(57)【要約】【課題】  面発光レーザ装置を安価な材料を用いて強力に冷却することによって、熱抵抗を低減し、発光効率を向上させて、装置の大出力化を図る。【解決手段】  面発光半導体レーザ素子１０２の光出射側において出射されるレーザ光の断面形状にほぼ等しいか断面形状よりやや大きい形状の開口窓１０１を有する電極を当接させ、レーザ光非出射側に放熱板１０４を当接した両面冷却面発光半導体レーザ装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光半導体レーザ素子の光出射側において出射されるレーザ光の断面形状にほぼ等しいか断面形状よりやや大きい形状の開口窓を有する電極を当接させ、レーザ光非出射側に放熱板を当接したことを特徴とする両面冷却面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記面発光半導体レーザ素子が複数配列された面発光レーザアレイであり、これに対応して前記電極が複数の開口窓を有することを特徴とする請求項１に記載の両面冷却面発光半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記開口窓を有する電極内部に冷却媒体を流通させる流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の両面冷却面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記面発光半導体レーザ素子と前記開口窓を有する電極は、低溶融温度を有する金属で接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の両面冷却面発光半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記開口窓を有する電極は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金から選択される１種以上から作製されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の両面冷却面発光半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の両面冷却面発光半導体レーザ装置のレーザ光出射側に集光用光学系を配置したことを特徴とする高出力面発光半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記集光用光学系が各半導体レーザ素子用マイクロレンズ及び全発光半導体レーザ素子用集光レンズからなることを特徴とする請求項６に記載の高出力面発光半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却を工夫した面発光半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光半導体レーザは基板面に垂直な方向に光を発射する半導体レーザであり、垂直共振器型、水平共振器型などがある。垂直共振器型面発光レーザの最も一般的な構造としては、半導体基板上において、活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｍｉｒｒｏｒ、以下「ＤＢＲミラー」と呼ぶ）を配置した積層構造を形成し、このＤＢＲミラーの外側に形成した電極からＤＢＲミラーを介して、電流を注入する構造がよく知られている。
【０００３】
面発光半導体レーザは、端面へき開なしに作製できること、二次元アレイ化が可能なこと、出射ビームを容易に円形化できることなど、端面発光型の半導体レーザにはない特徴があり注目をされている。
【０００４】
一方、光情報処理或いは光通信システム装置においては、高密度で高速並列信号処理を実現するため、面接続が可能である面型発光半導体素子と基板に垂直な方向に光学素子を集積化する機能化光素子を構成して達成している。
【０００５】
ところで、面発光半導体レーザにおいては、内部発熱により発光効率が低下するばかりか半導体レーザ素子自体が破壊されるという問題があり、内部発熱をいかに放熱・冷却するかが課題である。例えば、ＤＢＲミラーの数を増やすと、直列電気抵抗と熱抵抗が増え、発熱増加し、最大出力と効率が低下する。そこで、面発光半導体レーザの被形成基板の支持体（基板ホルダ）に物理的な形状の工夫を施し放熱面積を増やしたり、冷却装置を当接しこの冷却装置に冷却水管を配すことにより、基板を冷却している。しかし、これら非出射側からの冷却には限度がある。
【０００６】
そこで、下記特許文献１には、端面発光半導体レーザ素子を用い、レーザ素子基板に対し上側にレーザ光を反射させた半導体発光素子と、透明ヒートシンクよりなるパッケージ窓部とを有し、パッケージ窓部の半導体発光素子側には配線パターンが形成されてなり、前記半導体レーザの上面が配線パターンに接続されるように該配線パターンに対応して前記半導体発光素子が貼り合わせられて成る半導体発光素子のパッケージ構造が開示されている。この半導体発光素子から出力される光の波長に対して透明な（即ち透過率の高い）材料のヒートシンクとしては、サファイヤ，ルビー，ベリリア，ダイアモンド，Ｓｉ，ＳｉＯ２等が例示されている。
【特許文献１】特許第３３１８８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された透明ヒートシンク材料は、高価であり、特に集積してアレイ化する等の大面積化では、面発光半導体レーザ装置のコストの上昇をもたらすことになる。
【０００８】
本発明は、面発光レーザ装置を安価な材料を用いて強力に冷却することによって、熱抵抗を低減し、発光効率を向上させて、装置の大出力化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは鋭意研究した結果、安価な材料を用い、面発光半導体レーザ素子を両面から冷却することで上記課題が解決されることを見出し本発明に到達した。即ち、本発明は、両面冷却面発光半導体レーザ装置の発明であって、（１）面発光半導体レーザ素子の光出射側において出射されるレーザ光の断面形状にほぼ等しいか断面形状よりやや大きい形状の開口窓を有する電極を当接させ、（２）レーザ光非出射側に放熱板を当接したことを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、装置に搭載される面発光半導体レーザ素子は１個でも複数でも良い。面発光半導体レーザ素子が複数配列された面発光レーザアレイである場合に、本発明の両面冷却は特に効果的である。この場合、複数の半導体レーザ素子に対応して前記電極が複数の開口窓を有することになる。
【００１１】
又、本発明においては、開口窓を有する電極内部に冷却媒体を流通させる流路が形成されており、この流路に冷却媒体を流通させることで、冷却能力が格段に向上する。電極内部に冷却媒体を流通させる流路を形成する方法としては、複数の電極薄板を積層し、その内の何枚かにマイクロチャンネルで流路を形成させればよい。
【００１２】
面発光半導体レーザ素子と開口窓を有する電極は、低溶融温度を有する金属、例えばインジウムで接合されていることが好ましい。開口窓を有する電極の裏面にインジウムなどで一時的にハンダをつけ、面発光半導体レーザ素子との電気的密着性を上げることにより、面発光半導体レーザ素子中の温度の均一性が上がるとともに、異常放電などによる面発光半導体レーザ素子へのダメージが防止できる。
【００１３】
開口窓を有する電極に用いる材料としては、熱伝導性が良いものであれば特に制限されない。例えば、銅、銅−モリブデン、銅−タングステン等の銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金等が好ましく例示される。この中で金コートした銅板を積層し、ダイレクト・ボンディング・カッパー（ＤＢＣ）技術を用いることが好ましい。
【００１４】
本発明の両面冷却面発光半導体レーザ装置は、他の光学系と組み合わされて高出力化される。即ち、上記の両面冷却面発光半導体レーザ装置のレーザ光出射側に集光用光学系を配置することができる。ここで、集光用光学系が各発光半導体レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成により、面発光半導体レーザ素子を強力に冷却し、出力と変換効率の増大を図るとともに、装置の耐久性を向上させることができる。本発明の両面冷却面発光半導体レーザ装置は高出力で高効率であり、光通信用、複写機用光源を始め各種用途に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に、本発明の両面冷却面発光半導体レーザ装置の構成を一部破断斜視図で示す。面発光半導体レーザ素子１０２の光出射側において出射されるレーザ光の断面形状にほぼ等しいか断面形状よりやや大きい形状の開口窓を有する電極１０１が当接している。開口窓を有する電極１０１は銅等の熱伝導性に優れた材料で作製されている。面発光半導体レーザ素子１０２のレーザ光非出射側には、応力を緩衝するサブマウント１０３を介して放熱板（ヒートシンク）１０４が当接している。放熱板（ヒートシンク）１０４も銅等の熱伝導性に優れた材料で作製されている。放熱板（ヒートシンク）１０４はフッ素樹脂等で作製されたガスケット１０５を介して冷却装置１０６で強制冷却される。冷却装置１０６はアルミニウムや銅等の材料で作製され、水入り口１０８から水出口１０７に冷却水が流通する。冷却媒体は冷却水に限定されるものではなく、例えば液体窒素や、低温体からの誘導ガスその他でも代替できる。本発明の両面冷却構造により、面発光半導体レーザ素子を５０℃以下に保つことが可能となる。
【００１７】
図２は、開口窓を有する電極１０１を構成する積層板の平面図を示す。銅製の各積層板には、配置される各面発光半導体レーザ素子に対応して、出射されるレーザ光の断面形状にほぼ等しいか断面形状よりやや大きい形状の開口窓が開けられている。具体的断面形状としては、３００μｍ×５００μｍの長方形の窓を７個×７列開けた。又、開口窓を有する電極１０１の内部を構成する積層板には冷却媒体の流路が設けられている。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明により、面発光レーザ装置を両面から冷却し、装置の高出力化と高効率化を達成し、耐久性を向上させた。これにより、光通信、複写機用光源を始め、広い分野での適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の両面冷却面発光半導体レーザ装置の構成を一部破断斜視図。
【図２】開口窓を有する電極を構成する積層板の平面図。
【符号の説明】
【００２０】
１０１：開口窓を有する電極、１０２：面発光半導体レーザ素子、１０３：サブマウント、１０４：放熱板（ヒートシンク）、１０５：ガスケット、１０６：冷却装置、１０７：水出口、１０８：水入り口。
【図１】
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【図２】
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