(57)【要約】【課題】電流注入用コンタクト部を間に置いて１対の電流狭窄溝が形成された半導体レーザチップが、マウント部品に実装されてなる半導体レーザ装置において、狭窄溝の外側で発生する寄生容量を低減し、また活性層温度を低く保つ。【解決手段】電流注入用コンタクト部17を間に置いて電流狭窄溝19が形成された半導体レーザチップ51が、マウント部品52に実装されてなる半導体レーザ装置において、マウント部品52上の半田を複数の領域20ａ、20ｂ、20ｃに電気的に分割する。それらの半田領域のうちの少なくとも１つの領域20ａを、電源と導通した上で、ジャンクションダウン状態に配された半導体レーザチップ51のコンタクト部17と電気的に接触した電流注入領域とし、その他の半田領域20ｂ、20ｃを、接地もしくは電気的に浮遊した状態として、半導体レーザチップ51の電流注入用コンタクト部以外の部分と接合させる。【選択図】図１
2007103481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流注入用コンタクト部を間に置いて１対の電流狭窄溝が形成された半導体レーザチップが、マウント部品に実装されてなる半導体レーザ装置において、
前記マウント部品上の半田が複数の領域に電気的に分割され、
前記半田の複数の領域のうちの少なくとも１つが、半導体レーザチップに注入する電流を供給する電源と導通した上で、ジャンクションダウン状態に配された半導体レーザチップの前記コンタクト部と電気的に接触した電流注入領域とされ、
前記半田の複数の領域のうち前記電流注入領域以外の領域が、接地もしくは電気的に浮遊した状態とされた上で、半導体レーザチップの電流注入用コンタクト部以外の部分と接合していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザチップとしてAlGaInPまたはGaInP系のものが用いられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
赤色領域の光を発する信号光源としての半導体レーザ装置と、
この半導体レーザ装置から発せられた信号光を伝播させるプラスチック光ファイバと、
このプラスチック光ファイバから射出した伝搬光を受光する受光素子とを備えてなる光通信装置において、
前記半導体レーザ装置として、請求項１または２記載の半導体レーザ装置が用いられていることを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に詳細には、半導体レーザチップをマウント部品に実装してなる半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような半導体レーザ装置を用いた光通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
現在、光ファイバを家庭まで配置した光ネットワークが普及し始めており、ますます情報化社会が進展してきている。現状の光ファイバ通信は100Ｍｂｐｓ程度の速度であるが、今後ますます高速性を高めて伝送情報量を増やすことが望まれている。このような光ファイバ通信の普及に伴って、現在主流である石英系ファイバから、プラスチック光ファイバの方に注目が集まりつつある。すなわちプラスチック光ファイバは、製造コストが安い上に、コア径が太いために半導体レーザとの結合が容易で実装コストも低減できるという利点を有している。
【０００４】
プラスチック光ファイバの低損失領域にある波長の光を発する光源としては、波長650ｎｍ帯のAlGaInPまたはGaInP系半導体レーザが考えられている。この種の半導体レーザは、ＤＶＤなどの応用用途に作製されており、そのレーザ特性の改善もかなり進んでいる。しかし、これらの応用用途では高速周波数直接変調の必要が無いために、ＧＨｚ帯以上の高速変調性能に対応した半導体レーザは製造されていないのが現状である。
【０００５】
また別の問題として、AlGaInPまたはGaInP系半導体レーザはエネルギー変換効率が低く、通電時に他の材料系の半導体レーザよりも大きな発熱を伴う。このように発熱の大きな半導体レーザに対して、従来、半導体レーザチップをヒートシンクもしくはステム等のマウント部品に実装する場合に、いわゆるジャンクションダウン方式を採用して放熱性を向上させ、活性層温度を下げて駆動電流を低下させる手法が提案されている。なお、このジャンクションダウン方式とは、基板上に積層された半導体層の基板と反対側の表面をマウント部品に接合させる方式である。
【０００６】
他方、一般に光通信に信号光源として用いられる半導体レーザおよび、それと類似の構造を有する変調器において、高速変調を妨げる要因の一つとして、半導体レーザ構造に起因する寄生容量が挙げられる。そのような寄生容量を低減する方法の一つとして、従来、例えば特許文献１および２に示されるように、基板上に積層された半導体層に、少なくとも電流ブロック層まで貫通する１対の狭窄溝を、ストライプ領域を挟み込むように形成して、ストライプ領域上の電流注入用コンタクト層と電流ブロック層との間に生ずるｐｎ接合容量を低減させる方法が提案されている。
【特許文献１】特開平7-131117号公報
【特許文献２】特開2003-101147号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように１対の狭窄溝を備えた半導体レーザチップを、従来からなされているジャンクションダウン方式でマウント部品に接合させると、１対の狭窄溝の間に位置する電流注入用コンタクト部も、また各狭窄溝の外側の部分もマウント部品に接合するので、狭窄溝の内側部分と外側部分とがマウント部品を介して導通してしまい、狭窄溝による寄生容量低減の効果が失われてしまう。したがって従来は、１対の狭窄溝を備えた半導体レーザチップをマウント部品に接合させるに当たっては、基板側をマウント部品に接合させるいわゆるジャンクションアップ方式が適用されて来た。
【０００８】
しかしこのジャンクションアップ方式で半導体レーザチップを実装すると、ジャンクションダウン方式を採用する場合と比較して活性層がマウント部品からより遠い所に位置するので、放熱性が悪化して活性層温度が上昇し、駆動電流が増加するために信頼性が悪くなるという問題が認められる。この問題は、先に述べたように他の材料系の半導体レーザチップよりも大きな発熱を伴うAlGaInPまたはGaInP系半導体レーザチップを用いる場合により顕著となる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて、狭窄溝の外側で発生する寄生容量を低減することが可能で、その一方、活性層温度を低く保つことができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、上述のような半導体レーザ装置を用いることにより、高い変調特性と高信頼性の双方を実現できる光通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体レーザ装置は、
電流注入用コンタクト部を間に置いて１対の電流狭窄溝が形成された半導体レーザチップが、マウント部品に実装されてなる半導体レーザ装置において、
前記マウント部品上の半田が複数の領域に電気的に分割され、
前記半田の複数の領域のうちの少なくとも１つが、半導体レーザチップに注入する電流を供給する電源と導通した上で、ジャンクションダウン状態に配された半導体レーザチップの前記コンタクト部と電気的に接触した電流注入領域とされ、
前記半田の複数の領域のうち前記電流注入領域以外の領域が、接地もしくは電気的に浮遊した状態とされた上で、半導体レーザチップの電流注入用コンタクト部以外の部分と接合していることを特徴とするものである。
【００１２】
なお上記構成の半導体レーザ装置は、半導体レーザチップとしてAlGaInPまたはGaInP系の半導体レーザチップが用いられたものであることが特に望ましい。
【００１３】
一方、本発明による光通信装置は、
赤色領域の光を発する信号光源としての半導体レーザ装置と、
この半導体レーザから発せられた信号光を伝播させるプラスチック光ファイバと、
このプラスチック光ファイバから射出した伝搬光を受光する受光素子とを備えてなる光通信装置において、
半導体レーザ装置として、上述した本発明による半導体レーザ装置が用いられたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による半導体レーザ装置は、半導体レーザチップがジャンクションダウン状態でマウント部品に実装されてなるものであるので、ジャンクションアップ方式を適用する場合よりも活性層からの放熱性が良くなり、そこで活性層温度を低く保つことができる。そうであれば、駆動電流を低減させて半導体レーザ装置の信頼性を高く維持可能となる。
【００１５】
その上で本発明による半導体レーザ装置においては、マウント部品上の半田が複数の領域に電気的に分割され、それらの領域のうち電源と導通するものだけが半導体レーザチップの１対の狭窄溝間のコンタクト部と電気的に接触する状態とされ、その他の領域はコンタクト部以外の部分と接合されているので、ジャンクションダウン方式を採用していても、狭窄溝の内側部分と外側部分とがマウント部品を介して導通してしまうことがなくなり、狭窄溝の外側で発生する寄生容量を低減可能となる。それにより本半導体レーザ装置においては、高速変調が実現される。
【００１６】
また、半導体レーザチップとマウント部品とは、上記コンタクト部と接触する部分の半田だけではなく、その他の領域でも半田を介して接合されているので、十分な機械的接合強度も確保される。
【００１７】
なお、半導体レーザチップとして前述したように発熱しやすいAlGaInPまたはGaInP系のものが用いられている場合には、ジャンクションダウン方式を採用したことによる放熱性改善の効果がより顕著に得られることとなる。
【００１８】
他方、本発明による光通信装置は、上述のように寄生容量を低減して高速変調が可能で、その上活性層温度を低く保って高信頼性が得られる半導体レーザ装置を信号光源として用いたものであるから、高速変調が可能で、しかも高い信頼性を備えたものとなり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１および図２はそれぞれ、本発明の一実施形態による半導体レーザ装置を示す概略立面図および概略平面図である。この半導体レーザ装置は、赤色半導体レーザチップ51と、この半導体レーザチップ51が実装されるＳｉＣ等からなる絶縁ヒートシンク52と、この絶縁ヒートシンク52を固定したステム53と、半導体レーザチップ51のｎ電極とワイヤ54を介して接続されたリードピン55とを有している
まず図３を参照して、半導体レーザチップ51について説明する。図３は、この半導体レーザチップ51の概略立面形状を示すものである。図示の通りこの半導体レーザチップ51は、面方位が（1 0 0)面から[1 1 1]方向に５°〜15°傾斜したGaAs基板１と、その上に順次積層されたｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層３、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、GaInP（またはAlGaInP）からなる多重量子井戸活性層５、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層７、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層８、ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層９、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13を有している。
【００２０】
上記ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13はメサストライプ状のリッジ構造とされ、その両側にはノンドープGaAs電流ブロック層（図示せず）およびｎ型GaAs電流ブロック層10が形成され、上記リッジ構造およびｎ型GaAs電流ブロック層10の上にはｐ型GaAsキャップ層14、ｐ型GaAsコンタクト層15およびｐ電極17が形成されている。またGaAs基板１の下側には、ｎ電極18が形成されている。
【００２１】
なお上記リッジ構造の左右両側部分において、ｐ型GaAsコンタクト層15、ｐ型GaAsキャップ層14およびｎ型GaAs電流ブロック層10には、ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層９まで達する２本の狭窄溝19が形成されている。これらの狭窄溝19の内壁部分にはSiO2絶縁膜16が形成されている。上記ｐ電極17は狭窄溝19よりも内側の部分のみにおいてｐ型GaAsコンタクト層15の上面に形成され、狭窄溝19の外側部分においてｐ型GaAsコンタクト層15の上面には、メタル層22が形成されている。
【００２２】
次に、この半導体レーザの作製方法について説明する。本実施形態ではMOCVD法により、GaAs基板１上にｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層３、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、GaInP（またはInAlGaP）からなる多重量子井戸活性層５、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層７、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層８、ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層９、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13を順に成長させ、積層配置する。
【００２３】
そしてｐ型GaAsコンタクト層13の上に、上記リッジ構造に対応したストライプ状の誘電体マスクとなるSiO2選択成長マスク（図示せず）を形成し、これをエッチングマスクとして用いてｐ型GaAsコンタクト層13、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11をエッチングして、メサストライプ状のリッジ構造を形成する。
【００２４】
その後、上記リッジ構造を除く領域に、ノンドープGaAs電流ブロック層（図示せず）およびｎ型GaAs電流ブロック層10を２回目の結晶成長により形成する。ノンドープGaAs電流ブロック層はｐｎ接合容量を小さくするために、約500ｎｍの厚みとする。
【００２５】
さらに、上記SiO2選択成長マスクを除去した後に、上記リッジ構造およびｎ型GaAs電流ブロック層10の上に、ｐ型GaAsキャップ層14およびｐ型GaAsコンタクト層15を３回目の結晶成長により形成する。次にｐ型GaAsコンタクト層15の上にSiO2膜（図示せず）を成膜し、レジストを用いたエッチングプロセスによりこのSiO2膜をエッチングして、形成しようとする狭窄溝19に対応する部分が２本のストライプ状に開口したエッチングマスクを形成する。
【００２６】
次にこのエッチングマスクを用いてｐ型GaAsコンタクト層15、ｐ型GaAsキャップ層14およびｎ型GaAs電流ブロック層10をエッチングして狭窄溝19を形成した後、エッチングマスクを除去する。さらにSiO2絶縁膜16を成膜した後、レジストを用いたエッチングプロセスにより、上記リッジ構造上部の電極（半田）と接触する部分のSiO2絶縁膜16を除去し、さらにレジストプロセスにより、ｐ電極17およびメタル層22を形成する。なおこのとき、後述の半田20ａに接続するｐ電極17と、後述の半田20ｂおよび20ｃに接続するメタル層22とは、互いに電気的に分離されるようにパターニングする。最後に全体の厚みが100μｍ程度になるまで基板の研磨を行い、ｎ電極18を基板裏側に蒸着及び熱処理により形成する。
【００２７】
上記半導体レーザチップ51は、図１および図２に示される構造によって、ジャンクションダウン方式で絶縁ヒートシンク52に実装されている。すなわち、絶縁ヒートシンク52の上面には、互いに分離した状態で半導体レーザチップ51のストライプ方向（図２の上下方向）に延びる３つの層状半田20ａ、20ｂおよび20ｃが接合されている。そして、それらのうち中央の半田20ａは半導体レーザチップ51の１対の狭窄溝19間のｐ電極17（あるいはそれと接続しているパッド状電極）と接合し、左右両側の半田20ｂおよび20ｃは、狭窄溝19の外側のメタル層22と接合している。中央の半田20ａはワイヤ57を介してステム53と導通し、このステム53および前記リードピン55を介して、図示しない電源から半導体レーザチップ51に駆動電流が注入される。
【００２８】
なお上記狭窄溝19の外側のメタル層22は、狭窄溝19間の中央部のアノードとして機能するｐ電極17とは電気的に分離して、浮遊状態となっている。
【００２９】
以上の通り本実施形態の半導体レーザ装置では、半導体レーザチップ51がジャンクションダウン状態で絶縁ヒートシンク52に実装されているので、ジャンクションアップ方式を適用する場合よりも多重量子井戸活性層５からの放熱性が良くなり、そこで活性層温度を低く保つことができる。そうであれば、駆動電流を低減させて半導体レーザ装置の信頼性を高く維持可能となる。なお本実施形態では、半導体レーザチップ51として前述したように発熱しやすいAlGaInPまたはGaInP系のものが用いられているので、ジャンクションダウン方式を採用したことによる放熱性改善の効果が特に顕著に得られる。
【００３０】
また、半導体レーザチップ51と絶縁ヒートシンク52とは、ｐ電極17（あるいはそれと接続しているパッド状電極）と接触する部分の半田20ａだけではなく、その他の半田20ｂおよび20ｃを介して接合されているので、十分な機械的接合強度も確保される。
【００３１】
また本実施形態の半導体レーザ装置においては、マウント部品である絶縁ヒートシンク52上の半田が３つの領域に電気的に分割され、それらのうち電源と導通する半田20ａだけがコンタクト部としてのｐ電極17（あるいはそれと接続しているパッド状電極）と電気的に接触する状態とされ、その他の半田20ｂおよび20ｃは電気的に浮遊状態にあるメタル層22と接合されている。そこで、ジャンクションダウン方式を採用していても、狭窄溝19の内側部分と外側部分とがマウント部品を介して導通してしまうことがなくなり、狭窄溝19の外側で発生する寄生容量を低減することが可能となる。それにより本半導体レーザ装置においては、高速変調が実現される。
【００３２】
以下、上記の効果を確認した実験結果について説明する。図４には、ｐ型GaAsコンタクト層15の上に全面的にｐ電極を形成し、それ以外は上記実施形態の半導体レーザ装置と同様の構成とした半導体レーザ装置の等価回路を示す。また図５には、上記実施形態の半導体レーザ装置の等価回路を示す。
【００３３】
このような２つの等価回路について、周波数特性を計算した。ここで、電流注入用ワイヤのインダクタンスＬは１ｎＨとする。共振器長300ｎｍの場合は、電極−コンタクト層間で生じる接触抵抗R1は２Ω、ｐクラッド層−活性層までの注入領域の抵抗R2は1.1Ω、活性層抵抗R3は0.5Ω、リークパス抵抗、容量はそれぞれ1.7Ω／μｍ、0.78ｐＦ／μｍである。
【００３４】
１対の狭窄溝19の間の距離つまり狭窄幅Ｗ＝30μｍとすると、全面ｐ電極を採用した場合の各容量はＣ1=1.8ｐＦ、Ｃ2=1.9ｐＦ、Ｃ3=28ｐＦ、Ｃ4=29ｐＦとなり、それに対してｐ電極17とメタル層22とを分離させた本実施形態の場合、各部の容量はＣ1=1.8ｐＦ、Ｃ2=1.9ｐＦである
特性インピーダンス50Ωの同軸ケーブルを用いて高周波特性を測定し、寄生容量によって生じるロールオフを等価回路モデルで計算した結果を図６に示す。全面ｐ電極を採用した場合の遮断周波数（−３ｄＢ）は2.3ＧＨｚであるが、ｐ電極17とメタル層22とを分離させた本実施形態の場合、遮断周波数は6.5ＧＨｚまで向上することが分かった。
【００３５】
次に、本発明による光通信装置の実施形態について、図７を参照して説明する。この光通信装置は、送光部30、受光部40および、それらを光学的に接続するGI-MMF(屈折率分布型マルチモード光ファイバ)50から構成されている。
【００３６】
送光部30は、上記実施形態の半導体レーザ装置31と、この半導体レーザ装置31から発せられた信号光としてのレーザビーム32を集光する集光レンズ33とからなる。半導体レーザ装置31は、例えばチップ状態のまま直径5.6ｍｍのCANパッケージ内に実装されている。一方集光レンズ33としては、球状の屈折率分布を有するGRINレンズが適用されている。他方受光部40は、GI-MMF50から出射した信号光32を集光する、例えば上記と同様のGRINレンズからなる集光レンズ42と、この集光レンズ42で集光された信号光32を検出する光検出器43とからなる。
【００３７】
信号光源としての半導体レーザ装置31は、上記パッケージの外に引き出された配線を介して図示外の変調駆動装置に接続され、伝送する情報に対して変調された信号光32を出射する。このようにして半導体レーザ装置31から出射した信号光32は集光レンズ33により集光されて、GI-MMF50のコア端面に照射され、コア内に入射してそこを伝搬する。GI-MMF50を伝搬した信号光32は、上記端面とは反対側のコア端面から出射し、集光レンズ42で集光された上で光検出器43によって検出される。
【００３８】
このような構成の光通信装置においては、コア径が例えば500μｍ以上と十分太いGI-MMF50を使用しても、１Ｇｂｐｓ以上の高速で光信号を送受信することが可能となっている。またこの光通信装置は、前述したように寄生容量を低減して高速変調が可能で、その上活性層温度を低く保って高信頼性が得られる半導体レーザ装置31を信号光源として用いたものであるから、高速変調が可能で、しかも高い信頼性を備えたものとなり得る。
【００３９】
以上、光伝送体としてGI-MMFを用いる実施形態について述べたが、本発明の光通信装置は、その他のステップインデックス型マルチモードファイバ等を用いて構成することも可能である。
【００４０】
また、本発明の半導体レーザ装置は光通信における信号光源等として好適に用いることができるが、このような用途に限らず、その他例えば、高速な情報・画像処理や、通信、計測、医療、印刷等の分野での光源としても勿論適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザ装置を示す概略立面図
【図２】図１の半導体レーザ装置の概略平面図
【図３】図１の半導体レーザ装置を構成する半導体レーザチップの概略立面図
【図４】従来の半導体レーザ装置の等価回路図
【図５】図１の半導体レーザ装置の等価回路図
【図６】本発明の半導体レーザ装置の周波数特性を、従来装置のそれと比較して示すグラフ
【図７】本発明の光通信装置の一実施形態を示す概略構成図
【符号の説明】
【００４２】
１    ｎ型GaAs基板
２    ｎ型GaAsバッファ層
３    ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層
４    ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層
５    GaInP多重量子井戸活性層
６    ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層
７    ノンドープ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層
８    ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層
９    ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層
10    ｎ型GaAs電流ブロック層
11    ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層
12    ｐ型GaInPヘテロバッファ層
13    ｐ型GaAsコンタクト層
14    ｐ型GaAsキャップ層
15    ｐ型GaAsコンタクト層
16    SiO2絶縁膜
17    ｐ電極
18    ｎ電極
19    狭窄溝
20ａ、20ｂ、20ｃ    半田
22    メタル層
30    送光部
31    半導体レーザ装置
40    受光部
43    光検出器
50    屈折率分布型マルチモード光ファイバ
51    半導体レーザチップ
52    ヒートシンク
53    ステム
【図１】
2007103481.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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