JP7371522B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

近年、プロジェクタ等のディスプレイ用途の光源に、従来使われてきたランプに対して、より長寿命の半導体レーザ装置が使用されるようになってきている。しかしながらレーザ光はコヒーレント光であるため、スクリーン上でスペックルと呼ばれる斑点模様のノイズが発生する。このスペックルの低減が、ディスプレイ用途の半導体レーザ装置には求められている。

スペックルの低減にはいくつかの対策があるが、そのうちの一つに、数ｎｍ～数十ｎｍ程度に発振波長が異なる複数の半導体レーザ素子を使用するという対策がある。この対策によるスペックル低減のために、同じ波長帯域に含まれるが発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子を搭載した装置が求められてきている。例えば赤色の波長帯域であれば、発振波長が６３８ｎｍの半導体レーザ素子だけではなく、発振波長が６４０ｎｍ、６４２ｎｍ、・・・・、６６０ｎｍ等の半導体レーザ素子も有した装置が求められている。

発振波長の異なる半導体レーザ素子がそれぞれ別のパッケージに搭載された半導体レーザ装置を用意すれば、このスペックル低減は実現できるものの、装置の小型化のためには発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子が１つのパッケージに搭載されている方が好ましい。また、発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子を１つのパッケージに搭載した方が、発振波長の異なる半導体レーザ素子をそれぞれ別のパッケージに搭載するよりもコスト低減にもつながる。

例えば特許文献１には、１つのサブマウントの上に複数の半導体レーザ素子が配置された装置が開示され、複数の半導体レーザ素子は、同じ波長帯、異なる波長帯のいずれでもよいことが記載されている。また、特許文献１には、半導体レーザ素子を複数配置する場合、直列で接続されていてもよいことが記載されている。

また、例えば特許文献２には、支持ブロックの長手方向に複数のヒートシンク（サブマウント）が並べられ、各ヒートシンクにレーザチップが配置された構造が開示され、複数のレーザチップが電気的に直列に接続されることも開示されている。

特許第６３６１２９３号公報 特表２０１６－５１８７２６号公報

発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子が１つのパッケージに搭載される場合、搭載スペースや配線構造などの関係から直列接続での搭載が望ましい。そして、直列接続された複数の半導体レーザ素子には同一の電流が流れる。

しかし、例えばＧａＡｓ系の赤色レーザの場合、発振波長は活性層の歪量で調整される為、歪量子井戸のＬＨ／ＨＨに対するゲインの取れやすさの関係から、発振波長が異なると発振閾値電流Ｉｔｈなどが変化する。この結果、複数の半導体レーザ素子が搭載されたパッケージにおける一定の駆動電流で見ると、半導体レーザ素子同士で光出力が異なってくる。また、発振波長が長波長になるほど活性層とｐクラッド層のヘテロ障壁が高くなり、電子のオーバーフローが生じにくくなる為、温度特性が良くなる。この結果、半導体レーザ装置における動作条件が高温・大電流になるほど、複数の半導体レーザ素子における発振波長の相違に伴う光出力差は大きくなる。

このような理由で、異なる発振波長の半導体レーザ素子が同一電流で駆動される場合、光出力に差が生じやすく、一般的に光出力が高いほど端面劣化は進むことから、半導体レーザ素子毎の寿命にばらつきを生じ、半導体レーザ装置の信頼度低下につながってしまう。
そこで、本発明は、信頼性の高い多波長の半導体レーザ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ装置の一態様は、互いに同色の波長帯域内で互いに発振波長が異なる複数の半導体レーザ素子が電気的に直列に接続された半導体レーザ装置であって、前記複数の半導体レーザ素子における出射端面における反射率が互いに異なっている。

このような半導体レーザ装置によれば、反射率の調整によって半導体レーザ素子の光出力特性が調整可能であるため、半導体レーザ装置の望まれる駆動電流における光出力について、複数の半導体レーザ素子の相互間で近接化が可能となる。このため、複数の半導体レーザ素子について寿命のばらつきが抑制され、信頼性の高い多波長の半導体レーザ装置が得られる。

また、上記半導体レーザ装置において、前記複数の半導体レーザ素子は、出射端面における反射率が互いに異なっていることで各々の発振閾値の差が、反射率が同一である場合に較べて広がっていることが好ましい。

このような好ましい形態の半導体レーザ装置によれば、複数の半導体レーザ素子における発振閾値の差が広がることで、同一の駆動電流における光出力の近接化が容易となる。

本発明によれば、信頼性の高い多波長の半導体レーザ装置が得られる。

本発明の半導体レーザ装置の一実施形態を示す図である。 サブマウント上のレーザチップを示す図である。 比較例におけるレーザチップの入出力特性を示すグラフである レーザチップにおける端面の構造を示す図である。 レーザチップの反射率を示す表である。 本実施形態におけるレーザチップの入出力特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ装置の一実施形態を示す図である。

半導体レーザ装置１００は、ステムベース１０１と、ステムブロック１０２と、複数（ここに示す例では２つ）のレーザチップ１０３＿１、１０３＿２とを備えている。半導体レーザ装置１００は開放型のものであってもよいが、図１に示す例ではステムキャップ１１０を備えた密閉型となっている。

ステムブロック１０２はステムベース１０１から突き出し、ステムキャップ１１０はステムベース１０１に固定されてステムブロック１０２を覆う。ステムベース１０１とステムブロック１０２とステムキャップ１１０はいずれも金属製で、これらによってキャンパッケージが構成されている。ステムブロック１０２とステムベース１０１は同一材料で構成される必要はなく、各々別々の材料で構成されていてもよいし、ステムベースの一部がステムブロックの材料で構成されていてもよいし、その逆でもよいし、特に限定するものではない。

ステムブロック１０２は、ステムベース１０１から立ち上がった側面の一部に、レーザチップ１０３＿１、１０３＿２の搭載されたサブマウント１０４が半田で固定されている。レーザチップ１０３＿１、１０３＿２から発せられるレーザビームは、図１の上方へと進み、ステムキャップ１１０にはめ込まれたガラス窓１１１を透過して半導体レーザ装置１００から出射される。

発光時にレーザチップ１０３＿１、１０３＿２が発する熱は、サブマウント１０４を介してステムブロック１０２に伝達され、更にステムブロック１０２からステムベース１０１へと伝達される。

レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、複数スポットのレーザビームを発するマルチエミッタ型のものであってもよいし、単スポットのレーザビームを発するシングルエミッタ型でもよい。レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は本発明にいう半導体レーザ素子の一例に相当する。本実施形態におけるレーザチップ１０３＿１、１０３＿２は例えばＡｌＧａＩｎＰ系の半導体が用いられたレーザチップであるが、本発明にいう半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＰ系以外の半導体が用いられたレーザチップであってもよい。

レーザチップ１０３＿１、１０３＿２への給電のため、半導体レーザ装置１００には、給電用リードピン１０５が設けられている。給電用リードピン１０５はステムベース１０１を貫通して一端がステムキャップ１１０内に突き出している。
給電用リードピン１０５の、ステムキャップ１１０内に突き出した一端からレーザチップ１０３＿１、１０３＿２にワイヤ１０６が接続されている。
図２は、サブマウント上のレーザチップを示す図である。
ここでは説明の便宜上、重力方向とは無関係に、図の上方を『上』と称し、図の下方を『下』と称する。

サブマウント１０４の上面には２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２が搭載されている。具体的には、レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は半田で固定されている。各レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、図の左手前側に示された前端１０３ａと図の右奥側に隠れている後端１０３ｂとを有し、前端１０３ａからレーザビームを出射する。

２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２のうち第１のレーザチップ１０３＿１は発振波長が例えば６４３ｎｍであり、第２のレーザチップ１０３＿２は発振波長が例えば６３８ｎｍである。何れの発振波長も、６１５ｎｍ以上７００ｎｍ以下の赤の波長帯域に含まれている。つまり、これら２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、互いに同色（ここに示す例では赤）の波長帯域に含まれるとともに互いに異なった発振波長を有している。このように２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２の発振波長が異なっていることにより、図１に示す半導体レーザ装置１００から出射されるレーザビームではスペックルの低減が図られている。

各レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、上面と下面に電極を有し、上下の電極間に電圧が印加されることでレーザビームを発する。また、各レーザチップ１０３＿１、１０３＿２の動作電圧は２Ｖ以上４Ｖ以下である。

２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、サブマウント１０４上でワイヤ１０６によって電気的に直列に接続されている。このため、半導体レーザ装置１００としての駆動電圧は５Ｖ前後となっている。このような電気的な直列接続のため、サブマウント１０４の上面には、電気的に区画された複数（ここに示す例では２つ）の電極パターン１０４ａが形成され、各電極パターン１０４ａ上に各レーザチップ１０３＿１、１０３＿２が搭載されている。
ここで、２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２における前端１０３ａの反射率が互いに等しい比較例について入出力特性を示す。
図３は、比較例におけるレーザチップの入出力特性を示すグラフである。

図３の横軸は入力電流値を表し、縦軸は光出力値を表す。また、第１のレーザチップ１０３＿１の入出力特性を表すグラフが点線で示され、第２のレーザチップ１０３＿２の入出力特性を表すグラフが実線で示されている。

発振波長が互いに異なる第１のレーザチップ１０３＿１および第２のレーザチップ１０３＿２は、前端１０３ａの反射率が互いに等しい場合であっても、活性層の歪量が異なることなどにより、レーザの発振閾値（即ち、グラフの立ち上がり位置）が互いに異なるとともにグラフの傾きも異なる。一方で、電気的に直列に接続された２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２は同一の駆動電流値Ｄで駆動される。また、ディスプレイ用途の光源に対する駆動電流値Ｄは、予め設定された一定値である事が一般的である。

このため、図３に示すように、同一の駆動電流値Ｄにおける各レーザチップ１０３＿１、１０３＿２の光出力値には出力差ΔＬが生じる虞がある。前端１０３ａの反射率が等しい比較例ではこのような出力差ΔＬが大きいため、出力が大きい方のレーザチップ（図３の例では第２のレーザチップ１０３＿２）で寿命が短くなってしまい、半導体レーザ装置１００の信頼性が低下する。

このような比較例に対し、本実施形態の半導体レーザ装置１００では、２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２における前端１０３ａの反射率が互いに異なる反射率となっており、これにより２つのレーザチップ１０３＿１、１０３＿２における光出力の差が抑制されている。
図４は、レーザチップにおける端面の構造を示す図である。

レーザチップ１０３＿１、１０３＿２は、前端１０３ａ側と後端１０３ｂ側とのそれぞれに半導体の劈開面１２１を有する。劈開面１２１自体における反射率は３０％程度であるが、この劈開面１２１に対して誘電体膜１２２が重ねられることにより、前端１０３ａ側と後端１０３ｂ側とのそれぞれにおける反射率が調整され、光共振器が形成されている。

後端１０３ｂ側では、第１のレーザチップ１０３＿１および第２のレーザチップ１０３＿２の双方で、劈開面１２１に対して多数の誘電体膜１２２が重ねられており、例えば９０％以上という高い反射率となっている。このため、後端１０３ｂ側に進んだ光Ｌ１の殆どが光共振器内に戻る。

一方、前端１０３ａ側では、後端１０３ｂ側よりも誘電体膜１２２の数が少なく、後端１０３ｂ側よりも低い反射率となっている。このため、前端１０３ａ側では、一部の光Ｌ１が光共振器内に戻るとともに、他の一部の光Ｌ２がレーザチップ１０３＿１、１０３＿２からレーザビームとして放射される。

前端１０３ａ側の誘電体膜１２２について第１のレーザチップ１０３＿１と第２のレーザチップ１０３＿２とを比較すると、第１のレーザチップ１０３＿１では誘電体膜１２２が少なく低い反射率となっており、第２のレーザチップ１０３＿２では誘電体膜１２２が多く高い反射率となっている。
なお、反射率の変更方法としては、誘電体膜数の変更以外に、膜厚の変更や膜の材質の変更などが有り得る。
図５は、レーザチップの反射率を示す表である。

図５の上段には、第１のレーザチップ１０３＿１および第２のレーザチップ１０３＿２それぞれの反射率が示され、下段には、第１のレーザチップ１０３＿１の反射率を基準とした第２のレーザチップ１０３＿２の反射率が示されている。

第１のレーザチップ１０３＿１（即ち発振波長が６４３ｎｍのレーザチップ）では反射率が７％であるのに対し、第２のレーザチップ１０３＿２（即ち発振波長が６３８ｎｍのレーザチップ）では１２％となっている。第１のレーザチップ１０３＿１の反射率を基準とすると、第２のレーザチップ１０３＿２では反射率が５％大きくなっている。

第２のレーザチップ１０３＿２では、このように前端１０３ａの反射率が大きいことにより、第１のレーザチップ１０３＿１と同じ反射率の上記比較例と較べ、共振器内部への光閉じ込めが強くなる。このため、低い入力電流値でも充分な利得が得られて発振が容易になり発振閾値が低下する。一方、前端１０３ａの反射率が大きいことで光が出射されにくくなるので、入出力特性のグラフの傾きは低下する。
図６は、本実施形態におけるレーザチップの入出力特性を示すグラフである。

図６の横軸は入力電流値を表し、縦軸は光出力値を表す。また、第１のレーザチップ１０３＿１の入出力特性を表すグラフが点線で示され、第２のレーザチップ１０３＿２の入出力特性を表すグラフが実線で示されている。

本実施形態では、第１のレーザチップ１０３＿１および第２のレーザチップ１０３＿２におけるレーザの発振閾値（即ち、グラフの立ち上がり位置）の差が、図３に示す比較例に較べて広がっている。また、上述したように、第２のレーザチップ１０３＿２における入出力特性のグラフの傾きが、図３に示す比較例に較べて低下している。この結果、設定された駆動電流値Ｄにおける光出力値は、第１のレーザチップ１０３＿１と第２のレーザチップ１０３＿２とでほぼ等しい値となっている。従って、本実施形態の半導体レーザ装置１００は信頼性の高い装置となっている。

１００…半導体レーザ装置、１０１…ステムベース、１０２…ステムブロック、
１０３＿１…第１のレーザチップ、１０３＿２…第２のレーザチップ、
１０３ａ…前端、１０３ｂ…後端、１０４…サブマウント、１０４ａ…電極パターン、
１０５…給電用リードピン、１０６…ワイヤ、１１０…ステムキャップ

Claims (2)

1. 互いに同色の波長帯域に含まれるとともに互いに異なった発振波長を有した複数の半導体レーザ素子が電気的に直列に接続された半導体レーザ装置であって、
   前記複数の半導体レーザ素子における出射端面における反射率が、発振波長が長いほど小さく、発振波長が短いほど大きくなるように、互いに異なっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記複数の半導体レーザ素子は、出射端面における反射率が互いに異なっていることで各々の発振閾値の差が、反射率が同一である場合に較べて広がっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。

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