(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子からの出射光を分割する手段と、前記半導体レーザ素子の光出力をモニタするフォトダイオードとを具備する半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子を実装するサブマウント基板と、両者を電気的に接続する手段とを有し、前記サブマウント基板に少なくとも一つ以上の凹部が形成されており、該凹部の少なくとも一つの面が斜面を有し、前記凹部の底面に実装された前記半導体レーザ素子の出射光の一部が前記斜面で反射されて出力され、残りの一部がサブマウント基板内に入射し前記斜面側の基板表面に形成されたフォトダイオードで受光されており、前記サブマウント基板内に入射する光の光軸に対して直列方向に複数に分割されており、それぞれが電気的に別々に駆動可能に構成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は同一素子で光出力の異なる出射光モードで発光するものであり、前記分割されたフォトダイオードのうち前記半導体レーザ素子側の前段のフォトダイオードは、入射光強度が大きい場合に後段のフォトダイオードの光吸収層として動作することを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光伝送技術および光情報記録技術における光源として用いられる半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光通信や光伝送および光情報記録などの分野では出射光のコヒーレンシーや高速動作が可能であること、あるいは非常に小型であることから光源として半導体レーザ素子が広く用いられている。半導体レーザ素子は、外部から電流を注入することにより誘導放出光を出力することと、熱変動に対して光強度が敏感に変化するため放熱路を確保するなどの理由により、リードフレームやメタルブロックなどの金属部材に実装されているが、金属と半導体レーザ素子を構成する半導体材料との熱膨張係数の違いを緩和するために、ＳｉやＡｌＮなどからなるサブマウントと呼ばれる基材に実装された後、金属部材に実装される。
【０００３】
また、半導体レーザ素子は、複数の反射鏡から成る共振器中に増幅率１以上の媒質を挟み込むことにより実現されているが、共振器の反射鏡に結晶のへきかい面を利用でき、増幅媒質を通過する距離を長く取れる、端面出射型の半導体レーザの開発が主流に成っている。一部には、半導体や誘電体多層膜等を用いて高反射鏡を作り基板の法線方向に出射光を出す面発光レーザ素子も実用化されているが、実用化の技術が十分ではなく、材料つまり出射光波長によってはいまだ研究段階のレベルに有る物が多いなど課題が多い。このことから、製品に用いられているほとんどの半導体レーザ素子からなる光源は端面出射型が用いられている。
【０００４】
一方、半導体レーザ素子は、環境温度変化により敏感に光出力が変動する。そのため、半導体レーザ素子および実装基板の両方を一括して温度制御可能な素子、例えばペルチェ素子などの上に実装される。しかし、実装基板やサブマウントにも小さいながらも熱容量が有るため、精密な光出力制御が必要な場合、実際の出力光をモニタして駆動電流回路にフィードバック制御を行わせる方法が取られる。これを自動光出力制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）と呼ぶ。端面出射型の半導体レーザ素子はへきかい面などで形成される両端面を共振器ミラーとして用いているが、端面の反射率を特別に制御しない限りは前後方向に対称に出力光が出射される。この後方より出力した光を受光素子などでモニタすることで、上記のＡＰＣを構成可能であるが、モニタされた光は信号としては寄与しないため、光の利用効率は下がる。そのため、高出力化や高効率化が必要なシステムにおいては、後方の端面の反射率を誘電体多層膜などで高めることで出来るだけ光の利用効率を上げる方法が取られる。このような場合には、モニタに利用できる後方からの出射光は、小さくなりＳＮ比が劣化して精密なＡＰＣがかけられなくなる。そのため、前方からの光（＝信号光）の一部をモニタする必要が生じ、この制御方式をフロントＡＰＣ（以下、ＦＡＰＣと記す）と呼ぶ。
【０００５】
ＦＡＰＣ方式で、半導体レーザ素子を使用する際の構成を図４に示す。１０１は半導体レーザ素子、１０２は出射光分割手段で例えばハーフミラーなどで構成され、１０３はモニタ用受光素子で、半導体レーザ装置が構成される。半導体レーザ素子１０１から出射した光は分割手段１０２で分割され一部は、出力光となり例えば光ディスクへ出射される。残りの一部は、光出力モニタ用の受光素子に入力しＡＰＣ用のモニタ光電流を出力する。この構成では、半導体レーザ素子からモニタ用の受光素子に入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合、例えば、本装置を光ピックアップの光源として用いてＤＶＤ−ＲＯＭとＤＶＤ−ＲＡＭを同一の発光素子で実現するような場合、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、ＡＰＣ駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題がある。例えば、現在ＤＶＤ−ＲＯＭおよびＲＡＭに用いられている赤色半導体レーザ素子（波長約６５０ｎｍ）では、ＲＯＭモードでの半導体レーザ光出力は最大約５ｍＷに対し、ＲＡＭでは約１０倍の約５０ｍＷにも及ぶ。大きなダイナミックレンジと精密な制御を両立することは本質的に困難であるため、制御回路系が複雑化する。さらには、入射光強度が大きくなると、受光素子の出力電流は光強度に線形に追随できなくなる飽和現象が生じる場合がある。飽和が生じた場合、半導体レーザ素子の駆動電流を受光素子からの出力電流に対して非線形に制御する必要が生じ、制御回路構成が複雑化する。このため、ＲＡＭモードとＲＯＭモードでモニタ用受光素子を別々に設けたり、制御回路系を２系統用意するなどの必要が生じ、部品点数の増加を招きコストの上昇と小型化の障害となるという問題が生じる。
【０００６】
ＦＡＰＣで半導体レーザ素子を制御して使用する方法として、反射鏡後部にフロントＡＰＣ用の受光素子を集積化した図５に示すような提案（例えば特開平０５−３１５７００号公報等）がされている。半導体レーザ素子１をサブマウントであるシリコン基板２に形成した凹部３に実装し、凹部の壁面の高濃度ｎ型拡散層２４−２に形成した反射面で反射させて上方に光ビームを取出す構成である。この構成によれば、前面出力光の一部をモニタすることが可能である。また、この構成によれば出力光は、半導体レーザ素子の近傍でつまり、大きく広がる前に上方に反射されるため、特別に実装面との位置関係を考慮せずとも、実装面での蹴られは少なく、ビーム形状もほぼ保たれたまま出力光を取出すことが出来る。
【０００７】
しかしながら、このような構成であっても上記従来例（図４）と本質的には同様の問題がある。半導体レーザ素子からモニタ用の受光素子に入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、ＡＰＣ駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上で詳述した通り、反射鏡などの光路分割手段後部にフロントＡＰＣ用の受光素子を配置した半導体レーザ装置において、光ピックアップの光源として用いてＤＶＤ−ＲＯＭとＤＶＤ−ＲＡＭを同一の発光素子で実現するような場合、発光素子から入射する光強度が段階的に大きく変化するため、受光素子からの出力電流値が大きく変動し、ＡＰＣ駆動用の外部制御回路に非常に大きなダイナミックレンジが必要になるという問題があった。
【０００９】
本発明は上述した問題に対処してなされたもので、ＡＰＣ駆動用の外部制御回路に大きなダイナミックレンジの必要としない新規な半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、反射鏡とその後部に配置した受光素子との間に、可変光減衰器を設ける事を特徴とする。
【００１１】
さらには、反射鏡後部に配置した受光素子部に光路にほぼ垂直となる方向の溝を設け、光学的に直列に受光素子を分割し、入射光強度が大きい場合には、前段の受光素子をオフとして光吸収層として使用し、後段の受光素子からの出力電流を用いて制御を行う。また、入射光強度が小さいときには、前後両方の受光素子を用いて制御することができる半導体レーザ装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための図である。１０１は半導体レーザ素子、１０２は出射光分割手段で例えばハーフミラーなどで構成される。１０３はモニタ用受光素子である。１０４は、可変光減衰器である。可変光減衰器は、電圧や電流などにより減衰量を変化させることのできる構造であればよく、例えば、液晶などで構成される。半導体レーザ１０１から出射した光は分割手段１０２で分割され一部は、出力光となり例えば光ディスクへ出射される。残りの一部は、光出力モニタ用の受光素子１０３に入力しＡＰＣ用のモニタ光電流を出力する。ここで、モニタ受光素子に入射する光強度が大きい場合には、可変光減衰器の減衰量を大きくし、光強度が小さい場合には減衰量を小さくすることによって、モニタ受光素子からの出力電流値を適切に制御することができる。これによって、別の受光素子を用意する必要が無く、制御回路の設計が容易になる。この図では、各要素は別素子のごとく描かれているがもちろん集積化されていてもよく、個別部品に限定されるものではない。
【００１３】
図２は、本発明の第２の実施形態を説明するための断面図である。図２で、１は半導体レーザ素子であり、図で左右方向に共振器を持ち端面１１から光が出射される端面発光型である。２はサブマウント基板で例えばＳｉ等からなり、高濃度に不純物ドープされたｎ型伝導型の基板２１上に不純物濃度が低い層２２および高濃度に不純物がドーピングされたｐ型伝導型領域２４がエピタキシャル成長などで形成された基板に、異方性エッチングなどにより凹部が形成されている。２４，２２，２１の各層で受光素子であるｐｉｎ型フォトダイオードを構成する。２６は、フォトダイオード引出しｐ電極であり、裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧をかけて用いられる。半導体レーザ素子１は、半田などからなる導電性の接着剤５により凹部に実装されており、その出射光１４は、斜面２３上に形成された誘電体膜などからなる反射鏡となる半透過膜２５で一部は反射され基板上方に出力され、透過した一部の光は低濃度層２２内に広がった空乏層に入り吸収されて光電流となる。このとき、半透過膜２５の後方に形成された受光素子は分離溝２９により、半導体レーザの出射光１４の透過光１５の光軸対して直列となるようにフォトダイオード３および４の２つに分割されている。透過光１５は、フォトダイオード４で一部が吸収されて透過後、フォトダイオード３で吸収される構造になっている。
【００１４】
本構造を用いてＦＡＰＣを実現するには、入射光強度が小さい場合には、フォトダイオード３および４の両方の出力電流を用いて制御し、逆に大きい場合にはフォトダイオード３のみの光電流を用いて制御を行う。フォトダイオード３のみを用いる場合、フォトダイオード４は、光吸収層として働くため、例えば９０％の光を吸収させて１０％をフォトダイオード３で吸収させるように設計することで、ＲＡＭモードとＲＯＭモードでほぼ同程度の光電流が得られる。このように構成することで、別々のモニタ用受光素子を用意することなく、受光素子の飽和現象を抑制しながら駆動回路に大きい制御信号（モニタ出力電流）を入力することができ、適正な制御回路系全体の設計が容易になる。この構造では、前段の受光素子が可変光減衰器とモニタ用受光素子の両方の機能を持たせて、同じ素子構造で受光素子と光減衰器を構成できるようにし、より集積化が容易な構造である。
【００１５】
なお、図２では、凹部の底面の反射面となる斜面２３側に溝２７が形成されており、半導体レーザ素子１の光出射部（すなわち活性層）が凹部底面に比較的近い位置にある場合にも、出力光ビームが凹部底面で蹴られないようにしている。
【００１６】
この構造は、次のようにして実現される。まず、高濃度基板２１上にエピタキシャル成長などにより低濃度層２２および高濃度層２４が形成されたウェハを、熱酸化膜や窒化膜などをフォトリソグラフィーの手法等を用いてパターニングし、これらの膜をマスクとしてＫＯＨなどの溶液で底部が基板２１に到達するまで凹部をエッチングする。更に同様の手法で底部の一部にパターニング、エッチングを行い溝２７を形成できる。この場合、ＫＯＨなどの異方性エッチング溶液を用いることにより凹部の斜面は特定の結晶面を出す事が出来、平坦な面を得ることが出来る。さらに、レジストや酸化膜をマスクとしてＲＩＥなどによって基板２１に到達する分離溝２９を形成する。
【００１７】
溝２９の側壁は、表面リークを抑えるため、熱酸化膜などによりパッシベーションされる。溝内部での反射ロスを減らすために、望ましくはパッシベーション膜が光軸に対して無反射膜となるように形成される。この後に、半透過ミラーとして膜２５を誘電体膜で形成後、フォトダイオードの取出し電極２６および裏面電極２８を形成しダイシング等によりチップに切り出す。
【００１８】
本実施形態では、受光素子構造として高速なＰＩＮ構造を示したが、通常のＰＮ型の受光素子を用いても同様な効果が得られる。その場合、低濃度層２２は不要である。
【００１９】
また、基板２は２層のエピタキシャル層で形成されているが、低濃度層２２のみの基板を用いて外形を作成した後、熱拡散などであとからｐ層２４を形成しても良い。また、溝の形状はトレンチ状に縦型の場合を図示したが、透過光が後段の受光素子３に入射する範囲であれば反射面２３と同様の斜面であっても良い。この場合、分離溝を反射面２３と同時に形成することも可能で、プロセスが簡単化される。
【００２０】
本実施形態では、基板はｎ型伝導型としたがもちろんｐ型伝導型を用いた場合、伝導型を逆にすれば同様の構成が得られる。特に、凹部形成時には、ｐ型不純物としてボロンを用いた場合、１×１０２０ｃｍ−３を超えるような高濃度に成るとＫＯＨによるエッチングレートが遅くなるため、エッチングストップ層として機能させることでより平坦な凹部底面を得ることが出来る。
【００２１】
図３は、本発明の第三の実施形態を説明するための図である。図２の構造との違いは、受光素子３と４の分離にｎ型拡散領域２９−２を用いたことにある。分離がｐｎ分離であるため、ｐ型拡散領域２４はイオン注入や熱拡散などにより部分的に形成される。この構造では、イオン注入などの通常のＬＳＩプロセスでの分離が可能であることや、溝側壁の表面をパッシベーションする必要が無くプロセスが単純化される。ただし、分離領域での吸収はすべてｎ型電極に流れて遅い成分の光電流となるため、高速制御の場合には雑音となるため、低速制御に適している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、反射鏡とその後部に配置した受光素子との間に、可変光減衰器を設ける事を特徴とする。さらには、反射鏡後部に配置した受光素子部に光路にほぼ垂直となる方向の溝を設け、光学的に直列に受光素子を分割し、入射光強度が大きい場合には、前段の受光素子をオフとして光吸収層として使用し、後段の受光素子からの出力電流を用いて制御を行う。このように構成した半導体レーザ装置によれば、入射光強度が小さいときには、前後両方の受光素子を用いて制御することができ、また、光ピックアップの光源として用いてＤＶＤ−ＲＯＭとＤＶＤ−ＲＡＭを同一の発光素子で実現するような場合、すなわち、発光素子から入射する光強度が段階的に大きく変化するような場合でも、単一の素子で受光素子からの出力電流値が大きく変動することなく、ほぼ一定の制御信号（光電流）を制御回路に入力することができるため、制御回路系全体の設計が容易となり、コストの上昇や大型化を抑える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施形態を説明するための図。
【図２】本発明の第二の実施形態を説明するための図。
【図３】本発明の第三の実施形態を説明するための図。
【図４】従来の半導体レーザ装置を説明するための図。
【図５】第２の従来例を説明するための図。
【符号の説明】
１    半導体レーザ素子
１１  へきかい端面
１４  出力光ビーム
２    サブマウント基板
２１  高濃度ｎ型伝導型の基板
２２  低濃度ｎ型エピタキシャル層
２３  凹部斜面
２４  高濃度ｐ型拡散層
２４−２  高濃度ｎ型拡散層
２５  半透過膜
２６  フォトダイオード電極
２７  溝
２８  サブマウント裏面電極
２９  受光素子分離溝
２９−２  受光素子分離領域（ｎ型拡散領域）
３、４  受光素子
５    接着剤
【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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