FR2536596A1

FR2536596A1 - Dispositif laser a semi-conducteurs

Info

Publication number: FR2536596A1
Application number: FR8318618A
Authority: FR
Inventors: Masaaki Sawai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-11-24
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1984-05-25
Also published as: GB2131607B; JPS5994891A; KR840006578A; IT8323850A0; US4604753A; IT1194477B; GB2131607A; DE3342111A1; GB8330997D0

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF LASER A SEMI-CONDUCTEURS. CE DISPOSITIF LASER A SEMI-CONDUCTEURS COMPORTE UN ELEMENT LASER A SEMI-CONDUCTEURS 1 RACCORDE A UNE SOURCE DE TENSION V ET MONTE SUR UN SUPPORT DE BASE 2 ET UN ELEMENT A JONCTION PN 8 AINSI QU'UNE POMPE A CHALEUR THERMOELECTRIQUE 3 RACCORDEE ELECTRIQUEMENT AUDIT ELEMENT A JONCTION PN. APPLICATION NOTAMMENT AUX DISPOSITIFS LASER A SEMI-CONDUCTEURS PRESENTANT UNE GRANDE FIABILITE NOTAMMENT A DES TEMPERATURES AMBIANTES ELEVEES ET FOURNISSANT UNE PUISSANCE OPTIQUE PRESCRITE.

Description

La présente invention concerne un dispositif

laser à semiconducteurs et plus particulièrement un dis-

positif laser à semiconducteurs, dont l'élément à laser

possède une fiabilité améliorée.

On sait parfaitement bien qu'un laser à semi- conducteurs est très sensible à la température due à la

production de chaleur par le laser à semiconducteurs lui-

même et à la température propre de ce dernier, ce qui en-

traine une réduction de la puissance optique ainsi qu'une

diminution de la durée de vie du dispositif.

Afin de résoudre ces problèmes concernant les

températures, on connaît un dispositif laser à semiconduc-

teurs de l'art antérieur comportant un puits de chaleur (également désigné sous le terme de "support de base")

possédant une bonne conduction thermique et/ou un photo-

détecteur servant à contr 5 ler la puissance optique, ou analogue Le puits de chaleur ou le support de base est habituellement constitué par du cuivre Mais étant donné que le cuivre possède une usinabilité plus faible,

on connaît bien comme matériau de remplacement le sili-

cium (Si) par exemple d'après la demande d'enregistre-

ment de modèle d'utilité publiée sous le NO 54-19 829 dans le Journal Officiel du Japon Comme cela est bien connu d'après la demande d'enregistrement du modèle

d'utilité publiée sous le NO 54-3660 dans le Journal Of-

ficiel au Japon, l'utilisation d'une microplaquette ou pastille en silicium en tant que support de base permet

de disposer le photodétecteurà l'intérieur du support.

On peut de ce fait réduire le nombre des composants de-

vant constituer le dispositif laser à semiconducteurs, ce qui permet d'avoir un prix de revient plus faible et,

ce qui est intéressant, une taille plus réduite.

La demande d'enregistrement du modèle d'uti-

lité publiée sous le NO 54-3660 dans le Journal Officiel au Japon, mentionnée précédemment, décrit une technique selon laquelle le rayonnement d'un laser à semiconducteurs

est reçu par le photodétecteur et le courant devant traver-

ser le laser à semiconducteurs est réglé en fonction de la va-

riation de la température ambiante, ce qui permet de com-

mander la puissance optique du laser à semiconducteurs,

de manière qu'elle soit constante C'est-à-dire que cet-

te demande publiée dans le Journal Officiel au Japon dé-

crit le dispositif laser à semiconducteurs comme étant

équipé de moyens automatiques de commande de la puissance.

De tels moyens de commande automatique de puissance agis-

sent de manière très efficace lorsque la température am-

biante est proche de 250 C, mais sont limités du point de

vue de leur fonctionnement lorsque la température ambian-

te est trop élevée ou trop basse C'est pourquoi il de-

vient impossible d'atteindre une puissance optique pres-

crite même en utilisant les moyens automatiques de comman-

de de puissance.

Comme on peut le voir d'après la demande de

brevet publiée sous le NI 50-81695 dans le Journal Offi-

ciel au Japon, il a été proposé un dispositif laser à se-

miconducteurs comportant, outre le photodétecteur, une

pompe à chaleur thermoélectrique qui réalise un réfroidis-

sement utilisant l'effet Peltier Ce dispositif à semicon-

ducteurs décrit dans la demande de brevet publiéesous le N O 50-81695 dans le Journal Officiel au Japon permet d'obtenir avantageusement une longue durée-de vie d'un élément laser à semiconducteurs, de telle sorte que la

pompe à chaleur thermoélectrique est utilisée pour main-

tenir à un niveau constant la température de l'élément la-

ser à semiconducteur, afin-de maintenir de ce fait constan-

te la puissance optique.

Mais, avec un tel dispositif laser à semicon-

ducteurs,le support de base est réalisé en cuivre et le

photodétecteur est disposé dans un substrat qui est cons-

titué en un matériau différent de celui du support de base.

C'est pourquoi, le nombre des composants devant constituer le dispositif laser à semiconducteurs devient important,

ce qui-laisse entier le problème selon lequel le disposi-

tif ne peut pas être fabriqué à un coût faible et qu'on ne peut pas lui donner de petites dimensions En outre, ce dispositif est basé sur un dispositif automatique de commande de la puissance pour le contrôle du rayonnement

laser avec le photodétecteur, tout comme dans le disposi-

tif laser à semiconducteurs mentionné précédemment dans la demande d'enregistrement de la demande d'utilité publiée

sous le NI 54-3660 dans le Journal Officiel au Japon.

C'est pourquoi le dispositif présente des possibilités

limitées pour l'obtention d'une puissance optique pres-

cripte en fonction de températuresambiantes.

On va ci-après donner le résumé de l'inven-

tion. Compte-tenu des problèmes décrits ci-dessus, l'auteur à la base de la présente invention a pris en considération, avant d'élaborer la présente invention, un dispositif laser à semiconducteurs dans lequel un

élément laser à semiconducteurs est maintenu à une tem-

pérature constante, indépendamment de températures ambian-

tes de manière à délivrer une puissance optique prescrip-

te à tous moments Le dispositif -laser à semiconducteurs est équipé d'un dispositif de commande automatique de la

température, utilisant une thermistance De façon concrè-

te, la thermistance est utilisée pour commander une pompe

à chaleur thermoélectrique En particulier la thermistan-

ce est montée dans une capsule métallique ainsi que l'élé-

ment laserà semiconducteurs, de manière à réaliser la dé-

tection de la température au voisinage de l'élément laser

à semiconducteurs et à commanderd'une manière aussi préci-

se que possible la pompe à chaleur thermoélectrique Lors

du montage de la thermistance, on utilise un adhésif for-

mé d'une résine de type époxy.

Cependant, avec le dispositif laser à semi-

conducteur, un gaz se dégage de l'adhésif formé par la

résine, dans le cas de l'encapsulation métallique (fer-

meture étanche) et peut être un facteur de réduction de la fiabilité du dispositif laser à semiconducteurs En outre, le nombre des composants devant être assemblésdans

la capsule métallique devient important et la rationalisa-

tion des travaux de montage est difficile.

En résolvant les problèmes mentionnés ci-des-

sus, l'auteur à la base de la présente invention a noté 1) qu'on utilise du Si possédant une bonne usinabilité pour constituer un support de base et 2) qu'une diode à

jonction PN présente une caractéristique de température.

La présente invention a été établie sur la base de ces indications et on va indiquer ci-après les buts de la présente invention ainsi que le dispositif

fondamental visant à atteindre ces objectifs.

Un but de la présente invention est de four-

nir un dispositif laser à semiconducteurs qui possède une

fiabilité élevée indépendamment des températures ambian-

tes. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif laser à semiconducteurs possédant une fiabilité élevée, qui soit d'une taille réduite et

d'un coût faible.

Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif laser à semiconducteurs de grande

puissance qui possède une fiabilité élevée.

Le dispositif fondamental de la présente in-

vention permettant d'atteindre les objectifs mentionnés précédemment inclut un élément laser à semiconducteurs,

un élément à jonction PN qui est utilisé pour la détec-

tion de la température et une pompe à chaleur thermoélec-

trique qui est raccordée électriquement à l'élément à

jonction PN.

Conformément à un tel agencement de la pré-

sente invention, on détecte la chaleur s'évacuant de l'élément laser à semiconducteurs en exploitant le fait que la tension directe VF de l'élément à jonction PN ou de la diode à jonction PN varie en fonction de la varia- tion de la température ambiante (ce phénomène lui-même est en soi déjà connu) et que la variation de la tension

directe VF est transmise en réaction à la pompe à cha-

leur thermoélectrique C'est pourquoi, même lorsque le 1 o dispositif laser à semiconducteursest placé dans les

conditions d'une température ambiante très élevée (tem-

pérature à l'air libre), l'élément laser à semiconduc-

teurs est refroidi à une température prédéterminée, par

la pompe à chaleur thermoélectrique, de manière à produi-

re ainsi une puissance optique prescripte à tous moments.

C'est pourquoi, conformément au dispositif laser à semi-

conducteurs selon la présente invention, même dans le cas d'une température ambiante élevée (par exemple 70 WC), l'élément laser à semiconducteurs lui-même est piloté

dans des conditions de température appropriées(par exem-

ple 25 o C), si bien qu'il est possible d'empêcher une dé-

gradation de l'élément laser à semiconducteurs En outre, l'élément à jonction PN lui-même peut être monté dans un

support de base pour lequel on utilise un matériau semi-

conducteur possédant une bonne usinabilité, ou dans un substrat semiconducteur lui-même qui constitue l'élément

laser à semiconducteurs, si bien que l'on obtient un dis-

positif bon marché de petite taille.

D'autres caractéristiques et avantages de la

présente invention ressortiront de la description donnée

ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur les-

quels: la figure 1 est une vue en coupe type d'un

dispositif laser à semiconducteurs représentant une for-

me de réalisation de la présente invention; : O 253659 e la figure 2 est une vue en perspective de la structure externe d'un dispositif laser à semiconducteurs

représentant une forme de réalisation de la présente in-

vention; la figure 3 est un schéma d'un circuit de

commande automatique de la température, qui est utili-

sé avec le dispositif laser à semiconducteurs de la pré-

sente invention; la figure 4 A est un graphique montrant la

courbe caractéristique courant direct-puissance de sor-

tie optique d'un élément laser à semiconducteurs; la figure 4 B est un graphique montrant le

diagramme de champ lointain de l'élément laser à semi-

conducteurs; la figure 4 C est un graphique montrant le

spectre d'effet laser de l'élément laser à semiconduc-

teurs;

la figure 5 est un diagramme d'un autre cir-

cuit de commande automatique de la température, qui est utilisé dans le dispositif laser à semiconducteurs de la présente invention; la figure 6 est une vue en coupe type d'un dispositif à laser à semiconducteurs d'une autre forme de réalisation de la présente invention; la figure 7 est une vue en plan d'un support de base qui est approprié pour la présente invention; et la figure 8 est une vue en perspective de la

structure extérieured'un dispositif laser à semiconduc-

teursmontrant une autre forme de réalisation de la pré-

sente invention.

On va décrire ci-après, les formes de réali-

sation préférées de l'invention.

La figure 1 représente un dispositif laser à semiconducteurs représentant une forme de réalisation de 253659 d la présente invention, sous la forme d'un modèle type Ce dispositif laser à semiconducteur est agencé sous la forme de l'empilage d'un élément laser à semiconducteurs 1, d'un

support de base 2 constitué par une microplaquette en si-

licium, et d'une pompe à chaleur thermoélectrique 3 L'élé- ment laser à semiconducteurs 1 est un laser infrarouge du type bien connu à hétérostructure double Ga As-Al Ga As, et une couche active 4 de ce laser est fixée au support de base 2 par un matériau de brasage, exempt de la soudure

Pb-Sn 5 de manière à être proche du support de base 2.

Les électrodes 6 et 7 constituéEnpar du Au (de l'or) sont

formées respectivement sur les surfaces supérieure et in-

férieure de l'élément laser à semiconducteurs 1 Le sup-

port de base 2 est utilisé-pour améliorer le rayonnement thermique de l'élément laser à semiconducteurs 1 et est constitué par la microplaquette ou pastille dé silicium,

à savoir en un matériau semiconducteur De façon concrè-

te, ce support de base 2 est constituée par un substrat en silicium de type N Une région de type P 8 est ménagée

dans le support de base 2 au moyen d'une diffusion sélec-

tive connue et le substrat en silicium de type N 2 et la région de type P 8 constituent une diode à jonction PN servant à la détection de la température En outre, une pellicule d'oxyde de silicium (pellicule de Si O 2) 9 et des électrodes 10 constitués en Au sont formées sur la face avant du support de basé 2, et une électrode 11

constituée en Au est formée sur l'ensemble de la surfa-

ce arrière du support de base 2 Le support de base 2 est fixé à la pompe à chaleur thermoélectrique 3 au moyen d'un matériau de brasage (soudure Pb-Sn) 12 La pompe à chaleur thermoélectrique 3 agit de manière à refroidir l'élément laser à semiconducteurs 1 à travers le support de base 2 Cette pompe est constituée par une pluralité de panneaux 13 constitués par desmodules thermiques, des plaques céramiques 14 et 15 qui maintiennent assemblés les panneaux formés de modules thermiques, et une borne plus 15 et une borne moins 17, qui sont disposées sur la

plaque en céramique 15 La diode à jonction PN est rac-

cordée à un circuit de commande automatique de températu-

re ATC, qui est relié aux bornes 16 et 17 de la pompe à

chaleur thermoélectrique 3 et qui fonctionne de telle sor-

te que la surface avant de la plaque en céramique 14 de

la pompe à chaleur thermoélectrique 3 peut être refroi-

die à une température prédéterminée Des exemples prati-

ques du circuit de commande automatique de température

ATC vont être décrits ci-après de façon détaillée.

Conformément au dispositif laser à semicon-

ducteurs que l'on vient de décrire, lorsqu'un courant

non inférieur à un courant de seuil est tenu de traver-

ser l'élément laser à semiconducteurs i à partir d'une source de tensionV, l'effet laser intervient et le rayonnement laser est émis à partir de deux plans de clivage ou de-deux faces réfléchissantes situées aux deux extrémités de la couche active 4 A cet instant

l'élément laser à semiconducteurs 1 produit de la cha-

leur qui est transmise à la plaque de base 2 Par con-

séquent, la tension directe VF de la diode à jonction PN disposée dans le support de base 2 est modifiée par la température du support de base 2 lui-même La

tension directe VF est détectée par le circuit de com-

mande automatique de température ATC, qui délivre un courant correspondant à la tension directe VF La pompe

à chaleur thermoélectrique 3 est entraînée par le cou-

rant de sortie de sorte que l'élément laser à semiconduc-

teurs 1 peut être amené dans l'état de température opti-

mum. La figure 2 illustre concrètement l'aspect extérieur et la structure interne du dispositif laser à

semiconducteurs de la présente invention Comme repré-

senté sur la figure 2, la pompe à chaleur thermoélectri-

t 536594

que 3 est fixéesur un pied 20 muni d'une pluralité de bor-

nes extérieures T 1-T 6, et une plaque de support métallique 21 servant au rayonnement de la chaleur est fixée sur la pompe à chaleur thermoélectrique 3 En outre, le support de base 2 tel que représenté sur la figure 1 est fixé sur la plaque de support métallique 21 Sur la plaque de support métallique 21 est en outre fixé un détecteur de sortie optique 22 servant à contrôler la puissance de sortie optique, par exemple un détecteur du type décrit dans la demande de brevet publiée sous le NO 5081695

dans le Journal Officiel au Japon et mentionnée précédem-

ment Par ailleurs, l'élément laser à semiconducteurs tel que représenté sur la figure 1 est fixé sur le support de base 2 Les électrodes disposées sur le support de base 2, l'élément laser à semiconducteurs 1 et le détecteur de sortie optique 2 sont raccordés électriquement aux bornes extérieures T 2, T 5 et T 4 par des fils respectifs (fils en Au) 23 Ces parties constitutives du dispositif laser à semiconducteurs sont enfermées de façon étanche dans un

capot métallique 25 qui est muni d'une fenêtre en verre-

24 Dans un tel dispositif laser à semiconducteurs, les faisceaux laser de l'élément laser à semiconducteurs 1

sont projetés de la manière indiquée par des flèches re-

présentées par des lignes formées de tirets.

La figure 3 montre un exemple possible de

l'agencement du circuit de commande automatique de tem-

pérature ATC Le circuit de commande automatique de température représenté sur la figure 3 est efficace en particulier pour le dispositif laser à semiconducteurs

devant être utilisé dans un endroit o la température am-

biante est égale au moins à 250 C (la température optimum).

Il est constitué par une source de courant continu CI, un circuit RV produisant une tension de référence, un cir cuit amplificateur inversé IA, un limiteur de courant IL, un circuit de sortie OC et une source d'alimentation en énergie PS Dans le circuit RV produisant la tension de

référence, une diode Zener ZD servant à fournir une ten-

sion de référence et une diode D 1 servant à assurer une compensation de température pour la diode Zener ZD, sont branchéesen série En outre une résistance R 1 ( 10 k S) et une résistance variable (réglée à 1 k S Ldans la présente

forme de réalisation) R 2 sont branchées en série aux bor-

nes des diodes branchées en série La résistance varia-

ble R 2 sert à produire la tension de référence désirée

VREF Dans le circuit amplificateur inversé IA, une ré-

sistance d'entrée ( 10 k Q) R 3 raccordée à la source de courant continu CI et une résistance d'entrée ( 10 kf L) R 4 raccordée à la borne de sortie (V REF) du circuit RV

produisant la tension de référence sont raccordése res-

pectivement aux extrémités d'entrée d'un amplificateur

opérationnel OP Une résistance de réaction R 5 possé-

dant une valeur résistive élevée (l MA)est branchée en-

tre l'extrémité d'entrée sur le côté moins et l'extré-

mité de sortie de l'amplificateur opérationnel OP, tan-

dis qu'une résistance R 6 ( 1 ki-) est branchée entre l'ex-

trémité de sortie et l'extrémité de masse de cet amplifi-

cateur Dans le limiteur de courant IL, un transistor NPN Ql, pour lequel on a h FE(min) = 100 a son collecteur

raccordé à l'extrémité de sortie de l'amplificateur opé-

rationnel OP et son émetteur raccordé à la masse Une tension divisée par une résistance (l OO A) R 7 et par une résistance variable (réglé à 1 kf Q dans la présente forme de réalisation) R 8 est appliquée à la base du transistor

Ql Ce limiteur de courant est prévu de manière à empe-

cher l'application d'un courant excessif à un transistor Q 2 dans le circuit de sortie OP, en d'autres termes à la pompe à chaleur thermoélectrique 3 Dans le circuit de sortie OC, une résistance ( 1 k O Q) R 9, et une diode D 2 à décalage de niveau sont branchées en série et la diode D 2

est raccordée à la base du transistor I 2 ayant pour carac-

253659 &

téristique h FE(min) = 500 De façon concrète ce transistor FE(min) = Q 2 est un transistor prévu pour une amplification de gain élevée, tel qu'un transistor NPN à montage Darlington La

diode à jonction PN D 3 servant à réaliser une compensa-

tion de température et disposée dans le support de base 2 et la pompe à chaleur thermoélectrique 3 sont raccordées

comme représenté sur la figure 3 à un tel circuit de com-

mande automatique de température ATC Les bornes T 2, T 6, T 5 et T 3 correspondent aux bornes extérieures représentées

respectivement sur la figure 2.

On va décrire ci-après, le fonctionnement du

circuit de commande automatique de température ATC.

La tension de référence VREF présente dans le circuit RV de production de la tension de référence est

exprimée par la relation ( 1-

R 2 VREF = VD x R + R ( 1) i 2 Dans la relation ( 1), VD désigne la somme de la tension directe VF de la diode D et de la tension de

F 1.

Zener V de la diode Zener ZD Ici, lorsque l'on suppose z que VF = 0,7 V et Vz = 7 V, on a VD 7,7 V. Fz D Par conséquent, la tension de référence VREF devient égale à 0,7 V. D'autre part, les relations des tensionsdans le circuit amplificateur inversé IA sont fournies par les relations ( 2) et ( 3) VF(T) + R 3 o Vut VF(T)

VF(T) + R 3 R + R VREF ( 2)

R 3 3 5

V + =V ( 3)

R 3 + R 5 O Vut R 3 + R 5 F(T) REF.

Dans les relations ( 2) et ( 3), VF(T) désigne

la tension directe de la diode D 3 et Vout désigne la *ten-

sion de sortie de l'amplificateur inversé IA, c'est-à-di-

re de l'amplificateur opérationnel OP.

La tension de sortie V utest exprimée de fa-

çon correspondante par la relation suivante ( 4):

R 3 + R 5 R 5

*Vout 3 V REF R F(T) ( 4)

3 3

En outre, la tension de sortie Vout est ex-

out primée dans la relation ( 5) par le circuit de sortie OC, par: R

V R I + V 9 5

Vout = R 10 IE + VF( 2) + VBE + h FE 2 E ( 5) h FE 2 Dans la relation ( 5) , IE désigne le courant d'émetteur du transistor Q 2 ' VF( 2) la tension directe de la diode D 2, VDE la tension base-émetteur du transistor

Q 2 et h FE 2 le gain en courant du transistor Q 2.

En tenant compte de la relation ( 5), le cou-

rant d'émetteur IE est exprimé par la relation ( 6): I t Vout (VF( 2) + VBE)} h FE 2 IE h

FE 2 ' RIO 9

Dans le cas d'une diode en silicium, la va-

riation de la tension directe VF sous l'action de la mon-

tée de la température est égale à environ -2 m V/ C.

Par conséquent, lorsque la température ambian-

te est élevée, la tension directe TF(T) de la diode D 3 de-

vient faible Pour cette raison, la tension de sortie Vout

devient élevée conformément à la relation ( 4) Lorsque cet-

te tension de sortie Vut passe à un niveau élevé, le cou-

rant l'émetteur IE augmente conformément à la relation ( 6).

Il en résulte que le refroidissement Qc se produit dans le plan A de la pompe à chaleur thermoélectrique 3 et qu'un

échauffement intervient dans le plan B de cette pompe.

Etant donné que le support de base 2 est installé dans le

plan A, il est refroidi par la pompe à chaleur thermoélec-

trique 3.

Le limiteur de courant IL agit de manière à empêcher l'application de courantsexcessifsà la pompe à

chaleur thermoélectrique 3 et au transistor Q 2.

253659 a Une exigence requise pour le fonctionnement du

limiteur de courant IL est que la relation ( 7) soit satis-

faite.

V = R I 8 V

x 10 IER = VB El 57) Dans la relation ( 7), V désigne la tension x

au niveau du noeud des résistances R 7 et R 8, et VBE 1 dé-

signe la tension base-émetteur du transistor Q 1 '

A partir de la relation ( 7), le courant d'émet-

teur IE est exprimé par la relation ( 8):

E R 7 +R 8

_ ( 8)

IE 2 VBE 1 R 8 R 1 ( 8)

Ici VBE 1 l 0,6 V C'est pourquoi lorsque l'on remplace

les valeurs des résistances R 7, R 8 et R 10 par leurs va-

leurs précédentes, le courant d'émetteur peut être réduit à'lavaleur IE = 400 m A. Conformément à la forme de réalisation de la

présente invention décrite ci-dessus, les objectifs indi-

qués peuvent etre atteints pour les raisons mentionnées

ci-après.

La figure 4 A représente les courbes caracté-

ristiques courant direct-puissance de sortie d'un élément

laser à semiconducteurs Comme cela ressort de cette fi-

gure, la puissance de sortie de l'élément laser à semi-

conducteurs dépend des températures et lorsque la tempé-

rature ambiante passe à un niveau élevé, la puissance de

sortie PO diminue Afin d'accroître la puissance de sor-

tie optique dans le cas d'une température ambiante élevée

( 50 C, 70 C ou 90 C), une intensité de courant direct im-

portante est tenue de circuler A titre d'exemple, en vue d'obtenir 20 m W en tant que puissance de sortie optique

P O ' un courant direct I de 70 m A doit être tenu de cir-

F

culer lorsque la température ambiante Ta est de 25 C Ce-

pendant, un courant de 110 m A est tenu de circuler en tant

que courant IF pour Ta = 70 C, et pour Ta = 90 C il de-

vient impossible de produire la puissance de sortie opti-

que de 20 m W C'est pourquoi, pour des températures ambian-

tes élevées, l'élément laser à semiconducteurs est sujet à

oususceptible d'une altération En outre, il devient im-

possible d'obtenir une puissance de sortie optique satis-

faisante En outre, lorsque la température ambiante pas-

se à un niveau élevé, le rendement de pente LP o/AIF di-

minue C'est-à-dire que la variation de PO devient faible

par rapport à la variation IF Ceci rend difficile l'uti-

lisation du dispositif laser à semiconducteurs pour une imprimante à faisceau laser ou pour une mémoire à disques

requérant une puissance de sortie encore plus élevée.

Conformément à la présente invention, la dé-

pendance de l'élément laser à semiconducteurs vis-à-vis

de la température comme indiqué ci-dessus, a été amélio-

rée et il est possible d'obtenir la puissance optique de sortie optimale et d'empêcher l'altération de l'élément

laser De façon plus spécifique, dans le cas d la tem-

pérature ambiante est élevée, la pompe à chaleur thermo-

électrique est refroidie à une température appropriée par le circuit de commande automatique de température ATC

indiqué précédemment Par exemple, même lorsque la tempé-

rature ambiante (température à l'air libre) est de 500 C, l'élément laser à semiconducteurs peut être maintenu à une température de 250 C C'est pourquoi le courant direct n'a pas besoin d'être accru et la dégradation de l'élément

peut être empêchée Par conséquent, on dispose d'un dispo-

sitif laser à semiconducteurs possédant une fiabilité éle-

vée.

Conformément à la présente réalisation, la dio-

de à jonction PN devant être utilisée pour la détection

de la température est formée dans le support de base com-

me représenté sur la figure 1 Par conséquent, par rapport au dispositif laser à semiconducteurs utilisant la ther mistance du type considéré avant la mise en oeuvre de la présente invention, cette forme de réalisation possède un

nombre de pièces de montage réduit et fournit un disposi-

tif laser à semiconducteurs bon marché et de petite tail- le En outre, on peut réaliser une commande plus précise de la température.

Conformément à la présente invention, on peut obtenir une puissance de sortie optique élevée, même dans le cas d'une température ambiante élevéeDe façon plus

spécifique, la gamme des puissances de sortie optique m-a-

ximum est limitée simplement par le circuit de commande automatique de la puissance de sortie considérée jusqu'à

présent, mais elle peut être étendue en utilisant le dis-

positif de commande automatique de température Ceci en-

traine un accroissement de la gamme d'utilisation.

Conformément à l'invention, le circuit de com-

mande automatique de température ATC est efficace dans le

cas d'une température ambiante élevée De façon plus spé-

cifique, comme cela a été explicité à la figure 3, un cou-

rant est tenu de circuler à travers la pompe à chaleur ther-

mique 3 dans un seul sens, et le support de base 2 est mon-

té dans le plan de refroidissement A de la pompe à chaleur thermoélectrique 3 Par conséquent la pompe à chaleur thermoélectrique 3 réalise uniquement un refroidissement pour le support de base 2, de telle sorte que le circuit de commande automatique de température ATC manifeste tous

ses effets dans le cas d'une température ambiante élevée.

Comme représenté sur la figure 3, le plan op-

posé au plan de refroidissement A agit en tant que plan de chauffage B dans la pompe à chaleur thermoélectrique 3 qui utilise l'effet Peltier Par conséquent, lorsque-le sens du courant est inversé, le plan de refroidissement A

se transforme en le plan de chauffage Un circuit de com-

mande automatique de température, qui va être décrit ci-

après, est tel que le sens du courant devant circuler à

travers la pompe à chaleur thermoélectrique 3 est modi-

-253-659 "

fié de manière à permettre l'utilisation de cette pompe à

chaleur thermoélectrique 3-en tant qu'élément de chauffa-

ge lorsque la température ambiante est faible.

La figure 5 représente schématiquement le circuit automatique de commande de température qui est utilisable même dans le cas d'une température ambiante basse Fondamentalement, le circuit de commande utilise

un circuit push-pull ou symétrique de manière à provo-

quer la circulation de courants bidirectionnels à tra-

vers la pompe à chaleur thermoélectrique Sur la figure , les parties possédant les mêmes désignations que sur

la figure 3 sont repérées par les mêmes symboles ou chif-

fres de référence.

Conformément au circuit de commande automati-

que de température représenté sur la figure 5, un transis-

tor NPN Q 3 et un transistor NPN Q 4 réalisent un fonctionne-

ment push-pull ou symétrique, ce qui a pour effet que des courants bidirectionnels tels qu'indiqués par des flèches

sont tenus de circuler à travers la pompe à chaleur ther-

inoélectrique 3.

En se référant à la figure 5, on voit que la tension de sortie V ut est exprimée par la relation ( 9): Vout 2 V 1 + VF(T R VREF ( 9)

2 ú J 2

Lorsque l'on suppose R 2 = 100 - et R 3 = 12 k f L dans la relation ( 9), la tension de sortie VREF est réglée comme décrit ci-après, de manière à faire fonctionner l'élément laser à semiconducteurs dans les conditions de

température de 25 OC (la température ambiante optimum).

La tension directe V de la diode à jonction PN Dà la tem-

pérature ambiante de 250 C est égale à environ 0,6 V Par.

ailleurs, lorsque la température ambiante est égale à 25 OC, la pompe à chaleur thermoélectrique 3 n'a pas besoin

d'être miseen fonctionnement Afin d'empêcher tout fonc-

tionnement de la pompe à chaleur thermoélectrique 3, la tension baseémetteur de chacun des transistors Q 3 et Q 4 peut ne pas prendre la valeur égale 'à au moins 0,6 V. Conformément à la forme de réalisation, étant donné que la valeur V 1 = 5 V est réglée, les transistors Q 3 et Q 4 ne fonctionnent pas lorsque la tension Vout est égale à V est établie Par conséquent, la valeur de la ten- sion de référence VREF servant à obtenir Vout = 5 V est obtenue d'après la relation ( 9) C'est-à-dire que

la valeur de la résistance variable R 1 peut être déter-

minée de manière que la tension de référence puisse pren-

dre la valeur VREF = 4,395 V.

Conformément au dispositif laser à semiconduc-

teurs équipé d'un tel circuit de commande automatique de

température, lorsqu'on 1 i'utilise à une température ambian-

te inférieure à 250 C, la tension directe VF(T) de la diode à jonction PN D Utilisée pour la détection de la température monte au-dessus de 0,6 V Par conséquent, la tension de sortie V out devient égale' à -5 V ou moins conformément à la relation' ( 9) Il en résulte que le

-20 transistor Q 3 passe à l'état conducteur et qu'un cou-

rant circule suivant la direction de la flèche A H(chauf-

fage pour le support de base) Au contraire dans le cas de l'utilisation du dispositif à une température ambiante égale ou supérieure à 250 C, la tension directe VF(T) de la diode à jonction PN D devient inférieure à 0, 6 V.

Par conséquent, la tension de sortie Vout passe à la va-

leur 5 V ou plus conformément à la relation ( 9) Il en résulte que le transistor Q 4 passe à l'état CONDUCTEUR

et qu'un courant circule suivant la direction de la flè-

che A C (refroidissement pour le support de base).

Lorsqu'on utilise le circuit de commande au-

tomatique de température de la figure 5, que l'on vient de décrire, il apparaft en particulier un effet que l'on

va décrire ci-après.

Une courbe repér Ae par une ligne formée deitirets sur la figure 4 A est une courbe caractéristique

IF P pour une température basse de O C Comme cela res-

sort de la figure, une intensité de courant servant à pro-

duire un faisceau laser (rayonnement à émission induite) (l'intensité du courant à cet instant est désignéesous le

terme de "valeur de courant de seuil Ith") est faible.

Lorsqu'on accroit de façon supplémentaire le courant di-

rect TF, la puissance de sortie laser optique PO augmente graduellement Mais dans certains cas, la linéarité de la

variation de la puissance de sortie optique présente rapi-

dement un point anguleux Le point correspondant K est dé-

signé sous le terme de "coude" et la puissance de sortie

-optique à cet instant est le niveau "niveau de coude" (Ps)".

Le coude est susceptible de se produire en particulier pour de basses températures Ce coude indique des anomalies

du mode transversal et du mode longitudinal du faisceau la-

ser A titre d'exemple, dans une variation en mode trans-

versal, il se produit une déviation dans le diagramme du

champ lointain, comme représenté sur la figure 4 B C'est-

à-dire qu'un réseau FP Pl se transforme en un réseau FPP 2.

Pour cette raison, en particulier dans un dispositif la-

ser à semiconducteurs, dans lequel une fibre optique est accouplée à un élément laser à semiconducteurs de manière

à assurer la transmission du rayonnement laser, le rende-

ment de photocouplage devient instable et provoque par

exemple une distorsion harmonique du second ordre En ou-

tre, dans le cas d'une variation dans le mode longitudi-

nal, on note une anomalie dans le spectre de l'effet la-

ser, comme représenté sur lafigure 4 C C'est-à-dire que,

comme cela est représenté sur la figure 4 C, il se dévelop-

pe une anomalie telle qu'un spectre (b) ou (c) par rapport au spectre normal (a) Par conséquent, le taux de bruit (rapport signal/bruit) diminue ou la caractéristique de

transmission devient plus mauvaise C'est pourquoi le ni-

veau de coude (PK) correspond à la puissance de sortie maximum dans le cas de l'utilisation préférée de l'élément

laser à semiconducteurs.

Cependant, conformément au dispositif laser à

semiconducteurs équipé du dispositif de commande automati-

que de température représenté sur la figure 5 (une autre

forme de réalisation de la présente invention), même lors-

que la température ambiante est basse, la pompe à chaleur thermoélectrique fournit l'état de température optimal à l'élément laser à semiconducteurs et par conséquent,

on obtient difficilement le coud indiqué précédemment.

Pour cette raison, même lorsque le dispositif laser à se-

miconducteurs est utilisé dans des conditions de tempéra-

ture basse, les anomalies du mode transversal et du mode

longitudinal ne se produisent pas C'est pourquoi, le ren-

dement de photocouplage tel qu'indiqué ci-dessus ne dimi-

nue pas et on obtient une puissance de sortie élevée Il va sans dire que cette forme de réalisation fournit les

effets obtenus au moyen de la-forme de réalisation pré-

cédente. La figure 6 montre encore une autre forme de

réalisation de la présente invention.

Dans les formes de réalisation précédentes,

l'élément semiconducteur incorporé dans le support de ba-

se était confiné à la diode à jonction PN devant être

utilisée pour la détection de la température Au contrai-

re, la forme de réalisation que l'on va décrire ci-après

en référence à la figure 6 est telle que le circuit de com-

mande automatique de température représenté sur la figu-

re 3 ou sur la figure 5 est incorporé dans le support de base Sur la figure 6, les parties possédant les mêmes désignations que sur la figure 3 sont désignées par les mêmes symboles ou chiffres de référence Le dispositif laser à semiconducteurs représenté sur la figure 6 est constitué par un élément laser à semiconducteurs 1, un support de base 2 dans lequel sont intégrés un détecteur de puissance optique (diode à jonction PN) PD, une diode à jonction PN TD servant à détecter la température et un

élément semiconducteur (transistor) Q constituant le cir-

cuit de commande automatique de température, et une pompe à chaleur thermoélectrique 3 L'élément laser à semicon-

ducteur 1 possède par exemple la structure telle que re-

présentée sur la figure 1 et émet les faisceaux laser L et LM à partir de ses deux faces d'extrémité Le support de base 2 est constitué par exemple par du silicium comme dans le cas de la forme de réalisation précédente et est

muni, à proximité de l'une de ses extrémités, d'un ren-

foncement 30, dans lequel l'élément laser à semiconduc-

teurs 1 est monté Dans la face oblique 31 du renfonce-

ment 30 se trouve formé le détecteur de puissance optique PD qui peut détecter de façon fiable le faisceau laser

LM émis par l'élément laser à semiconducteurs 1 Le dé-

tecteur de puissance optique PD, la diode à jonction PN

TD et le transistor Q sont formé dans des couches épita-

xialesde type N 32, 22 et 34 isolées les unes des autres, et ce au moyen d'une diffusion sélective usuelle Les électrodes 35 pour ces composantssont constitués en un métal, par exemple de l'aluminium D'autre part, une électrode 10 située sur la surface avant du support de base 2,,sur lequel l'élément laser à semiconducteurs 1 est monté, est constitué en un métal noble, par exemple de l'or comme indiqué précédemment En outre, le support

de base 2 est installé sur la pompe à chaleur thermoélec-

trique 3 La diode à jonction PN TD servant à la détec-

tion de la température doit de préférence éviter au maxi-

mum l'influence du faisceau laser LM Cette diode à jonc-

tion PN TD est formée de façon correspondante dans une po-

sition située à l'écart de l'axe L Mx du faisceau laser, comme cela est représenté sur la figure 7 Au contraire, le détecteur de puissance optique TD est situé et est

formé sur l'axe L Mx du faisceau laser de manière à réali-

ser une détection fiable du faisceau laser LM En se réfé-

rant à la figure 7, on voit que le circuit de commande au-

tomatique de température ATC tel que représenté sur la figure 3 ou sur la surface 5 et raccordé électriquement à la diode à jonction PN TD et uncircuit de commande au- tomatique de puissance optique ATC raccordé électrique ment au détecteur de puissance optique TC sont montés dans le support de base 2, à savoir un corps semiconducteur en silicium En outre, des plots de liaison P constitués par exemple par de l'aluminium sont formés sur le support

de base 2 de manière à être situé le long du bord périphé-

rique de ce dernier Des fils fins constitués par exemple par de l'or sont soudés aux plots de liaison P, qui sont raccordés électriquement à des bornes extérieures par

les fils fins.

Conformément à la-présente invention, les circuits de commande sont incorporés dans le support de

base 2 de telle sorte que le nombre des composants de-

vant être raccordés extérieurement devient très faible C'est pourquoi un appareillage de communication ou un

équipement audio, qui utilise le dispositif laser à se-

miconducteurs tel qu'indiqué dans la présente forme de-

réalisation, devient très compact, peut être fabriqué

avec un coût réduit et présente une fiabilité élevée.

Conformément à la présente invention, on en-

visage en outre les modifications suivantes:

(Mi) L'élément à jonction PN devant être uti-

lisé pour la détection de la température peut être par-

faitement bien incorporé dans un corps semiconducteur

composite qui constitue l'élément laser à semiconduc-

teurs 1 Dans ce cas, le support de base n'est pas limi-

té à du Si, mais on peut utiliser pour ce support un mé-

tal fournissant une bonne conduction thermique, comme par exemple le cuivre Mais avec ce métal le problème de

l'usinabilité reste tel qu'indiqué dans la demande d'en-

registrement de modèle d'utilité publiée sous le NO 54-19829

*dans le Journal Officiel au Japon -

(M 2) Dans les formes de réalisation représen-

tées sur les figures 1 et 6, le support de base peut tout-

à-fait être constitué par du Ge ou du Ga In As P/In P (semi- conducteur composite) Ces matériaux Ge et Ga In As P/In P présentent un rendement quantique supérieur à celui du Si dans une région de longueursd'onde supérieures ( 1,2 micron 1,6 micron) Par conséquent, en particulier dans

le cas o le détecteur de puissance optique servant à re-

cevoir le faisceau laser est intégré dans le support de base 2 comme représenté sur la figure 6, on obtient un dispositif laser à semiconducteursd'une longueur d'onde

supérieure, présentant une fiabilité élevée.

(M 3) Lorsque la pompe à chaleur thermoélectri-

que 3 est dispos& dans la capsule métallique comme repré-

senté sur la figure 2, il est difficile d'obtenir unegran-

de précision de montage de la pompe à chaleur thermo-

électrique 3 C'est pourquoi, il est également permis de monter la pomperà chaleur thermoélectrique 3 sur la

surface arrière du pied 20, c'est-à-dire en d'autres ter-

mes à l'extérieur de la capsule métallique, et de monter l'organe de support métallique sur le pied 20 ou de ne

pas utiliser l'organe de support métallique-21 et de mon-

ter-le support de base 2 sur le pied 20.

(M 4) Dans le cas d'un dispositif laser à semi-

conducteurs comportant une fibre, on envisage l'utilisa-

tion d'une structure représentée sur la figure 8 à la pla-

ce de la structure de module de la figure 2 Le dispositif

laser à semiconducteurs représenté sur la figure 8 est ef-

ficace en particulier pour le rayonnement infrarouge ou pour des longueurs d'onde supérieur et est monté dans

un appareillage de communication Sur la figure 8, le sym-

bom FB désigne la fibre Les autres symboles ou chiffres de référence correspondent aux mêmes symboles ou chiffres 253659 d

de référence que sur la figure 2.

La présente invention, qui vient d'être décri-

te, est extrêmement efficace pour un imprimante à faisceau

laserou pour une mémoire à disques dont on exige en parti-

culier une puissance de sortie optique élevée et une fia-

bilité élevée.

Claims

REVENDICATIONS

1 Dispositif laser à semiconducteurs, carac-

térisé par le fait qu'il comporte un élément laser à se-

miconducteurs ( 1), un élément à jonction PN ( 8;PD) et une pompe à chaleur thermoélectrique ( 3) qui est raccordée

électriquement aux éléments à jonction PN.

2 Dispositif laser à semiconducteurs, carac-

térisé en ce qu'il comporte un élément laser à semiconduc-

teurs ( 1), un support de base ( 2)qui supporte ledit élé-

ment laser à semiconducteurs, une pompe à chaleur thermo-

électrique ( 3),et un élément à jonction PN ( 8;PD) servant à

détecter la température et qui est formé dans ledit sup-

port de base ( 2) et est raccordé électriquement à ladite

pompe à chaleur thermoélectrique ( 3).

3 Dispositif laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit support

de base ( 2) est constitué en un matériau semiconducteur.

4 Dispositif laser à semiconducteurs selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit support de base ( 2) est constitué en un matériau-semiconducteur composite. Dispositif laser à semiconducteurs carac-

térisé en ce qu'il comporte un élément laser à semiconduc-

teurs(l), un élément à jonction PN (TD), un photodétecteur

(PD) qui est utilisé pour contrôler une puissance de sor-

tique dudit élément laser à semiconducteurs ( 1), et une pompe à chaleur thermoélectrique ( 3) qui est raccordée

électriquement audit élément à jonction PN (TD).

6 Dispositif laser à semiconducteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément de jonction PN (TD) et ledit photodétecteur (TD) sont réalisé respectivement dans des corps semiconducteurs séparés. 7 Dispositif laser à semiconducteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément à jonction PN (PD) et ledit photodétecteur (PD) sont

réalisés respectivement dans un seul corps semiconduc-

teur sur lequel ledit élément laser semiconducteur 1)

est monté.

8 Dispositif laser à semiconducteurs selon

la revendication 7, caractérisé en ce que ledit photo-

détecteur (PD) est situé sur l'axe (L x) d'un faisceau laser (L) sur ledit élément laser à semiconducteurs M ( 1) et que ledit élément à jonction PN (TD) est décalé

par rapport audit axe du faisceau laser.