(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１導電型光ガイド層、活性層および第２導電型光ガイド層を備えてなる幅10μm以上のストライプ構造を有する半導体レーザがヒートシンク上にボンディングされてなる半導体発光装置において、
前記２つの光ガイド層の合計層厚が0.5μｍ以上1.0μｍ以下であり、かつ、
前記半導体レーザが、前記活性層から遠い方の面を前記ヒートシンク上に半田付けされていることを特徴とする半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光装置、特にストライプ構造を有する半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高出力の半導体レーザを得るために幅広ストライプ構造が採用されている。これは通常の単一モードレーザの活性層の幅が3μm程度であるのに対し、10μｍ以上にして高出力化したものである。そのため発振光には多くの高次横モードが混在し、発振出力を増していくと共振器内の高光子密度分布に起因するキャリアの空間的ホールバーニングにより発振光は容易に異なるモードに変移していく。その際近視野像、遠視野像及び発振スペクトルが変化すると共に、電流から光への変換効率が異なるために光出力も変化するという問題が発生する。これは半導体レーザの電流−光出力特性においてキンクと呼ばれている現象である。
【０００３】
そのため、このような高出力半導体レーザを励起光源として、固体レーザ発光装置や、固体レーザに非線形結晶を組み合わせて固体レーザから発振させた基本波の波長を１／２の波長に変換して第二高調波を発振する可視域の発光装置（LD励起SHG固体レーザ）や、光ファイバを接続した発光装置等に用いた場合、以下に示すような様々な問題が生じる。
【０００４】
高出力半導体レーザを固体レーザの励起光源として利用する場合、レンズ系を用いて集光される半導体レーザからの発振光のうちの固体レーザ共振器の発振モードと結合する成分のみが励起光として利用されるため、横モードの変化により著しい強度変化を生じる。また固体レーザの吸収スペクトルが狭い波長帯域に微細な吸収スペクトル構造を有するため、前述の横モード変化による変動に加えて、発振スペクトルの変化が吸収光量の変化となり、結果として固体レーザの光出力変動を生じる。また半導体レーザの発振光の空間的な一部あるいは発振スペクトルの一部の光を利用することによりスイッチングに伴う高周波ノイズが増大する。
【０００５】
また、高出力半導体レーザを、第二高調波を発振させるために固体レーザ結晶や非線型結晶と組み合わせると、この雑音が非線形効果により増大されてしまう。
【０００６】
高出力半導体レーザを光ファイバと結合させて用いる場合には、光ファイバを出力端として用いるため、放熱を必要とする半導体レーザ部を切り離して実質的に光源部分を小型化できるとともに、ファイバの伝搬モード以外の光が遮断されるためモードフィルタとなって光学的品質を向上することができる。
【０００７】
しかし、上述のように半導体レーザと光ファイバを結合させた場合においても前述の固体レーザ発光装置や第２高調波発生装置と同様に、半導体レーザの横モード変動に起因する強度変動や横モード間スイッチングによる雑音を生じるという問題がある。特に高品質な画像形成を行う装置においては１％程度の雑音も障害と言われており、これまでの高出力半導体レーザでそれに対する要求仕様を満たすものは皆無に等しかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
高出力半導体レーザにおいて、横多モード発振に起因する強度変動や雑音は、一般に、活性層の幅方向に屈折率の異なる物質を配置し、横モードの閉じ込め（光の閉じ込め）を行う屈折率導波機構を設けることにより低減できる。しかし、光閉じ込め効果が大きすぎると、活性層の光密度が増大することによりＣＯＤ（光損傷）が発生し出力低下が起こる。また光閉じ込め効果が小さすぎても内部損失により、電流-光変換効率が悪くなり、出力が低下してしまう。
【０００９】
また、上述のように屈折率導波機構を用いても雑音を数％以下に抑えることは困難であった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みて、ストライプ構造を有する半導体レーザにおいて、光出力の安定した、低雑音発振を行う半導体レーザを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも第１導電型光ガイド層、活性層および第２導電型光ガイド層を備えてなる幅10μmのストライプ構造を有する半導体レーザがヒートシンク上にボンディングされてなる半導体発光装置であって、
２つの光ガイド層の合計層厚が0.5μｍ以上であり、かつ、
半導体レーザが、活性層から遠い方の面をヒートシンク上に半田付けされている（ジャンクションアップ組立方式）ことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置によると、幅10μm以上のストライプ構造を有する半導体レーザにおいて、光を導波する光ガイド層の総厚を0.5μm以上と厚くし、発光領域の光密度を小さくすることにより、高密度分布に起因するキャリアの空間的ホールバーニングを防ぐことができ、横モード変動による光出力変動を低減できるため、安定した光出力を得ることができる。
【００１３】
また、光密度を小さくできることから、ＣＯＤ（光損傷）の発生を防止することができ、光出力の安定化に繋がる。
【００１４】
また、従来、半導体レーザ等をヒートシンク上に半田付けする場合、活性層に近い方の面を接着していた（ジャンクションダウン組立方式）が、活性層から遠い方の面を半田付けする方式（ジャンクションアップ組立方式）にしたことにより、ヒートシンクと半導体レーザの接着面の金属の熱膨張率差による歪みが活性層に伝わりにくくなり、雑音を低減することができる。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面により詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の第１の実施例である固体レーザ発光装置の構成図を示し、図２にその固体レーザ発光装置を構成する半導体レーザの断面図を示す。
【００１７】
まず、固体レーザ発光装置について説明する。図１に示すように、半導体レーザ２をヒートシンク１上にAuSnを接着剤に用いてジャンクションアップ組立方式で半田付けした。高出力半導体レーザ２から出射された励起光をレンズ３により集光し、その集光された励起光によりNd:YAG固体レーザ結晶４から発振波長946nmのレーザ光が発振した。発振したレーザ光の波長をKNbO3非線形結晶５により１／２の波長に変換して第２高調波（波長473nm）を発生させた。このレーザ光を前記固体レーザ結晶４の紙面左側の光入射面とKNbO3非線形結晶５と凹面ミラー６とで形成される共振器10により共振させ、凹面ミラー６より出力させた。
【００１８】
なお、固体レーザ結晶４にはNd:YVO4等、非線形結晶５にはKTP等を用いてもよい。
【００１９】
次に、この固体レーザ発光装置の励起光源として用いられる半導体レーザ２の構成について説明する。図２に示すように、n-GaAs基板21の上に、n-AlGaAsクラッド層22、アンドープAlGaAs光ガイド層23、アンドープ活性層24、アンドープAlGaAs光ガイド層25、p-AlGaAsクラッド層26、p-GaAsキャップ層27を順次積層した。ここで、p-AlGaAsクラッド層26の一部をエッチングし、幅50μmのメサ部を形成した。メサ部以外はp-AlGaAsクラッド層26の残し厚みが0.2μｍとなるようにエッチングを制御した。このようにしてメサ部で等価的に屈折率が高くなるような屈折率導波路を形成した。
【００２０】
ここで総光ガイド層厚と光閉じ込め係数Гの関係を図９に示す。従来、総ガイド層厚は0.3μm程度であり、光閉じ込め係数が極大値を示すところを用いていた。本発明では、活性領域の光密度を低減させ安定した光出力を得るため、従来より光閉じ込め係数の小さい0.7μmとした。
【００２１】
その後絶縁膜28を形成し、電極窓となる部分の絶縁膜をリソグラフィーにより除去し、その上にｐ電極29を形成し、n-GaAs基板21側にｎ電極30を形成した。この試料を所定の共振器長に劈開し、前面に10％、後面に90％の反射膜を形成し半導体レーザを作製した。
【００２２】
ここで、図３に半導体レーザにおける組立方法の違いによる雑音強度の確率分布を示す。従来の半導体レーザはジャンクションダウン組立方式により組立られていた。ジャンクションアップ組立方式を採用することにより雑音強度を３％以下に低減することができた。
【００２３】
次に、図６に総光ガイド層厚と雑音の関係を示す。このように総光ガイド層厚を大きくして活性層における光閉じ込め係数を小さくすることによりノイズを２％以下にすることができた。
【００２４】
また、図７に半導体レーザをパルス駆動における最大光出力の総光ガイド層厚依存性を示す。総光ガイド層厚を大きくすることにより、活性領域の光密度を小さくすることができ、光出力の安定化ができ、最終的には最大光出力を増大させることができた。
【００２５】
また、図８に推定寿命の総光ガイド層厚依存性を示す。総光ガイド層厚が0.5μm以上では光密度が小さくなり、ＣＯＤレベルが向上するため、寿命も長くなることが判明した。しかし、総光ガイド層厚が1.0μｍを越えたあたりから逆に寿命が短くなってきている。これは総光ガイド層が厚くなったために導波路の内部損失が大きくなり、動作電流が大きくなるためである。これより本発明の半導体レーザの層構成においては光ガイド層厚として0.5〜1.0μｍがより望ましいと考えられる。
【００２６】
上記効果から、半導体レーザの光ガイド層厚を0.5μm以上にして活性層の光密度を低減し、更に、半導体レーザを歪みによるノイズの無いジャンクションアップ組立方式でヒートシンク上に組み立てることにより、光出力の安定した長寿命で低雑音な半導体発光装置を得ることができた。
【００２７】
次に本発明の第２の実施例を説明する。
【００２８】
図４に本発明の第２の実施例である光ファイバ発光装置の一部を示し、図５にその光ファイバ発光装置の一部を構成する半導体レーザの断面図を示す。
【００２９】
まず、光ファイバ発光装置の一部の構成について説明する。図４に示すように、半導体レーザ12はヒートシンク11にジャンクションアップ組立方式でAuSnを接着剤に用い接着した。半導体レーザ12から出射される光の一部をコリメータレンズ14により平行光として伝達し、更に集光レンズ15により光ファイバ16の一端に結合させた。
【００３０】
次に、光ファイバ発光装置の一部を構成する半導体レーザ12について説明する。n-GaAs基板41の上に、n-AlGaAsクラッド層42、アンドープAlGaAs光ガイド層43、アンドープ活性層44、アンドープAlGaAs光ガイド層45、p-AlGaAsクラッド層46、p-GaAsキャップ層47を順次積層した。このとき２つの光ガイド層の合計厚は第１の実施例と同様に、光閉じ込め係数の小さい0.7μmとする。第１の実施例で用いた半導体レーザ２はｐクラッド層の一部をエッチングにより除去した、いわゆるリッジ構造と呼ばれているものであるが、半導体レーザ12はｐクラッド層46の一部をそのクラッドに用いたAlGaAsよりも屈折率の小さいAlGaInP電流ブロック層48に置き換えることで、実効的に活性層44に光を閉じ込めたいわゆる埋め込み型屈折率導波構造とした。その後、ｐ電極49を形成し、n-GaAs基板41側にｎ電極50を形成した。この試料を所定の共振器長に劈開し、前面に10％、後面に90％の反射膜を形成し、半導体レーザを作製した。
【００３１】
上記第２の実施例における光ファイバ発光装置においても、総光ガイド層を厚くし、ジャンクションアップ組立方式で組立することにより、第１の実施例と同様、光出力の安定化、低雑音化、さらには長寿命化を実現することができた。
【００３２】
なお、本発明の半導体発光装置は、上記のような固体レーザや光ファイバに限らず、光変調素子を備えて使用することも可能であり、その場合にも同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す固体レーザ発光装置の構成図
【図２】本発明の第１の実施例を構成する半導体レーザの断面図
【図３】組立方法の違いによるノイズ特性を示すグラフ
【図４】本発明の第２の実施例を示す光ファイバ発光装置の一部の構成図
【図５】本発明の第２の実施例を構成する半導体レーザの断面図
【図６】総光ガイド層厚とノイズ強度の関係を示すグラフ
【図７】総光ガイド層厚と最大光出力の関係を示すグラフ
【図８】総光ガイド層厚と寿命の関係を示すグラフ
【図９】総光ガイド層厚と光閉じ込め係数Γの関係を示すグラフ
【符号の説明】
1,11    ヒートシンク
2,12    半導体レーザ
3    レンズ
4    固体レーザ結晶
5    非線形結晶
10    共振器
16    光ファイバ
21,41    n-GaAs基板
22,42    n-AlGaAsクラッド層
23,43    アンドープAlGaAs光ガイド層
24,44    アンドープ活性層
25,45    アンドープp-AlGaAs光ガイド層
26,46    p-GaAsクラッド層
27,47    p-GaAsキャップ層
28    絶縁膜
29,49    ｐ電極
30,50    ｎ電極
48    AlGaInP電流ブロック層
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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