワイヤ74から第3ワイヤ78は、例えば金又はアルミニウム等の金属からなる。P電極パッド32が、第1ワイヤ74及び第3ワイヤ78によって、変調器信号端子68及び直流端子72に接続されているのは、実施例1で説明したように、半導体レーザチップ100は、直接変調型レーザであるためである。また、例えば、基準電位端子70からN電極パッド26に、P電極パッド32に入力される変調信号と逆相の変調信号が入力されてもよい。これにより、半導体レーザチップ100に正相・逆相の差動信号を入力することができる。
実施例2によれば、実施例1の半導体レーザチップ100と、半導体レーザチップ100の第2端面20の後方に配置された駆動用ICチップ56と、を備える。半導体レーザチップ100は、実施例1で説明したように、P電極パッド32よりも小さい形状をしたN電極パッド26が、第1方向における中央が第1端面18と第2端面20の距離の半分よりも第2端面20に近い位置に配置されている。これにより、N電極パッド26と駆動用ICチップ56の基準電位端子70とを接続する第2ワイヤ76を短くすることができる。よって、高周波特性の劣化を抑制することができる。
次に、実施例2の変形例1に係る半導体レーザ装置について説明する。図5(a)は、実施例2の変形例1に係る半導体レーザ装置を示す斜視図、図5(b)は、図5(a)におけるキャリアを拡大した斜視図である。なお、図5(a)及び図5(b)においても、半導体レーザチップ100と駆動用ICチップ56とを電気的に接続させるワイヤについては図示を省略している。図5(a)及び図5(b)のように、実施例2の変形例1の半導体レーザ装置300は、サブマウント58上に接続用パッド80が設けられている。接続用パッド80は、例えばAuめっきからなる。そして、接続用パッド80を介して、半導体レーザチップ100のP電極パッド32と駆動用ICチップ56の直流端子72とがワイヤによって接続されているが、この点については、図6で説明する。その他の構成は、実施例2の図3(a)及び図3(b)と同じであるため説明を省略する。
図6は、半導体レーザチップと駆動用ICチップとが搭載された領域を拡大した上面図である。図6のように、半導体レーザチップ100のP電極パッド32の第1端面18側の領域と駆動用ICチップ56の直流端子72とを接続させる第3ワイヤ78は、P電極パッド32と接続用パッド80との間に接続されたワイヤ82と、接続用パッド80と直流端子72との間に接続されたワイヤ84と、で構成されている。第1ワイヤ74及び第2ワイヤ76に関しては、実施例2の図4と同じであるため説明を省略する。
実施例2の変形例1によれば、半導体レーザチップ100が搭載されたサブマウント58(搭載部)上に、接続用パッド80が設けられている。そして、P電極パッド32と直流端子72とを接続する第3ワイヤ78は、P電極パッド32と接続用パッド80との間に接続されたワイヤ82と、接続用パッド80と直流端子72との間に接続されたワイヤ84と、によって構成されている。このような構成とすることで、第1ワイヤ74と第3ワイヤ78とが接触することを抑制できる。
第1ワイヤ74と第3ワイヤ78とが接触することを抑制する観点から、図6のように、接続用パッド80は、第1ワイヤ74と重ならない位置に設けられていることが好ましい。即ち、接続用パッド80は、接続用パッド80上を第1ワイヤ74が跨らない位置に設けられていることが好ましい。例えば、接続用パッド80は、図6のように、半導体レーザチップ100の第1端面18及び第2端面20に交差する端面の側方に設けられていることが好ましい。
実施例2では、複数の半導体レーザチップ100を有する半導体レーザ装置を例に示したが、半導体レーザチップ100を1つ有する半導体レーザ装置の場合でも勿論よい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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。
10 基板
18 第1端面
20 第2端面
22 N電極
24 第1配線
26 N電極パッド
28 P電極
30 第2配線
32 P電極パッド
40 光閉じ込め構造
42 下部クラッド層
44 活性層
46 上部クラッド層
48 識別用パターン
56 駆動用ICチップ
58 サブマウント
68 変調器信号端子
70 基準電位端子
72 直流端子
74 第1ワイヤ
76 第2ワイヤ
78 第3ワイヤ
80 接続用パッド
82、84 ワイヤ
100 半導体レーザチップ
200、300 半導体レーザ装置

Claims (3)

  1. 基板上に順に配置された第1導電型の半導体層、活性層、第2導電型の半導体層を有する光閉じ込め構造と、光出力側に向けて配置される第1端面と、前記第1端面と対向した第2端面と、前記第1端面と前記第2端面とが対向する方向における中央が、前記第1端面と前記第2端面の距離の半分よりも前記第2端面に近い位置に配置され、前記第1導電型の半導体層あるいは前記第2導電型の半導体層の何れか一方と接続された第1電極パッドと、前記第1電極パッドよりも前記第1端面と前記第2端面とが対向する方向において長く延在し、前記第1導電型の半導体層あるいは前記第2導電型の半導体層の何れか他方と接続された第2電極パッドと、を備える半導体レーザチップと、
    前記半導体レーザチップの前記第2端面の後方に配置された駆動用ICチップと、
    前記第2電極パッドの前記第2端面側の領域と前記駆動用ICチップの変調器信号端子とを接続する第1ワイヤと、
    前記第1電極パッドと前記駆動用ICチップの基準電位端子とを接続する第2ワイヤと、
    前記第2電極パッドの前記第1端面側の領域と前記駆動用ICチップの直流端子とを接続する第3ワイヤと、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記基準電位端子から前記第1電極パッドに入力される信号は、前記第2電極パッドに入力される変調信号と逆相の変調信号であることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記半導体レーザチップが搭載された搭載部を備え、
    前記第3ワイヤは、前記第電極パッドと前記搭載部に設けられた接続用パッドとの間に接続されたワイヤと、前記接続用パッドと前記直流端子との間に接続されたワイヤと、によって構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザ装置。
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