JPH03145177A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、高速光伝送及び並列光伝送に用いられる半導
体レーザ装置に係わり、特にレーザ光のモニタ機能を備
えた半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術） 半導体レーザは、高速、高効率の光源として光伝送装置
の光送信機に用いられるが、高電流密度デバイスである
ために素子劣化が比較的速く、また温度に対する特性変
動が大きいという性質を持っている。このため、半導体
レーザは単体での安定動作が難しく、通常は電気的フィ
ードバックのため又は素子劣化検出のための光出力モニ
タを必要とする。この光出力モニタには、フォトダイオ
ードを用いるのが一般的であり、半導体レーザ出力の一
部又は光出力面の対面から放出される光をフォトダイオ
ードに結合させて同一パッケージに実装することが多い
。

第６図はこのような半導体レーザ光出力モニタを設ける
ことを目的とした、半導体レーザ実装状態を示す例であ
る。第６図において、６５は半導体レーザ、６４は放熱
基板、６２は電極端子、６７は半導体レーザ６５と電極
端子６２を接続するためのボンディングワイヤである。

Ａは、電気的信号入力位置を示すための端子であり、接
続記号として用いである。また、６６はフォトダイオー
ドであり、Ｂはその信号出力端子である。ここで、電極
端子６２は例えばＡＮ２０ｉ等の絶縁体に上下面メタラ
イズされたものであり、放熱基板６４とは電気的に分離
されている。また、放熱基板６４は例えばＣｕのような
金属からなり、電気的に接地電極に接続されている。そ
して、Ａ端子及びＢ端子は、ワイヤボンディング或いは
圧着接続により外部接続ビンと接続される。

゛このような構成により、半導体レーザ６５の電気的接
続とフォトダイオード６６への光学的結合を行うことが
でき、光出力モニタ付きの半導体レーザ装置を得ること
ができる。これは、従来技術として代表的な半導体レー
ザ装置であり、実際、第６図と同様な半導体レーザ装置
により　１．６Ｇｂ／ｓ　〜２．４Ｇｂ／ｓの光伝送装
置が運用されている。

しかしながら、このような従来技術においては、以下の
ような問題があった。まず、光出力モニタ用のフォトダ
イオードとの光学的結合のため、半導体レーザ６５と電
極端子６２が平行的に配置されること及びその間隔が電
極端子６２の大きさ（数１０）から１１程度以上離さざ
るを得ないことがある。これは、結果としてボンディン
グワイヤ６７の長さが１１以上の長さとなり、高周波領
域においてそのインダクタンスが問題となること、また
構成として電気接続系の特性インピーダンスが入力信号
線路と整合ができないこと等の問題を招く。このため、
１０Ｇｂ／ｓ程度以上の高速光伝送装置では、信号変調
効率低下や信号波形劣化増大等の障害をもたらしていた
。

次に、半導体レーザ６５とフォトダイオード６６との光
学的結合が空間結合であり、構成上その間隔が数Ｉとな
ることがある。この場合、半導体レーザ６５から放出さ
れる光が自由空間中を拡大していくため、その占有空間
幅が広くなる。従って、複数の半導体レーザを同一パッ
ケージ内に収めて例えば並列光伝送を行おうとする場合
、装置寸法が大きくなることや、隣接半導体レーザの迷
光により所謂クロストーク成分が大きくなり易い等の障
害を生じていた。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、半導体レーザと光出力モニタ用のフォ
トダイオードとの光学的結合のため、半導体レーザへの
給電のためのボンディングワイヤが長くなる、さらに電
気接続系の特性インピーダンスが入力信号線路と整合が
できないこと等の問題があり、これが高速領域での動作
を妨げていた。また、複数の半導体レーザを同一パッケ
ージ内に収めると、装置寸法が大きくなる、クロストー
ク成分が大きくなる等の問題があり、これが高密度並列
実装化を妨げていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、より高速領域での動作と高密度並列
実装化を可能とした半導体レーザ装置を提供することに
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、従来技術のように半導体レーザの電気
的接続がフォトダイオードとの光学的結合のために制限
されることがなく、電気的接続を伝送線路、光学的結合
を光導波路によって行い、それぞれ最適化を施すことに
よって、半導体レーザの性能を最大限引き出させること
にある。

即ち本発明は、半導体レーザ素子及びその先出力をモニ
タする受光素子を備えた半導体レーザ装置において、レ
ーザ素子と受光素子との間に、電気的な伝送線路（例え
ば、基板上に導体膜を被着して形成）及び光導波路（例
えば、基板内に埋込み形成）を形成した誘電体等の基板
を設け、この基板の伝送線路を介してレーザ素子に給電
し、さらに基板の光導波路を介してレーザ素子からの光
を受光素子に導くようにしたものである。

（作用） 本発明によれば、半導体レーザへの電気的接続及び受光
素子への光学的結合を略独立に行うことができ、それぞ
れ最適の条件で設定することが可能になる。この結果、
半導体レーザの高速動作においてもその特質を十分発揮
できるようにすることができ、例えば伝送線路インピー
ダンスを入力信号線路に整合させ、半導体レーザ結合端
に線路終端の吸収器を設けて電力反射防止と高変調効率
化を達成し、信号波形歪みの少ない大振幅高速変調が行
えるようになる。・−方、半導体レーザと受光素子との
光学的結合のための占有空間が小さくなるため、高密度
に半導・体レーザ素子をアレイ化実装することができ、
しかも隣接素子からの迷光によるモニタクロストークを
抑制できるようになる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザ装置の
レーザ実装状態を示す構成図である。

図中１は誘電体基板、２は伝送線路信号ライン、３は光
導波路、４は放熱基板、５は半導体レーザ、６はモニタ
用フォトダイオード、７はボンディングワイヤであり、
Ａ、Ｂは電極ピンへの接続を示す接続記号である。

まず、第１図の機能的説明から行う。半導体レーザ５及
びフォトダイオード６は放熱基板（例えば、ＣＵブロッ
ク又はメタライズされた高熱伝導性セラミック基板）４
にマウント固着され、誘電体基板１も裏面メタライズを
行って放熱基板４にマウント固着される・。入力の電気
信号はＡ端子に入力され、伝送線路（この場合はマイク
ロストリップライン〉２を伝搬してボンディングワイヤ
７を通じて半導体レーザ５に入力される。このとき、伝
送線路２の特性インピーダンスを人力の線路の特性イン
ピーダンス（例えば５０Ω〉と合わせておくことにより
、伝送線路２への結合部で生じる電力反射を抑制するこ
とができる。半導体レーザ５は人力電気信号に応じて光
信号を発生させ、放射（図に白抜き矢印で図示）するが
、このとき反射側にも同様の光信号を放射し、その光は
光導波路３に結合、伝搬してフォトダイオード６に入力
される。

フォトダイオード６は、入力した光信号を電気信号に変
換して端子Ｂに出力する。

ここで、フォトダイオード６は第１図のように放熱基板
４に固着されているものでなく、他の基板等に固着され
たものであっても光導波路３と光学的に結合されていれ
ばよい。また、半導体レーザ５と伝送線路２の結合部に
おいてインビーダンス不整による電力反射が生じないよ
う高周波吸収体ダミー負荷を設けることも可能であり、
さらに伝送線路２の形式としてもマイクロストリップラ
インのみならず、コプレーナライン、スロットライン等
の伝送線路であってもかまわない。即ち、これらの変更
、付加は本発明趣旨の範囲を逸脱するものではなく、そ
の用途に応じて適宜設定すればよいものである。

このような構成とすることにより、半導体レーザ５への
電気的結合が容易になり、ボンディングワイヤ７の長さ
を機械的な実装技術限界まで短縮することができる。例
として、ボンディングワイヤ７の長さを２００〜３００
μｍに設定することが可能となり、このため１ＯＧＨｚ
以上の高周波領域での電気的接続も従来技術に比して遥
かに良好に行うことができる。一方、モニタ用フォトダ
イオード６との光学的結合は光導波路３を通じて行うた
め、従来技術のような空間伝搬結合に比して確実性が高
く、またその空間的占有領域、特に横方向の占有幅を小
さくできる利点がある。このことは、光出力゛モニタと
しての効率を高めるばかりでなく、後述するアレイ化半
導体レーザ装置の構成の際に絶大なる効果を発揮する。

従って本発明技術によれば、高周波領域での操作性が格
段に向上するばかりでなく、その光出力モニタ効率が従
来技術より向上するという効果を奏する。

次に、第１図の実施例の具体的構成例について説明する
。半導体レーザ５は、例えばＧａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系
半導体レーザで、発振波長を約１．３μｍとする。この
とき、フォトダイオード６は同種の材料系である。

Ｇａ１ｎＡｓ／ＩｎＰのＰＩＮフォトダイオードとして
、例えば光信号の平均値モニタを行わせる。放熱基板４
としては、例えば５Ｉｌ■厚のＣｕ板とし、表面保護の
ためＡｕメツキを２Ｉ１ｍ程行う。半導体レーザ５及び
フォトダイオード６は誘電体基板１の固着を、例えばＡ
ｕＳｉ共晶合金で行った後にＡｕＳｎ共晶合金で熱溶融
固着する。誘電体基板１に設ける光導波路３゜伝送線路
２の例として埋込み導波路、マイクロストリップライン
の例を第２図に示す。

第２図において１は誘電体基板であり、ここでは５ｉ０
２基板を例にとる。２は伝送線路の信号ラインであり、
ここではマイクロストリップラインを例とする。３は光
導波路、４′は裏面メタライズ（接地電極）である。Ｓ
ｔ、２基板１は、例えば全厚を１５０μｍとし、２のマ
イクロストリップライン幅を２５０μｍとする。このと
き、伝送線路インピーダンスとしては約５０Ωとなる。

伝送線路金属（２，４’　）は、例えばＡｕ／Ｃｒ、Ａ
ｕ／Ｐ　ｔ／Ｔ　ｉ等によりＡｕ厚を３〜５μｍとする
。

光導波路３は例えば埋込み型とし、５ｉｎ２にＧｅＯ２
，Ｐ２０ｓ等の添加を行って、屈折率増加を行わせて導
波路とする。−例として、光導波路部にＧｅｍ２を２０
％添加して周囲を５ｉｎ２により埋込み形成する。また
、その大きさとしては３の断面が厚さ２０μｍ、輻５０
μｍとし、上部の８１０２が５０μｍ程度となるように
設定する。通常の半導体レーザは厚さが１００μｍ程度
であり、これにより同一面に固着した場合、自動的に光
導波路の高さ調整が行われることになる。

このような光導波路は受光角（全角）が３０″程度であ
り、モニタ用光導波路としては十分な性能を持つ。光導
波路パターンは、その実装ピッチ等によって設定すれば
よいが、例えば折れ曲りの中心曲率を１ｍｍとし、マイ
クロストリップラインとの位置を後部で１〜１．５−一
ずれるようにすればよい。また、誘電体基板１全体の長
さとしては、例えば５−１とする。このとき、マイクロ
ストリップラインの損失は殆ど無視でき、光導波路３の
損失も全体で２〜３ｄＢ程度であり、光出力モニタとし
ての性能としては影響は少ない。

なお、光導波路とマイクロストリップラインの重複部で
は電気的な実効誘電率が他の部分と僅かに異なるが、こ
れはライン幅を僅かに補正すればよい。また、実質的影
響は小さいため、そのまま無視しても差支えないのであ
る。

また、上記の誘電体基板１は前述したように第１図の放
熱基板４に固着され、ボンディングワイヤ７（例えば２
５μｍφ、３００μｍ）により半導体レーザ５と接続さ
れる。また、入力端子Ａ側は、例えば同軸ケーブル用コ
ネクタの心線導体を圧着接続する。このようにして前述
した機能的内容を達成することができる。

第３図は第１図及び第２図で示した実施例の改良につい
て示したものであり、誘電体基ＶＬ１の端部（光導波路
３の入力端）からの所謂近端反射を防止するための例で
ある。一般に、半導体レーザは放射した光の外部反射光
が加えられると複合共振器モードが混在して状態になり
、光出力の揺らぎや過剰雑音の発生が起こる。このため
、第３図では端部をθだけ斜めに形成し、その近端反射
を防いである。θの値は光結合効率を考慮して行わなけ
ればならず、例えば第１図、第２図の例で半導体レーザ
との間隔を３００μｍとしてθを１５°程度に設定する
。これにより、半導体レーザへの近端反射は殆ど無くな
り、実用上の問題及び光導波路への結合低下は無視でき
る。

第４図は、本発明の他の実施例であり、光導波路３が光
ファイバ３′に置き換えられた例である。光ファイバ３
′としては、外径１２５μｍでコア径５０８ｍ１受光全
角２５°程度のものを用い、５ｉ０２．ＡＮ２０ｇ等の
誘電体基板１に埋込み形成又は挿入形成する。この実施
例の特徴は、光導波路の作成プロセスが不要であり、ま
た誘電体基板１の材料に透光性が不要のため、基板材料
の選定範囲が広くなること等である。

この実施例では、伝送線路信号ライン２のライン幅に制
限がある場合等に設計上の任意性を持たせることが可能
となり、従って本発明の適用性が拡大できる特徴を持っ
ている。

第５図は、本発明のさらに他の実施例であり、半導体レ
ーザがアレイ化された並列光送信機等に用いられる半導
体レーザ装置の例である。ここでは、例として５素子の
半導体レーザアレイを用いているが、これは複数の半導
体レーザについて同様であることは容易に理解される。

また、第５図においては半導体レーザ駆動用ＩＣ（例え
ばＧａＡｓ−ＨＢＴ−ＩＣ）　１０も集積した例を示し
である。

第５図中２０１〜２０５は各信号チャネルの伝送線路、
８０１〜３０５は光導波路、５０１〜５０５は半導体レ
ーザアレイの各半導体レーザ素子ξ　６０１〜６０５は
モニタ用フォトダイオードアレイの各フォトダイオード
、８は光出力モニタ用比較・検出回路部、９は半導体レ
ーザ駆動信号発生部、Ｃ１〜Ｃ５は外部信号入力端子で
ある。ここで、半導体レーザ駆動用ＩＣｌ０は８及び９
から構成され、８及び９はそれぞれ５つの独立した信号
を処理できるようになっている。

この図から判るように各信号チャネルの構成は、第１図
の実施例と同様であり、従ってその構成内容も第１図の
実施例と同様でよい。半導体レーザアレイの各素子５０
１〜５０５は、例えば５００μｍ間隔に設定し、２０１
〜２０５．８０１〜３０５゜８０１−８０５も同一間隔
である。この結果、この実施例の実装幅は１０ａｍ以下
の幅となり、従来技術で用いられるような実装と略同程
度の大きさで構成することができる。

また、第５図で示したように、半導体レーザ駆動用ＩＣ
ｌ０を同一基板上に実装することも可能であり、前述し
た素子間隔で１０ｍｍＸ　１０〜１５Ｉ１１の大きさに
５つの信号チャネルを設けることが可能である。さらに
、信号チャネル、半導体レーザの間隔は３００μｍ以下
にすることも可能であり、半導体レーザアレイの消費電
力密度限界まで小形化することができる。これは、主に
光出力レベルモニタを本発明実施例により行っているた
めであり、各半導体レーザのモニタ出力光を光導波路に
よって確実に各フォトダイオードに結合させているため
の効果である。また、第５図から判るように、各信号チ
ャネルの電気的接続が伝送線路により行われているため
、電気結線により高速動作が制限されることは少なく、
各信号チャネルにＩＯＧ　ｂ／ｓの動作を行わせること
もできる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施
することができる。例えば、前記半導体レーザ素子はＧ
ａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系に何等限定されるものではなく
、仕様に応じて適宜変更可能である。また、受光素子と
してはフォトダイオードに限らず、フォトトランジスタ
を用いることも可能である。さらに、基板としては、誘
電体の代わりに半導体を用いることも可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、半導体レーザの電
気的接続及び光出力モニタ用の受光素子との光学的結合
をそれぞれ略独立に最適化することができ、高速変調、
高密度実装において半導体レーザの性能を最大限に発揮
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例に係わる半導体レ
ーザ装置を説明するためのもので、第１図は実装状態を
示す平面図、第２図は誘電体基板に形成した光導波路及
び伝送線路のパターンを示す斜視図、第３図は誘電体基
板の端部を斜めにした例を示す側面図、第４図及び第５
図は本発明の他の実施例を説明するためのもので、第４
図は光導波路として光ファイバを用いた例を示す平面図
、ｊＩ５図はレーザ素子をアレイ状に配列した例を示す
平面図、第６図は従来技術に係わる半導体レーザ装置の
実装状態を示す平面図である。 １・・・誘電体基板、 ２・・・伝送線路、 ３・・・光導波路、 ３′・・・光ファイバ、 ４・・・放熱基板、 ４′・・・裏面メタイラズ、 ５・・・半導体レーザ、 ６・・・モニタ用フォ トダイオード、 ７・・・ボンデイ ングワイヤ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気的な伝送線路及び光導波路が形成された基板
   と、この基板の伝送線路を介して給電される半導体レー
   ザ素子と、前記基板の光導波路を介して前記半導体レー
   ザ素子からの光をモニタする受光素子とを具備してなる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）アレイ状に配列された複数の半導体レーザ素子及
   びそれぞれのレーザ素子の光出力をモニタする受光素子
   を備えており、前記受光素子は前記半導体レーザ素子と
   は離間してアレイ状に配列され、前記半導体レーザ素子
   と受光素子との間に、各々の半導体レーザ素子にそれぞ
   れ給電するための電気的な伝送線路及び各々の半導体レ
   ーザ素子からの光を各々の受光素子にそれぞれ導くため
   の光導波路を形成した基板を配置してなることを特徴と
   する半導体レーザ装置。
3. （３）前記基板は誘電体基板であり、前記伝送線路は該
   基板上に導体膜を被着して形成され、前記光導波路は該
   基板内に埋込み形成されたものであることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。