JPH0567840A - マルチビーム半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マルチビーム半導体レーザ素子とサブマウン
ト基板間の熱抵抗を従来より抑制することができかつ、
従来以上の組立精度が要らないマルチビーム半導体レー
ザ装置を提供する点。 【構成】 サブマウント基板の表面に複数の平面配線電
極の間に島状孤立電極を形成して、マルチビーム半導体
レーザ素子表面の個別電極と一体とする。従ってサブマ
ウント基板と半導体基板との間に生ずる空隙を埋めるこ
とができまた、島状孤立電極は、電気的に何等の作用を
しないので、組立てに際しての位置ずれによる電気的な
短絡が防止できると共に熱抵抗を下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、独立して駆動できる複
数の半導体レーザ素子を一つの基板に設置するマルチビ
ーム半導体レーザ素子と、この素子を固着するサブマウ
ントから構成するマルチビーム半導体レーザ装置に係わ
り、特に素子から発生するジュール熱を効率的に除去す
るのに好適な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】二つの半導体レーザ素子から成る２ビー
ム半導体レーザ装置を図７〜図１０を参照して説明す
る。図７に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板１に互いに隣
接して形成する２ビーム半導体レーザ装置は、結晶劈開
面で構成する２つの鏡面２、３により形成する共振器
と、光を活性層４に押込める動作をする２つのクラッド
層５、６を設ける。

【０００３】鏡面２、３に交差する方向に向かう光軸Ｚ
1 とＺ2 に沿った溝７、８の作用により、活性層４への
電流注入により発生する光利得は、２本の単一横モード
のレーザ光を鏡面２、３から射出する。クラッド層５に
隣接する電流阻止層９は、活性層４への電流注入を溝
７、８に対向する部分に限定する作用をする。また、素
子表面から活性層４よりも深く設けられた分離溝１０に
より、光軸Ｚ1 を持った半導体レーザ素子１１と光軸Ｚ
2 を持った半導体レーザ素子１２が電気的に分離され、
夫々の頂面を構成する個別電極１３、１４の表面付近を
金とＧｅの固溶体で構成し、別の電源につなぐことによ
り独立に駆動する。また、ＧａＡｓ基板２の裏面に形成
する個別電極１３、１４と逆極性の共通電極１５は、半
導体レーザ素子１１、１２に共通である。

【０００４】半導体レーザ素子１１、１２の主な部品の
寸法は、光軸Ｚ1 とＺ2 に直交する方向の素子長が共に
３００μｍ、素子厚さが基板を含めて１００μｍ、個別
電極表面から活性層までの距離が７μｍ、基板表面から
内部に向けて形成する溝７、８の幅が４μｍ、両光軸Ｚ
1 とＺ2 間の間隔が３０ｍｍ、分離溝１０の幅が５μｍ
深さが１０μｍであり、更に個別電極１３、１４の端か
ら５μｍ離れた位置に分離溝の端がある。即ち、両個別
電極１３、１４間の距離Ｗは、１５μｍである。

【０００５】次に図８によりサブマウントの構造を説明
する。サブマウント基板１６は、半絶縁性のシリコン単
結晶から成り、縦横が１μｍ、厚さが２００μｍであ
り、その表面には、金から成る２条の平面配線電極１
７、１８を形成し、この両者が互いに近い部分の距離Ｕ
は、４０μｍである。なお、図中点線で囲んだ部分は、
ワイヤボンデイングが行われる領域即ちボンディングパ
ッド１９、２０である。

【０００６】次に図９により２ビーム半導体レーザ素子
１１、１２とサブマウント基板１６の相対的位置を説明
すると、個別電極１３、１４を構成するＡｕ−Ｇｅと平
面配線電極１７、１８を構成する金間の共晶化反応によ
り、図９に示す姿勢で両者を接着する。この共晶化反応
は、両表面を圧着した状態で昇温して完成する。その
後、共通電極１５とボンディングパッド１９、２０を夫
々ワイヤボンディングすることにより装置外部に導出す
る。

【０００７】同図のΔは、２ビーム半導体レーザ素子１
１、１２と、サブマウント基板１６の中心線との距離の
最大値である。２ビーム半導体レーザ素子１１、１２が
独立して駆動できるためには、Ｗ、Ｕ及びΔの間で、Ｕ
−Ｗ＜２Δなる関係が成立しなければならない。さもな
いと、図１０に矢印で示す経路により短絡してしまう。
このようにＷとＵの値は、現状の組立て技術水準でのΔ
の最大値約１０μｍ強において前記の不等式が満たされ
るように設定された値である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】二つの個別電極間で
は、マルチビーム半導体レーザ素子表面とサブマウント
の間にある空隙により、両者間に熱抵抗が増加する問題
がある。この熱抵抗の増大は、シングルビーム半導体レ
ーザ素子でも難点となる信頼性劣化をもたらすばかりで
なく、マルチビーム半導体レーザ装置特有の問題である
半導体レーザ素子間の熱的干渉を増大させるからであ
る。

【０００９】本発明はこのような事情により成されたも
ので、特に、マルチビーム半導体レーザ素子とサブマウ
ント間の熱抵抗を小さくすることができかつ、素子組立
てがいままでと同等の精度でできるマルチビーム半導体
レーザ素子〃提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】半導体基板表面に互いに
隣接して設けられかつ光軸が基板表面に平行でまた互い
にも平行な半導体レーザ素子と，前記半導体レーザ素子
表面から穿たれて半導体レ−ザ素子を電気的に分離する
溝と，前記半導体レーザ素子表面に半導体レーザ素子毎
に設置する個別電極と，前記基板の裏面に設ける前記個
別電極と逆極性の共通電極と，前記半導体レーザ素子を
固着する半絶縁性板状サブマウントと，前記個別電極に
対応しかつ融着して一体化する前記半絶縁性板状サブマ
ウント表面に形成する平面配線電極と，前記平面配線電
極間に露出する前記半絶縁性板状サブマウント表面及び
前記個別電極に接触・固着する前記個別電極と同じ厚さ
の導電性物質から成る複数の島状電極に本発明に係わる
マルチビーム半導体レーザ装置の特徴がある。

【００１１】

【作用】マルチビーム半導体レーザ素子に共通して設置
するサブマウント基板表面に、各素子に対応して孤立し
た平面配線電極を設けると共に、この両電極間のサブマ
ウント基板表面部分に孤立島状電極を設置して、従来の
技術で指摘したサブマウント基板表面部分に形成する空
隙を埋めて、組立てに際して生ずる位置ずれに伴う電気
的な短絡を防ぎ、その上熱的経路を提供して熱抵抗を下
げることができるものである。

【００１２】

【実施例】以下図１乃至図６を参照して本発明に係わる
実施例を説明する。図１〜図３に示す実施例は、従来の
技術として図７から図９明らかにした２ビーム半導体レ
ーザ装置に本発明を適用したものであり、図１は図７に
対応している。

【００１３】新番号付けた図１により本発明に係わる２
ビーム半導体レーザ素子を改めて説明すると、ｐ形Ｇａ
Ａｓ基板２１に互いに隣接して設けるが、これには、結
晶劈開面で構成する２つの鏡面２２、２３により共振器
ならびに、光を活性層２４に押込める動作を行うクラッ
ド層２５、２６を形成する。

【００１４】鏡面２２、２３に交差する方向に向かう光
軸Ｚ1 とＺ2 に沿った溝２７、２８をクラッド層２５及
びこれに隣接して配置する電流阻止層２９にまたがって
形成し、活性層２４への電流注入により発生する光利得
は、２本の単一横モードのレーザ光を鏡面２２、２３か
ら射出する。電流阻止層２９は、活性層２４への電流注
入を溝２７、２８に限定する作用を行う。

【００１５】また、素子表面から活性層２４より深く設
けられた分離溝３０により、光軸Ｚ1 を保有する半導体
レーザ素子３１及び光軸Ｚ2 を保有する半導体レーザ素
子３２を電気的に分離して形成され、夫々の頂面を構成
する個別電極３３、３４を別の電源に接続することによ
り独立に駆動する。ｐ形ＧａＡｓ基板２１の裏面に、共
通電極３５を設置して後述するサブマウント基板３６
（図２参照）との一体化に備える。なお、個別電極３
３、３４の表面付近は、金とＧｅの固溶体で構成する。

【００１６】前記半導体レーザ素子３１、３２の寸法を
説明すると、光軸Ｚ1とＺ2 に交差する方向の素子長
は、共に３００μｍ、素子厚さ１００μｍ、個別電極３
３、３４表面から活性層２４までの距離７μｍ、個別電
極３３、３４表面から内部に向けて形成する分離溝３０
の幅が５μｍ深さが１０μｍ、個別電極３３、３４の端
から５μｍ離れた位置に分離溝３０の端が存在し、更に
個別電極３３、３４間の距離Ｗが１５μｍである。

【００１７】なお、図面上番号を付けていない個別電極
３３、３４とクラッド層２６に挟まれた層は、オーミッ
ク層であることを付言する。

【００１８】このような２ビームレーザ半導体素子３
１、３２に形成する共振器は、レーザ長２５０〜６００
μｍ程度最っとも使用するのが３００μｍである。

【００１９】本発明の特徴が最も顕著に示す図２によ
り、２ビーム半導体レーザ素子３１、３２を固着するサ
ブマウント基板３６について説明すると、縦横が１ｍｍ
で厚さが２００μｍの反絶縁性のシリコン単結晶で構成
し、表面には、金から成る２条の平面配線電極３７、３
８を設ける。両者が最も近い場所の間隔Ｕを４０μｍと
し、図中点線で囲んだ部分は、ボンディングを行うボン
ディングパッド３９、４０である。

【００２０】平面配線電極３７、３８間のサブマウント
基板３６部分には、一辺が５μｍの正方形の導電性金属
片を間隔例えば５μｍ最小２μｍに配置する多数の島状
孤立電極４１を設置して、２ビーム半導体レーザ素子３
１、３２をマウント・固着して図３の構造を形成する。
この工程では、図３に明らかなように、個別電極３３、
３４に対して平面配線電極３７、３８及び島状孤立電極
４１を接触して一体とする。

【００２１】このようなマウント・固着工程で、島状孤
立電極４１の幾つかは、個別電極の一方に接触するもの
の、最大径を臨界値以下に設定すれば、両個別電極３
３、３４に接触することはなく、島状孤立電極４１の導
入に伴って、素子間の短絡を防ぐことができる。臨界値
は、平面配線電極３７、３８間の距離Ｕ程度である。平
面配線電極３７、３８の幅は、２０μｍである。

【００２２】また、サブマウント基板３６に２ビーム半
導体レーザ素子３１、３２を前記のように一体として２
ビーム半導体レーザ装置を完成するが、必要な組立精度
は、ほぼ２０μｍである。また、図３に示した２ビーム
半導体レーザ素子３１、３２における光軸間隔は、１０
０μｍ乃至３０μｍが実用範囲であり、５０μｍがティ
ピカル（Ｔｉｐｉｃａｌ）な実用レベルである。

【００２３】次に本発明に係わる２ビーム半導体レーザ
装置の効果を図４ａ、図４ｂを用いて説明するが、先ず
図４ａにより熱的ストローク量の定義を述べる。同図で
は、ビーム２の半導体レーザ素子をパルス動作時、連続
動作しているビーム１の他の半導体レーザ素子の出力の
変化量の相対値を熱的ストローク量ΔＰｃと定義する。
即ち、 ΔＰｃ＝（Ｐ1 −Ｐ2 ）／Ｐ1 ×１００
（％） である。

【００２４】この熱的ストローク量ΔＰｃの実測値を、
本実施例と従来例を比較して図５に示した。図から明ら
かなように、全測定範囲にわたってΔＰｃの値が従来例
の６０％以下になっている。従って本発明に係わる２ビ
ームレーザ半導体装置の有効性が明白である。島状孤立
電極４１の形状は、図６に示すように不定形または不規
則な配置であっても差支えない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、２ビーム半導体レーザ素
子を組立てる際に、従来以上の精度を要求することなし
に、従来より熱抵抗が低い上に、熱的ストロークが小さ
い２ビーム半導体レーザ素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ素子の概
略を示す斜視図である。

【図２】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ素子をマ
ウントするサブマウント基板の要部を明らかにする斜視
図である。

【図３】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ装置の概
略を示す断面図である。

【図４】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ素子の効
果を説明する図である。図４ａはビーム１の光出力を示
す図である。図４ｂはビーム２の光出力をマウント基板
の要部を明らかにする斜視図である。

【図５】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ装置の熱
的ストロークを従来例と比較する図である。

【図６】本発明に係わる２ビーム半導体レーザ素子をマ
ウントする他のサブマウント基板の要部を明らかにする
斜視図である。

【図７】従来の２ビーム半導体レーザ素子の概略を示す
斜視図である。

【図８】従来の２ビーム半導体レーザ素子をマウントす
るサブマウント基板の要部を明らにする斜視図である。

【図９】従来の２ビーム半導体レーザ装置の概略を示す
断面図である。

【図１０】従来の２ビーム半導体レーザ装置の動作状況
を明らかにする断面図である。

【符号の説明】

２１：基板、 ２２、２３：鏡面、 ２４：活性層、 ２５、２６：クラッド層、 ２７、２８：溝、 ２９：電流阻止層、 ３０：分離溝、 ３１，３２：半導体レーザ素子、 ３３、３４：個別電極、 ３５：共通電極、 ３６：サブマウント基板、 ３７，３８：平面配線電極、 ３９、４０：ボンディングパッド、 ４１：島状孤立電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板表面に互いに隣接して設けら
   れかつ光軸が基板表面に平行でまた互いにも平行な半導
   体レーザ素子と，前記半導体レーザ素子表面から穿たれ
   て半導体レーザ素子を電気的に分離する溝と，前記半導
   体レーザ素子表面に半導体レーザ素子毎に設置する個別
   電極と，前記基板の裏面に設ける前記個別電極と逆極性
   の共通電極と，前記半導体レーザ素子を固着する半絶縁
   性で板状のサブマウント表面に形成する平面配線電極
   と，前記平面配線電極間に露出する前記半絶縁性板状サ
   ブマウント表面及び個別電極に接触・固着する前記平面
   配線電極と同じ厚さの導電性物質からなる複数の島状電
   極を具備することを特徴するマルチビーム半導体レーザ
   装置