JP2019110164A - Semiconductor laser device, method for manufacturing the same, and gas analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ装置及びその製造方法並びにガス分析装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device, a method of manufacturing the same, and a gas analyzer.
半導体レーザ素子の発振波長は、周囲の温度及び素子の温度に依存することが知られている。この発振波長の温度依存性は、半導体レーザ素子を構成する半導体の屈折率が温度依存性を有するためである。 It is known that the oscillation wavelength of a semiconductor laser device depends on the ambient temperature and the temperature of the device. The temperature dependency of the oscillation wavelength is due to the temperature dependency of the refractive index of the semiconductor constituting the semiconductor laser device.
従来、発振波長の温度依存性を補正する方法として、特許文献１に示すように、半導体レーザ素子の近傍に例えばサーミスタなどの温度センサを設けて、その検出温度を半導体レーザ素子の温度とみなして、例えばペルチェ素子などの温調機構により半導体レーザ素子を温調している。 Conventionally, as a method of correcting the temperature dependency of the oscillation wavelength, as shown in Patent Document 1, a temperature sensor such as a thermistor is provided in the vicinity of the semiconductor laser device, and the detected temperature is regarded as the temperature of the semiconductor laser device. For example, the temperature control mechanism such as a Peltier element is used to control the temperature of the semiconductor laser device.
しかしながら、半導体レーザ素子と温度センサとは構成が異なる別部品であるため、半導体レーザ素子の温度と温度センサの検出温度との間に差が生じてしまう。その結果、発振波長の温度依存性を精度良く補正することが難しい。 However, since the semiconductor laser device and the temperature sensor are separate components having different configurations, a difference occurs between the temperature of the semiconductor laser device and the detection temperature of the temperature sensor. As a result, it is difficult to accurately correct the temperature dependency of the oscillation wavelength.
そこで本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、半導体レーザ素子の温度と温度センサの検出温度との差を小さくすることをその主たる課題とするものである。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main object is to reduce the difference between the temperature of the semiconductor laser device and the temperature detected by the temperature sensor.
すなわち本発明に係る半導体レーザ装置は、基板上に設けられた光導波路を有する半導体レーザ素子部と、前記基板上に設けられ、前記光導波路の層構成の全部又は一部と同じ層構成を有する温度センサ素子部とを備えることを特徴とする。 That is, the semiconductor laser device according to the present invention is provided on the substrate and the semiconductor laser element portion having the optical waveguide provided on the substrate, and has the same layer configuration as all or part of the layer configuration of the optical waveguide And a temperature sensor element portion.
このようなものであれば、基板上に設けられる温度センサ素子部の層構成を半導体レーザ素子部の層構成の全部又は一部と同じにしているので、周囲から受ける熱影響の差を小さくすることができ、半導体レーザ素子部の温度と温度センサ素子部により得られる検出温度との差を小さくする。その結果、発振波長の温度依存性を精度良く補正することができる。また、基板上に設けられる温度センサ素子部の層構成を半導体レーザ素子部の層構成の全部又は一部と同じにしているので、基板上に半導体レーザ素子部及び温度センサ素子部を同時に作り込むことができる。基板上に半導体レーザ素子部及び温度センサ素子部を作り込むことによって、半導体レーザ素子部に対する温度センサ素子部の位置を精度良く設定することができ、基板に対する温度センサ素子部の接合のバラつきも低減することができる。 In such a case, since the layer configuration of the temperature sensor element portion provided on the substrate is the same as all or part of the layer configuration of the semiconductor laser element portion, the difference in thermal effects from the surroundings is reduced. To reduce the difference between the temperature of the semiconductor laser device portion and the detection temperature obtained by the temperature sensor device portion. As a result, the temperature dependency of the oscillation wavelength can be accurately corrected. Further, since the layer configuration of the temperature sensor element portion provided on the substrate is the same as all or part of the layer configuration of the semiconductor laser element portion, the semiconductor laser element portion and the temperature sensor element portion are simultaneously formed on the substrate. be able to. By forming the semiconductor laser device portion and the temperature sensor device portion on the substrate, the position of the temperature sensor device portion with respect to the semiconductor laser device portion can be accurately set, and variation in bonding of the temperature sensor device portion to the substrate is also reduced. can do.
前記温度センサ素子部は、前記半導体レーザ素子部に対して前記光導波路の光導波方向に直交する側方（側面側）に設けられていることが望ましい。
この構成であれば、光導波路から射出されたレーザ光が温度センサ素子部に当たらない配置にすることができ、温度センサ素子部にレーザ光が当たることによる温度影響を受けにくくすることができる。
It is preferable that the temperature sensor element portion be provided on the side (side surface side) orthogonal to the light waveguide direction of the optical waveguide with respect to the semiconductor laser element portion.
With this configuration, the laser beam emitted from the optical waveguide can be disposed so as not to hit the temperature sensor element portion, and the temperature sensor element portion can be made less susceptible to the temperature influence caused by the laser beam.
前記温度センサ素子部は、半導体レーザ素子部に対して前記光導波路の光導波方向の一端部側に設けられているものであれば、光導波路の光導波方向の一端側から射出されるレーザ光を温度センサ素子部により遮光することができる。これにより、光導波路の一端側に別途遮光部材を設ける必要が無くなり、構造を簡単にすることができる。 The laser beam emitted from one end side of the optical waveguide direction of the optical waveguide if the temperature sensor element portion is provided on the one end side of the optical waveguide direction of the optical waveguide with respect to the semiconductor laser element portion Can be shielded by the temperature sensor element unit. As a result, it is not necessary to separately provide a light shielding member on one end side of the optical waveguide, and the structure can be simplified.
温度センサ素子部の具体的な実施の態様としては、前記温度センサ素子部は、１又は複数の半導体層と、第１電極及び第２電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極の間の抵抗値を用いて温度を検出するものであることが考えられる。 In a specific embodiment of the temperature sensor element unit, the temperature sensor element unit includes one or more semiconductor layers, a first electrode and a second electrode, and the first electrode and the second electrode. It is considered that the temperature is detected using the resistance value between.
半導体レーザ装置が複数の前記温度センサ素子部を備えるものであれば、基板上の温度分布を検出することができ、半導体レーザ素子部の温度を精度良く検出することができる。 If the semiconductor laser device includes a plurality of the temperature sensor elements, the temperature distribution on the substrate can be detected, and the temperature of the semiconductor laser elements can be detected with high accuracy.
半導体レーザ装置の一態様としては、前記半導体レーザ素子部がパルス発振されるものが考えられる。半導体レーザ素子部がパルスオン時には半導体レーザ素子部の温度が局所的に上昇してしまい、半導体レーザ素子部のレーザ発振前の温度を精度良く検出することができない。このため、前記半導体レーザ素子部がパルスオフとなっている期間に前記温度センサ素子部により温度測定を行うものであることが望ましい。 As one aspect of the semiconductor laser device, one in which the semiconductor laser element portion is pulse oscillated can be considered. When the semiconductor laser device portion is pulse-on, the temperature of the semiconductor laser device portion locally rises, and the temperature of the semiconductor laser device portion before laser oscillation can not be detected with high accuracy. For this reason, it is desirable that the temperature measurement is performed by the temperature sensor element unit while the semiconductor laser element unit is in the pulse-off state.
半導体レーザ素子部の具体的な実施の態様としては、前記光導波路は、クラッド層とコア層とから構成され、前記コア層は、電流が注入されることにより光を発する活性層を有しており、前記活性層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなるものであることが考えられる。より好ましくは、前記半導体レーザ素子は、前記半導体レーザ素子は、複数の井戸層が多段に接続された多重量子井戸構造からなり、その量子井戸中に形成されるサブバンド間の光遷移により光を発生させる量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）素子であることが考えられる。なお、複数の井戸層は厚さが異なるものであってもよい。
量子カスケードレーザ素子は、他の半導体レーザ素子よりも電力消費が多く、温度上昇しやすいことから、その温度変動を検出するためには、温度センサ部を可及的に量子カスケードレーザ素子に近づけることが望ましい。本発明では、半導体レーザ素子部に対する温度センサ素子部の位置を精度良く設定することができ、このような量子カスケードレーザ素子に対して有効に適用することができる。
また、他の半導体レーザ素子は、チップサイズが小さいため、温度センサ素子部を作り込むことが難しいのに対して、量子カスケードレーザ素子は、他の半導体レーザ素子に対してサイズが大きく（例えば３ｍｍ程度）、温度センサ素子部を作り込むことが他の半導体レーザ素子に比べて容易である。
In a specific embodiment of the semiconductor laser device portion, the optical waveguide includes a cladding layer and a core layer, and the core layer has an active layer that emits light when current is injected. The active layer is considered to be composed of a multiple quantum well structure having a plurality of well layers. More preferably, in the semiconductor laser device, the semiconductor laser device has a multiple quantum well structure in which a plurality of well layers are connected in multiple stages, and light is generated by optical transition between sub-bands formed in the quantum wells It can be considered to be a quantum cascade laser (QCL) device to be generated. The plurality of well layers may have different thicknesses.
Since the quantum cascade laser device consumes more power than other semiconductor laser devices and tends to rise in temperature, in order to detect the temperature fluctuation, the temperature sensor unit should be as close as possible to the quantum cascade laser device. Is desirable. In the present invention, the position of the temperature sensor element portion with respect to the semiconductor laser element portion can be set with high accuracy, and the present invention can be effectively applied to such a quantum cascade laser element.
In addition, while other semiconductor laser devices have a small chip size, it is difficult to fabricate a temperature sensor device portion, whereas quantum cascade laser devices have a larger size (for example, 3 mm) than other semiconductor laser devices. Degree), it is easier to fabricate a temperature sensor element portion than other semiconductor laser elements.
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、前記半導体レーザ素子部及び前記温度センサ素子部を同一の製造プロセスにより層形成することを特徴とする。
このようなものであれば、半導体レーザ素子部及び温度センサ素子部を同時に作り込むことができる。また、同一の製造プロセスで層形成しているので、その後のエッチング処理により、温度センサ素子部を半導体レーザ素子部に対して任意の位置に任意の個数形成することができる。また、面積を変更した温度センサ素子部を複数配置することにより、抵抗値の異なる複数の温度センサ素子部を形成することができる。このように互いに異なる抵抗値を有する複数の温度センサ素子部を設けることにより、精度良く温度補正を行うことが可能となる。
The semiconductor laser device manufacturing method according to the present invention is characterized in that the semiconductor laser device portion and the temperature sensor device portion are formed in layers by the same manufacturing process.
With such a device, the semiconductor laser device portion and the temperature sensor device portion can be simultaneously manufactured. Further, since the layers are formed in the same manufacturing process, the number of temperature sensor element portions can be formed at an arbitrary position relative to the semiconductor laser element portion by the subsequent etching process. In addition, by arranging a plurality of temperature sensor element units having different areas, a plurality of temperature sensor element units having different resistance values can be formed. By providing a plurality of temperature sensor element portions having different resistance values as described above, it is possible to perform temperature correction with high accuracy.
前記半導体レーザ素子部及び前記温度センサ素子部は、前記同一の製造プロセスにより層形成された後に、エッチングにより分離される。
このように半導体レーザ素子部に対して温度センサ素子部を分離することによって、温度センサ素子部の面積を小さくすることができる。その結果、温度センサ素子部の抵抗値を大きくすることができ、正確な温度測定が可能となる。
The semiconductor laser element portion and the temperature sensor element portion are separated by etching after being formed into layers by the same manufacturing process.
By thus separating the temperature sensor element portion from the semiconductor laser element portion, the area of the temperature sensor element portion can be reduced. As a result, the resistance value of the temperature sensor element portion can be increased, and accurate temperature measurement can be performed.
以上に述べた本発明によれば、基板上に設けられる温度センサ素子部の層構成を半導体レーザ素子部の層構成の全部又は一部と同じにしているので、半導体レーザ素子の温度と温度センサの検出温度との差を小さくすることができる。 According to the present invention described above, since the layer configuration of the temperature sensor element portion provided on the substrate is the same as all or part of the layer configuration of the semiconductor laser element portion, the temperature and temperature sensor of the semiconductor laser element The difference with the detected temperature can be reduced.
以下、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態の半導体レーザ装置１００は、図１に示すように、例えば内燃機関から排出される排ガス中の測定対象成分を分析する排ガス分析装置１０に用いられるものである。ここで、排ガス分析装置１０は、排ガスが導入される多重反射型の測定セル１１と、測定セル１１にレーザ光を照射する半導体レーザ装置１００と、測定セル１１を通過したレーザ光を検出する光検出器１２と、光検出器１２の検出信号を用いて測定対象成分を分析する分析部１３とを有している。 The semiconductor laser device 100 according to the present embodiment is used, for example, in an exhaust gas analyzer 10 that analyzes components to be measured in exhaust gas discharged from an internal combustion engine, as shown in FIG. Here, the exhaust gas analyzer 10 detects the multiple reflection type measuring cell 11 into which exhaust gas is introduced, the semiconductor laser device 100 irradiating the measuring cell 11 with laser light, and light detecting the laser light that has passed through the measuring cell 11 It has a detector 12 and an analysis unit 13 that analyzes a component to be measured using a detection signal of the light detector 12.
具体的に半導体レーザ装置１００は、測定対象成分の吸収波長に対して±１ｃｍ−１の発振波長のレーザ光を射出するものであり、図２及び図３に示すように、ＩｎＰ基板などの半導体基板２と、当該半導体基板２上に形成された半導体レーザ素子部３と、前記半導体基板２上に形成された温度センサ素子部４とを有している。 Specifically, the semiconductor laser device 100 emits laser light of an oscillation wavelength of ± 1 cm −1 with respect to the absorption wavelength of the component to be measured, and as shown in FIGS. 2 and 3, a semiconductor such as an InP substrate It has a substrate 2, a semiconductor laser element portion 3 formed on the semiconductor substrate 2, and a temperature sensor element portion 4 formed on the semiconductor substrate 2.
なお、半導体レーザ素子部３及び温度センサ素子部４が設けられた半導体基板２は、バタフライパッケージ等の気密容器５内に収容されている。この気密容器５において半導体レーザ素子部３の光出射部に対向する部位には、レーザ光を外部に導出するための光導出部５１が形成されている。当該光導出部５１には、光学窓部材６が設けられており、当該光学窓部材６は、光学窓部材６で反射したレーザ光が再度半導体レーザ素子部３に戻らないように、若干（例えば２度）傾斜している。その他、半導体レーザ素子部３を冷却するための冷却モジュール７なども気密容器６に収容されている。 The semiconductor substrate 2 provided with the semiconductor laser device portion 3 and the temperature sensor device portion 4 is accommodated in an airtight container 5 such as a butterfly package. A light lead-out portion 51 for leading the laser light to the outside is formed at a portion of the airtight container 5 facing the light emitting portion of the semiconductor laser element portion 3. An optical window member 6 is provided in the light lead-out portion 51, and the optical window member 6 is slightly (eg, for example, so that the laser light reflected by the optical window member 6 does not return to the semiconductor laser element portion 3 again). 2 degrees) inclined. In addition, a cooling module 7 for cooling the semiconductor laser device portion 3 and the like are also accommodated in the airtight container 6.
半導体レーザ素子部３は、図４及び図５に示すように、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ：Distributed Feedback Laser）であり、半導体基板２上に設けられたクラッド層とコア層とから構成される光導波路３Ａを備えている。この光導波路３Ａにおいてクラッド層の屈折率とコア層の屈折率との違いにより光がコア層を通過する。 The semiconductor laser device portion 3 is, as shown in FIGS. 4 and 5, a distributed feedback laser (DFB laser: Distributed Feedback Laser), which includes a cladding layer provided on the semiconductor substrate 2 and a core layer. An optical waveguide 3A is provided. In the optical waveguide 3A, light passes through the core layer due to the difference between the refractive index of the cladding layer and the refractive index of the core layer.
具体的に半導体レーザ素子部３は、半導体基板２の上面にバッファ層３１、コア層３２、上部クラッド層３３及びキャップ層３４がこの順に形成されたものである。また、これらの層３１〜３４はいずれも同一方向に延在しており、その幅方向の側面が保護膜３５に覆われることによって一方向に延びる光導波路３Ａが形成される。なお、保護膜３５は無機膜であり、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４の組み合わせであっても良い。 Specifically, in the semiconductor laser device portion 3, the buffer layer 31, the core layer 32, the upper cladding layer 33 and the cap layer 34 are formed in this order on the upper surface of the semiconductor substrate 2. Further, all of the layers 31 to 34 extend in the same direction, and the side surfaces in the width direction are covered with the protective film 35, whereby the optical waveguide 3A extending in one direction is formed. The protective film 35 is an inorganic film, and may be, for example, SiO 2 or a combination of SiO 2 and Si 3 N 4 .
バッファ層３１及び上部クラッド層３３はいずれもＩｎＰからなる層である。なお、バッファ層３１とコア層３２との間にＩｎＰからなる下部クラッド層を設けても良いし、バッファ層３１をクラッド層として機能させてもよい。 Both the buffer layer 31 and the upper cladding layer 33 are layers made of InP. A lower cladding layer made of InP may be provided between the buffer layer 31 and the core layer 32, or the buffer layer 31 may function as a cladding layer.
キャップ層３４はＩｎＧａＡｓからなる層であり、その上面の一部（幅方向両側）は保護層３５で覆われている。また、キャップ層３４の上面の他の部分（幅方向中央部）は、上部電極３６により覆われている。 The cap layer 34 is a layer made of InGaAs, and a part of the upper surface (both sides in the width direction) is covered with a protective layer 35. Further, the other portion (central portion in the width direction) of the upper surface of the cap layer 34 is covered by the upper electrode 36.
コア層３２は、ＩｎＧａＡｓからなる下部ガイド層３２１と、電流が注入されることにより光を発する活性層３２２と、ＩｎＧａＡｓからなる上部ガイド層３２３とを有している。 The core layer 32 has a lower guide layer 321 made of InGaAs, an active layer 322 emitting light when current is injected, and an upper guide layer 323 made of InGaAs.
活性層３２２は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなるものであり、発光領域となる半導体層と、注入領域となる半導体層とが所定数交互に積層されて構成されている。なお、発光領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されており、注入領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されている。 The active layer 322 has a multiple quantum well structure having a plurality of well layers, and is configured by alternately laminating a predetermined number of semiconductor layers to be a light emitting region and a semiconductor layer to be an injection region. The semiconductor layer to be the light emitting region is formed by alternately laminating InGaAs and InAlAs, and the semiconductor layer to be the injection region is formed by alternately laminating InGaAs and InAlAs.
このように構成された半導体レーザ素子部は、図６に示すように、複数の井戸層が多段接続されており、それら量子井戸中に形成されるサブバンド間の光学遷移により光を発する量子カスケードレーザである。 In the semiconductor laser device portion thus configured, as shown in FIG. 6, a plurality of well layers are connected in multiple stages, and a quantum cascade that emits light by optical transition between subbands formed in the quantum wells. It is a laser.
この半導体レーザ素子部３においてコア層３２と上部クラッド層３３との間、つまり、上部ガイド層３２３上に回折格子３Ｂが形成されている（図５参照）。この回折格子３Ｂは、上部ガイド層３２３に交互に形成された凹部及び凸部により構成されており、凹部及び凸部は上部ガイド層３２３の幅方向に延びている。この回折格子３Ｂにより所定の発振波長の光が強め合って選択的に増幅される。なお、所定の発振波長は、回折格子３Ｂのピッチにより規定される。 In the semiconductor laser device portion 3, the diffraction grating 3B is formed between the core layer 32 and the upper cladding layer 33, that is, on the upper guide layer 323 (see FIG. 5). The diffraction grating 3 </ b> B is composed of recesses and protrusions formed alternately in the upper guide layer 323, and the recesses and protrusions extend in the width direction of the upper guide layer 323. The light of a predetermined oscillation wavelength is intensified and selectively amplified by this diffraction grating 3B. The predetermined oscillation wavelength is defined by the pitch of the diffraction grating 3B.
半導体基板２の下面において半導体レーザ素子部３の下方に位置する部分には下部電極３７が設けられている。そして、上部電極３６及び下部電極３７にレーザ発振用の電流（又は電圧）を与えることによって、回折格子３Ｂにより規定された所定の発振波長が射出される。レーザ発振用の上部電極３６及び下部電極３７には電流源（又は電圧源）が接続されており、レーザ制御装置８がその電流源（又は電圧源）を制御する。 A lower electrode 37 is provided on a portion of the lower surface of the semiconductor substrate 2 located below the semiconductor laser device portion 3. Then, by applying a current (or voltage) for laser oscillation to the upper electrode 36 and the lower electrode 37, a predetermined oscillation wavelength defined by the diffraction grating 3B is emitted. A current source (or voltage source) is connected to the upper electrode 36 and the lower electrode 37 for laser oscillation, and the laser control device 8 controls the current source (or voltage source).
温度センサ素子部４は、図７に示すように、半導体レーザ素子部３と同様に半導体基板２の上面に設けられている。この温度センサ素子部４は、前記光導波路３Ａの層構成の全部と同じ層構成を有するものである。つまり、温度センサ素子部４は、半導体レーザ素子部３のバッファ層３１、コア層３２、上部クラッド層３３及びキャップ層３４に対応する複数の半導体層４１〜４４を有している。また、これら複数の半導体層４１〜４４の幅方向両側は保護膜４５により覆われている。なお、本実施形態の温度センサ素子部４は、半導体基板２の任意の場所に設けることができ、図３の（ａ）配置例１に示すように、半導体レーザ素子部３に対して光導波路３Ａの光導波方向に直交する側方に設けられていてもよい。この場合、光導波路３Ａから射出されたレーザ光が温度センサ素子部４に当たらない配置にすることができ、温度センサ素子部４にレーザ光が当たることによる温度影響を受けにくくすることができる。また、（ｂ）配置例２に示すように、光導波路３Ａに対して光導波方向の他方側に設けられていてもよい。この場合、温度センサ素子部４が、光導波路３Ａの他端から射出される光を遮る遮光部材として機能する。 As shown in FIG. 7, the temperature sensor element unit 4 is provided on the upper surface of the semiconductor substrate 2 in the same manner as the semiconductor laser element unit 3. The temperature sensor element unit 4 has the same layer configuration as the entire layer configuration of the optical waveguide 3A. That is, the temperature sensor element unit 4 has a plurality of semiconductor layers 41 to 44 corresponding to the buffer layer 31, the core layer 32, the upper cladding layer 33 and the cap layer 34 of the semiconductor laser element unit 3. Further, both sides in the width direction of the plurality of semiconductor layers 41 to 44 are covered with a protective film 45. The temperature sensor element portion 4 of the present embodiment can be provided at an arbitrary place of the semiconductor substrate 2, and as shown in (a) layout example 1 of FIG. It may be provided on the side orthogonal to the light guiding direction of 3A. In this case, the laser beam emitted from the optical waveguide 3A can be disposed so as not to hit the temperature sensor element unit 4, and the temperature sensor element unit 4 can be less susceptible to the temperature influence caused by the laser beam. In addition, as shown in (b) Arrangement Example 2, it may be provided on the other side of the optical waveguide direction with respect to the optical waveguide 3A. In this case, the temperature sensor element unit 4 functions as a light blocking member that blocks the light emitted from the other end of the light guide 3A.
この温度センサ素子部４においても、温度センサ素子部４の最上部の半導体層（キャップ層３４に相当）の上面には、第１電極である上部電極４６が設けられている。また、半導体基板２において温度センサ素子部４の下方に位置する部分には第２電極である下部電極４７が設けられている。 Also in the temperature sensor element unit 4, an upper electrode 46 which is a first electrode is provided on the top surface of the semiconductor layer (corresponding to the cap layer 34) at the top of the temperature sensor element unit 4. Further, a lower electrode 47 which is a second electrode is provided in a portion of the semiconductor substrate 2 located below the temperature sensor element portion 4.
そして、上部電極４６及び下部電極４７に温度検出用の電流（又は電圧）を与えることによって、温度センサ素子部４の抵抗値が算出される。温度検出用の上部電極４６及び下部電極４７には電流源（又は電圧源）が接続されており、温度制御装置９がその電流源（又は電圧源）を制御する。温度制御装置９は、算出した抵抗値と、抵抗値−温度換算式とから、温度センサ素子部４の検出温度を算出する。また、温度制御装置９は、算出した温度センサ素子部４の検出温度に基づいて、半導体レーザ素子部３を温調（例えば冷却）する温調モジュール７を制御する。本実施形態の温調モジュール７はペルチェ素子を用いた冷却モジュールである。具体的に温度制御装置９は、温度センサ素子部４により得られた検出温度が所定の目標温度となるように、ペルチェ素子への供給電力を制御する。なお、冷却モジュール７としては、コンプレッサーを用いたもの、電熱線を用いたもの、ファンを用いたもの、水冷方式のもの等を用いることができる。 The resistance value of the temperature sensor element unit 4 is calculated by applying a current (or a voltage) for temperature detection to the upper electrode 46 and the lower electrode 47. A current source (or a voltage source) is connected to the upper electrode 46 and the lower electrode 47 for temperature detection, and the temperature control device 9 controls the current source (or the voltage source). The temperature control device 9 calculates the detected temperature of the temperature sensor element unit 4 from the calculated resistance value and the resistance value-temperature conversion formula. Further, the temperature control device 9 controls the temperature control module 7 that adjusts the temperature (for example, cooling) of the semiconductor laser element unit 3 based on the calculated detected temperature of the temperature sensor element unit 4. The temperature control module 7 of the present embodiment is a cooling module using a Peltier element. Specifically, the temperature control device 9 controls the power supplied to the Peltier element such that the detected temperature obtained by the temperature sensor element unit 4 becomes a predetermined target temperature. The cooling module 7 may be one using a compressor, one using a heating wire, one using a fan, one using a water cooling system, or the like.
＜半導体レーザ装置の製造方法＞
次に半導体レーザ装置１００の製造方法について図８を参照して説明する。なお、図８では、半導体レーザ素子部３の層構成を例示している。
<Method of Manufacturing Semiconductor Laser Device>
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser device 100 will be described with reference to FIG. Note that FIG. 8 illustrates the layer configuration of the semiconductor laser device portion 3.
半導体基板２の上面に、バッファ層３１となるＩｎＰ層、下部ガイド層３２１となるＩｎＧａＡｓ層、活性層３２２となるＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＡｌＡｓ層及び上部ガイド層３２３となるＩｎＧａＡｓ層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により積層する。 An InP layer to be the buffer layer 31, an InGaAs layer to be the lower guide layer 321, an InGaAs layer to be the active layer 322, an InAlAs layer to be the active layer 322, an InGaAs layer to be the upper guide layer 323 It laminates by (MOVPE method).
上部ガイド層３２３の上面に、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより回折格子３Ｂを形成する。そして、上部ガイド層３２３の上部に上部クラッド層３３となるＩｎＰ層及びキャップ層３４となるＩｎＧａＡｓ層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により積層する。 The diffraction grating 3B is formed on the upper surface of the upper guide layer 323 by photolithography and wet etching. Then, an InP layer to be the upper cladding layer 33 and an InGaAs layer to be the cap layer 34 are stacked on the upper guide layer 323 by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
このように形成された多層構造に対してエッチングを行って光導波路３Ａを形成する。このエッチングにより、半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とを分離する。また、光導波路３Ａの幅方向両側を覆うように例えばＳｉＯ２の保護膜３５を形成する。これにより、半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とが形成される。ここでは、１つの半導体基板２上に複数の半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とが形成された例を示している。 The multilayer structure thus formed is etched to form an optical waveguide 3A. The semiconductor laser element portion 3 and the temperature sensor element portion 4 are separated by this etching. Further, a protective film 35 of, eg, SiO 2 is formed to cover both sides in the width direction of the optical waveguide 3A. Thus, the semiconductor laser device portion 3 and the temperature sensor device portion 4 are formed. Here, an example in which a plurality of semiconductor laser element units 3 and a temperature sensor element unit 4 are formed on one semiconductor substrate 2 is shown.
そして、分離された半導体レーザ素子部３に対してレーザ発振用の上部電極３６及び下部電極３７を形成するとともに、温度センサ素子部４に対して温度検出用の上部電極４６及び下部電極４７を形成する。その後、半導体レーザ素子部３及び温度センサ素子部４を有する領域ごとに半導体基板２を切断することによって、温度センサ素子部４を一体に有する半導体レーザチップが形成される。この半導体レーザチップは、冷却モジュール７に搭載された状態で機密容器５内に設けられる。なお、半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とが一体となった積層構造体に対して保護膜３５を形成した後に、積層構造体の一部をエッチングにより取り除くことによって、半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とに分離してもよい。 Then, the upper electrode 36 and the lower electrode 37 for laser oscillation are formed on the separated semiconductor laser device portion 3, and the upper electrode 46 and the lower electrode 47 for temperature detection are formed on the temperature sensor device portion 4. Do. Thereafter, the semiconductor substrate 2 is cut in each region having the semiconductor laser element portion 3 and the temperature sensor element portion 4 to form a semiconductor laser chip integrally having the temperature sensor element portion 4. The semiconductor laser chip is provided in the airtight container 5 in a state of being mounted on the cooling module 7. Incidentally, after the protective film 35 is formed on the laminated structure in which the semiconductor laser device portion 3 and the temperature sensor device portion 4 are integrated, the semiconductor laser device portion is obtained by removing a part of the laminated structure by etching. 3 and the temperature sensor element unit 4 may be separated.
＜本実施形態の効果＞
本実施形態の半導体レーザ装置１００によれば、半導体基板２上に設けられる温度センサ素子部４の層構成を半導体レーザ素子部３の層構成の全部又は一部と同じにしているので、周囲から受ける熱影響の差を小さくすることができ、半導体レーザ素子部３の温度と温度センサ素子部４により得られる検出温度との差を小さくする。その結果、発振波長の温度依存性を精度良く補正することができる。また、半導体基板２上に設けられる温度センサ素子部４の層構成を半導体レーザ素子部３の層構成の全部又は一部と同じにしているので、半導体基板２上に半導体レーザ素子部３及び温度センサ素子部４を同時に作り込むことができる。半導体基板２上に半導体レーザ素子部３及び温度センサ素子部４を作り込むことによって、半導体レーザ素子部３に対する温度センサ素子部４の位置を精度良く設定することができ、半導体基板２に対する温度センサ素子部４の接合のバラつきも低減することができる。
<Effect of this embodiment>
According to the semiconductor laser device 100 of the present embodiment, the layer configuration of the temperature sensor element unit 4 provided on the semiconductor substrate 2 is the same as all or part of the layer configuration of the semiconductor laser element unit 3. The difference in thermal influence to be received can be reduced, and the difference between the temperature of the semiconductor laser device portion 3 and the detection temperature obtained by the temperature sensor device portion 4 can be reduced. As a result, the temperature dependency of the oscillation wavelength can be accurately corrected. Further, since the layer configuration of the temperature sensor element portion 4 provided on the semiconductor substrate 2 is the same as all or part of the layer configuration of the semiconductor laser element portion 3, the semiconductor laser element portion 3 and the temperature on the semiconductor substrate 2 are The sensor element unit 4 can be fabricated at the same time. By forming the semiconductor laser element portion 3 and the temperature sensor element portion 4 on the semiconductor substrate 2, the position of the temperature sensor element portion 4 with respect to the semiconductor laser element portion 3 can be accurately set, and the temperature sensor for the semiconductor substrate 2 It is also possible to reduce the variation of the junction of the element unit 4.
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記各実施形態に限られるものではない。
<Other Modified Embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiments.
例えば前記実施形態では、１つの半導体レーザ素子部３に対して１つの温度センサ素子部４を設ける構成であったが、１つの半導体レーザ素子部３に対して複数の温度センサ素子部４を設ける構成であっても良い。この場合、複数の温度センサ素子部４は、半導体レーザ素子部３の前後方向に異なる位置、左右方向に異なる位置、又は半導体レーザ素子部３から距離が異なる位置に設けることが考えられる。これにより、半導体基板２の温度分布を検出することができ、半導体レーザ素子部３の温度を精度良く検出することができる。 For example, in the above embodiment, one temperature sensor element unit 4 is provided for one semiconductor laser element unit 3, but a plurality of temperature sensor element units 4 are provided for one semiconductor laser element unit 3. It may be a configuration. In this case, it is conceivable that the plurality of temperature sensor element units 4 are provided at different positions in the front-rear direction of the semiconductor laser element unit 3, different positions in the lateral direction, or positions at different distances from the semiconductor laser element unit 3. Thereby, the temperature distribution of the semiconductor substrate 2 can be detected, and the temperature of the semiconductor laser device portion 3 can be detected with high accuracy.
また、前記実施形態では、半導体レーザ素子部３と温度センサ素子部４とが分離したものであったが、それらが分離されない一体構成であっても良い。この場合、レーザ発振用の上部電極３６及び下部電極３７と、温度検出用の上部電極４６及び下部電極４７とを別々に設ける構成とする。 In the above embodiment, the semiconductor laser device portion 3 and the temperature sensor device portion 4 are separated. However, they may be integrated so that they are not separated. In this case, the upper electrode 36 and the lower electrode 37 for laser oscillation, and the upper electrode 46 and the lower electrode 47 for temperature detection are separately provided.
さらに、前記実施形態では、半導体レーザ素子部３の層構成と温度センサ素子部４の層構成とは同じであったが、温度センサ素子部４の層構成が半導体レーザ素子部３の層構成の一部と同じであっても良い。この場合であっても、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。ここで、一部が同じとは、少なくともクラッド層とコア層とが同じであれば良い。その理由は、クラッド層及びコア層から形成される部分の温度影響が最も高く、温度センサ素子部への温度影響が大きいからである。 Furthermore, although the layer configuration of the semiconductor laser device portion 3 and the layer configuration of the temperature sensor device portion 4 are the same in the above embodiment, the layer configuration of the temperature sensor device portion 4 is the layer configuration of the semiconductor laser device portion 3 It may be the same as part. Even in this case, the same effects as those of the embodiment can be obtained. Here, “partly the same” may be used as long as at least the cladding layer and the core layer are the same. The reason is that the temperature influence of the portion formed of the cladding layer and the core layer is the highest, and the temperature influence on the temperature sensor element portion is large.
レーザ制御装置が半導体レーザ素子部３をパルス発振させるものの場合には、温度制御装置９はパルスオフの期間中に温度センサ素子部４を用いて温度を検出することが考えられる。これは半導体レーザ素子部３が発振されている状態では流れる電流によって一時的に温度上昇が生じるからであり、パルスオフでは、温度上昇が生じず、結果、より正確に測定することができる。 In the case where the laser control device pulse-oscillates the semiconductor laser element portion 3, it is conceivable that the temperature control device 9 detects the temperature using the temperature sensor element portion 4 during the pulse-off period. This is because in the state where the semiconductor laser element portion 3 is oscillated, the temperature rise temporarily occurs due to the flowing current, and when the pulse is off, the temperature rise does not occur, and as a result, the measurement can be performed more accurately.
前記実施形態に加えて周囲温度による発振波長の変動をより一層低減する為には、次の方法を採用することもできる。つまり、温度制御装置９が、図９に示すように、半導体レーザ素子部３の発振波長を一定としたときの目標温度とペルチェ素子の供給電力との関係を示す関係データを格納する関係データ格納部９１と、ペルチェ素子への供給電力を示す供給電力データを取得する供給電力データ取得部９２と、供給電力データと関係データとに基づいて目標温度を変更して供給電力を調整する供給電力制御部９３とを有する。 In order to further reduce the fluctuation of the oscillation wavelength due to the ambient temperature in addition to the above embodiment, the following method can be adopted. That is, as shown in FIG. 9, the relationship data storage in which the temperature control device 9 stores relationship data indicating the relationship between the target temperature when the oscillation wavelength of the semiconductor laser device unit 3 is constant and the supplied power of the Peltier device. Supply power control unit for changing the target temperature and adjusting the supply power based on the supply power data acquisition unit 92 for acquiring supply power data indicating the supply power to the Peltier element, and the supply power data and related data And a part 93.
関係データ格納部９１は、発振波長を一定としたときの温度センサ素子部４による検出温度の目標温度とペルチェ素子の供給電力との関係を示す関係データを格納している。この関係データは予め実験により求めておく。なお、この関係データは、異なる発振波長ごとに複数求めておいてもよい。 The relation data storage unit 91 stores relation data indicating the relation between the target temperature of the temperature detected by the temperature sensor element unit 4 and the supplied power of the Peltier element when the oscillation wavelength is constant. This related data is obtained in advance by experiment. A plurality of pieces of related data may be obtained for each different oscillation wavelength.
供給電力データ取得部９２は、温度センサ素子部４の検出温度が一定の目標温度となるようにペルチェ素子が制御されている状態で、当該ペルチェ素子に供給される供給電流及び供給電圧を取得して、それら供給電流及び供給電圧を用いて供給電力を算出するものである。ここで、ペルチェ素子に供給される供給電流は電流センサにより検出され、供給電圧は電圧センサにより検出される。なお、ペルチェ素子が電流制御される場合には、当該電流制御の設定値を用いることができるし、ペルチェ素子が電圧制御される場合には、当該電圧制御の設定値を用いることができる。供給電力データ取得部９２は、算出した供給電力データを供給電力制御部に出力する。 The supplied power data acquisition unit 92 acquires the supplied current and the supplied voltage supplied to the Peltier element in a state where the Peltier element is controlled such that the detected temperature of the temperature sensor element unit 4 becomes a constant target temperature. Then, the supply power is calculated using the supply current and the supply voltage. Here, the supply current supplied to the Peltier element is detected by the current sensor, and the supply voltage is detected by the voltage sensor. When the Peltier device is current-controlled, the set value of the current control can be used, and when the Peltier device is voltage-controlled, the set value of the voltage control can be used. The supplied power data acquisition unit 92 outputs the calculated supplied power data to the supplied power control unit.
供給電力制御部９３は、関係データ格納部９１から関係データを受け取るとともに、供給電力データ取得部９２から供給電力データを受け取る。そして、供給電力制御部９３は、供給電力データ及び関係データから、発振波長が一定となるように、温度センサ素子部４の目標温度を変更して、温度センサ素子部４の検出温度が変更後の目標温度となるようにペルチェ素子の供給電力を制御する。 The supplied power control unit 93 receives the related data from the related data storage unit 91 and receives the supplied power data from the supplied power data acquisition unit 92. Then, the supplied power control unit 93 changes the target temperature of the temperature sensor element unit 4 so that the oscillation wavelength becomes constant from the supplied power data and the related data, and the detected temperature of the temperature sensor element unit 4 is changed. Control the power supplied to the Peltier element so that the target temperature of
前記実施形態では、量子カスケードレーザ素子を有する半導体レーザ装置について説明したが、その他の半導体レーザ素子２（例えば分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ））を有するものであっても良い。 Although the semiconductor laser device having the quantum cascade laser device has been described in the above embodiment, the semiconductor laser device 2 may have another semiconductor laser device 2 (for example, a distributed reflection laser (DBR laser)).
半導体レーザ素子部３の駆動方式としては、連続発振（ＣＷ）方式であっても良いし、疑似連続発振（疑似ＣＷ）方式であっても良いし、パルス発振方式であっても良い。 The driving method of the semiconductor laser element portion 3 may be a continuous oscillation (CW) method, a pseudo continuous oscillation (quasi CW) method, or a pulse oscillation method.
前記実施形態では、半導体レーザ装置をガス分析装置に適用した例を説明したが、その他の光学分析装置に適用しても良いし、光通信用途に用いられるものであっても良い。 Although the example which applied the semiconductor laser apparatus to the gas analyzer was demonstrated in the said embodiment, you may apply to another optical analyzer, and may be used for an optical communication application.
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。 In addition, various modifications and combinations may be made without departing from the spirit of the present invention.
１０・・・ガス分析装置
１１・・・測定セル
１２・・・光検出器
１３・・・分析部
１００・・・半導体レーザ装置
２・・・半導体基板
３・・・半導体レーザ素子部
３Ａ・・・光導波路
３Ｂ・・・回折格子
３２・・・コア層
３２３・・・活性層
３３・・・上部クラッド層
４・・・温度センサ素子部
４１〜４４・・・半導体層
４６・・・上部電極（第１電極）
４７・・・下部電極（第２電極）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Gas analyzer 11 ... Measurement cell 12 ... Photodetector 13 ... Analysis part 100 ... Semiconductor laser apparatus 2 ... Semiconductor substrate 3 ... Semiconductor laser element part 3A .. Optical waveguide 3B: Diffraction grating 32: Core layer 323: Active layer 33: Upper cladding layer 4: Temperature sensor element portion 41 to 44: Semiconductor layer 46: Upper electrode (First electrode)
47 ··· Lower electrode (second electrode)
Claims (12)
前記基板上に設けられ、前記光導波路の層構成の全部又は一部と同じ層構成を有する温度センサ素子部とを備える半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device portion having an optical waveguide provided on a substrate;
A temperature sensor element portion provided on the substrate and having the same layer configuration as all or part of the layer configuration of the optical waveguide.
前記第１電極及び前記第２電極の間の抵抗値を用いて温度を検出するものである、請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。 The temperature sensor element unit includes one or more semiconductor layers, and a first electrode and a second electrode.
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein a temperature is detected using a resistance value between the first electrode and the second electrode.
前記半導体レーザ素子部がパルスオフとなっている期間に前記温度センサ素子部により温度測定を行うものである、請求項１乃至５の半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device portion is pulsed.
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the temperature measurement is performed by the temperature sensor element portion during a period in which the semiconductor laser element portion is pulse off.
前記コア層は、電流が注入されることにより光を発する活性層を有しており、
前記活性層は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなるものである、請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。 The optical waveguide comprises a cladding layer and a core layer,
The core layer has an active layer that emits light when current is injected;
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the active layer comprises a multiple quantum well structure having a plurality of well layers.
前記半導体レーザ素子部及び前記温度センサ素子部を温調する温調部と、
前記半導体基板及び前記温調部を収容するとともに、前記半導体レーザ素子部の光出射部に対向する部位に光学窓部材が設けられた気密容器とを備える、請求項１乃至８の何れか一項に記載の半導体レーザ装置。 A semiconductor substrate on which the semiconductor laser device portion and the temperature sensor device portion are provided;
A temperature control unit for controlling the temperature of the semiconductor laser element unit and the temperature sensor element unit;
9. The airtight container which accommodates the said semiconductor substrate and the said temperature control part, and is provided with the optical window member in the site | part which opposes the light emission part of the said semiconductor laser element part. The semiconductor laser device according to claim 1.
前記ガスが導入される測定セルと、
前記測定セルにレーザ光を照射する請求項１乃至９の何れか一項に記載の半導体レーザ装置と、
前記測定セルを通過したレーザ光を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出信号を用いて前記測定対象成分を分析する分析部とを有する、ガス分析装置。 A gas analyzer for analyzing a component to be measured contained in a gas, comprising:
A measuring cell into which the gas is introduced;
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 9, wherein the measurement cell is irradiated with a laser beam.
A light detector that detects the laser light that has passed through the measurement cell;
And an analyzer configured to analyze the component to be measured using a detection signal of the light detector.
前記半導体レーザ素子部及び前記温度センサ素子部を同一の製造プロセスにより層形成する、半導体レーザ装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 10, wherein
A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein the semiconductor laser element portion and the temperature sensor element portion are formed in the same manufacturing process.
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