JPH02125486A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ）産業Ｌの利用分野 本発明は外部共振型の半導体レーザ装置に関する。

ロ》従来の技術 一般に半導体レーザの出力特性は、発振波長の温度依存
性と発振出力の温度依存性がある，そのうち発振波長の
温度依存性は、一定の発振波長で発振している半導体レ
ーザの周囲温度が変化すると不連続に発振波長が変動す
るもので、温度の上昇に伴って発振波長は階段状に高く
なる。

温度依存性を少なくしたレーザ素子として、活性層に回
折格子効果を持たせた分布帰還型、あるいは分布反射型
のレーザ素子がある。しかしこれらの素子は半導体素子
の内部である活性層に直接、回折格子を設けるため、素
子の製造が煩雑であり生産歩留まりも悪い。

そこで通常の半導体レーザ、即ち略直線状の活性層をら
ちファブリベロー共振器（Ｆｅｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｒｅ
ｓｏｎａｔｏｒ）を有するダブルへテロ半導体レーザに
おいては、ドイツ公開特許ＤＥ３４４２１８８Ａ１に示
されるように、共振器の外側に反射鏡を配置した外部共
振型レーザが提案された。この外部共振型レーザ装置は
半導体レーザの光放出部に対向するように金属膜からな
る反射鏡を置くもので、半導体レーザの光放出部と反射
鏡の間隔を半発振波長の整数倍（Ｌ−ａ、（ｍｅ＋１／
２）／２）とするものである。このように構成すること
で、半導体レーザの内部共振モードと外部共振モードの
相乗効果により、発振波長の温度依存性が少なくなり、
温度安定性が高くなる。そしてこのような反射鏡は受光
素子の襞開面を用いることで金属膜に替えて誘電体膜を
利用できることが特開昭６１−２８８４７９号公報に記
載されている。

ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながらここで２つの問題点がある。

一つは半導体レーザ素子は発振に伴って発熱するが、こ
れによって発振波長の小さいシフトが生じることである
。これは特開昭６３−２２９８９０号公報に記載されて
いるごとく、レーザ素子と受光素子の載置部は外部共振
機の性能に直接影響をメチえるもので、例えば２０度前
後の室温で１０准程度の温度幅にわたって一定の発振波
長が得られたとしても、その温度範囲内において数ミク
ロンの発振波長シフトが起きることである。

もう一つの問題点は、反射鏡に薄膜を利用することによ
−）てその支持体の光学特性が外部共振モードに影響す
ることである。すなわち先の米国特許は結晶の襞開面に
誘電体膜を設けているが、その誘電体膜の反射率は、被
膜の表面における反射と被膜と襞開面の界面による反射
と、さらに受光素子の結晶内部における反射の相乗効果
として得られることが特開昭６３−２２９８８９号公報
に開示されている。従って、受光素子として用いるＧａ
Ａｓなとの結晶性の管理や外形寸法も、受光素子の半導
体レーザに対する位置合わせと同様に外部共振モードを
特定する重要な要素となり、高度で煩雑な製造作業を要
求される。

二）課題を解決するための手段 本発明は外部共振器の長さが発振波長よりも十分に大き
いことに着目して成されたもので、半導体レーザと受光
素子とを同じ材質の別の部材に載置しこれを各々ステム
に取りつけたものであり、より好ましくは、反射被膜の
支持体として光吸収性を示す受光素子受光面、即ちシリ
コン系の結晶に拡散層を設けたものを用い、外部共振モ
ードを安定して得るためにレーザ素子の一方のファブリ
ベロー共振面から反射被膜までの距離を５０〜ｌ：５０
１ｚｍ、より好ましくは７５−１３０μｍとし、反射膜
として反射率６０〜９０％、より好ま−くは６５〜８０
％の誘電体被膜を用いるものである。

ホ）作用 これによって反射鏡としての光学特性に受光素子の結晶
性を考慮する必要がなくなり、またレーザ素子の発熱は
内部共振器と外部共振器とに同じように影響するので相
乗効果として微小な波長シフトが押さえられる。

さらにシリコンは襞間面を出すことが困難な材料である
が、襞間をする必要がないので製造しやすく、またシリ
コン受光素子はＧａＡｓよりも受光特性を高くできるの
で十分な受光感度を得ることができる。さらには、反射
膜は受光素子表面全体に誘を外被膜を設けることによっ
て構成できるので、受光素子の位置決めや載置は作業し
やすい。そして反射膜の反射率は半導体レーザのモニタ
ー用受光素子に用いる被膜の３〜９０倍の高い反射率で
あるが、拡散層が７アプリベロ一共振面に並行に配置さ
れているので、フィードバックに十分な受光出力を得る
ことができる。

へ）実施例 第１図は本発明実施例の半導体レーザ装置の側面図で、
外囲器（図の破線部）は取り除いた状態で示しである。

第１図において、半導体レーザ素子（１）はステム（３
）の柱状体（３１）の側面に、シリコンからなるサブマ
ウント材（４）を介して固着されている。この半導体レ
ーザ素子＜１）は、直線状の活性層とその活性層を挾む
クラ・ソド層からなる発光層とその発光層の両端に反射
膜を持つ背開面によって形成された７アブリベロ一共振
面を有したＧａＡ　ＩＡｓからなり、前記サブマウント
材４に半田、接着剤などにより活性層側を載置面とした
ｕｐｓ　ｉｄｅ−ｄｏｗｎに固着され、ステムに固定さ
れたピンにワイヤポンド細線（５）によってサブストレ
ート側の配線が施されている。活性層側を載置面とした
ｕｐｓｉｄｅ−ｄｏｗｎの固定はレーザ光束の位置をよ
り明確にし、半導体レーザの発振に伴う熱を放出しやす
くし、さらに受光素子からの反射光がファーフィールド
パターンに届くのを防止する効果があるのでサブストレ
ート側を載置面とするｕｐｓｉｄｅ−ｕｐの固定よりも
好ましい。半導体レーザ（１）としては前述の分布帰還
型等の特殊なものを除き、光学的録斤再生装置、光文書
装置、光プリンター、遠隔制御装置などに用いられる汎
用の半導体レーザは、マルチモード、シングルモードな
どの発振モードのいかんを問わず用いることができる。

一方、受光素子（２）はステム（３）の上に銅ブロック
からなる載置台（６）に載置固着され、ワイヤボンド細
線（７）によって配線が施されている。載置台（６）は
、受光素子（２）の高さ調節、＠置配線作業の作業性向
上、並びに半導体レーザ（１１と受光素子（２）の位置
合わせにおける方向性の基準面を整えるために用いられ
るものである。載置台（６）は、その厚み（高さンをレ
ーザの発振波長の２０００倍以上、柱状体（３１）の高
さの半分以上である略２ｍｍヒし、柱状体（３１）の支
持部であるステムに固定し、柱状体（３１）と同じ材質
のものを用いることで線膨張係数を等しくしているので
、半導体レーザ素子（１３の温度変化が５０℃程度生じ
ても微小な発振モードのシフトは発生しない。

この受光素子２は第２図に示すように、Ｐ−１−Ｎ構造
を成したシリコン系結晶の表面に、電極（２１）と反射
膜（２２）を設けたものである。

このうちＰ層は表面側から２〜１０μｍのボロン拡散を
１テっで形成したもので、その表面の８０〜９５９６が
受光面になっている。反射膜（２２）は電極（２１）部
分を除く表面全体に設けられ、例えば硅素系保護膜（２
３）の上に厚さ１１７６人のＡ１１０３膜と厚さ６４５
人のアモルファスシリコン膜を順次積層し、波長７８０
〜８２０ｎｍに対する外面からの反射率７０％となるよ
うに設定されている。このようなシリコン系受光素子（
２）は波長７８０〜８２０ｎｍに対して光吸収性を持つ
が、前記拡散層によりその表面側は一層の光吸収性を持
ち１例えば受光素子（２）は厚みが２００μｍであって
、受光中に裏面若しくは側面から光漏れを生じることは
ない。このような反射膜（２２）はレーザ光束を受ける
に十分な面積を確保できるならば、受光素子（２）の一
部分を覆うように設けてもよい。また結晶材料はシリコ
ン以外ではインジウムリン４元系の受光素子が光吸収性
を示す。

そしてこの反射膜（２２）と半導体レーザ（１＞の下方
光放出面である７アプリベロ一共振面とは距ｊ！（Ｊり
＝１００μｍ±５０．ｕｍの所定の値離れ、かつ、その
両者が並行になるように配置されている。この位置合わ
せは柱状体（３１）の側面Ｉ！載置部載置台（６）の載
置面とを規定の精度に加工するか、または載置台（６）
の高さと傾きをその固定時に規定しておけば、それぞれ
の素子を所定の載置部に対してのみ位置規定して載置固
着する事により容易に位置規定できる。またこの載置固
着において、電極（２１〕の位置を柱状体（３１）から
離れた方向とし、受光素子（２）の位置が半導体レーザ
（１）の下方のみでなくサブマウント材（４）の下方に
も位置するように受光！ニーｒ−＜２＞を載置すれば、
受光素子（２）の反射膜（２２）はレーザ光束を確実に
受けるよう配置される。

本発明における代表的な半導体レーザ装置の温度特性を
第３図に示す。この図には出力レーザ光の発振波長が一
定に保てる温度範囲が従来の３〜５倍になったことが示
しである。

上述した実施例のうち受光素子（２）の特性と距離（ｉ
）についてより詳細に説明する。

第４図は距ｐｓ（ｆｆｉ＞と２５℃近傍における発振波
長の一定に保てる温度範囲幅との関係を多数の半導体レ
ーザ装置について検討した特性図である。例えば距離（
２）を１００μｍとするとロット平均の特性は温度幅ｌ
Ｏ℃であるが、その代表例は２１’Ｃ〜３１’Ｃの間で
発振波長７７８μｍを保っていた。距離（２）が大きく
なるに従って外部共振効果が少なくなり、１３０μｍ以
上では外部共振モードを示さないロフトが現れ始め、１
５０μｍ以上では外部共振モードは認められない。

また距離（１）が小さくなるにしたがって外部共振効果
は上がり、安定温度幅が大きくなるが、小さくなり過ぎ
ると一定温度幅の中で数μｍの中心発振波長のシフトが
発生する。そして、半導体レーザ装置を製造する上では
、距離（１）が大きいほうが、受光素子（２）の載置配
線は作業し易くなるが、受光素子（２）と半導体レーザ
（１）の平行度が保ちにくくなる。距離（２）が小さく
なるとその逆となる。これらのことから、距離ｆＦ）は
５０．ｃｚｍ−１５０，ｕｍ、より好ましくは７５μｍ
〜１３０μｍの値に定めればよく、この範囲内にあれば
定められた値に対して±５μｍ程度は変化しても光学読
み取りの特性などには影響されない。

第５図に示すのは受光素子（２）の反射膜（２２）の反
射率と受光出力との関係を示している。

この図に示されたように、反射率（図中の括弧内の表示
）が低い方が受光出力が大きいが、低すぎると外部共振
の効果がなく、高すぎると受光出力が少ないのでｓ／　
ｎ　（ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ　　ｒａｔｉｏ）が悪
く微妙な出力変動に応答できなくなる。そこで反射率は
、距離（１）が十分離れてレーザ光束のモニタのみをす
る場合の無反射コーティングをもつシリコン受光素子の
受光特性（特性Ｄ）を中心に、反射率６０％（特性Ａ）
と９０％（特性Ｃ）の間とするとよい。しかし受光素子
（２）の反射膜（２２）は反射率を高くすると膜質が悪
い。そして反射膜の反射率が５０％に近付くと光出力の
少ないときの外部共振効果に波長依存性が出てくる。こ
のようなケースを除くためには、反射膜の反射率は６５
％以上８０％以下が好ましい。

ト）５！明の効果 以−Ｅの如く外部共振型特有の階段状の温度特性に対す
る安定性に加えて微小な波長シフトを効率よく防ｄ−す
ることができた。又外部共振部での共振に嵜与しない光
は本来の出射レーザ光に悪影響を与えること無く、モニ
タ用の受光出力も十分に大きく取れる。そしてこのよう
な半導体レーザ装置は製造や組立てが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の半導体レーザ装置の側面図、第
２図は本発明に用いる受光素子の模式図、第３図は本発
明の半導体レーザ装装置の温度特性図、第４図は本発明
の外部共振器の長さ依存性を示す特性図、第５図１ｉ受
光素子の感度特性図である。 出願人　三洋電機株式会社外１名 代理人　弁理士　西野卓Ｕ（外２名） 第３図 し−’ｔｒｘ、ｎ 第４図 ＋５０ （ＡＡｍ） クト郡　Ｖ＝↑片（ｋ＆

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ステムに固定された柱状体にサブマウント材を介し
   て載置された半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子
   の光放出面に対向するように配置された反射膜を有する
   受光索子とを有する半導体レーザ素子において、前記受
   光素子は半導体レーザ素子の載置部材である柱状体と同
   じ材質であってステムに固定されたブロックに載置され
   ていることを特徴とする半導体レーザ装置。 ２）前記半導体レーザ素子の光放出面と受光素子の反射
   膜との間隔は０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであり、前記
   受光素子の反射膜はシリコン系の受光素子の拡散面に設
   けてあり、その反射膜の反射率は６０％以上９０％以下
   であることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
   の半導体レーザ装置。