JP6970532B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子をキャップにより覆う半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置はステム上に半導体レーザ素子を搭載し、窓部を有したキャップにより半導体レーザ素子が覆われる。半導体レーザ素子は基板上に半導体積層膜を積層して形成され、半導体積層膜に含まれる活性層の端面の出射部からレーザ光を出射する。キャップの窓部は出射部に対向し、窓部を介してレーザ光が取り出される。しかしながら、活性層以外の領域からレーザ光が出射され、ＦＦＰ（Far Field Pattern、遠視野像）においてリップルが発生する問題がある。

リップルを低減する従来の半導体レーザ素子は特許文献１に開示される。この半導体レーザ素子は活性層に隣接するｎ側領域またはｐ側領域に第１低屈折率層、第１組成傾斜部、光吸収部、第２組成傾斜部、第２低屈折率層を順に積層している。

第１低屈折率層及び第２低屈折率層はＡｌＧａＮ等の低屈折率材料により形成され、活性層から漏れた光を両者間に閉じ込める。光吸収部はｎ側領域内またはｐ側領域内で最少のバンドギャップエネルギーを有し、第１、第２低屈折率層間に閉じ込められた光を吸収してリップルを低減する。

第１組成傾斜部及び第２組成傾斜部は光吸収部から離れるにつれてバンドギャップエネルギー及び光吸収部との屈折率差が大きくなっている。これにより、第１、第２低屈折率層と光吸収部との屈折率差による散乱及び反射によってリップルの低減効果が弱まることを防止する。

特開２０１５−１２１５３号公報（第３頁〜第８頁、第２図）

しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子によると、リップルの低減のために半導体積層膜に光吸収部等を設けるため、加工が複雑で半導体レーザ素子の工数が増加する。このため、半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置のコストが大きくなる問題があった。

本発明は、リップルを低減するとともにコストを削減できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、出射部からレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するステムと、前記出射部に対向する窓部を有して前記半導体レーザ素子を覆うキャップとを備え、前記窓部が前記レーザ光に対して透過率の異なる第１領域及び第２領域を有することを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記窓部の中央部に前記第１領域が配されるとともに、前記窓部の周部に前記第２領域が配され、前記第１領域の透過率よりも前記第２領域の透過率が低いことを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記レーザ光の光軸に対して同心円状に前記第１領域及び前記第２領域が配されることを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記第１領域と前記第２領域との間に透過率が前記第１領域よりも低く前記第２領域よりも高い中間領域を設けたことを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記窓部を形成する封止部材が透明な基板と、前記基板上に設けた透過率を低下させるコーティング層とを有し、前記第２領域に該コーティング層を配したことを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記第２領域に光吸収材を配したことを特徴としている。

また本発明は上記構成の半導体レーザ装置において、前記レーザ光の光軸に対して２０゜以上の範囲に前記第２領域が配されることを特徴としている。

本発明によると、キャップに設けた窓部が半導体レーザ素子から出射されるレーザ光に対して透過率の異なる第１領域及び第２領域を有する。このため、簡単な構造でＦＦＰのリップルを低減することができ、半導体レーザ装置のコストを削減することができる。

本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置を示す斜視図 本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置を示す正面断面図 本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す上面図 本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す正面断面図 本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置のＦＦＰの光強度分布を示す図 比較例の半導体レーザ装置のＦＦＰの光強度分布を示す図 本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す上面図 本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す正面断面図 本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置のＦＦＰの光強度分布を示す図 本発明の第３実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す上面図 本発明の第３実施形態の半導体レーザ装置の封止部材を示す正面断面図 本発明の第３実施形態の半導体レーザ装置のＦＦＰの光強度分布を示す図

＜第１実施形態＞
以下、本発明における実施形態について図面を参照して説明する。図１、図２は第１実施形態の半導体レーザ装置の斜視図及び正面断面図を示している。半導体レーザ装置１はステム９に搭載された半導体レーザ素子５をキャップ１０により覆うＣＡＮバッケージ型に形成される。

ステム９は銅系金属等の金属製の基台８及びリード７ａ、７ｂ、７ｃを有している。基台８は円板形に形成され、上下方向に貫通する複数の貫通孔８ｂが設けられる。リード７ａ、７ｂ、７ｃは各貫通孔８ｂに挿通され、ガラス等の絶縁体８ｃを介してハーメチックシールされる。

ステム９の基台８の上面８ａには銅系金属等の金属製のブロック３が配される。ブロック３はリード７ｂに接して配され、基台８の上面８ａに垂直な設置面３ａを有している。設置面３ａ上にはサブマウント４が接着され、サブマウント４上に半導体レーザ素子５が接着される。サブマウント４は硬度、耐熱性、化学安定性に優れ、熱伝導率の高いＡｌＮ、ＳｉＣ等により形成され、ワイヤ２によりブロック３に接続される。

半導体レーザ素子５は半導体の基板の上面に半導体積層膜を積層して形成される。半導体積層膜に含まれる活性層（不図示）の端面により形成される出射部５ａが上方に向けて配される。半導体積層膜の上面及び基板の下面にはそれぞれ電極（不図示）が形成される。半導体積層膜の上面の電極がワイヤ２を介してリード７ａに接続され、基板の下面の電極がサブマウント４に接して配される。リード７ａ及びリード７ｂ間に電力が供給されると、出射部５ａから所定の波長のレーザ光が出射される。

また、基台８の上面８ａにはフォトダイオード６が配される。フォトダイオード６はワイヤ２を介してリード７ｃに接続され、半導体レーザ素子５の出射部５ａの対向面から下方に出射されるレーザ光の強度を検知する。フォトダイオード６の検知結果により、出射部５ａから出射されるレーザ光の強度が監視される。

キャップ１０は上壁１０ｂを有した筒状の金属により形成され、基台８の上面８ａに配される。半導体レーザ素子５を取り付けたブロック３及びフォトダイオード６はキャップ１０により覆われる。キャップ１０の上壁１０ｂの中央部には円形の開口部１０ａが設けられる。上壁１０ｂの下面には周部を上壁１０ｂに接着して開口部１０ａを封止する封止部材１１が設けられる。

封止部材１１の開口部１０ａに面した領域により、半導体レーザ素子５の出射部５ａに対向する窓部１２が形成される。封止部材１１はガラス、樹脂等により平板状に形成され、窓部１２の少なくとも一部からレーザ光が取り出される。尚、封止部材１１によりレンズを形成してもよい。

図３、図４は封止部材１１の上面図及び正面断面図を示している。封止部材１１はガラスや樹脂等の透明な基板１１ａと、基板１１ａ上にコーティング剤を塗布したコーティング層１１ｄ、１１ｅとを有している。コーティング層１１ｄ、１１ｅは出射部５ａ（図２参照）から出射されるレーザ光に対して透過率の異なるコーティング剤を塗布される。尚、コーティング層１１ｄ、１１ｅを真空蒸着やスパッタリング等の成膜により形成してもよい。

封止部材１１の中央部に設けたコーティング層１１ｄは半導体レーザ素子５の光軸上に配される。コーティング層１１ｅはコーティング層１１ｄの外周側に同心円状に配した円環状に形成される。この時、コーティング層１１ｅは出射部から出射されるレーザ光の光軸に対して２０゜以上の範囲に設けられる。

また、コーティング層１１ｅはコーティング層１１ｄよりも出射部５ａ（図２参照）から出射されるレーザ光に対する透過率が低くなっている。これにより、窓部１２の中央部に透過率の高い領域Ｄ１（第１領域）が形成され、窓部１２の周部に領域Ｄ１よりも透過率の低い領域Ｄ２（第２領域）が形成される。

本実施形態では、出射部５ａから出射されるレーザ光の波長が４５０ｎｍである。また、波長が４５０ｎｍのレーザ光に対する透過率を領域Ｄ１では９０％以上にしており、領域Ｄ２では１０％以下にしている。

図５は半導体レーザ装置１のＦＦＰの光強度分布を示す図である。縦軸は光強度を示し、横軸は出射部５ａから出射されるレーザ光の光軸に対する角度（単位：゜）を示している。光強度は最大値を基準に正規化している。光軸に対する角度は設置面３ａに垂直な面内における角度を示し、正側が設置面３ａに近づく方向である。

また、図６は比較例の半導体レーザ装置１のＦＦＰの光強度分布を示している。比較例は封止部材１１の透過率が９０％以上で一定である。

図５、図６によると、光軸に対する角度が＋２０゜〜＋３０゜の間にリップルＲが発生している。本実施形態は光軸に対する角度の絶対値が２０゜以上の範囲に領域Ｄ２が形成されるため、比較例よりもリップルＲを低減することができる。

本実施形態によると、キャップ１０に設けた窓部１２が半導体レーザ素子５から出射されるレーザ光に対して透過率の異なる領域Ｄ１（第１領域）及び領域Ｄ２（第２領域）を有する。このため、簡単な構造でＦＦＰのリップルＲを低減することができ、半導体レーザ装置１のコストを削減することができる。

また、窓部１２の中央部に領域Ｄ１が配されるとともに、窓部１２の周部に領域Ｄ１よりも透過率の低い領域Ｄ２が配される。これにより、窓部１２の周部に発生するリップルＲを確実に低減することができる。

また、レーザ光の光軸に対して同心円状に領域Ｄ１及び領域Ｄ２が配されるので、キャップ１０の向きが規制されず、半導体レーザ装置１の工数を削減することができる。

また、封止部材１１が透明な基板１１ａ上に透過率を低下させるコーティング層１１ｅを設けられ、コーティング層１１ｅが領域Ｄ２に配される。これにより、透過率の低い領域Ｄ２を容易に形成することができる。

また、レーザ光の光軸に対する角度の絶対値が２０゜以上の範囲に領域Ｄ２が配されるので、リップルＲを確実に低減することができる。

本実施形態において、コーティング層１１ｄを省き、領域Ｄ１の透過率を基板１１ａの透過率にしてもよい。また、コーティング層１１ｄ、１１ｅを同じコーディング剤により形成し、コーティング層１１ｅをコーティング層１１ｄよりも厚く形成して異なる透過率にしてもよい。また、コーティング層１１ｄ、１１ｅを省き、透過率の異なる基板１１ａを同心円状に接合して領域Ｄ１及び領域Ｄ２を形成してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図７、図８は第２実施形態の半導体レーザ装置１の封止部材１１を示す上面図及び正面断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は封止部材１１に光吸収材が設けられる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

封止部材１１はガラス、樹脂等により形成された円形の基板１１ｂ及び円環状の基板１１ｃを同心円状に接合して形成される。封止部材１１の中央部に設けた基板１１ｂは半導体レーザ素子５の光軸上に配される。基板１１ｃは基板１１ｂの外周側に配され、基板１１ｃの周部はキャップ１０の上壁１０ｂの下面に接着される。この時、基板１１ｃは出射部５ａ（図２参照）から出射されるレーザ光の光軸に対して２０゜以上の範囲に設けられる。

基板１１ｂは光を透過する透明材料により形成される。基板１１ｃは光吸収材により形成される。光吸収材の基板１１ｃは着色材料（顔料系吸収色素や染料系吸収色素等）をガラスや樹脂に混練して形成される。透明部材上に光吸収材の着色材料をコーティングして基板１１ｃを形成してもよい。

これにより、窓部１２の中央部に所定の透過率で光を透過する領域Ｄ１が形成され、窓部１２の周部に領域Ｄ１よりも透過率が低く光を吸収する領域Ｄ２が形成される。本実施形態では、出射部５ａから出射される波長が４５０ｎｍであり、波長が４５０ｎｍのレーザ光に対する領域Ｄ１の透過率が９０％以上である。

図９は半導体レーザ装置１のＦＦＰの光強度分布を示す図である。縦軸は光強度を示し、横軸は出射部５ａから出射されるレーザ光の光軸に対する角度（単位：゜）を示している。光強度は最大値を基準に正規化している。光軸に対する角度は設置面３ａに垂直な面内における角度を示し、正側が設置面３ａに近づく方向である。図９によると、前述の図６に示すリップルＲを防止することができる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、領域Ｄ２に光吸収材の基板１１ｃが配されるので、リップルＲを確実に防止することができる。更に、光吸収材により形成される領域Ｄ２を適切に配置することにより、半導体レーザ装置１による光投影時の楕円率を可変することができる。

尚、基板１１ｃが光透過性を有していても、キャップ１０の開口部１０ａを小径に形成すると光軸に対して角度の大きい領域の光を遮光することができる。しかし、この構成にによると封止部材１１を透過してキャップ１０の上壁１０ａの下面で反射した光がキャップ１０内部で反射して窓部１２から漏れる。

本実施形態は窓部１２の周部が光吸収材の基板１１ｃにより形成されるため、上壁１０ａの下面で反射して窓部１２から漏れる光を低減することができる。また、光吸収材の基板１１ｃの周部がキャップ１０の上壁１０ａの下面に接着されるため、上壁１０ａの下面で反射する光をより低減することができる。

＜第３実施形態＞
次に、図１０、図１１は第３実施形態の半導体レーザ装置１の封止部材１１を示す上面図及び正面断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図４に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は領域Ｄ１と領域Ｄ２との間に中間領域Ｄ３が設けられる。その他の部分は第１実施形態と同様である。

中間領域Ｄ３は基板１１ａ上にコーティング剤を塗布したコーティング層１１ｆにより形成される。コーティング層１１ｆはコーティング層１１ｄの外周側に同心円状に配した円環状に形成される。コーティング層１１ｅはコーティング層１１ｆの外周側に同心円状に配した円環状に形成される。

また、コーティング層１１ｆは出射部５ａ（図２参照）から出射されるレーザ光に対する透過率がコーティング層１１ｄよりも低く、コーティング層１１ｅよりも高くなっている。これにより、透過率の高い領域Ｄ１と透過率の低い領域Ｄ２との間に、透過率が領域Ｄ１よりも低く領域Ｄ２よりも高い中間領域Ｄ３が形成される。

本実施形態では、出射部５ａから出射される波長が４５０ｎｍのレーザ光に対する中間領域Ｄ３の透過率を５０％にしている。

図１２は半導体レーザ装置１のＦＦＰの光強度分布を示す図である。縦軸は光強度を示し、横軸は出射部５ａから出射されるレーザ光の光軸に対する角度（単位：゜）を示している。光強度は最大値を基準に正規化している。光軸に対する角度は設置面３ａに垂直な面内における角度を示し、正側が設置面３ａに近づく方向である。

図１２によると、前述の図５と同様にリップルＲを低減することができる。また、第１実施形態よりもレーザ光の半値幅を小さくして拡がり角を小さくすることができる。

半導体レーザ素子５は出射光の拡がり角が大きいため、レーザポインター等の用途の半導体レーザ装置１は拡がり角を小さくする集光レンズと一体にモジュール化される。本実施形態は半導体レーザ装置１の出射光の拡がり角を小さくできるため、モジュール化の際に集光レンズを省くことができる。従って、半導体レーザ装置１を備えたモジュールの小型化及びコスト削減を図ることができる。

尚、中間領域Ｄ３を透過率に応じて更に細分化することにより、半導体レーザ装置１から出射されるレーザ光の光強度をガウス分布に近づけることができる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、中間領域Ｄ３を設けたので、レーザ光の拡がり角を小さくし、半導体レーザ装置１を備えたモジュールの小型化及びコスト削減を図ることができる。

第１〜第３実施形態において、円環状に形成される領域Ｄ２はリップルＲが発生する範囲に設けられていればよく、他の形状に形成してもよい。例えば、光軸に対する角度が正側のみにアーチ状の領域Ｄ２を形成してもよい。

本発明によると、ＣＡＮパッケージ型の半導体レーザ装置に利用することができる。

１ 半導体レーザ装置
３ ブロック
３ａ 設置面
４ サブマウント
５ 半導体レーザ素子
５ａ 出射部
６ フォトダイオード
７ａ、７ｂ、７ｃ リード
８ 基台
９ ステム
１０ キャップ
１０ａ 開口部
１０ｂ 上壁
１１ 封止部材
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 基板
１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ コーティング層
１２ 窓部
Ｄ１ 領域
Ｄ２ 領域
Ｄ３ 中間領域
Ｒ リップル

Claims (4)

1. 出射部からレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を搭載するステムと、前記出射部に対向する窓部を有して前記半導体レーザ素子を覆うキャップとを備え、前記窓部が前記レーザ光に対して透過率の異なる第１領域及び第２領域を有し、
   前記窓部の中央部に前記第１領域が配されるとともに、前記窓部の周部であって、前記出射部から出射される前記レーザ光の光軸に対する角度が遠視野像においてリップルが発生する角度範囲に前記第２領域が配され、前記第１領域の透過率よりも前記第２領域の透過率が低く、
   前記出射部から出射されたレーザ光が前記第１領域及び前記第２領域を通過して前記窓部から出射されることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記レーザ光の光軸に対して同心円状に前記第１領域及び前記第２領域が配され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。
3. 前記第１領域と前記第２領域との間に透過率が前記第１領域よりも低く前記第２領域よりも高い中間領域を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記窓部を形成する封止部材が透明な基板と、前記基板上に設けた透過率を低下させるコーティング層とを有し、前記第２領域に該コーティング層を配したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。

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