JP2019502268A - ヒータ・オン・ヒートスプレッダ - Google Patents

Abstract

明細書では、レーザダイオードを熱的に調整するシステムおよび方法について説明する。動作中、レーザダイオードの構造は熱を発生し、レーザダイオードの出力波長の安定性および精度に影響を与える。オフ状態の間、レーザダイオードの構造は熱を失い、レーザダイオードが動作状態とオフ状態との間で切り替えられるにつれて温度勾配を生成する。システムおよび方法は、接続されたレーザダイオードの出力波長が安定するように、ヒートスプレッダ上にレーザダイオード電力接続供給部とヒータとを統合することによって、一定の平均熱および安定した温度勾配を提供する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
[0001]本願は、２０１６年１月４日に提出された米国仮特許出願第６２／２７４，５４３号の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0002]本発明は、米国運輸省道路交通安全局（National Highway Traffic Safety Administration）によって授与された契約番号ＤＴＮＨ２２−０８−Ｈ−００１８８のもと、政府の支援によってなされている。政府は本発明に一定の権利を有する。

［0003］本発明は、レーザダイオードの熱調整、特にレーザダイオード出力波長の短い整定時間を求める高速スイッチング用途に関する。

[0004]半導体レーザの出力波長は、レーザアセンブリの温度の影響を受け得る。例えば、１．６５μｍの波長スペクトルで作動するレーザダイオードは、温度の１．０℃の変化に応じて出力波長の０．１ｎｍの変化を有し得る。単一の出力波長が望ましいレーザ用途では、レーザアセンブリの温度調節が動作および精度に影響する可能性がある。これは、レーザダイオードがオフ状態からオン状態に急速に切り替えられる高速スイッチング用途において特に当てはまる。レーザダイオードがその目標波長に到達するためのオン状態の整定時間を短縮するために、追加の熱調整技術が必要とされ得る。

[0005]本明細書に記載のシステムおよび方法は、レーザダイオードを熱的に調整する。特に、システムおよび方法は、レーザダイオードがオフ状態からオン状態に急速に切り替わるときにも、ヒートスプレッダへの一定の平均熱伝達を提供するように設計される。これにより、レーザダイオードに安定した温度勾配が与えられ、出力波長の安定性が向上する。

[0006]ヒータ・オン・ヒートスプレッダシステムの例では、ヒートスプレッダに一体化された第１の電力接続供給部および第２の電力接続供給部から熱を分配するためのヒートスプレッダが提供される。前記第１の電力接続供給部は、発熱装置と電気的かつ熱的に接続される。前記第２の電力接続供給部は、前記ヒートスプレッダに一体化された熱生成器と電気的に接続される。前記第１の電力接続供給部および前記第２の電力接続供給部は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダへの一定の平均熱伝達を維持するために、オフ状態とオン状態との間を循環する。いくつかの実施形態では、前記熱生成器は抵抗ヒータである。いくつかの実施形態では、前記発熱装置は、単一波長で動作するレーザダイオードである。いくつかの実施形態では、オン状態中の前記レーザダイオードからの第１の熱出力は、前記レーザダイオードのオフ状態中の前記熱生成器からの第２の熱出力によって補償される。いくつかの実施形態では、前記レーザダイオードは、前記熱生成器によって予熱される。いくつかの実施形態では、前記第２の熱出力を調整することによって、前記レーザダイオードの出力波長が目標波長に調整される。

[0007]前記ヒータ・オン・ヒートスプレッダシステムのいくつかの実施形態では、前記ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、ヒータ・オン・ヒートスプレッダと温度制御プレートとが熱的および電気的に接続されるように、当該温度制御プレートに取り付けられる。いくつかの実施形態では、前記温度制御プレートは、複数の搭載レーザダイオードを有する複数のヒートスプレッダに熱的に接続される。いくつかの実施形態では、前記複数の搭載レーザダイオードの第１の部分集合は第１の目標出力波長を有し、前記複数の搭載レーザダイオードの第２の部分集合は第２の目標出力波長を有してもよい。前記ヒータ又は前記レーザダイオード電力接続供給部のいずれかに供給される電力を変えることによって、前記複数のレーザダイオードのうちの１つのレーザダイオードが熱的に調整される場合、熱的に接続された前記温度制御プレートの温度は変化しない。

[0008]ヒータ・オン・ヒートスプレッダシステムのいくつかの実施形態では、前記第１の電力接続供給部および前記第２の電力接続供給部と信号通信するロジックは、前記レーザダイオードの較正データを含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記ロジックは、前記第１の電力接続供給部と前記第２の電力接続供給部との間の電力を変調する。いくつかの実施形態では、前記ロジックは、前記レーザダイオードの温度を測定する。

[0009]レーザダイオードを熱的に調整する方法の一例において、この方法は、外部ロジックを用いてヒータ電力接続供給電極とレーザダイオード電力接続供給電極との間の電力を変調するステップを含んでもよい。この方法は、前記外部ロジックに格納されたレーザダイオード較正データに基づいて、前記レーザダイオードの出力波長を調整するステップを含む。この方法は、前記ヒータ電力接続供給電極と前記レーザダイオード電力接続供給電極のヒータ・オン・ヒートスプレッダへの平均熱伝達を維持することを含む。

[0010]いくつかの実施形態では、この方法は、ヒータ電力接続供給電極とレーザダイオード電力接続供給電極との間の電力を変調するステップの後に１０μｍ以内に前記レーザダイオードの出力波長を安定化させるステップを含む。いくつかの実施形態では、前記外部ロジックに格納されたレーザダイオード較正データに基づいて前記レーザダイオードの前記出力波長を調整するステップは、ヒータ・オン・ヒートスプレッダから測定された電気的パラメータから前記レーザダイオードの温度を決定するステップを含む。

[0011]本発明の特徴、その性質、及び様々な利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を検討することによって明らかになるであろう。図面中、同様の参照符号は全体を通じて同様の部分を示す。

[0012]図１は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの分解斜視図である。 [0013]図２は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの導電層を示す図である。 [0014]図３は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの絶縁層を示す図である。 [0015]図４は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの下部コンタクト層を示す図である。 [0016]図５は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの上部コンタクト層を示す図である。 [0017]図６は、例示的な実施形態による、単一のシート上に製造されたヒータ・オン・ヒートスプレッダを上方から見た図である。 [0018]図７は、例示的な実施形態による、レーザダイオードアセンブリを有するヒータ・オン・ヒートスプレッダのアレイを上方から見た図である。 [0019]図８は、例示的な実施形態による、単一のシート上に製造されたヒータ・オン・ヒートスプレッダの側面図である。 [0020]図９は、例示的な実施形態による、レーザダイオードアセンブリを有するヒータ・オン・ヒートスプレッダの側面図を示す。 [0021]図１０は、例示的な実施形態による、２つの搭載レーザダイオードアセンブリを有する２つのヒータ・オン・ヒートスプレッダにわたる熱勾配を示す図である。 [0022]図１１は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダと電子通信する制御システムを示す図である。 [0023]図１２は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダの制御システムの第１のロジック状態を示すグラフである。 [0024]図１３は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダの制御システムの第２のロジック状態を示すグラフである。 [0025]図１４は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続されたレーザの出力波長の変化を示すグラフである。 [0026]図１５は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続されたレーザの出力波長の別の変化を示すグラフである。

[0027]半導体レーザの出力波長は、半導体デバイス温度の変化に起因して変化し得る。レーザダイオードに供給される電力は、出力波長の形態における電磁エネルギーと、レーザダイオードから消散して熱結合構造に移転される熱エネルギーとの両方へと変換される。したがって、レーザダイオードが作動すると、レーザダイオードから発生した熱がレーザダイオードアセンブリ及びその周囲構造を加熱し得る。多くのレーザダイオードアセンブリは、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、予熱器、もしくは他の熱調整構造に熱的に接続されるか、又は、熱変動を緩和して標準の公称レーザダイオード波長を維持するための他の制御方法を使用する。

[0028]レーザダイオードアセンブリの温度がその出力波長に影響するので、レーザダイオードがその目標出力波長に到達するためには一般的に安定化間隔が必要とされる。安定化間隔の間にレーザダイオードアセンブリは熱平衡に達し、出力波長はその最終値に落ち着く。レーザダイオードがオフ状態からオン状態に迅速に切り換えられる高速スイッチングの場合、熱制御回路が整定時間を必要としたり、及び／又は安定化間隔中に出力波長が目標波長の周りを振動したりするため、安定化間隔は、レーザダイオードシステムの精度に影響し得る。出力波長精度が測定精度およびタイミング（分光器など）に直接影響を与える用途では、この安定化間隔を最小化することで、システム全体および測定の精度とサンプル時間が改善される。熱安定化問題に対するこれまでの解決策には、出力波長を検出しながら入力電力を調整するフィードバックループ、デュアル接合レーザダイオードアセンブリ、及びモノリシック集積型予熱器が含まれていた。デュアル接合レーザダイオードアセンブリでは、同一のレーザダイオードが熱的に接続される。一方のレーザダイオードは、「アクティブ」であり、その出力波長が使用され、他方のレーザダイオードは単に温度制御に使用される。アクティブのレーザダイオードがオンにされると、アクティブのレーザダイオードに電力が向けられ、第２のレーザダイオードではオフにされる。続いてアクティブのレーザダイオードがオフにされると、同じ電力が第２のレーザダイオードに向け直される。このように、アクティブのレーザダイオードと第２のレーザダイオードとの間で電力が変更され、アクティブのレーザダイオードをオフにすることによって失われる熱は第２のレーザダイオードをオンにすることによって生成される熱で置き換えられるので、熱結合されたレーザダイオード間の熱力学的平衡が維持される。モノリシック集積型ヒータでは、予熱器をレーザダイオードに組み込んで、レーザダイオードがオフ状態にある間に熱を発生させることができる。

[0029]しかしながら、これらの解決策は、追加の専用回路を必要とし、装置のフットプリントが大きくなり、レーザダイオードとヒータとの歩留まりの両方に依存する装置の歩留まりが低下し、第２のレーザダイオードが熱生成のためだけに使用され、又はフィードバック若しくは検出装置が必要とされるため、より高価になる。さらに、デュアル接合構造および典型的なモノリシック集積型予熱器構造の両方において、アクティブのレーザダイオードに補償熱が不均一に加えられ、出力波長における更なる変動および不安定性を引き起こし得るレーザダイオード内部の温度勾配を生じさせる。

[0030]本開示の全体的な理解を提供するために、レーザダイオードの熱調節のためのシステムを含む、いくつかの例示的な実施例を本明細書で説明する。本明細書に記載されたシステムおよび方法は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダを備える。ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、ヒータを有する発熱電力接続供給部をヒートスプレッダ基板に組み込んでいる。レーザダイオードのような発熱装置は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続され、ヒータ・オン・ヒートスプレッダによって熱的に調節される。電力接続供給部は、外部電源に接続され、これらの外部電源からの電力および信号をヒータ・オン・ヒートスプレッダの発熱装置およびヒータの両方に搬送する。ヒータは、発熱装置をオフ状態にすることに伴う熱損失を補償する。ヒータ・オン・ヒートスプレッダへのレーザダイオード、ヒータのための電力接続供給部、及びヒータといった発熱装置の電力接続供給部を、単一のヒータ・オン・ヒートスプレッダに統合することにより、この単一のヒータ・オン・ヒートスプレッドシステムによる発熱装置の調整および熱制御を行うことができる。これは、出力波長がレーザダイオード自体に電力を供給することに関連する熱出力に依存するため、出力波長の急速な安定化が望まれる高速スイッチングレーザの場合に特に有用である。

[0031]図１は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの分解斜視図である。導電層１１０は、厚さ１０４、幅１３２、及び長さ１３４を有する下部基板層１０２に一体化されている。下部基板層１０２は、熱伝導性材料からなり、熱を放散することができる放熱器である。導電層１１０は、外部電源（図示せず）からレーザダイオード（図示せず）およびヒータ構造１０６などの発熱装置に電力を伝達する電力接続供給電極１０８を備える。絶縁層１１２は、下部コンタクト層１１４からの導電層１１０を離隔する。上部層１２２は、熱出力が主にその電力供給に相関するレーザダイオード又は任意の他の発熱素子であり得る発熱装置と接触している。

[0032]下部基板層１０２は、任意の熱伝導性材料で作られてよい。また、下部基板層１０２は電気的に絶縁性であってもよい。下部基板層１０２は、熱伝導率が高く且つ電気的に絶縁性である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で作られてもよい。また、下部基板層１０２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン（Ｓｉ）、任意の工業用セラミック、又は熱伝導性が高い任意の他の材料で作られてもよい。下部基板層１０２は、ヒートシンクに熱的に接続されてもよい。また、下部基板層１０２は、それ自体がプレートの温度を調整することができる温度制御回路と電気的に接続される熱電冷却器（ＴＥＣ）のような温度制御プレートに取り付けられてもよい。温度制御回路は、ＴＥＣの温度を調整するためのフィードバックループを含んでもよい。温度制御回路は、ＴＥＣを安定した温度に保持することができる。下部基板層は、導電層１１０への平均電力入力、ヒータ構造１０６によって生成された熱、基板１３２の幅、及び／又は基板１３４の長さによって、部分的に選択される厚さ１０４を有する。寸法１０４、１３２、及び１３４は、図１１を参照してより詳細に説明されるように、導電層１１０と接触する基板の上部を亘る熱勾配ができるだけゼロに近くなるように選択され得る。

[0033]層１０２、１１０、１１２、１１４、１２２は、スパッタリング、蒸着、スピンコーティング、電気めっき、又は層１０２、１１０、１１２、１１４、１２２を付着および堆積することができる任意の他のプロセスによって形成することができる。導電層１１０は、白金（Ｐｔ）などの導電性材料で構成されている。導電層１１０は、電力接続供給電極１０８と、ヒータのための電極、ヒータ、及び接合グランドを有するヒータ構造１０６とを含む。絶縁層１１２は、ヒータ構造１０６を覆い、電力接続供給電極１０８を覆わなくてもよい。したがって、絶縁層１１２は、その面積が主に導電層１１０からの主熱源の上にあるように配置される。下部コンタクト層１１４は、電力接続供給電極コンタクト１２０、ヒータ及び共通グランドコンタクト１１８、並びにヒータ構造の電極を覆うヒータ電力接続供給コンタクト１１６の３つの構成要素を含む。

[0034]上部コンタクト層１２２は、同様に３つの別個の構成要素を含み、図１に示すように、下部コンタクト層１１４と同じ形態であり、上部電力接続供給コンタクト１２６、ヒータ及び共通グランド上部コンタクト１３０、並びに上部ヒータ電力接続供給コンタクト１２８を含む。上部コンタクト層１２２は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉの金属合金、Ｐｔの金属合金、Ａｕの金属合金、またはヒータ・オン・ヒートスプレッダが搭載される半導体レーザ若しくは装置との接触に適した任意の他の金属もしくは合金といった金属で作られる。上部コンタクト層１２２は、レーザまたは発熱装置と電気的に接触する低抵抗材料であってもよい。上部コンタクト層１２２は、下部コンタクト層１１４をＡｕなどの適切な金属でメッキすることによって形成することができる。また、上部コンタクト層１２２は、電気めっき、スパッタリング、熱蒸発、電子ビーム蒸着、または適切な金属を堆積させることができる任意の他のプロセスによって形成されてもよい。

[0035]図２は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの導電層を示す図である。上方から見た図２００によって示される導電層１１０は、外部電源（図示せず）からレーザダイオードまたは外部に搭載された発熱装置に電力を搬送するために使用される電力接続供給電極１０８と、ヒータ構造１０６とを備える。ヒータ構造１０６は、接合グランド２０４と、抵抗ヒータ２０２と、ヒータ電力接続供給電極２０６とを含む。この電源は、バッテリ、電気幹線、または自動車電気システムによって給電される制御電流源であってもよい。ヒータ２０２の抵抗によって、ヒータ電力接続供給電極２０６と接合グランド２０４との間に電圧降下が存在する。ヒータ２０２の出力熱は、入力電流と共に、この電圧降下に相関する。熱生成器２０２が抵抗ヒータである場合、熱出力は、ジュール−レンツ法則によって与えられる抵抗ヒータの抵抗値またはＲ値と入力電流Ｉとの関係で示すことができる。
Ｈ∝Ｉ^２Ｒｔ （１）
ここで、Ｈはヒータによって生成される出力放熱量、ｔはヒータに電流Ｉが供給される時間間隔である。式（１）から理解されるように、ヒータの出力熱は、入力電流Ｉ、又はヒータ・オン・ヒートスプレッダに電力が供給される時間間隔ｔを変更することによって動的に調整することができる。また、ヒータの抵抗値Ｒを変化させることにより、ヒータの出力熱を調整することができる。典型的な抵抗Ｒ値は１から１００オームまでの範囲であり、３００ｎｍのチタン（Ｔｉ）で作られた抵抗ヒータでは３．７±０．２オーム、または１２０ｎｍのＴｉで作られた抵抗ヒータでは１０．０±０．３オームである。また、抵抗ヒータの幅を増加させることにより、ヒータの熱出力を増加させることができる。

[0036]ここで、ヒータは、基板の一端に配置された複数の「Ｓ」字型のターンとして示されている。ヒータ電極の全長は、その抵抗を部分的に決定するので、抵抗ヒータの長さは、所望の抵抗および熱出力を達成するように調整されてもよい。また、抵抗ヒータは、図２に示す「Ｓ」字型とは異なる構成で配置されてもよい。ヒータによって占有される総面積は、レーザダイオードのような接続された発熱装置のフットプリントと一致するように調整されてもよい。

[0037]図３は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの絶縁層を示す図である。絶縁層１１２は、ヒータ構造１０６の主な発熱領域のみを覆ってもよく、ヒータ構造１０６の抵抗ヒータ部分のみを覆ってもよい。絶縁層１１２は、ポリアミドのような任意の電気絶縁材料で作られてよい。接合グランド２０４、電力接続供給電極１０８、及びヒータ電力接続供給電極２０６は、絶縁層１１２によって覆われない状態にされてもよい。絶縁層１１２は、下方の導電層１１０の主な発熱構造のための追加の絶縁をもたらす。絶縁層１１２は、ヒータ構造１０６によって生成された熱を、図１に示すように、レーザダイオード（図示せず）などの接続された発熱装置の表面全体、及び下部基板層１０２にわたって均等に分配する。

[0038]図４は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの下部コンタクト層を示す。上方から見た断面４００によって示される第１のコンタクト層は、電力接続供給コンタクト１２０、ヒータおよび接合グランドコンタクト１１８、並びに図２及び図３に示すようにヒータ構造１０６のヒータ電力接続供給電極２０６を覆うヒータ電力接続供給コンタクト１１６の３つの別個の構成要素を備えている。電力接続供給コンタクト１２０は、図２及び図３に示すように、電力接続供給電極１０８を覆う。ヒータおよび接合グランドコンタクト１８は、図２及び図３に示すように、ヒータ構造１０６のヒータ部分２０２と接合グランド２０６との両方を覆う。ヒータ電力接続供給コンタクト１１６は、ヒータ用の正電極のみを覆う。これにより、下部コンタクト層１１４は、電力接続供給電極１０８を接合グランド２０４から電気的に絶縁する。

[0039]図５は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダの上部コンタクト層を示している。上部コンタクト層１２２は、レーザダイオードまたは搭載された装置へのボンディングに適した金属で下部コンタクト層１１４をコーティングすることによって形成される。この金属は、金（Ａｕ）であってもよいし、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、又は銀（Ａｇ）といった半導体をはんだづけ、接着、又はワイヤボンディングするのに適した別の適切な金属であってもよい。この上部コンタクト層１２２は、５００で示されたヒータ・オン・ヒートスプレッダ上のワイヤボンディングのための面を提供する。上部コンタクト層１２２は、上部電力接続供給コンタクト１２６、ヒータおよび共通グランド上部コンタクト１３０、並びに上部ヒータ電力接続供給コンタクト１２８を含む。ワイヤボンディング（図示せず）は、要素１２６、１３０、又は１２８のいずれかと外部熱生成装置（図示せず）との間、または要素１２６、１３０、及び１２８自体のいずれかの間に形成されてもよい。

[0040]図６は、例示的な実施形態による、単一のシート上に製造されたヒータ・オン・ヒートスプレッダを上方から見た図である。シート６００は、列６１６、６１４、６１２、及び６１０といったヒータ・オン・ヒートスプレッダのいくつかの列から構成される。列６１６、６１５、６１２、及び６１０のそれぞれは、所望の数のヒータ・オン・ヒートスプレッダを含み、ヒータ・オン・ヒートスプレッダが組み込まれている装置の仕様によって決定され得る。ヒータ・オン・ヒートスプレッダの数は、装置によって必要とされる波長の総数によって決定されてもよい。列６１６、６１４、６１２、及び６１０は、それぞれ互いに分離され、各列内にヒータ・オン・ヒートスプレッダのアレイを残して、所望の装置に組み込むことができる。各列６１６、６１４、６１２、及び６１０内の各ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、図７及び図９に示すように、レーザダイオード、又はヒータ・オン・ヒートスプレッダのコンタクト層に取り付けられた他の熱生成装置を有してもよい。

[0041]列６１０、６１２、６１４、及び６１６内のヒータ・オン・ヒートスプレッダのそれぞれは、図１に示すヒータ・オン・ヒートスプレッダ１００であってもよく、したがって、図２から図５に示すように複数の層を含んでもよい。シート６００が、ヒータ・オン・ヒートスプレッダを製造するための要求に応じてマスクされ、エッチングされ、コーティングされるように、列６１０、６１２、６１４、及び６１６内のヒータ・オン・ヒートスプレッダの層は同時に形成されてもよい。これは、ヒータ・オン・ヒートスプレッダの効率的で均一な生産を可能にする。

[0042]図７は、例示的な実施形態による、レーザダイオードアセンブリを有するヒートスプレッダのアレイを上方から見た図を示す。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイは、図６に示すように、列６１０、６１２、６１４、又は６１６の１つから形成されてもよく、したがって、図６の６００に示すように、単一のシート上に他のアレイを用いて製造されてもよい。７０２に示すように、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ及びレーザダイオードアセンブリのそれぞれは、７０４に示すように、マウントされたレーザダイオードを有する。マウントされたレーザダイオード７０４は、図１−図５に示すようなヒータ構造（図示せず）上に主に配置されている。レーザダイオードコンタクト層７１２は、図１−図５５にも示されているように、接合グランド７０８と接触していてもよい。レーザダイオード７０４は、レーザダイオード電力接続供給部７０１へボンディング７０６によってワイヤボンディングされてもよい。レーザダイオード電力接続供給部７１０は、別個にワイヤボンディングされてもよく、あるいは外部電源（図示せず）に電気的に接続されてもよい。外部電源は、レーザダイオード７０４に電力を供給する。ボンディング７０６は、金（Ａｕ）であってもよいし、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、又は銀（Ａｇ）、もしくはそれらの化合物といった低抵抗値を有する別の適切な金属であってもよい。レーザダイオード７０４は、低抵抗の電気的接続を提供することができる任意の他の材料でレーザダイオード電力接続供給部７１０に接続されてもよい。レーザダイオード７０４の下方に配置されたヒータ（図示せず）は、ヒータ電力接続供給部７１４によって電力供給される。ヒータ電力接続供給部７１４は、別個にワイヤボンディングされてもよいし、外部電源（図示せず）に電気的に接続されてもよい。外部電源は、ヒータ構造に電力供給できる。ヒータ電力接続供給部７１４は、図１１を参照してさらに詳細に説明するロジックなどの外部ロジックと信号通信してもよい。ヒータ電力接続供給部７１４及びレーザダイオード電力接続供給部７１０の両方は、図１１を参照してさらに詳細に説明するロジック等の同一の外部ロジック（図示せず）と信号通信してもよい。

[0043]図７に示すレーザダイオードは、それぞれ目標出力波長が異なっていてもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおける各レーザダイオードの下のヒータは、図７に示すレーザダイオード７０４のようなレーザダイオードの目標出力波長に応じて異なる熱出力を有してもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおける各レーザダイオードは、それぞれのレーザダイオードが取り付けられた後に個別に較正されてもよい。較正は、入力電圧の出力波長、電流、及びレーザダイオード電力接続供給部７１０などのレーザダイオード電力接続供給部への電力供給のオンまたはオフ時間の持続時間の依存性を定めることを含んでもよい。これらのパラメータ及び依存性は、図１１を参照してさらに説明されるロジックのような外部ロジックに提供される較正値に含まれてもよい。

[0044]ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイは、ヒートシンク（図示せず）に熱的に接続されてもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイは、ＴＥＣ（図示せず）に熱的に接続されてもよい。ヒートシンク又はＴＥＣは、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおける各ヒータが、レーザダイオード７０４のような個々のレーザダイオードのそれぞれの温度をその目標出力波長を生成するのに要求される温度まで上昇させる間、単一の最少温度で均一に保持することができる。これにより、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおける各ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、互いに独立して動作し、個別に較正されたレーザダイオードのそれぞれに局所的な熱を提供する。

[0045]レーザダイオード７０４などのヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおけるレーザダイオードは、ダブルヘテロ構造レーザ、量子井戸レーザ、量子ドットレーザ、量子カスケードレーザ、インターバンドカスケードレーザ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）、垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬｓ）、外部共振器ダイオードレーザ、又はレーザダイオード自体の温度によって影響を受ける出力波長を有する他の半導体レーザといった半導体レーザダイオードであってもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおけるレーザダイオードは、同じ目標出力波長をそれぞれ有してもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおけるレーザダイオードは、異なる目標出力波長を有してもよい。ヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイにおけるレーザダイオードの部分集合は、同じ目標出力波長を有してもよい。

[0046]図８は、例示的な実施形態による、単一のシート上に製造されたヒータ・オン・ヒートスプレッダの側面図である。側面図８００は、図６に示す列６１０、６１２、６１４、及び６１６などのヒータ・オン・ヒートスプレッダの列の部分集合であってもよい。幅８０６は、単一のヒータ・オン・ヒートスプレッダの幅である。幅８０６は、図１に示す幅１３２であってもよい。高さ８０２は、単一のヒータ・オン・ヒートスプレッダの高さである。高さ８０２は、図１に示す高さ１０４と同一であってもよい。側面図８００におけるヒータ・オン・ヒートスプレッダ間のギャップ８０４は、列６１０、６１２、６１４、及び６１６における個々のヒータ・オン・ヒートスプレッダの間の距離であってもよい。寸法８０６、６０４、及び８０２は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ上の搭載レーザダイオードの下方の温度勾配を低減するように選択されてもよい。ギャップ８０４を増加させると、隣接するヒータ・オン・ヒートスプレッダ上のヒータの熱的影響を低減させることができ、ギャップ８０４を減少させると、隣接するヒータ・オン・ヒートスプレッダ上のヒータの熱的影響を増加させることができる。幅８０６は、１００μｍから５００μｍまでの範囲であってもよく、好ましい値は５９０μｍである。ギャップ８０４は、１０μｍから５００μｍまでの範囲であってもよく、好ましい値は９０μｍである。高さ８０２は、５０μｍから２５００μｍまでの範囲であってもよく、好ましい値は２５０μｍである。

[0047]図９は、例示的な実施形態による、レーザダイオードアセンブリを有するヒータ・オン・ヒートスプレッダの側面図を示す。側面図９００は、幅８０６のヒータ・オン・ヒートスプレッダの上に搭載レーザダイオード９０２を示している。側面図９００は、図６に示される列６１０、６１２、６１４、及び６１６などのヒータ・オン・ヒートスプレッダの列の部分集合、又は図７に示されるヒータ・オン・ヒートスプレッダ７００上の搭載レーザダイオードのアレイを示している。レーザダイオード９０２は、８０４のギャップだけ隣のヒータ・オン・ヒートスプレッダから離隔される。ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、高さ８０２を有してもよい。

[0048]図１０は、例示的な実施形態による、２つの搭載レーザダイオードアセンブリを有する２つのヒータ・オン・ヒートスプレッダにわたる温度勾配を示す図である。側面図１０００は、図９に示す側面図９００であってもよい。第１のレーザダイオード１００８ａ及び第２のレーザダイオード１００８ｂ（総称的に１００８）は、レーザダイオード１００８が幅１０１０の中間点から等距離になるように、幅１０１０の中点をまたがって対称に配置される。ヒータ構造は１００４で示され、レーザダイオード１００８の下方に配置されている。ヒータ構造は、図１及び図２に示すヒータ構造１０６であってもよい。コンタクト層１００６は、図１及び図５に示すコンタクト層１３０であってもよく、図１〜図５に示すように、絶縁層１１２、下部コンタクト層１１４、及び上部コンタクト層１２２のような絶縁層を備えてもよい。レーザダイオード１００８は、コンタクト層１００６に半田付けされるか、又は熱伝導する及び電気接続してレーザダイオード１００８をコンタクト層１００６に保持する任意の材料でコンタクト層１００６に接続されてもよい。ヒータ１００４は、ヒータ電力接続供給電極（図示せず）を通じてヒータ１００４に電力を搬送する外部電源によって電力供給され、レーザダイオード１００８はレーザダイオード電源（図示せず）にワイヤボンディングされてレーザダイオード電源から電力供給される。また、レーザダイオード１００８は、低抵抗値を有する任意の導電性材料でレーザダイオード電源に接続されてもよい。

[0049]図１０は、下部基板層１１１４内の熱勾配の等高線を表す等高線１０１２ａ、１０１２ｂ、１０１２ｃ、１０１２ｄ、１０１２ｅ（集合的に１１１２）が示されている。下部基板層１１１４は、図１に示す下部基板層１０２であってもよい。断面１０００の対称性は、等高線１０１２によって表される熱勾配の安定性を向上させ、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ及びレーザダイオードアセンブリにわたって熱を均等に分布させることができる。等高線１０１２は、下部基板層１０１２の幅１０１０及び高さ１００２に対する熱勾配の依存性を示す。レーザダイオードと接触している下部基板層１０１２の上面において温度変動を最小限にして上面を横切るほぼ平坦な等高線とするために、下部基板層１０１２の全幅１０１０は、こうしたことを可能にするのに十分に広くなければならない。異なる目標出力波長を有するレーザダイオードは、レーザダイオード自体によって生成される熱を効果的に補償するために、ヒータ１００４とは異なる量の熱出力を必要とすることがある。したがって、寸法１０１０及び１００２は、関連するレーザダイオード１００８の波長に基づいて調整されてもよい。

[0050]図１１は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダと電子通信する制御システムを示している。回路図１１００に示すロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４とヒータ１１０６との間の電力を調整することができる任意の外部回路またはマイクロプロセッサであってもよい。レーザダイオード１１０４は、本明細書に記載のレーザダイオードのいずれかであってもよい。ヒータ１１０６は、本明細書に記載のヒータ構造のいずれかであってもよい。ロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４およびヒータ１１０６の両方と別個に信号通信してもよい。また、ロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４が使用されていないとき、ヒータ１１０６をオンにしてレーザダイオード１１０４を予熱する。ロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４に供給される電流または電圧を調整することによって、レーザダイオード１１０４の出力波長１１０８を微調整するフィードバック回路を含んでもよい。レーザダイオードの出力波長は、レーザダイオード１１０４及び／又はヒータ１１０６に供給される電流または電圧を変更することによって、ロジック１１０２によって目標出力波長における１％の変化内で微調整される。ロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４又はヒータ１１０６の何れかに電力が供給される時間をカウントして調整するためのタイミング回路を含む。ロジック１１０２は、レーザダイオード及びヒータ・オン・ヒートスプレッドのそれぞれの較正から決定されるヒータ１１０６の出力熱と出力波長１１０８との間の関係などの較正データを格納するための関連するメモリを有してもよい。

[0051]また、ロジック１１０２は、レーザダイオード１１０４の温度を決定するための検出回路を含んでもよい。また、ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、搭載レーザダイオードの温度を検出するための温度センサとして使用されてもよい。ロジック１１０２は、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ（図示せず）内の抵抗および電圧降下を測定することにより、レーザダイオード１１０４の温度を検出する。ロジック１１０２は、測定された抵抗または電圧降下の温度依存性を決定するための較正データを含んでもよい。

[0052]図１２は、例示的な実施形態による、ヒータ・オン・ヒートスプレッダの制御システムの第１のロジック状態を示すグラフである。ロジック状態１２００は、ヒータに供給される電力レベルが１２０２で示され、レーザダイオードに供給される電力レベルが１２０４で示されるような、レーザダイオードオフ状態である。ロジック状態１２００は、図１１に示すロジック１１０２などの外部ロジックによって決定される。ロジック状態１２００は、図１１に示すロジック１１０２のような外部ロジックによって決定された時間の間継続する。ロジック状態１２００は、レーザダイオードの予熱に対応してもよい。また、ロジック状態１２００はレーザダイオード電源とヒータ電源との間で電力が迅速に変調されるレーザダイオードオフ状態に対応する。レーザダイオード電力１２０４とヒータ電力１２０２との間の平均電力レベルが１２０６に示されている。理解されるように、ロジック状態１２００で示される電力レベルはレーザダイオード及びヒータの熱出力に比例し、電力レベル１２０２はヒータの熱出力に比例し、そして電力レベル１２０４はレーザダイオードの熱出力に比例してもよい。

[0053]図１３は、例示的な実施形態による、ヒータ・オン・ヒートスプレッダの制御システムの第２のロジック状態を示すグラフである。第２のロジック状態１３００は、主にレーザに電力が供給されてヒータ素子がオフになるレーザダイオードのオン状態に対応する。したがって、電力レベル１３０４はレーザダイオードを動作させるために供給される電力であり、電力レベル１３０２は加熱器に供給される電力である。レーザダイオード電力１３０４とヒータ電力１３０２との間の平均電力レベル１２０６は、図１２に示すレーザダイオードオフ状態１２００の電力レベルと同一であってもよい。第２のロジック状態１３００に示される電力レベルはレーザダイオード及びヒータの熱出力に比例し、電力レベル１３０２がヒータ熱出力に比例し、電力レベル１３０４がレーザダイオード熱出力に比例してもよい。

[0054]図１１に示すロジック１１０２のような外部ロジックは、図１２に示すロジック状態１２００と図１３に示すロジック状態１３００との間で急速に変調することができる。ロジック状態１２００とロジック状態１３００との間の遷移は、図１１に示すロジック１１０２のような外部ロジックによって生成された２値信号の結果であってもよい。ロジック状態１２００とロジック状態１３００との間の遷移は、図１１に示すロジック１１０２のような外部ロジックによって生成されたアナログ信号の結果であってもよい。ロジック状態１２００と第２のロジック状態１３００との間の高速変調の間に、出力波長がその目標出力波長に対して振動する時間が少なくて済むので、短い安定化間隔によるレーザダイオード出力波長で行われる測定の精度を改善することができる。しかし、ロジック状態間の平均出力１２０６を維持することにより、レーザダイオード及びヒータに供給される電力から生じる平均熱出力が変調中であっても変化しないので、出力波長の安定化間隔を確実に低減させられる。また、平均電力出力１２０６を維持することによって、ロジック状態間の変調がレーザダイオードとＴＥＣ又はヒートシンクとの間の熱伝達を変化させないので、熱的に接続されたＴＥＣ又はヒートシンクの温度を安定させることができる。

[0055]図１４は、例示的な実施形態による、ヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続されたレーザの出力波長の変化を示すグラフである。グラフ１４００は、出力波長１４０２で示されるオフ状態から１４０４で示される目標出力波長１４０６でのオン状態への、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ（図示せず）に接続されたレーザ（図示せず）の遷移を示す。ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、本明細書に記載のヒータ・オン・ヒートスプレッダのいずれかであってもよい。１４０４で目標出力波長１４０６を生成するレーザは、本明細書で説明するレーザのいずれかであってもよい。１４０２に示すオフ状態は、図１２に示すオフロジック状態１２０４に対応してもよいし、及び／又は図１３に示すオフロジック状態１３０２に対応してもよい。出力１４０４は、図１２に示すオンロジック状態１２０２に対応してもよいし、及び／又はオフロジック状態１３０４を示すオンロジック状態１３０４に対応してもよい。１４０２で示すオフ状態とオン状態との間の遷移であって、レーザダイオード

[0056]１４０８に示す時間間隔は、レーザダイオードがその目標出力波長１４０６に到達する安定化間隔を示す。安定化間隔１４０８は、１００μｓ未満であってもよい。安定化間隔１４０８は、３２５ｍｓの目標安定化間隔よりも小さくてもよい。１４０４でオフ状態１４０２と目標出力波長１４０６との間のレーザダイオードの遷移を示す傾斜１４１０は、グラフ１４００に示すような線形傾斜であってもよい。目標出力波長１４０６は、紫外線、可視、又は赤外線の電磁スペクトル範囲内の任意のレーザ発信波長であってもよい。目標出力波長１４０６は、１００ｎｍと１５，０００ｎｍとの間の波長であってもよい。

[0057]図１５は、例示的な実施形態によるヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続されたされたレーザの出力波長の別の変化を示すグラフである。グラフ１５００は、１５０２の第１の波長λ_０１５０６から、１５０４の第２の波長λ_１１５０８までの、ヒータ・オン・ヒートスプレッダ（図示せず）に接続されたレーザ（図示せず）の遷移を示す。安定化間隔１５１２は、１５０２の第１の波長λ_０１５０６から、１５０４の第２の波長λ_１１５０８まで移行する時間間隔である。安定化間隔１５１２は１００μｍ未満であってもよい。安定化間隔１４０８は、３２５ｍｓの目標安定化間隔よりも小さくてもよい。第１の波長λ_０１５０６と第２の波長λ_１１５０８との間でレーザが遷移する傾斜１５１０は、グラフ１５００において１５１０で示すように線形であってもよい。

[0058]１５０２の第１の波長λ_０１５０６から、１５０４の第２の波長λ_１１５０８への移行は、サーマルチューニング、又はヒータ（本明細書に記載されたヒータのいずれか）及び／又はヒータ・オン・ヒートスプレッダに接続されたレーザ（本明細書に記載されているレーザのいずれか）に供給される電力の外部ロジックによる調整によって生じてもよい。したがって、第１の波長λ_０１５０６は、第２の波長λ_１１５０８の１％以内であってもよい。また、第１の波長λ_０１５０６は、紫外線、可視、又は赤外線の電磁スペクトル範囲内の任意のレーザ発信波長であってもよい。第１の波長λ_０１５０６は、１００ｎｍと１５，０００ｎｍとの間の波長であってもよい。また、第２の波長λ_１１５０８は、紫外線、可視、又は赤外線の電磁スペクトル範囲内の任意のレーザ波長であってもよい。第１の波長λ_１１５０６は、１００ｎｍと１５，０００ｎｍとの間の波長であってもよい。

[0059]このように、ヒータ・オン・ヒートスプレッダを使用する発熱装置の熱制御のためのシステムおよび方法が提供される。ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、発熱装置がオン状態からオフ状態に切り替わるときに、レーザダイオードなどの関連する発熱装置に対して安定した温度勾配を提供する。ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、ヒータと発熱装置の電源との間で電力を変調する関連ロジックを有する。ヒータ、ヒータ電源、及び発熱装置の電源は、すべてヒートスプレッダに組み込まれており、接続された発熱装置の電力制御および熱制御の両方を統合することができる。

[0060]上記は、本発明の原理の単なる例示であり、本発明は、限定ではなく例示のために提示された記載された実施形態以外のものによって実施することができ、本発明は特許請求の範囲によって規定されるものであることを理解されたい。

Claims (15)

1. ヒートスプレッダと、
   前記ヒートスプレッダに組み込まれると共に発熱装置に電気的に接続および熱的に接続された第１の電力接続供給部と、
   前記ヒートスプレッダに組み込まれた第２の電力接続供給部と、
   前記第２の電力接続供給部と電気的に接続されると共に前記ヒートスプレッダに組み込まれた熱生成器と、
   を備え、
   前記第１の電力接続供給部と前記第２の電力接続供給部とは、前記発熱装置への平均熱伝達が一定となるように、オフ状態とオン状態とを循環する、
   ヒータ・オン・ヒートスプレッダシステム。
2. 前記熱生成器が抵抗ヒータである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記熱生成器が単一の波長で動作するレーザダイオードである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記レーザダイオードがオン状態中の前記レーザダイオードからの第１の熱出力は、前記レーザダイオードがオフ状態中の前記レーザダイオードからの第２の熱出力によって補償される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記レーザダイオードは、前記熱生成器によって予熱される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記レーザダイオードの出力波長は、前記第２の熱出力を調整することによって目標出力波長に調整される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記ヒータ・オン・ヒートスプレッダは、前記ヒータ・オン・ヒートスプレッダと温度制御プレートとが熱的および電気的に接続されるように、当該温度制御プレートに取り付けられる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記温度制御プレートは、複数の搭載レーザダイオードを有する複数のヒータ・オン・ヒートスプレッダに熱的に接続され、
   前記複数のレーザダイオードのうちの１つのレーザダイオードを熱的に調整することは、前記温度制御プレートの温度を変更しない、
   請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数の搭載レーザダイオードの第１の部分集合は第１の目標出力波長を有し、前記複数の搭載レーザダイオードの第２の部分集合は第２の目標出力波長を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記第１の電力接続供給部および前記第２の電力接続供給部と信号通信するロジックは、前記レーザダイオードの較正データを含む、請求項４に記載のシステム。
11. 前記ロジックは、前記第１の電力接続供給部と前記第２の電力接続供給部との間の電力を変調する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ロジックは、前記レーザダイオードの温度を測定する、請求項１１に記載のシステム。
13. レーザダイオードを熱的に調整する方法であって、
    外部ロジックを用いてヒータ電力接続供給電極とレーザダイオード電力接続供給電極との間の電力を変調するステップと、
    前記外部ロジックに格納されたレーザダイオード較正データに基づいて、前記レーザダイオードの出力波長を調整するステップと、
    前記ヒータ電力接続供給電極の熱出力と前記レーザダイオード電力接続供給電極の熱出力との間の平均熱出力を維持するステップと、
    を含む方法。
14. 前記ヒータ電力接続供給電極と前記レーザダイオード電力接続供給電極との間の電力を変調するステップの後に１０μｓ以内に前記レーザダイオードの出力波長を安定化させるステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記外部ロジックに格納されたレーザダイオード較正データに基づいて前記レーザダイオードの前記出力波長を調整するステップは、ヒータ・オン・ヒートスプレッダから測定された電気的パラメータから前記レーザダイオードの温度を検出するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。

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