JP2000138411A - 半導体レーザー装置 - Google Patents

半導体レーザー装置

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JP2000138411A
JP2000138411A JP10308524A JP30852498A JP2000138411A JP 2000138411 A JP2000138411 A JP 2000138411A JP 10308524 A JP10308524 A JP 10308524A JP 30852498 A JP30852498 A JP 30852498A JP 2000138411 A JP2000138411 A JP 2000138411A
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laser device
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Hideaki Yokota
英明 横田
Koichi Ogura
廣一 小倉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、直流電流駆動時に単一縦モードで
発振する半導体レーザー素子と、直流電流に100MH
zから1GHzの範囲内の高周波電流を重畳して半導体
レーザー素子を駆動する高周波重畳回路とを一体化して
金属製の筐体に封入することで装置全体の小型軽量化を
図った半導体レーザー装置を提供する。 【解決手段】 半導体レーザー装置10において鉄製の
ステム1の基板取り付け部8に配線基板4を取り付け
る。配線基板4には半導体レーザー素子6とこれを駆動
する回路部品5、5´で構成される高周波重畳回路とを
取り付ける。その後に、配線基板4に対してその上面に
半導体レーザー素子6からの光ビームを透過させるガラ
ス窓3を設けたキャップ2をかぶせて密閉する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー装
置、特に、光学記録媒体に対する情報の記録に用いられ
る光学ヘッド装置に実装される半導体レーザー装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】図8は特公昭59−9086号公報に記
載されている従来の光記録用の半導体レーザー装置を備
えた光学ヘッド装置の概略構成を示す図である。図8に
おいて、半導体レーザー装置100は直線偏波であるレ
ーザー光ビームを発生する。コリメータレンズ101は
半導体レーザー装置100で発生したレーザー光ビーム
を平行光に変換する。この平行光は、対物レンズ102
によって光学記録媒体103の表面に回折限界まで集光
されて光ビームとなる。この光ビームは、光学記録媒体
103の表面に記録されたパターンにより光ビームの反
射率または偏波面が変調された後に光学記録媒体103
から反射され、対物レンズ102、コリメータレンズ1
01と往路を逆向きに進行する。一般的な光学ヘッド装
置では、コリメータレンズ101と半導体レーザー装置
100の間に図示しないビームスプリッタが設置されて
おり、光学記録媒体103から戻ってきた光ビームを光
路外に分岐させる。分岐させた光ビームは図示しない受
光器で受光され、その光強度を検出して電流信号に復調
する。
【0003】なお、上述した特公昭59−9086号公
報には、一般的でないSCOOP(Self−Coup
led Optical Pickup)方式の光学ヘ
ッド装置も記載されているが、このような光学ヘッド装
置においては、ビームスプリッタおよび受光器は設けら
れていない。
【0004】以上の説明からわかるように、復路の光ビ
ームはビームスプリッタによって分岐されるが、復路の
光ビームの一部は半導体レーザー装置100に帰還され
ることになる。帰還された光(戻り光)は半導体レーザ
ー装置100におけるノイズの原因となる。以下、これ
について説明する。
【0005】例えば、上述した図8に示す光学ヘッド装
置において、光学記録媒体103が存在しない場合には
戻り光がないので、半導体レーザー装置100は直流電
流駆動時に単一縦モード発振する。これは、半導体レー
ザー装置がほぼ均一な利得スペクトルを有しているの
で、利得が損失を上回ったある単一縦モードにレーザー
光エネルギーが集中するためである。
【0006】しかし、図8に示されるように、光学記録
媒体103が存在するために戻り光がある場合(すなわ
ち光学記録媒体103からの反射光が半導体レーザー装
置100に帰還される場合)において半導体レーザー装
置100を直流電流で駆動すると、面ぶれなどによる光
学記録媒体103の変位に伴ってあるモードが隣のモー
ドにジャンプしたり、数本の縦モードが同時に発生する
場合がある。反射光が帰還する半導体レーザー装置10
0においてノイズレベルが高い原因はこのような縦モー
ドの変化にある。
【0007】この縦モードの変化は、半導体レーザー装
置の光学記録媒体側の面および光学記録媒体の面で構成
される外部光共振器の共振モードと、半導体レーザー装
置の半導体結晶の2つのへき界面で構成されるファブリ
ペロ光共振器の共振モード(縦モード)とが競合し、か
つ光学記録媒体の変位に伴って外部光共振器の共振モー
ドスペクトルが変化することによって引き起こされる。
なお、単一縦モードと多重縦モードとは、光学記録媒体
がレーザー光の発振波長の半分変位するごとに交互に起
こる。これは、半導体レーザー装置の光学記録媒体側の
面および光学記録媒体の面で構成される外部光共振器の
共振条件が同一波長に対して半波長ごとに同一になるか
らである。
【0008】従って、帰還される光による半導体レーザ
ー装置のノイズを有効に減少させるために、半導体レー
ザー装置の駆動電流として高周波電流を重畳した直流電
流が用いられている。この時、半導体レーザー装置は多
重縦モードで発振するので、縦モードの競合によるノイ
ズが発生しない。なお、このような技術は、特公平4−
66059号公報、特公平5−78093号公報、特開
平6−176395号公報などに記載されている。
【0009】ここで、このような従来の光学ヘッド装置
について説明する。図9は従来の光学ヘッド装置の構成
を示す図である。図9において、半導体レーザー素子1
16は、ヒートシンク120上に設置され、金属製の筐
体115により窒素封入されている。光ビームは半導体
レーザー素子116からガラス窓117を通して出射さ
れる。コリメータレンズ113と対物レンズ111の間
には光ビームの光路を直角に曲げるためのミラー112
が設置されている。これは、半導体レーザー素子116
から出射された光ビームの光路を曲げることによって光
学ヘッド装置を薄型にするためである。これらの部品は
ハウジング114内に搭載され、これにより、光学ヘッ
ド装置が構成される。なお、ハウジング114は、光学
記録媒体110と平行に設置されたガイド140に沿っ
て対物レンズ111と光学記録媒体110の間の距離が
変化しないように移動可能な構造になっている。これに
より、光学記録媒体110の記録トラック間のシーク動
作が可能となる。
【0010】半導体レーザー素子116の駆動回路とし
て用いられる高周波重畳回路118は、高周波重畳回路
118からの不要輻射を防止するために金属製のケース
119に収納され、光学ヘッド装置とは別個に設けられ
ている。なお、高周波重畳回路118はハウジング11
4とともに移動するように設けられている。この理由
は、半導体レーザー素子116と高周波重畳回路118
を接続する配線の長さを短くすることが浮遊容量による
電流のもれを防止するのに最も効果があるからである。
【0011】図10は従来の半導体レーザー装置の外観
構成を示す図である。図10に示す従来の半導体レーザ
ー装置における金属製の筐体は、ステム121、窓12
6が設けられているキャップ125、およびリード線1
22a、122bから構成される。半導体レーザー素子
(半導体レーザーチップ)124は、Siなどで形成さ
れた放熱用サブマウント123に金スズ合金などでロウ
付け接合されている。また、放熱用サブマウント123
は取り付け部材122にロウ付け接合されている。
【0012】なお、図10においては、キャップ125
およびステム121は別体であるように示されている
が、実際には、キャップ125およびステム121は乾
燥窒素を封入した状態でリングウエルドにより密着固定
される。これは、半導体レーザー装置の光出射面の損傷
を防止するためである。
【0013】図11は従来の半導体レーザー装置の半導
体レーザー素子を駆動する駆動回路の外観構成を示す図
である。ガラスエポキシ製の配線基板131上に回路部
品132、132´などを表面実装し、配線基板131
をその上部から金属製のカバー部材130で覆って密閉
する。これは、回路部品132、132´などによって
構成される電子回路から不要な電磁波(高周波)が漏洩
するのを防止するためである。なお、この電子回路には
電源と高周波電流が重畳された直流電流を出力するため
の端子が必要であるので、配線基板131としてはその
両面に回路部品が実装可能な両面基板が用いられる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来では、
半導体レーザー装置と比較して半導体レーザー素子を駆
動する駆動回路のサイズが大きすぎるので、半導体レー
ザー装置および駆動回路を合わせたサイズが大きくなっ
ていた。そのため、このような半導体レーザー装置およ
び駆動回路を光学ヘッド装置に実装した場合、シーク速
度などのシーク動作に悪影響を与えるという問題があ
る。
【0015】また、従来では、半導体レーザー素子を駆
動する駆動回路から不要輻射が生じやすく、その周辺回
路を流れる電流にノイズとして重畳してその周辺回路に
悪影響を与えるという問題がある。
【0016】さらに、半導体レーザー装置および駆動回
路の組み立ては2個の筐体を用意し、半導体レーザー装
置と駆動回路を別々に組み立てる必要があるので、その
組み立て作業に手間がかかるという問題がある。
【0017】さらにまた、半導体レーザー装置の組み立
てには多くの部材を必要とし、その組み立てにも手間が
かかるので、製造コストが増加するという問題がある。
【0018】その上に、半導体レーザー装置における電
流消費効率が良くないので、駆動回路において発生させ
る電流の量がそれだけ余分に必要になるという問題があ
る。
【0019】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、本発明の目的は、直流電流駆動時に単一縦モー
ドで発振する半導体レーザー素子と、直流電流に100
MHzから1GHzの範囲内の高周波電流を重畳して半
導体レーザー素子を駆動する高周波重畳回路を一体化し
て金属製の筐体内に封入することにより、装置全体の小
型軽量化を図った半導体レーザー装置を提供することに
ある。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に記載の発明の半導体レーザー装置は、直
流電流駆動時に単一縦モードで発振する半導体レーザー
素子と、前記半導体レーザー素子を駆動する駆動回路
と、前記半導体レーザー素子および前記駆動回路を一体
化して封入する金属製の筐体とを備えたことを特徴とす
る。
【0021】上記請求項1に記載の発明の半導体レーザ
ー装置において、請求項2に記載の発明は、前記駆動回
路は、100MHzから1GHzまでの範囲内の高周波
電流を直流電流に重畳することを特徴とする。
【0022】上記請求項1に記載の発明の半導体レーザ
ー装置において、請求項3に記載の発明は、前記駆動回
路を構成する回路部品が実装される配線基板を備え、前
記配線基板の少なくとも一部は前記半導体レーザー素子
の放熱用マウント部材で構成されていることを特徴とす
る。
【0023】上記請求項3に記載の発明の半導体レーザ
ー装置において、請求項4に記載の発明は、前記放熱用
マウント部材はAlNまたはCuWで構成されているこ
とを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【0025】図1は本発明の実施の形態の半導体レーザ
ー装置の外観構成を示す図である。図1において、本発
明の実施の形態の半導体レーザー装置10は、鉄製のス
テム1と、ステム1上に一体化して設けられている基板
取り付け部8と、基板取り付け部8に取り付けられ、金
製の配線パターンが形成されている配線基板4と、配線
基板4に形成されている配線パターン上に取り付けられ
る回路部品5、5´と、回路部品5、5´と同様にして
配線基板4に取り付けられ、図示しないGaAlAs/
GaAs基板上に形成されたダブルへテロ構造の半導体
レーザー素子6とを備えている。
【0026】半導体レーザー素子6を駆動する駆動回路
として用いられる高周波重畳回路は配線基板4の配線パ
ターンに取り付けられる回路部品5、5´などによって
構成される。従って、従来の半導体レーザー装置の場合
と比較して、高周波重畳回路を半導体レーザー素子6に
近接して設けているので、高周波伝送距離が短くなって
いる。
【0027】半導体レーザー素子6は、直流電流駆動時
において単一縦モードで780nmの波長の光ビームを
発生する。なお、半導体レーザー素子6の取り付けは、
配線基板4に設けられた取り付け面に金スズ合金を用い
て行われる。
【0028】直流電流駆動時の半導体レーザー素子6に
生じる熱を効率よく伝達して放熱を行うためには放熱用
マウント部材を用いる必要がある。本発明の実施の形態
では、放熱用マウント部材を別に形成することなく、半
導体レーザー素子6を取り付ける配線基板4を放熱用マ
ウント部材としても機能させる。そのため、配線基板4
として熱伝導率が高い材料を用いることが必要である。
また、半導体レーザー素子6の発熱による材料の変形に
伴う応力緩和のために、半導体レーザー素子6のGaA
lAs/GaAs基板と等しいまたはこれに近い熱膨張
係数を有する材料を用いることも必要である。従って、
ここでは、配線基板4としてAlNが用いられる。この
AlNは焼結体であり、その熱伝導度は150W/K程
度である。なお、AlNは配線基板4の少なくとも一部
(例えば、半導体レーザー素子6の取り付け部分)を構
成するように形成すればよい。
【0029】また、配線基板4として、AlNの代わり
に、熱伝導率が高いCuWを用いることができる。さら
に、直流電流駆動時において半導体レーザー素子6から
の発熱が少ない場合には、配線基板4としてシリコンウ
エハなどを用いることができる。
【0030】配線基板4は、金スズ合金を用いて基板取
り付け部8にロウ付け接合される。さらに、配線基板4
に対してコバール(鉄−ニッケル−コバルト合金)で構
成されるキャップ2をかぶせて密閉する。キャップ2の
上面にはガラス窓3が設けられており、ガラス窓3を通
して半導体レーザー素子6から光ビームが出射できるよ
うに構成されている。配線基板4から取り出される配線
は図示しない金ワイヤによってリード線7に接続され
る。
【0031】以上のように、半導体レーザー素子6およ
び高周波重畳回路は、配線基板4上に一体化して取り付
けられ、ステム1およびキャップ2によって構成される
金属製の筐体に封入される。なお、この金属製の筐体
は、半導体レーザー素子6および高周波重畳回路を湿度
から保護する機能の他に、高周波重畳回路が発生する不
要輻射を遮蔽する機能を有している。
【0032】図2は本発明の実施の形態の半導体レーザ
ー装置における高周波重畳回路の構成を示す回路図であ
る。図2に示すように、駆動電流Iを供給してレーザー
ダイオード(LD)のような半導体レーザー素子を駆動
する高周波重畳回路は、直流電流源Isoを備え、電圧
+Vccが供給されるコレクタ接地のトランジスタTR
などにより発振回路を構成している。
【0033】なお、半導体レーザー装置の発振周波数は
光学記録媒体に対する記録信号の周波数よりも十分高く
する必要がある。従って、高周波重畳回路は、直流電流
に100MHzから1GHzまでの範囲内の周波数、こ
こでは、300MHzの高周波電流を重畳する。これ
は、重畳する高周波電流の周波数が100MHzより低
い場合にはノイズレベルを低減することが期待できず、
一方、その周波数が1GHzより高い場合には不要輻射
エネルギが大きくなってしまうからである。
【0034】これにより、本発明の実施の形態の半導体
レーザー装置では、その発振周波数が100MHzから
1GHzまでの範囲内の周波数、ここでは300MHz
となる。また、本発明の実施の形態の半導体レーザー装
置では、その最大光出力を35mW相当で駆動できるよ
うにしている。
【0035】図3は本発明の実施の形態の半導体レーザ
ー装置における高周波重畳回路で発生する駆動電流およ
び半導体レーザー素子のレーザー光出力の時間プロファ
イルを示す図である。図3において、(a)は本発明の
実施の形態の半導体レーザー装置における駆動電流−光
出力特性を示し、(b)は本発明の実施の形態の半導体
レーザー装置における駆動電流−時間特性を示し、
(c)は本発明の実施の形態の半導体レーザー装置にお
ける光出力−時間特性を示している。
【0036】図3の(a)に示すように、駆動電流Iを
増加させて閾値電流Ithに達すると半導体レーザー素
子はレーザー発振を開始する。その後、駆動電流Iの増
加に従って直線的に半導体レーザー素子の光出力Lが増
大する。図3の(b)では、高周波重畳回路によって駆
動電流Ioに高周波電流が重畳された駆動電流波形を示
している。さらに、高周波電流が重畳された駆動電流の
最小値Imを閾値電流Ithの値より低く設定すること
により、半導体レーザー素子が波形周期ごとに発振停止
できるようにしている。その結果、半導体レーザー素子
の光出力の時間プロファイルは図3の(c)に示すよう
になり、半導体レーザー素子は間欠発振することにな
る。
【0037】図4は従来の半導体レーザー装置における
光スペクトルおよび本発明の実施の形態の半導体レーザ
ー装置における光スペクトルを示す図である。図4
(a)は直流電流に高周波電流を重畳しないで駆動する
従来の半導体レーザー装置における光スペクトルを示
し、図4(b)は直流電流に高周波電流を重畳して駆動
する本発明の実施の形態の半導体レーザー装置における
光スペクトルを示している。なお、図4において、横軸
は波長を示し、縦軸は光強度を示している。
【0038】図4(a)では単一縦モード発振が観測さ
れるが、図4(b)では多重縦モード発振を観測するこ
とができる。
【0039】図5は従来の半導体レーザー装置における
ノイズ特性と本発明の実施の形態の半導体レーザー装置
におけるノイズ特性を比較した結果を示す図である。図
5において、点線は直流電流に高周波電流を重畳しない
で駆動する従来の半導体レーザー装置におけるノイズレ
ベルを示し、実線は直流電流に高周波電流を重畳して駆
動する本発明の実施の形態の半導体レーザー装置におけ
るノイズレベルを示している。また、図5において、縦
軸はノイズレベル(dB)を示し、横軸はレーザー光の
反射量(%)を示している。
【0040】図5からわかるように、すべての反射量領
域において著しいノイズレベルの低減効果が得られてい
る。
【0041】図6は従来の半導体レーザー装置の消費電
力と本発明の実施の形態の半導体レーザー装置の消費電
力を比較した結果の一例を示す図である。なお、この場
合、半導体レーザー装置の光出力は35mWである。
【0042】上述したように、本発明の実施の形態の半
導体レーザー装置では半導体レーザー素子と高周波重畳
回路を接続する高周波伝送経路の長さが短いので、エネ
ルギー損失が少ない。従って、図6に示すように、本発
明の実施の形態の半導体レーザー装置の消費電力は従来
の半導体レーザー装置の消費電力の80%以下となって
いる。従って、高周波重畳回路が発生する駆動電流の量
を減少させることができ、半導体レーザー装置の省電力
化を図ることができる。また、エネルギー損失が減少し
た分だけ不要輻射の量が減少することになるので、周辺
回路に対するノイズのもれも少なくなる。
【0043】なお、図6には示していないが、半導体レ
ーザー素子自体の消費電力は70mW程度である。従っ
て、一概にはいえないが、高周波重畳回路自体の消費電
力は、従来の場合には50mW程度、本発明の場合には
25mW程度である。これにより、高周波重畳回路から
の不要輻射という点について比較してみれば、本発明の
実施の形態の半導体レーザー装置の場合の不要輻射の量
は従来の50%以下となっていることがわかる。
【0044】図7は従来の半導体レーザー装置および駆
動回路を合わせたサイズと本発明の実施の形態の駆動回
路が一体化された半導体レーザー装置のサイズを比較し
た結果の一例を示す図である。なお、従来の半導体レー
ザー装置のサイズは5.6φ×6mmであり、駆動回路
のサイズは16×8×5mmである。
【0045】本発明の実施の形態の半導体レーザー装置
では駆動回路との一体化を図ったので、図7からわかる
ように、容積比で従来の30%以下に半導体レーザー装
置を小型化することが可能である。
【0046】
【発明の効果】以上、本発明によれば、半導体レーザー
素子とその駆動回路を一体化して筐体に封入したことに
より、半導体レーザー装置を容積比で従来の30%以下
に小型化することができ、その軽量化を図ることも可能
となる。従って、このように小型軽量化された半導体レ
ーザー装置を光学ヘッド装置に実装した場合には、光学
ヘッド装置全体の小型軽量化を図ることが可能となる。
また、光学ヘッド装置におけるシーク動作を効率良く行
うことができ、光学ヘッド装置の性能を向上させること
が可能となる。
【0047】また、半導体レーザー素子とその駆動回路
を近接配置して高周波伝送経路の長さを短くし、さらに
金属製の筐体に封入したことにより、駆動回路から発生
する不要輻射の量を従来の50%以下に減少させること
ができる。
【0048】さらに、半導体レーザー素子とその駆動回
路を単一の筐体に一体化して封入し、また、駆動回路を
構成する回路部品を実装するための配線基板の少なくと
も一部を半導体レーザー素子の放熱用マウント部材で構
成することにより、半導体レーザー装置の部品点数を削
減し、その組み立て工程を短縮することができる。これ
により、半導体レーザー装置を簡便に組み立てることが
可能となり、その製造コストを下げることができる。
【0049】さらにまた、半導体レーザー装置の消費電
力が従来の80%以下に低下したので、駆動回路が発生
する駆動電流を従来の80%以下に減少させることがで
きる。これにより、半導体レーザー装置の電流消費効率
が向上するので、その省電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の半導体レーザー装置の外
観構成を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態の半導体レーザー装置にお
ける高周波重畳回路の構成を示す回路図である。
【図3】本発明の実施の形態の半導体レーザー装置にお
ける高周波重畳回路で発生する駆動電流および半導体レ
ーザー素子のレーザー光出力の時間プロファイルを示す
図である。
【図4】従来の半導体レーザー装置におけるレーザー光
スペクトルおよび本発明の実施の形態の半導体レーザー
装置におけるレーザー光スペクトルを示す図である。
【図5】従来の半導体レーザー装置におけるノイズ特性
と本発明の実施の形態の半導体レーザー装置におけるノ
イズ特性の比較結果を示す図である。
【図6】従来の半導体レーザー装置の消費電力と本発明
の実施の形態の半導体レーザー装置の消費電力の比較結
果の一例を示す図である。
【図7】従来の半導体レーザー装置および駆動回路を合
わせたサイズと本発明の実施の形態の駆動回路が一体化
された半導体レーザー装置のサイズを比較した結果の一
例を示す図である。
【図8】従来の半導体レーザー装置を用いた光ヘッド装
置の概略構成を示す図である。
【図9】従来の光学ヘッド装置の構成を示す図である。
【図10】従来の半導体レーザー装置の外観構成を示す
図である。
【図11】従来の半導体レーザー装置のレーザー素子を
駆動する駆動回路の外観構成を示す図である。
【符号の説明】
1 ステム 2 キャップ 3 ガラス窓 4 配線基板 5、5´ 回路部品 6 半導体レーザー素子 7 リード線 8 基板取り付け部 10 半導体レーザー装置
フロントページの続き Fターム(参考) 5B072 DD02 LL12 5D119 AA01 AA37 AA38 BA01 DA01 FA05 FA28 FA29 FA32 FA33 HA41 HA68 5F073 AB15 BA06 EA01 EA27 EA29 FA13 FA15 FA18 GA38

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電流駆動時に単一縦モードで発振す
    る半導体レーザー素子と、 前記半導体レーザー素子を駆動する駆動回路と、 前記半導体レーザー素子および前記駆動回路を一体化し
    て封入する金属製の筐体とを備えたことを特徴とする半
    導体レーザー装置。
  2. 【請求項2】 前記駆動回路は、100MHzから1G
    Hzまでの範囲内の高周波電流を直流電流に重畳するこ
    とを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザー装置。
  3. 【請求項3】 前記駆動回路を構成する回路部品が実装
    される配線基板を備え、 前記配線基板の少なくとも一部は前記半導体レーザー素
    子の放熱用マウント部材で構成され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ー装置。
  4. 【請求項4】 前記放熱用マウント部材はAlNまたは
    CuWで構成されていることを特徴とする請求項3に記
    載の半導体レーザー装置。
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