JP2004289025A - 半導体レーザモジュール、及び半導体レーザモジュール用電子冷却素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力化、低消費電力化、高信頼性化した半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子４とペルチェ素子５が定電圧電源回路６と電気的に直列に接続され、半導体レーザ素子４を含む半導体レーザモジュールのパッケージ温度は前記レーザモジュールが使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、前記駆動電流の増加に伴って単調に減少する。
半導体レーザ素子４の駆動電流Ｉｌｄは、自動半導体レーザ光出力制御素子７で制御される。この定電圧電源回路６の電圧は５Ｖとした。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体レーザ素子４とペルチェ素子５が定電圧電源回路６と電気的に直列に接続され、半導体レーザ素子４を含む半導体レーザモジュールのパッケージ温度は前記レーザモジュールが使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、前記駆動電流の増加に伴って単調に減少する。
半導体レーザ素子４の駆動電流Ｉｌｄは、自動半導体レーザ光出力制御素子７で制御される。この定電圧電源回路６の電圧は５Ｖとした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＤＦＡやラマン増幅器等の光ファイバ増幅器用に用いられる高出力の半導体レーザモジュール、および半導体レーザモジュール用電子冷却素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間の接続の急増等によって、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決するため、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】
ＷＤＭシステムは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に既存のＷＤＭシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ（以下、ＥＤＦＡ）やラマンアンプ等の光ファイバアンプが必須であり、これにより広帯域・長距離伝送を可能としている。ここで、ＥＤＦＡは、エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバに波長１４８０ｎｍ、あるいは波長９８０ｎｍの励起レーザで励起した光を通すことによって、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光が上記特殊ファイバの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバアンプである。
【０００４】
また、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加ファイバといった特殊なファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする分布型あるいは集中型の光ファイバアンプであり、従来のＥＤＦＡを用いたＷＤＭ伝送システムに比べ広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。
【０００５】
上述したようなＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、光ファイバアンプは、単一水平横モードで安定動作する高出力の半導体励起レーザを必要とする。この励起レーザとして、上記した量子井戸構造の活性層、好適には複数の量子井戸層とバリア層で構成された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ構造）を活性層に有する埋め込みヘテロ型半導体レーザ素子（ＢＨレーザ）が有効である。実際に、その半導体レーザ素子をパッケージした半導体レーザモジュールが光ファイバアンプの励起光源として用いられている。
【０００６】
また、より一層の高出力化のために以下のような技術が公開されている。（特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１６７１５３号公報
【０００８】
図２は特許文献１に記載されている先行技術を示す。この半導体レーザ制御回路は、半導体レーザ素子１と、この半導体レーザ素子１を冷却するためのペルチェ素子２と、半導体レーザ素子１およびペルチェ素子２それぞれに電流を供給するための電流源回路３とによって構成されている。
【０００９】
この図２からわかるように、半導体レーザ素子１、ペルチェ素子２および電流源回路３は直列に接続された構成となっており、電流源回路３から供給される電源は半導体レーザ素子１に供給されるとともに、ペルチェ素子２にも供給され、それぞれを駆動させる。
【００１０】
半導体レーザ素子１から高光出力を得るためには、半導体レーザ素子１に大電流を流す必要があるが、一般的に半導体レーザ素子は高温になると、熱飽和で光出力は低下する。図２に示す半導体レーザ制御回路では半導体レーザ素子１、ペルチェ素子２及び電流源回路３が直列に接続された構造となっているため、半導体レーザから高光出力を得る目的で電流源回路３の出力電流を増加させると、ペルチェ素子２に流れる電流も増加する。このためペルチェ素子２の冷却能力が高まり、半導体レーザ素子１を効率的に冷却することができる。従って半導体レーザ素子１の発熱を抑えることができ、効率低下を防止することができる。また、ペルチェ素子２を駆動するための別回路が不要になり、消費電力を抑えることができる。
【００１１】
図２に示した半導体制御回路は半導体レーザ素子１とペルチェ素子２を直列に駆動する半導体レーザモジュールであるが、低消費電力化のために、ペルチェ素子２を使用しない半導体レーザモジュールもある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術の半導体レーザモジュールの高光出力をさらに向上させることを目的に、本発明者等は、鋭意研究の結果本発明を達成するに至った。すなわち本発明の課題は、半導体レーザモジュールのさらなる光の高出力化、低消費電力化、高信頼性化にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を冷却する電子冷却素子と、前記半導体レーザ素子の温度を測定する温度測定素子とを有する半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度は前記レーザモジュールが使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、前記駆動電流の増加に伴って単調に減少することを特徴としている。
【００１４】
また請求項２にかかる半導体レーザモジュールは、前記電子冷却素子がペルチェ素子であることを特徴としている。
【００１５】
また請求項３にかかる半導体レーザモジュールは、前記半導体レーザ素子の前記駆動電流の範囲が０〜２Ａであることを特徴としている。
【００１６】
また請求項４にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜４に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を筐体の外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００１７】
また請求項５にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜４に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに外部共振器を有することを特徴としている。また請求項６にかかる半導体レーザモジュールは、前記駆動電源回路が直流定電圧電源であってかつ前記駆動電源回路の電圧は１０Ｖ以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７にかかる半導体レーザモジュール用電子冷却素子は、前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度が使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、単調に減少するように前記電子冷却素子の対数、または素子の断面積を決定することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる半導体レーザモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。図８は、この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュール５０の構成を示す縦断面図である。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、上述した実施の形態１に含まれるペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。
【００２１】
ベース５７上には、半導体レーザ素子５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ素子５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ素子５１の出射端面とは反対側の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００２２】
半導体レーザ素子は、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、特に歪ＭＱＷ構造を用いた。ＭＱＷ構造は、半導体材料で作成された井戸層とバリア層が交互にヘテロ接合され、特に各へテロ接合において、バリア層は、井戸層よりも広いバンドギャップエネルギーを有している。また、歪ＭＱＷ構造は、井戸層の半導体材料の格子定数と半導体基板の格子定数とが異なる構造である。
【００２３】
さらに、ＭＱＷ構造の活性層を有する半導体レーザ素子は、ＭＱＷ構造の活性層に隣接した下部と上部に光導波路としても機能する分離閉じ込めヘテロ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、略してＳＣＨ）を用いた。このＳＣＨ構造により、活性層内に発生したレーザ光の閉じ込めをより効率的に行なうことができ、高出力動作が実現できる。
【００２４】
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子においては、より一層の高出力化のために、前記ＳＣＨ構造としてＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を採用した。
【００２５】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に再入力しないように、半導体レーザ素子５１と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。なお、アイソレータは必須要件ではなく、例えば波長を選択するためにファイバグレーティング等の外部に光部品を用いる場合、このアイソレータは使用されない（実施の形態２で詳細に述べる。）。
【００２６】
図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュール５０の回路図を示す。半導体レーザ素子４（図８の半導体レーザ素子５１に相当）とペルチェ素子５（図８のペルチェ素子５８に相当）は直列に接続され、定電圧電源回路６に接続されている。半導体レーザ素子４の駆動電流Ｉｌｄ（直列接続であるため、ペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃと等しい。従って以下は単に駆動電流Ｉという）は、自動半導体レーザ光出力制御素子７で制御される。この定電圧電源回路６の電圧は本実施の形態１では５Ｖとした。
【００２７】
図３は実施の形態１にかかる半導体レーザモジュール５０の半導体レーザ素子の駆動電流Ｉと半導体レーザ素子の温度Ｔｓの関係を示す。○のラインは本発明を用いることで高出力化された半導体レーザモジュールにおいて、特に駆動電流が１．２Ａ程度までの範囲で高出力化が可能な半導体レーザモジュールＡに関するものである。△のラインは駆動電流が０．７Ａ付近までの範囲で高出力化が可能な半導体レーザモジュールＢに関するものである。半導体レーザモジュールＡ、Ｂともに本発明の実施の形態であり、それぞれ適切な駆動電流範囲が異なる。すなわち半導体レーザモジュールＡの適切な駆動電流範囲は０〜１．２Ａ近傍、半導体レーザモジュールＢの適切な駆動電流範囲は０〜０．７Ａ近傍である。また半導体レーザ素子の温度は、図８に示したように半導体レーザ素子近傍に設置されるサーミスタ５８ａ等の温度測定素子で測定される。また、半導体レーザモジュール５０のパッケージ温度Ｔｃは７５℃である。ここでパッケージ温度は、半導体レーザモジュールを設置する台の内部で、半導体レーザモジュール近傍の温度であり、ほぼパッケージ５９の外側の温度を表している。
【００２８】
ここで、ペルチェ素子は温度Ｔｓが一定になるように制御されていない。したがって、半導体レーザ素子の駆動電流Ｉが増減すると同時に、ペルチェ素子の駆動電流Ｉが増減するので、ペルチェ素子の冷却能力は増減する。
【００２９】
この図３からわかるように、駆動電流Ｉが増加すると半導体レーザ素子の温度Ｔｓは減少する。これは、直列に接続されたペルチェ素子の駆動電流が増加することでペルチェ素子の冷却能力が増加することで説明される。すなわち半導体レーザ素子の発熱量よりもペルチェ素子の吸熱量が大きいことによる。
【００３０】
具体的には、駆動電流Ｉが０〜１．２Ａの範囲で、○の半導体レーザモジュールＡの半導体レーザ素子の温度Ｔｓは単調に減少している。
さらに、△の半導体レーザモジュールＢの半導体レーザ素子温度Ｔｓは、駆動電流が０．７Ａ付近までは単調に減少しているが、駆動電流Ｉが０．７Ａ付近以上で上昇し始める。これは半導体レーザモジュールＢでは、駆動電流Ｉが０．７Ａ以上になると、ペルチェ素子の吸熱量よりも半導体レーザ素子の発熱量が大きくなったためである。
【００３１】
一方、○の半導体レーザモジュールＡの半導体レーザ素子温度Ｔｓは、駆動電流Ｉが１Ａ付近まで単調に減少している。これは、この駆動電流範囲では、つねにペルチェ素子の吸熱量が半導体レーザ素子の発熱量よりも大きいことによる。
【００３２】
すなわち、ペルチェ素子の冷却能力設計により、同じ構造の半導体レーザ素子を用いて○と△のような駆動電流Ｉと温度特性Ｔｓの関係を適宜設計できる。
【００３３】
具体的には、ペルチェ素子の対数、形状、配列などを適宜選択することで上記特性を適宜設計できる。一般に例えば、ペルチェ素子を構成する柱状の素子の断面積が大きくなる、または素子の対数が大きくなるとペルチェ素子の冷却能力は増加し、Ｔｓの最低温度を与える半導体素子の駆動電流Ｉは上昇する。
【００３４】
半導体レーザモジュールＡの場合、使用したペルチェ素子の対数は３５対、素子の断面積は１．１×０．８ｍｍ２であった。また半導体レーザモジュールＢの場合、素子の対数は３１対、素子の断面積は０．６４×０．６４ｍｍ２であった。これらの構造から、半導体レーザモジュールＡのペルチェ素子は半導体レーザモジュールＢのペルチェ素子よりも素子の対数、素子の断面積が大きく、冷却能力が大きいため、Ｔｓの最低温度を与える半導体素子の駆動電流Ｉは１．２Ａ以上になった。
【００３５】
次に、半導体レーザ素子の寿命（経時劣化）について以下に述べる。一般に半導体レーザ素子はレーザの温度（ここではＴｓ）が上昇するに伴い、光出力が低下することが知られている。１．４８μｍ帯のレーザのような長波長帯のレーザでは特にその傾向を持つ。半導体レーザモジュールはＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）駆動、すなわち光出力一定の駆動が行われる。この時、レーザが経時劣化して出力が低下すると、その劣化した条件下で一定の光出力を得るために、レーザの駆動電流値を上昇させる方法で制御が行われる。そして、経時劣化に伴う駆動電流の上昇が進み、例えば駆動電流が初期値の１．２倍になった時に半導体レーザモジュールは寿命に達したと判断される。
【００３６】
ここで、半導体レーザ素子の初期の駆動条件下で、駆動電流Ｉと素子温度Ｔｓの関係において、一次微分係数ｄＴｓ／ｄＩ＞０である場合、レーザが劣化して駆動電流が上昇すると、同時にＴｓも上昇し、これは前述のようにさらにレーザの光出力を低下させることになる。すなわちこのような構成に於いては、通常のＴｓ一定の駆動条件に較べて駆動電流の上昇速度が速くなりレーザの寿命は短くなるため、信頼性が損なわれることになる。
【００３７】
一方、半導体レーザ素子の初期の駆動条件がｄＴｓ／ｄＩ≦０であれば、駆動電流Ｉの上昇に伴ってＴｓが低下し、これはレーザの光出力を向上させるように寄与するため、経時劣化率はＴｓ一定駆動の場合に較べて減少し、通常以上の高信頼性が得られることになる。特に寿命判定される条件、例えばこの例においては初期駆動電流Ｉの１．２倍の条件まで、ｄＴｓ／ｄＩ≦０が保たれているとその効果は更に大きい。
【００３８】
図４は半導体レーザモジュールの駆動電流と光出力の関係を示す。半導体レーザモジュールＡの光出力は駆動電流が１．２Ａまで熱飽和することなく増加した。一方半導体レーザモジュールＢの光出力は駆動電流が０．８Ａ付近で熱飽和する傾向を示した。
【００３９】
従って、半導体レーザ素子の駆動電流動作範囲において常に、駆動電流Ｉの増加に伴って半導体レーザ素子温度Ｔｓが単調減少するという関係を実現することによって、より信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。この単調減少は、以下の式で表現できる。
ｄＴｓ／ｄＩ≦０
【００４０】
図５は半導体レーザモジュールＡの場合で、駆動電流Ｉに関する半導体レーザ素子の電圧とペルチェ素子の電圧の合計を示す。駆動電流１．２Ａまで合計電圧は４Ｖを超えることはない。よって、本半導体レーザモジュールは、定電圧電源回路の電圧が５Ｖで十分動作する。
【００４１】
図６は光出力と回路の全電流の関係を示す。○は半導体レーザモジュールＡ、比較のために、◇は半導体レーザモジュールＣ、を示す。
【００４２】
図７は半導体レーザモジュールＣの回路図を示す。半導体レーザ素子１１とペルチェ素子１０は並列に接続されている。図７の半導体レーザモジュールＣの回路の全電流Ｉｔｏｔａｌはペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃと半導体レーザ素子の駆動電流Ｉｌｄの合計である。図６からわかるように、同じ光出力を得るためには、半導体レーザ素子とペルチェ素子が直列に接続されたモジュールＡの回路の全電流Ｉ（ペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃ及び半導体レーザ素子の駆動電流Ｉｌｄと等しい）は、半導体レーザモジュールＣの全電流Ｉｔｏｔａｌの半分以下である。従って同じ光出力を得るために必要な本発明の回路の全電流は、比較例である半導体レーザモジュールＣの回路の全電流の半分以下になる。例えば、２５０ｍＷの光出力を得るために、比較例の回路の全電流は２Ａ程度必要であったが、本発明の半導体レーザモジュールＡの全電流は１Ａであった。
【００４３】
また、このような５Ｖ電源による駆動を前提とすれば定駆動電流化によって、同等の光出力を得るために必要な消費電力は、ペルチェ素子を使用しない半導体レーザモジュールと比較して小さくなる。
【００４４】
また、本実施の形態１では、定電圧電源の電圧は５Ｖとしたが、１０Ｖ以下であってもよい。より好ましくは５Ｖ以下である。さらにより好ましくは３Ｖ以下である。
また、本実施の形態１では、電子冷却素子として、ペルチェ素子を用いたがその他のものであってもよい。
【００４５】
また、本実施の形態１では、半導体レーザ素子の駆動電流の範囲は０〜１．２Ａであったが、この範囲に限定されない。すなわち、０〜１．５Ａ、０〜２Ａ、０〜２．５Ａ、０〜３Ａ、０〜４Ａ、０〜５Ａ、０〜６Ａの範囲でも本発明を同様に適用できる。
【００４６】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２は、上述した実施の形態１で示した半導体レーザモジュールにおいて、さらに外部共振器としてＦＢＧ（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を具備した半導体レーザモジュールである。
【００４７】
図９はこの発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図９において、半導体レーザモジュールは、波長選択を目的とするＦＢＧ６０を光ファイバに具備している。半導体レーザ素子から出射された光の一部が、ＦＢＧによって反射され半導体レーザ素子に再度入射するため、ＦＢＧ６０を具備する半導体レーザモジュールは図８に示すようなアイソレータを具備しない。
【００４８】
また、ペルチェ素子５８の対数は３５対、素子の断面積は１．１×０．８ｍｍ２である。半導体レーザ素子とペルチェ素子は、図１に示すように電気的に直列に接続されている。
【００４９】
図１０は、半導体レーザモジュールのパッケージ温度における、半導体レーザ素子の駆動電流（ペルチェ素子の駆動電流と同じ値）と光出力の関係を示す。発振波長は１４２５ｎｍ、半導体レーザ素子の出射側の低反射膜ＡＲの反射膜は０．１％〜０．５％、ＦＢＧの反射率は２％、ＦＢＧの半値幅は２ｎｍを用いた。０〜７５℃の温度範囲で半導体レーザモジュールの最大光出力は３００ｍＷ以上となった。また半導体レーザ素子とペルチェ素子の合計電圧を右縦軸に示す。半導体レーザ素子の温度が高いほど、ペルチェ素子の電圧は大きくなっている。
【００５０】
比較例として、図１１はぺルチェ素子を具備しない半導体レーザモジュールＤの結果である。図１１からわかるようにパッケージ温度が７０℃〜７５℃の場合、光出力は２００ｍＷ程度に低下した。また半導体レーザ素子とペルチェ素子の合計電圧を右縦軸に示す。半導体レーザ素子の温度によりペルチェ素子の電圧は変化していないことがわかる。
【００５１】
図１２は、図１０に記載された本発明の半導体レーザモジュールを用いた場合で、各パッケージ温度における、駆動電流と（半導体レーザ素子温度Ｔｓ−半導体レーザモジュールのパッケージ温度Ｔｃ）の関係を示す。半導体レーザモジュールのパッケージ温度が最高使用温度（この場合７５℃）のとき、駆動電流Ｉが０〜１．２Ａの範囲で、ｄ（Ｔｓ−Ｔｃ）／ｄＩ≦０が成立していることがわかる。
【００５２】
パッケージ温度が０〜５０℃の場合、Ｔｓ−Ｔｃの極小点を与える駆動電流が１．２Ａよりも小さいが、半導体レーザ素子温度Ｔｓは常に７５℃より低い。このことは、図１０において０〜５０℃の範囲で光出力は十分大きいことからも理解される。
【００５３】
図１３は本発明の実施の形態２の半導体レーザモジュールにおいて、発振スペクトルの温度依存性を示す。０〜７５℃の範囲において中心波長は１４２６ｎｍに固定されていた。一方、ＦＢＧの無い形態に於いては、中心波長は約０．４ｎｍ／℃の温度依存性を示すため、７５℃の温度差の場合、波長差は約３０ｎｍとなる。これはＥＤＦＡの吸収スペクトルから考えて許容範囲の上限に近い。また、ラマン増幅に適用するためには波長変化が大きい。よって、発振波長を固定したい場合、ＦＢＧは有効である。
【００５４】
また、半導体レーザ素子とペルチェ素子を直列に接続する場所は、半導体レーザモジュール内であってもよいし、モジュール外であってもよい。モジュール内の場合、余分な抵抗成分が低減され消費電力は小さくなる。モジュール外の場合、抵抗成分は増加するが設計の自由度が保証される。
【００５５】
また、本発明の半導体レーザモジュールはレンズを２個用いた２レンズ系を示したが、ファイバの先端をレンズ状にした、いわゆるレンズドファイバを用いてもよい。２レンズ系の場合、本発明は、発光領域が２つ並行に配列された、いわゆるダブルストライプ半導体レーザモジュールにも適用可能である。
【００５６】
ＦＢＧを具備しない半導体レーザモジュールは、アイソレータを用いることが可能であるが、使用する温度範囲が広い場合、１．５段以上のアイソレータを用いることが有効である。
【００５７】
ＥＤＦＡの励起光源として本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、低消費電力化が可能である。
さらに、ＥＤＦＡの励起用光源として、前段に発振波長が９８０ｎｍの低出力アンクール（ペルチェを具備しない）半導体レーザモジュール、後段に本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、温度制御を具備しない低消費電力な高出力アンプを実現することができる。
【００５８】
さらに、ラマンアンプ用の励起光源として、本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、低消費電力化が可能である。
ＥＤＦＡ用及び、ラマンアンプ用の励起光源として本モジュールを用いる時に低出力例えば最大出力の１０％から最大出力まで光出力を変化させて使うことがある。このような時、変化させるスピードが速いとペルチェがレーザ素子を充分冷やし切れない状態で高電流に到達する場合がある。このような場合には充分レーザが冷やしきれた定常状態に較べて光出力が低くなり、所望の光出力が得られないことによりＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）が掛からなくなり電流値が非常に高くなる状態が生じる可能性がある。このようなことを防ぐためには最大電流付近に電流値の上限を設け、ここに達した場合にはＡＰＣからＡＣＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ）モードに一旦切り替えて、この電流値に固定し、ペルチェ素子による冷却効果が出て光出力が所望の値に到達した後に再度ＡＰＣで駆動するようにするのも好ましい。
【００５９】
さらに、本発明の実施の形態に記載された半導体レーザモジュールの発振波長は１４８０ｎｍ帯であったが、発振波長が９８０ｎｍ帯の半導体レーザモジュールに適用することも可能である。
【００６０】
また、本実施の形態１および２にかかる半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子は、ファブリペロー型（ＦＰ）半導体レーザ素子、分布布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子、活性層の近傍に形成されたグレーティングの波長選択特性によって複数の発振縦モードを有するレーザ光を出射する半導体レーザ素子などを適用することができる。特に、共振器長が８００μｍ以上の高出力半導体レーザ素子を適用するのが好適である。
【００６１】
また、本実施の形態２では、波長を固定するためにＦＢＧを用いたが、外部共振器としてフィルタ型の選択反射膜を用いてもよい。さらに回折格子を半導体レーザ素子の内部に具備する半導体レーザ素子を用いてもよい。
【００６２】
また、本実施の半導体レーザモジュールの最大光出力は、パッケージ温度が０〜７５℃の範囲で２５０ｍＷ〜３００ｍＷであったが、半導体レーザモジュールの最大光出力が１５０ｍＷ〜２００ｍＷ以上の高出力半導体レーザモジュールに好適である。
【００６３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、半導体レーザ素子と電子冷却素子は電気的に直列に接続され、かつ半導体レーザ素子の駆動電流に関する半導体レーザ素子の温度が、使用される駆動電流の範囲において単調に減少することで、従来よりも高出力で、低消費電力である半導体レーザモジュールを提供できるという効果を奏する。また本発明によれば、高出力で低消費電力の半導体レーザモジュール用電子冷却素子を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの回路図である。
【図２】従来技術における半導体レーザ装置の回路図である。
【図３】実施の形態１に掛かる半導体レーザ素子の駆動電流と半導体レーザ素子の温度の関係を示す。
【図４】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の駆動電流と光出力の関係を示す。
【図５】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の駆動電流に関する半導体レーザ素子の電圧とペルチェ素子の電圧の合計を示す。
【図６】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子と比較例における、光出力と回路の全駆動電流の関係を示す。
【図７】比較例の半導体レーザモジュールの回路図を示す。
【図８】実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの断面図を示す。
【図９】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの断面図を示す。
【図１０】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールにおける駆動電流と光出力の関係を示す。
【図１１】比較例における駆動電流と光出力の関係を示す。
【図１２】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールにおける駆動電流と（半導体レーザ素子温度Ｔｓ−半導体レーザモジュールのパッケージ温度Ｔｃ）の関係を示す。
【図１３】実施の形態２に掛かる半導体レーザモジュールにおける発振波長スペクトルを示す。
【符号の説明】
１、４、１１、５１ 半導体レーザ素子
２、５、１０、５８ ペルチェ素子
３ 電流電源回路
６、８ 定電圧電源回路
７ 自動半導体レーザ光出力制御素子
５０ 半導体レーザモジュール
５２ 第一レンズ
５３ アイソレータ
５４ 第二レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６０ ＦＢＧ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＤＦＡやラマン増幅器等の光ファイバ増幅器用に用いられる高出力の半導体レーザモジュール、および半導体レーザモジュール用電子冷却素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間の接続の急増等によって、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決するため、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】
ＷＤＭシステムは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に既存のＷＤＭシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ（以下、ＥＤＦＡ）やラマンアンプ等の光ファイバアンプが必須であり、これにより広帯域・長距離伝送を可能としている。ここで、ＥＤＦＡは、エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバに波長１４８０ｎｍ、あるいは波長９８０ｎｍの励起レーザで励起した光を通すことによって、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光が上記特殊ファイバの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバアンプである。
【０００４】
また、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加ファイバといった特殊なファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする分布型あるいは集中型の光ファイバアンプであり、従来のＥＤＦＡを用いたＷＤＭ伝送システムに比べ広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。
【０００５】
上述したようなＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、光ファイバアンプは、単一水平横モードで安定動作する高出力の半導体励起レーザを必要とする。この励起レーザとして、上記した量子井戸構造の活性層、好適には複数の量子井戸層とバリア層で構成された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ構造）を活性層に有する埋め込みヘテロ型半導体レーザ素子（ＢＨレーザ）が有効である。実際に、その半導体レーザ素子をパッケージした半導体レーザモジュールが光ファイバアンプの励起光源として用いられている。
【０００６】
また、より一層の高出力化のために以下のような技術が公開されている。（特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１６７１５３号公報
【０００８】
図２は特許文献１に記載されている先行技術を示す。この半導体レーザ制御回路は、半導体レーザ素子１と、この半導体レーザ素子１を冷却するためのペルチェ素子２と、半導体レーザ素子１およびペルチェ素子２それぞれに電流を供給するための電流源回路３とによって構成されている。
【０００９】
この図２からわかるように、半導体レーザ素子１、ペルチェ素子２および電流源回路３は直列に接続された構成となっており、電流源回路３から供給される電源は半導体レーザ素子１に供給されるとともに、ペルチェ素子２にも供給され、それぞれを駆動させる。
【００１０】
半導体レーザ素子１から高光出力を得るためには、半導体レーザ素子１に大電流を流す必要があるが、一般的に半導体レーザ素子は高温になると、熱飽和で光出力は低下する。図２に示す半導体レーザ制御回路では半導体レーザ素子１、ペルチェ素子２及び電流源回路３が直列に接続された構造となっているため、半導体レーザから高光出力を得る目的で電流源回路３の出力電流を増加させると、ペルチェ素子２に流れる電流も増加する。このためペルチェ素子２の冷却能力が高まり、半導体レーザ素子１を効率的に冷却することができる。従って半導体レーザ素子１の発熱を抑えることができ、効率低下を防止することができる。また、ペルチェ素子２を駆動するための別回路が不要になり、消費電力を抑えることができる。
【００１１】
図２に示した半導体制御回路は半導体レーザ素子１とペルチェ素子２を直列に駆動する半導体レーザモジュールであるが、低消費電力化のために、ペルチェ素子２を使用しない半導体レーザモジュールもある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術の半導体レーザモジュールの高光出力をさらに向上させることを目的に、本発明者等は、鋭意研究の結果本発明を達成するに至った。すなわち本発明の課題は、半導体レーザモジュールのさらなる光の高出力化、低消費電力化、高信頼性化にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を冷却する電子冷却素子と、前記半導体レーザ素子の温度を測定する温度測定素子とを有する半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度は前記レーザモジュールが使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、前記駆動電流の増加に伴って単調に減少することを特徴としている。
【００１４】
また請求項２にかかる半導体レーザモジュールは、前記電子冷却素子がペルチェ素子であることを特徴としている。
【００１５】
また請求項３にかかる半導体レーザモジュールは、前記半導体レーザ素子の前記駆動電流の範囲が０〜２Ａであることを特徴としている。
【００１６】
また請求項４にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜４に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を筐体の外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００１７】
また請求項５にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜４に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに外部共振器を有することを特徴としている。また請求項６にかかる半導体レーザモジュールは、前記駆動電源回路が直流定電圧電源であってかつ前記駆動電源回路の電圧は１０Ｖ以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７にかかる半導体レーザモジュール用電子冷却素子は、前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度が使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、単調に減少するように前記電子冷却素子の対数、または素子の断面積を決定することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる半導体レーザモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。図８は、この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュール５０の構成を示す縦断面図である。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、上述した実施の形態１に含まれるペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。
【００２１】
ベース５７上には、半導体レーザ素子５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ素子５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ素子５１の出射端面とは反対側の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００２２】
半導体レーザ素子は、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、特に歪ＭＱＷ構造を用いた。ＭＱＷ構造は、半導体材料で作成された井戸層とバリア層が交互にヘテロ接合され、特に各へテロ接合において、バリア層は、井戸層よりも広いバンドギャップエネルギーを有している。また、歪ＭＱＷ構造は、井戸層の半導体材料の格子定数と半導体基板の格子定数とが異なる構造である。
【００２３】
さらに、ＭＱＷ構造の活性層を有する半導体レーザ素子は、ＭＱＷ構造の活性層に隣接した下部と上部に光導波路としても機能する分離閉じ込めヘテロ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、略してＳＣＨ）を用いた。このＳＣＨ構造により、活性層内に発生したレーザ光の閉じ込めをより効率的に行なうことができ、高出力動作が実現できる。
【００２４】
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子においては、より一層の高出力化のために、前記ＳＣＨ構造としてＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を採用した。
【００２５】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に再入力しないように、半導体レーザ素子５１と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。なお、アイソレータは必須要件ではなく、例えば波長を選択するためにファイバグレーティング等の外部に光部品を用いる場合、このアイソレータは使用されない（実施の形態２で詳細に述べる。）。
【００２６】
図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザモジュール５０の回路図を示す。半導体レーザ素子４（図８の半導体レーザ素子５１に相当）とペルチェ素子５（図８のペルチェ素子５８に相当）は直列に接続され、定電圧電源回路６に接続されている。半導体レーザ素子４の駆動電流Ｉｌｄ（直列接続であるため、ペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃと等しい。従って以下は単に駆動電流Ｉという）は、自動半導体レーザ光出力制御素子７で制御される。この定電圧電源回路６の電圧は本実施の形態１では５Ｖとした。
【００２７】
図３は実施の形態１にかかる半導体レーザモジュール５０の半導体レーザ素子の駆動電流Ｉと半導体レーザ素子の温度Ｔｓの関係を示す。○のラインは本発明を用いることで高出力化された半導体レーザモジュールにおいて、特に駆動電流が１．２Ａ程度までの範囲で高出力化が可能な半導体レーザモジュールＡに関するものである。△のラインは駆動電流が０．７Ａ付近までの範囲で高出力化が可能な半導体レーザモジュールＢに関するものである。半導体レーザモジュールＡ、Ｂともに本発明の実施の形態であり、それぞれ適切な駆動電流範囲が異なる。すなわち半導体レーザモジュールＡの適切な駆動電流範囲は０〜１．２Ａ近傍、半導体レーザモジュールＢの適切な駆動電流範囲は０〜０．７Ａ近傍である。また半導体レーザ素子の温度は、図８に示したように半導体レーザ素子近傍に設置されるサーミスタ５８ａ等の温度測定素子で測定される。また、半導体レーザモジュール５０のパッケージ温度Ｔｃは７５℃である。ここでパッケージ温度は、半導体レーザモジュールを設置する台の内部で、半導体レーザモジュール近傍の温度であり、ほぼパッケージ５９の外側の温度を表している。
【００２８】
ここで、ペルチェ素子は温度Ｔｓが一定になるように制御されていない。したがって、半導体レーザ素子の駆動電流Ｉが増減すると同時に、ペルチェ素子の駆動電流Ｉが増減するので、ペルチェ素子の冷却能力は増減する。
【００２９】
この図３からわかるように、駆動電流Ｉが増加すると半導体レーザ素子の温度Ｔｓは減少する。これは、直列に接続されたペルチェ素子の駆動電流が増加することでペルチェ素子の冷却能力が増加することで説明される。すなわち半導体レーザ素子の発熱量よりもペルチェ素子の吸熱量が大きいことによる。
【００３０】
具体的には、駆動電流Ｉが０〜１．２Ａの範囲で、○の半導体レーザモジュールＡの半導体レーザ素子の温度Ｔｓは単調に減少している。
さらに、△の半導体レーザモジュールＢの半導体レーザ素子温度Ｔｓは、駆動電流が０．７Ａ付近までは単調に減少しているが、駆動電流Ｉが０．７Ａ付近以上で上昇し始める。これは半導体レーザモジュールＢでは、駆動電流Ｉが０．７Ａ以上になると、ペルチェ素子の吸熱量よりも半導体レーザ素子の発熱量が大きくなったためである。
【００３１】
一方、○の半導体レーザモジュールＡの半導体レーザ素子温度Ｔｓは、駆動電流Ｉが１Ａ付近まで単調に減少している。これは、この駆動電流範囲では、つねにペルチェ素子の吸熱量が半導体レーザ素子の発熱量よりも大きいことによる。
【００３２】
すなわち、ペルチェ素子の冷却能力設計により、同じ構造の半導体レーザ素子を用いて○と△のような駆動電流Ｉと温度特性Ｔｓの関係を適宜設計できる。
【００３３】
具体的には、ペルチェ素子の対数、形状、配列などを適宜選択することで上記特性を適宜設計できる。一般に例えば、ペルチェ素子を構成する柱状の素子の断面積が大きくなる、または素子の対数が大きくなるとペルチェ素子の冷却能力は増加し、Ｔｓの最低温度を与える半導体素子の駆動電流Ｉは上昇する。
【００３４】
半導体レーザモジュールＡの場合、使用したペルチェ素子の対数は３５対、素子の断面積は１．１×０．８ｍｍ２であった。また半導体レーザモジュールＢの場合、素子の対数は３１対、素子の断面積は０．６４×０．６４ｍｍ２であった。これらの構造から、半導体レーザモジュールＡのペルチェ素子は半導体レーザモジュールＢのペルチェ素子よりも素子の対数、素子の断面積が大きく、冷却能力が大きいため、Ｔｓの最低温度を与える半導体素子の駆動電流Ｉは１．２Ａ以上になった。
【００３５】
次に、半導体レーザ素子の寿命（経時劣化）について以下に述べる。一般に半導体レーザ素子はレーザの温度（ここではＴｓ）が上昇するに伴い、光出力が低下することが知られている。１．４８μｍ帯のレーザのような長波長帯のレーザでは特にその傾向を持つ。半導体レーザモジュールはＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）駆動、すなわち光出力一定の駆動が行われる。この時、レーザが経時劣化して出力が低下すると、その劣化した条件下で一定の光出力を得るために、レーザの駆動電流値を上昇させる方法で制御が行われる。そして、経時劣化に伴う駆動電流の上昇が進み、例えば駆動電流が初期値の１．２倍になった時に半導体レーザモジュールは寿命に達したと判断される。
【００３６】
ここで、半導体レーザ素子の初期の駆動条件下で、駆動電流Ｉと素子温度Ｔｓの関係において、一次微分係数ｄＴｓ／ｄＩ＞０である場合、レーザが劣化して駆動電流が上昇すると、同時にＴｓも上昇し、これは前述のようにさらにレーザの光出力を低下させることになる。すなわちこのような構成に於いては、通常のＴｓ一定の駆動条件に較べて駆動電流の上昇速度が速くなりレーザの寿命は短くなるため、信頼性が損なわれることになる。
【００３７】
一方、半導体レーザ素子の初期の駆動条件がｄＴｓ／ｄＩ≦０であれば、駆動電流Ｉの上昇に伴ってＴｓが低下し、これはレーザの光出力を向上させるように寄与するため、経時劣化率はＴｓ一定駆動の場合に較べて減少し、通常以上の高信頼性が得られることになる。特に寿命判定される条件、例えばこの例においては初期駆動電流Ｉの１．２倍の条件まで、ｄＴｓ／ｄＩ≦０が保たれているとその効果は更に大きい。
【００３８】
図４は半導体レーザモジュールの駆動電流と光出力の関係を示す。半導体レーザモジュールＡの光出力は駆動電流が１．２Ａまで熱飽和することなく増加した。一方半導体レーザモジュールＢの光出力は駆動電流が０．８Ａ付近で熱飽和する傾向を示した。
【００３９】
従って、半導体レーザ素子の駆動電流動作範囲において常に、駆動電流Ｉの増加に伴って半導体レーザ素子温度Ｔｓが単調減少するという関係を実現することによって、より信頼性の高い半導体レーザモジュールを得ることができる。この単調減少は、以下の式で表現できる。
ｄＴｓ／ｄＩ≦０
【００４０】
図５は半導体レーザモジュールＡの場合で、駆動電流Ｉに関する半導体レーザ素子の電圧とペルチェ素子の電圧の合計を示す。駆動電流１．２Ａまで合計電圧は４Ｖを超えることはない。よって、本半導体レーザモジュールは、定電圧電源回路の電圧が５Ｖで十分動作する。
【００４１】
図６は光出力と回路の全電流の関係を示す。○は半導体レーザモジュールＡ、比較のために、◇は半導体レーザモジュールＣ、を示す。
【００４２】
図７は半導体レーザモジュールＣの回路図を示す。半導体レーザ素子１１とペルチェ素子１０は並列に接続されている。図７の半導体レーザモジュールＣの回路の全電流Ｉｔｏｔａｌはペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃと半導体レーザ素子の駆動電流Ｉｌｄの合計である。図６からわかるように、同じ光出力を得るためには、半導体レーザ素子とペルチェ素子が直列に接続されたモジュールＡの回路の全電流Ｉ（ペルチェ素子の駆動電流Ｉｔｅｃ及び半導体レーザ素子の駆動電流Ｉｌｄと等しい）は、半導体レーザモジュールＣの全電流Ｉｔｏｔａｌの半分以下である。従って同じ光出力を得るために必要な本発明の回路の全電流は、比較例である半導体レーザモジュールＣの回路の全電流の半分以下になる。例えば、２５０ｍＷの光出力を得るために、比較例の回路の全電流は２Ａ程度必要であったが、本発明の半導体レーザモジュールＡの全電流は１Ａであった。
【００４３】
また、このような５Ｖ電源による駆動を前提とすれば定駆動電流化によって、同等の光出力を得るために必要な消費電力は、ペルチェ素子を使用しない半導体レーザモジュールと比較して小さくなる。
【００４４】
また、本実施の形態１では、定電圧電源の電圧は５Ｖとしたが、１０Ｖ以下であってもよい。より好ましくは５Ｖ以下である。さらにより好ましくは３Ｖ以下である。
また、本実施の形態１では、電子冷却素子として、ペルチェ素子を用いたがその他のものであってもよい。
【００４５】
また、本実施の形態１では、半導体レーザ素子の駆動電流の範囲は０〜１．２Ａであったが、この範囲に限定されない。すなわち、０〜１．５Ａ、０〜２Ａ、０〜２．５Ａ、０〜３Ａ、０〜４Ａ、０〜５Ａ、０〜６Ａの範囲でも本発明を同様に適用できる。
【００４６】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。この実施の形態２は、上述した実施の形態１で示した半導体レーザモジュールにおいて、さらに外部共振器としてＦＢＧ（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）を具備した半導体レーザモジュールである。
【００４７】
図９はこの発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図９において、半導体レーザモジュールは、波長選択を目的とするＦＢＧ６０を光ファイバに具備している。半導体レーザ素子から出射された光の一部が、ＦＢＧによって反射され半導体レーザ素子に再度入射するため、ＦＢＧ６０を具備する半導体レーザモジュールは図８に示すようなアイソレータを具備しない。
【００４８】
また、ペルチェ素子５８の対数は３５対、素子の断面積は１．１×０．８ｍｍ２である。半導体レーザ素子とペルチェ素子は、図１に示すように電気的に直列に接続されている。
【００４９】
図１０は、半導体レーザモジュールのパッケージ温度における、半導体レーザ素子の駆動電流（ペルチェ素子の駆動電流と同じ値）と光出力の関係を示す。発振波長は１４２５ｎｍ、半導体レーザ素子の出射側の低反射膜ＡＲの反射膜は０．１％〜０．５％、ＦＢＧの反射率は２％、ＦＢＧの半値幅は２ｎｍを用いた。０〜７５℃の温度範囲で半導体レーザモジュールの最大光出力は３００ｍＷ以上となった。また半導体レーザ素子とペルチェ素子の合計電圧を右縦軸に示す。半導体レーザ素子の温度が高いほど、ペルチェ素子の電圧は大きくなっている。
【００５０】
比較例として、図１１はぺルチェ素子を具備しない半導体レーザモジュールＤの結果である。図１１からわかるようにパッケージ温度が７０℃〜７５℃の場合、光出力は２００ｍＷ程度に低下した。また半導体レーザ素子とペルチェ素子の合計電圧を右縦軸に示す。半導体レーザ素子の温度によりペルチェ素子の電圧は変化していないことがわかる。
【００５１】
図１２は、図１０に記載された本発明の半導体レーザモジュールを用いた場合で、各パッケージ温度における、駆動電流と（半導体レーザ素子温度Ｔｓ−半導体レーザモジュールのパッケージ温度Ｔｃ）の関係を示す。半導体レーザモジュールのパッケージ温度が最高使用温度（この場合７５℃）のとき、駆動電流Ｉが０〜１．２Ａの範囲で、ｄ（Ｔｓ−Ｔｃ）／ｄＩ≦０が成立していることがわかる。
【００５２】
パッケージ温度が０〜５０℃の場合、Ｔｓ−Ｔｃの極小点を与える駆動電流が１．２Ａよりも小さいが、半導体レーザ素子温度Ｔｓは常に７５℃より低い。このことは、図１０において０〜５０℃の範囲で光出力は十分大きいことからも理解される。
【００５３】
図１３は本発明の実施の形態２の半導体レーザモジュールにおいて、発振スペクトルの温度依存性を示す。０〜７５℃の範囲において中心波長は１４２６ｎｍに固定されていた。一方、ＦＢＧの無い形態に於いては、中心波長は約０．４ｎｍ／℃の温度依存性を示すため、７５℃の温度差の場合、波長差は約３０ｎｍとなる。これはＥＤＦＡの吸収スペクトルから考えて許容範囲の上限に近い。また、ラマン増幅に適用するためには波長変化が大きい。よって、発振波長を固定したい場合、ＦＢＧは有効である。
【００５４】
また、半導体レーザ素子とペルチェ素子を直列に接続する場所は、半導体レーザモジュール内であってもよいし、モジュール外であってもよい。モジュール内の場合、余分な抵抗成分が低減され消費電力は小さくなる。モジュール外の場合、抵抗成分は増加するが設計の自由度が保証される。
【００５５】
また、本発明の半導体レーザモジュールはレンズを２個用いた２レンズ系を示したが、ファイバの先端をレンズ状にした、いわゆるレンズドファイバを用いてもよい。２レンズ系の場合、本発明は、発光領域が２つ並行に配列された、いわゆるダブルストライプ半導体レーザモジュールにも適用可能である。
【００５６】
ＦＢＧを具備しない半導体レーザモジュールは、アイソレータを用いることが可能であるが、使用する温度範囲が広い場合、１．５段以上のアイソレータを用いることが有効である。
【００５７】
ＥＤＦＡの励起光源として本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、低消費電力化が可能である。
さらに、ＥＤＦＡの励起用光源として、前段に発振波長が９８０ｎｍの低出力アンクール（ペルチェを具備しない）半導体レーザモジュール、後段に本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、温度制御を具備しない低消費電力な高出力アンプを実現することができる。
【００５８】
さらに、ラマンアンプ用の励起光源として、本発明の半導体レーザモジュールを用いることにより、低消費電力化が可能である。
ＥＤＦＡ用及び、ラマンアンプ用の励起光源として本モジュールを用いる時に低出力例えば最大出力の１０％から最大出力まで光出力を変化させて使うことがある。このような時、変化させるスピードが速いとペルチェがレーザ素子を充分冷やし切れない状態で高電流に到達する場合がある。このような場合には充分レーザが冷やしきれた定常状態に較べて光出力が低くなり、所望の光出力が得られないことによりＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）が掛からなくなり電流値が非常に高くなる状態が生じる可能性がある。このようなことを防ぐためには最大電流付近に電流値の上限を設け、ここに達した場合にはＡＰＣからＡＣＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ）モードに一旦切り替えて、この電流値に固定し、ペルチェ素子による冷却効果が出て光出力が所望の値に到達した後に再度ＡＰＣで駆動するようにするのも好ましい。
【００５９】
さらに、本発明の実施の形態に記載された半導体レーザモジュールの発振波長は１４８０ｎｍ帯であったが、発振波長が９８０ｎｍ帯の半導体レーザモジュールに適用することも可能である。
【００６０】
また、本実施の形態１および２にかかる半導体レーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子は、ファブリペロー型（ＦＰ）半導体レーザ素子、分布布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子、活性層の近傍に形成されたグレーティングの波長選択特性によって複数の発振縦モードを有するレーザ光を出射する半導体レーザ素子などを適用することができる。特に、共振器長が８００μｍ以上の高出力半導体レーザ素子を適用するのが好適である。
【００６１】
また、本実施の形態２では、波長を固定するためにＦＢＧを用いたが、外部共振器としてフィルタ型の選択反射膜を用いてもよい。さらに回折格子を半導体レーザ素子の内部に具備する半導体レーザ素子を用いてもよい。
【００６２】
また、本実施の半導体レーザモジュールの最大光出力は、パッケージ温度が０〜７５℃の範囲で２５０ｍＷ〜３００ｍＷであったが、半導体レーザモジュールの最大光出力が１５０ｍＷ〜２００ｍＷ以上の高出力半導体レーザモジュールに好適である。
【００６３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、半導体レーザ素子と電子冷却素子は電気的に直列に接続され、かつ半導体レーザ素子の駆動電流に関する半導体レーザ素子の温度が、使用される駆動電流の範囲において単調に減少することで、従来よりも高出力で、低消費電力である半導体レーザモジュールを提供できるという効果を奏する。また本発明によれば、高出力で低消費電力の半導体レーザモジュール用電子冷却素子を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの回路図である。
【図２】従来技術における半導体レーザ装置の回路図である。
【図３】実施の形態１に掛かる半導体レーザ素子の駆動電流と半導体レーザ素子の温度の関係を示す。
【図４】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の駆動電流と光出力の関係を示す。
【図５】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の駆動電流に関する半導体レーザ素子の電圧とペルチェ素子の電圧の合計を示す。
【図６】実施の形態１にかかる半導体レーザ素子と比較例における、光出力と回路の全駆動電流の関係を示す。
【図７】比較例の半導体レーザモジュールの回路図を示す。
【図８】実施の形態１にかかる半導体レーザモジュールの断面図を示す。
【図９】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールの断面図を示す。
【図１０】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールにおける駆動電流と光出力の関係を示す。
【図１１】比較例における駆動電流と光出力の関係を示す。
【図１２】実施の形態２にかかる半導体レーザモジュールにおける駆動電流と（半導体レーザ素子温度Ｔｓ−半導体レーザモジュールのパッケージ温度Ｔｃ）の関係を示す。
【図１３】実施の形態２に掛かる半導体レーザモジュールにおける発振波長スペクトルを示す。
【符号の説明】
１、４、１１、５１ 半導体レーザ素子
２、５、１０、５８ ペルチェ素子
３ 電流電源回路
６、８ 定電圧電源回路
７ 自動半導体レーザ光出力制御素子
５０ 半導体レーザモジュール
５２ 第一レンズ
５３ アイソレータ
５４ 第二レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６０ ＦＢＧ
Claims (7)
- 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を冷却する電子冷却素子と、前記半導体レーザ素子の温度を測定する温度測定素子とを有する半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度は前記レーザモジュールが使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、前記駆動電流の増加に伴って単調に減少することを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 前記電子冷却素子がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子の前記駆動電流の範囲が０〜２Ａであることを特徴とする請求項１〜２に記載の半導体レーザモジュール。
- 請求項１〜３に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を筐体の外部に導波する光ファイバと、
前記半導体レーザ素子と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 請求項１〜４に記載の半導体レーザモジュールにおいて、さらに外部共振器を有することを特徴とする半導体レーザモジュール。
- 前記駆動電源回路は直流定電圧電源であってかつ前記駆動電源回路の電圧は１０Ｖ以下であることを特徴とする請求項１〜５に記載の半導体レーザモジュール。
- 請求項１〜６に記載の半導体レーザモジュールに用いられる前記電子冷却素子において、
前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、
前記半導体レーザ素子と前記電子冷却素子が駆動電源回路と電気的に直列に接続され、前記半導体レーザモジュールのパッケージ温度が使用される温度範囲で最高の温度近傍のとき、前記半導体レーザ素子の駆動電流に関する前記半導体レーザ素子の温度が、単調に減少するように前記電子冷却素子の対数、または素子の断面積を決定することを特徴とする半導体レーザモジュール用電子冷却素子。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003081615A JP2004289025A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | 半導体レーザモジュール、及び半導体レーザモジュール用電子冷却素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003081615A JP2004289025A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | 半導体レーザモジュール、及び半導体レーザモジュール用電子冷却素子 |
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| JP2004289025A true JP2004289025A (ja) | 2004-10-14 |
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ID=33295097
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2003081615A Pending JP2004289025A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | 半導体レーザモジュール、及び半導体レーザモジュール用電子冷却素子 |
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| JP (1) | JP2004289025A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103532630A (zh) * | 2013-10-31 | 2014-01-22 | 国家电网公司 | 一种通讯光缆线路的光路放大站 |
-
2003
- 2003-03-24 JP JP2003081615A patent/JP2004289025A/ja active Pending
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