JP3169917B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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秀行 中西
健 浜田
大介 上田
昭男 ▲吉▼川
裕一 清水
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松下電子工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光計
測、光通信等に用いる半導体レーザ装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体レーザ装置を図6に示した
断面図を参照して説明する。
【0003】この構造は、素子固定台1の一側面の上方
にヒートシンク2を固定し、この上に半導体レーザチッ
プ(以後レーザチップと記す)3を固定し、レーザチッ
プ3の発光面とヒートシンク2の側面および素子固定台
1の上面を揃えるとともに、レーザチップ3の発光面と
は反対側にレーザ出力光検出用フォトダイオード4が載
置され、素子固定台1の上面に信号検出用フォトダイオ
ード5が載置されたものである。
【0004】次に、この構造の動作を説明する。レーザ
チップ3から図面の上方に出射された出射光6は、対象
物に反射されて反射光7として信号検出用フォトダイオ
ード5に入力され、信号処理される。一方、レーザチッ
プ3の出射光面の反対側から出射されるレーザ光は、レ
ーザ出力光検出用フォトダイオード4に入力され、レー
ザ光の強弱に対応した電流信号に変換される。この信号
をレーザチップ駆動回路にフィードバックさせてレーザ
光の出力を安定に制御する。
【0005】この従来の構成では、信号検出用フォトダ
イオード5とレーザ出力光検出用フォトダイオード4は
素子固定台1に対して水平と水平に近い面内に固定させ
るのに対して、レーザチップ3は垂直面内に固定しなけ
ればならないので、組立作業効率が悪く、位置合わせ精
度に大きな問題があった。
【0006】この問題を解決する構造として、図7の断
面図に示すような半導体レーザ装置がある。
【0007】この構造は、(100)面のシリコン基板
8に、両側の斜面が(111)面により形成されるV状
の溝が形成され、同溝の斜面のうち一方の面をレーザ出
射光を反射させる反射ミラー面9とし、これに対向する
面側のシリコン基板8の主面を他方の主面に対して低く
し、低くしたシリコン基板の主面とV状の溝の斜面とが
交わる稜線にレーザチップ3のレーザ光が出射される前
方端面が平行になるようにレーザチップ3が固定された
ものである。
【0008】この構造によれば、レーザチップ3より水
平方向に出射された出射光を反射ミラー面9で反射させ
て、ほぼ上方へ取り出すことができる。これにより、信
号検出用フォトダイオード(図示せず)やレーザ出力光
検出用フォトダイオード(図示せず)をシリコン基板8
の主面に載置することができ、位置合わせ精度を上げる
ことができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】(100)面のシリコ
ン基板8に、斜面が(111)面により形成されるV状
の溝を形成した場合、溝の反射ミラー面9とシリコン基
板8の表面に対する傾きθが約55°となるため、出射
光の中心軸はシリコン基板主面の垂直方向より約20°
傾いてしまうという問題点があった。
【0010】また、各種用途のフォトダイオードをシリ
コン基板上に載置しなければならず、組立工程が複雑に
なるという問題点があった。
【0011】
【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、〈110〉方向を軸として5〜15゜のオフアン
グルを有する(100)面のシリコン基板の上に、両側
の斜面が(111)面により形成された台形状の溝もし
くは4つの(111)面に囲まれた四角錐台状の凹部が
形成され、前記(111)面のうち前記シリコン基板表
面に対する傾きが45°に近い面をレーザ光を反射させ
る反射ミラー面とし、この反射ミラー面に対向する面の
上端稜線に対して半導体レーザチップの前方端面が平行
になるように前記半導体レーザチップが前記シリコン基
板に固定されるものである。
【0012】この構成によれば、シリコン基板の主面が
(100)面より5〜15゜のオフアングルを設けた面
になっているため、(111)面により形成された台形
状の溝もしくは四角錐台状の凹部の反射ミラー面とシリ
コン基板の主面との角度θを40゜≦θ≦50゜の範囲
にすることができる。このためレーザチップから出射さ
れたレーザ光は反射ミラー面で反射された後のレーザ光
の中心軸をシリコン基板主面に対してほぼ垂直方向にす
ることができる。
【0013】また、溝を台形状もしくは凹部を四角錐台
状にするため、底に平坦面が形成され、レーザチップか
ら出射された正規光とは別のもれた迷光をこの底の平坦
面により正規光とは別の方向に反射分離させることがで
きる。なお、迷光が正規光に含まれると光干渉が生じて
光システムの特性を大幅に劣化させる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。
【0015】(実施の形態1)本発明の半導体レーザ装
置の第1の実施の形態を図1に示した斜視図と断面図を
参照して説明する。
【0016】これは、〈110〉方向を回転軸として約
10゜のオフアングルを持たせた(100)面のシリコ
ン基板10上に両側の斜面が(111)面により形成さ
れるV状の溝(以後V溝と記す)11が形成され、これ
らの斜面のうちシリコン基板10の表面に対する傾きθ
が45゜に近い方の面を反射ミラー面12とし、この面
に対向する面の溝上端稜線に対して半導体レーザチップ
13の前方端面が平行になるようにシリコン基板10の
表面にレーザチップ13を固定した構造である。なお、
反射ミラー面12の表面には3000〜5000Åの金
薄膜14が形成されており、ミラーの反射率は90%以
上になっている。また、レーザチップ13は発光部が下
側になるようにはんだ材で固定されている。
【0017】この構造により、レーザチップ13から水
平方向に出射されたレーザ光のうち約半分は光路15に
示すように反射ミラーで反射されて垂直あるいは垂直方
向に近い方向へ進み、出力光として取り出される。
【0018】なお、実施の形態ではV溝について説明し
たがV溝の頂点を平坦にして台形状の溝にしてもよい。
この場合には、迷光を正規光より分離させることができ
るため、光干渉をなくし、光システムの特性を向上させ
ることができる。
【0019】また、シリコン基板の表面として約10゜
のオフアングルを持たせた(100)面を使用したが、
実際使用上5〜15゜のオフアングルを有する(10
0)面のものでもよい。このとき反射ミラー面のシリコ
ン基板の表面に対する傾きθを40゜≦θ≦50゜の範
囲におさえることができる。なお、このことは後に述べ
る他の実施の形態においても同じことが言える。
【0020】(実施の形態2)次に、本発明の半導体レ
ーザ装置の第2の実施の形態について図2に示した斜視
図を参照して説明する。
【0021】これは、図1で説明したオフアングルを設
けた(100)面のシリコン基板10の上に4つの(1
11)面に囲まれた四角錐状の凹部16が形成され、前
記4つの(111)面のうち前記シリコン基板表面に対
する傾きが45°に一番近い方の面をレーザ光を反射さ
せる反射ミラー面17とし、この面に向い合う面の四角
錐状凹部16の上端稜線18に対してレーザチップ13
の前方端面が平行になるようにレーザチップ13がシリ
コン基板10に固定された構造である。なお、反射ミラ
ー面17やレーザチップ13の構造は図1で示した通り
である。
【0022】この構造により、レーザチップ13から水
平方向に出射されたレーザ光のうち約半分は光路19に
示すように反射ミラー面17で反射されて垂直あるいは
垂直に近い方向へ進み、出力光として取り出される。
【0023】なお、実施の形態では四角錐状の凹部で説
明したが、この凹部の頂点を平坦にして四角錐台状の形
にしてもよい。この場合には、迷光を正規光より分離さ
せることができるため、光干渉をなくし、光システムの
特性を向上させることができる。
【0024】(実施の形態3)次に、本発明の半導体レ
ーザ装置の第3の実施の形態について図3に示した断面
図を参照して説明する。
【0025】これは、〈110〉方向を回転軸として約
10゜のオフアングルを持たせた(100)面のP型シ
リコン基板20上に、図1で示したV溝あるいは図2で
示した四角錐の凹部が形成され、このV溝あるいは凹部
のシリコン基板20の表面に対する傾きが45゜に一番
近い方の面をレーザ光を反射させる反射ミラー面21と
し、この面のP型シリコン基板20側にn型の拡散領域
22が形成され、反射ミラー面21の上に絶縁用の酸化
シリコン膜23と金薄膜24が積層され、反射ミラー面
21に対向する面の上端稜線に対してレーザチップ13
の前方端面が平行になるようにレーザチップ13がシリ
コン基板20に固定された構造である。
【0026】なお、金薄膜24の膜厚を500〜100
0Åとして半透過膜とし、レーザ光の一部がP型シリコ
ン基板20とn型拡散領域22とで構成されたフォトダ
イオードに入射される構造である。
【0027】この構造により、レーザチップ13から水
平方向に出射されたレーザ光は、一部は金薄膜24で形
成された半透過膜を通過してフォトダイオードに入射さ
れ、残りは半透過膜で反射されて光路25に示すように
垂直あるいは垂直に近い方向に進み、出力光として取り
出される。
【0028】なお、フォトダイオードに入射された光
は、その光強度に応じて電流信号に変換され、この電流
信号がレーザチップ駆動回路に帰還されてレーザ光の出
力を一定にさせるのに使用される。
【0029】(実施の形態4)次に本発明の半導体レー
ザ装置の第4の実施の形態について図4に示した断面図
を参照して説明する。
【0030】これは、〈110〉方向を回転軸として約
10゜のオフアングルを持たせた(100)面のP型シ
リコン基板20上に、図1で示したV溝あるいは図2で
示した四角錐の凹部が形成され、このV溝あるいは凹部
のシリコン基板20の表面に対する傾きが45゜に一番
近い方の面をレーザ光を反射させる反射ミラー面21と
し、この面に対向する面の上端稜線に対してレーザチッ
プ13の前方端面が平行になるようにレーザチップ13
がシリコン基板20に固定され、レーザチップ13の後
方のP型シリコン基板20上にn型拡散領域26が形成
された構造である。
【0031】P型シリコン基板20とn型拡散領域26
で形成されるフォトダイオードは、レーザチップ13の
後端面から出射されたレーザ光を受光し、その光強度に
応じて変換した電流信号を発生させる。この電流信号を
レーザチップ駆動回路に帰還させて、レーザチップ13
の前端面から出射されるレーザ光の強度を一定にさせる
モニタ用として利用される。
【0032】なお、レーザチップ13の前端面から水平
方向に出射されたレーザ光は、金薄膜が被覆された反射
ミラー面21で反射されて垂直あるいは垂直に近い方向
に進み、出力光として取り出される。
【0033】なお、27はレーザチップ13後端面より
出射されたレーザ光の光路、28はレーザチップ13前
端面より出射されたレーザ光の光路を示す。
【0034】(実施の形態5)次に、本発明の半導体レ
ーザ装置の第5の実施の形態について図5に示した斜視
図を参照して説明する。
【0035】この構造は、〈110〉方向を回転軸とし
て約10゜のオフアングルを持たせた(100)面のP
型シリコン基板20上に両側の斜面が(111)面によ
り形成されるV溝11が形成され、これらの斜面のうち
シリコン基板20の表面に対する傾きが45゜に近い方
の面を反射ミラー面12とし、この面に対向する面の溝
上端稜線に対してレーザチップ13の前方端面が平行に
なるようにシリコン基板20の表面にレーザチップ13
が固定され、レーザチップ13の後方にn型拡散領域を
形成することによりレーザ出力光検出用フォトダイオー
ド29が形成され、さらにシリコン基板20上に信号検
出用フォトダイオード30が形成されたものである。
【0036】この構成により、レーザチップ13の前端
面から水平方向に出射されたレーザ光は、金薄膜が被覆
された反射ミラー面12で反射されて光路15に示すよ
うに垂直あるいは垂直に近い方向に進み、出力光として
取り出される。この出力光が対象物で反射された信号光
31は、信号検出用フォトダイオード30に入力され、
信号処理される。一方、レーザチップ13の後端面より
出射されたレーザ光は、レーザ出力光検出用フォトダイ
オード29に入力され、光強度に応じた電流信号に変換
される。この電流信号がレーザチップ駆動回路に帰還さ
れて、レーザチップの前端面より出射されたレーザ光の
出力を一定にさせるのに利用される。
【0037】この構造によれば、レーザ出力光検出用フ
ォトダイオード29と信号検出用フォトダイオード30
を同一基板上に形成しているので小型に集積化すること
ができる。
【0038】なお、実施の形態ではレーザ出力光検出用
と信号検出用のフォトダイオードを示したが、これに限
られることはなく、フォトダイオードから得られる信号
の増幅回路、レーザチップの駆動回路および光信号処理
回路等を同一基板上に形成することができる。
【0039】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置によれば、
〈110〉方向を軸として5〜15゜のオフアングルを
有する(100)面のシリコン基板を用いて、(11
1)面により形成される台形状の溝あるいは四角錐台状
の凹部を形成するので、この(111)面のうち一つは
シリコン基板の表面に対する傾きが約45°となり、こ
の面を反射ミラー面とすることができる。この結果、レ
ーザチップから水平方向に出射されたレーザ光は反射ミ
ラー面で反射されて、ほぼ垂直方向に取り出すことがで
き、出射方向の位置合わせが簡単となる。
【0040】また、溝を台形状もしくは凹部を四角錐台
状にしているため、底に平坦面が形成されるので、レー
ザチップから出射された正規光とは別のもれた迷光をこ
の底の平坦面により正規光とは別の方向に反射分離させ
ることができるので、正規光に迷光が含まれることがな
いので光干渉がなくなり、光システムの特性を向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザ装置のV溝を有する場合
の斜視図と断面図
【図2】本発明の半導体レーザ装置の四角錐状の凹部を
有する場合の斜視図
【図3】反射ミラー面側にフォトダイオードが形成され
た本発明の半導体レーザ装置の断面図
【図4】レーザチップの後方にフォトダイオードが形成
された本発明の半導体レーザ装置の断面図
【図5】レーザチップを載置するシリコン基板上に各種
素子が形成された本発明の半導体レーザ装置の斜視図
【図6】レーザチップが固定台に設置された従来の半導
体レーザ装置の断面図
【図7】レーザチップがシリコン基板に設置された従来
の半導体レーザ装置の断面図
【符号の説明】
10 シリコン基板 11 V状の溝(V溝) 12、17、21 反射ミラー面 13 半導体レーザチップ 14、24 金薄膜 15、19、25 光路 16 四角錐状凹部 18 反射ミラー面に向い合う面の四角錐状凹部の上端
稜線 20 P型シリコン基板 22、26 n型拡散領域 23 酸化シリコン膜 27 レーザチップ後端面より出射されたレーザ光の光
路 28 レーザチップ前端面より出射されたレーザ光の光
路 29 レーザ出力光検出用フォトダイオード 30 信号検出用フォトダイオード 31 信号光
フロントページの続き (72)発明者 ▲吉▼川 昭男 大阪府高槻市幸町1番1号 松下電子工 業株式会社内 (72)発明者 清水 裕一 大阪府高槻市幸町1番1号 松下電子工 業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−42981(JP,A) 特開 昭62−23163(JP,A) 実開 昭61−153360(JP,U) 実開 昭56−96665(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 G11B 7/125 G11B 7/135

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 <110>方向を軸として5°〜15°
    のオフアングルを有する(100)面のシリコン基板の
    上に、両側の斜面が(111)面により形成された台形
    状の溝あるいは4つの(111)面に囲まれた四角錐台
    状の凹部が形成され、前記(111)面のうち前記シリ
    コン基板表面に対する傾きが45°に近い面をレーザ光
    を反射させる反射ミラー面とし、同反射ミラー面に対向
    する面の上端稜線に対して半導体レーザチップの前方端
    面がほぼ平行になるように前記半導体レーザチップが前
    記シリコン基板に固定されたことを特徴とする半導体レ
    ーザ装置。
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