JP2539878C

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Publication number: JP2539878C
Authority: JP
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Publication date: 1998-11-05

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、特にレーザプリンタに使用される半導体レーザ装置の駆動方法に
関するものである。〔従来の技術〕第２図は従来のレーザプリンタ用半導体レーザ装置を示す図で、図中、（１）
はレーザプリンタ用半導体レーザチップ、（２）はレーザチップの前後のレーザ
出射端面上に形成された端面保護膜、（４）は金ワイヤ、（５）はサブマウント
、（６）はヒートシンク、（７）はチップ前面に出射されたレーザ光、（８）は
チップ裏面に出射されたモニター用レーザ光をそれぞれ表わす。次に動作について説明する。半導体レーザにあるしきい値以上の電流を流すと
レーザ発振が生じ、第２図ａに示すようにレーザ光（７），（８）がチップ端面
から前後に出射される。両方のレーザ光（７），（８）のうち、裏面から出射す
るレーザ光はモニター用として利用される。レーザ光出射端面には、端面の酸化
防止のためＡｌ２Ｏ３等で構成された端面保護膜（２）が形成されている。これ
は、端面が酸化すると表面準位が増加し、表面準位中でのレーザ光吸収作用に起
因する熱の発生が顕著になり、端面近傍の結品が瞬時に溶融する結果、レーザが
破壊されてしまうからである。なお、端面の反射率は、保護膜（２）のあるなし
にかかわらず３０％程度である。レーザプリンタにおいては、半導体レーザは断続的に駆動される。この場合、
半導体レーザに通電が開始された後、光出力は図３に示すように、時間がたつに
つれて低下するという特性を示す。図中のＰＡはレーザ発振開始直後の光出力、
ＰＢはレーザ発振停止直前の光出力、ｔはレーザの駆動時間をそれぞれ表わす。〔発明が解決しようとする課題〕前述したように、レーザプリンタでは、レーザを定動作電流で断続的に駆動す
るが、この駆動法では光出力が過渡的に低下するという現象が起る。このレーザ
断続駆動時の過渡的な光出力の低下の度合は、ドループとして表わされる。ドル
ープΔＰは図３からと定義される。レーザプリンタの印字濃度はレーザの光出力で一義的に決まるので、駆動時の
光出力の低下が大きい場合、すなわち、ドループΔＰが大きい場合は印字むらが
発生する。したがって、むらのない印字を得るためには、ドループΔＰを小さく
する必要があった。しかし従来の、第１図に示すような構成を有するレーザプリ
ンタ用半導体レーザ装置では、ドループΔＰは１０％以上であり、この程度の値
では印字むらが発生する恐れが充分にあった。従来のレーザプリンタ用半導体レ
ーザ装置では以上のような問題があった。この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ドループ ΔＰが充分小さく、レーザプリンタ使用時に印字むらが発生しないレーザプリン
ダ用半導体レーザ装置の駆動方法を得る事を目的とする。〔課題を解決するための手段〕この発明に係るレーザプリンタ用半導体レーザ装置の駆動方法は、 Ith:しきい値電流，Iop:動作電流，ΔTj:活性領域の温度上昇，T0:特性温度，Vo
p:動作電圧，Rth:素子の熱抵抗，t:プリンタの印字の際の半導体レーザの駆動時
間，C:素子の熱容量，ΔP:印字むらを規定する光出力のドループという３式を半導体レーザ装置の端面反射率を調整することによりすべて満たす
よう半導体レーザ装置を駆動するようにしたものである。また、上記レーザプリンタ用半導体レーザ装置の駆動方法において、上記半導
体レーザ装置の特性温度T0を約180Kとし、上記半導体レーザ装置の光出力を約3m
Wとし、上記半導体レーザ装置の端面反射率を45ないし65％としたものである。〔作用〕この発明におけるレーザプリンタ用半導体レーザ装置の駆動方法は、上記式１
ないし３を半導体レーザ装置の端面反射率を調整することにより全て満たすよう
半導体レーザ装置を駆動するようにしたから、ドループΔＰを８％より小さくし
て、むらの少ない印字を実現することができる。〔実施例〕以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１図ａにおいて、（１）半導体レーザチップ（２）レーザチップの前面の出射端面上に形成された反射膜（３）レーザチップの前後のレーザ出射端面上に形成された端面保護膜（４）金ワイヤ（５）サブマウント（６）ヒートシンク（７）チップ前面に出射されたレーザ光（８）チップ裏面に出射されたモニター用レーザ光をそれぞれ示す。また、第１図ｂにおいて、（３ａ）Ａｌ２Ｏ３膜（３ｂ）ａ−Ｓｉ膜をそれぞれ示す。まず、ドループを定量的に解析する方法について述べる。ドループは、半導体レーザの活性領域の温度上昇に起因するしきい値電流の上
昇により、光出力が低下するため生じる。活性領域の温度上昇をΔＴｊとすると
、ＰＡ，ＰＢはそれぞれと表わされる。上式中、 η^dｆ：前面の外部微分量子効率 ν ：レーザ光の周波数ｈ：プランク定数ｑ：電荷Ｉth ：しきい値電流Ｉop ：動作電流Ｔ０：特性温度をそれぞれ表す。（２），（３）式を（１）式に代入すると、となる。半導体レーザの特性温度Ｔ０は１８０Ｋ程度でΔＴｊに比べて充分大きいので、ΔＴｊ／Ｔ０≪１が成り立ち、この場合（４）式は近似的にと表わされる。（５）式からドループΔＰを小さくする１つの方法として、（Ｉ
op／Ｉth）−１の項を大きくするという事があげられる。Ｉop／Ｉthを大きくす
るためには、外部微分量子効率η^dｆを下げればよい。（５）式からΔＰを計算するにはΔＴｊの値が必要である。そこでΔＴｊを、
熱の発生及び流出を考慮した微分方程式、を解く事により求めた。上式を解くと、となる。（４）あるいは（５）式と（７）式を計算するとドループΔＰが求めら
れる。以上の考察でドループΔＰを低減するためには、外部微分量子効率η^dｆを小
さくすればよいという事がわかった。 η^dｆを下げる具体的な方法としては、前面の端面反射率（以下Ｒｆと略す）
を大きくするという方法がある。 η^dｆとＲｆ，Ｒｒ（裏面の端面反射率）の関係は、で表わされる。上式中、αは吸収係数、Ｌは共振器長をそれぞれ表わす。（８）
式から、Ｒｆを大きくする程、η^dｆは小さくなる。図４にドループΔＰと前面
の端面反射率Ｒｆの関係を示す。図からＲｆを大きくする程、ΔＰが低くなるこ
とがわかる。レーザプリンタ使用時に印字むらが生じる恐れのない場合のドルー
プΔＰの上限は８％である。図４から、ΔＰ＜８％を実現するには、Ｒｆを４５
％以上と設定すればよい。以上、ドループΔＰを低くするためにはＲｆを大きくすればよいことがわかっ
た。しかしながら、Ｒｆを大きくするとΔＰが小さくなる反面、端面近傍の光密度が上昇する。したがって、低光出力でＣＯＤ（光学損傷）による端面破壊を起
しやすくなり、信頼性も低下する。ＣＯＤ時の外部光出力Ｐｏと端面近傍の内部
光強度Ｐｉの間には、Ｒｆを用いて、という関係が成り立つ。第５図に（９）式を計算することによって得られた、Ｃ
ＯＤ時外部光出力Ｐｏと前面の端面反射率Ｒｆの関係を示す。なお、ここでＣＯ
Ｄ時の端面近傍での内部光強度ＰｉはＲｆにかかわらず３０ｍｗ一定とした。プ
リンタ用レーザは一般に３ｍｗ程度の光出力で使用されるので、実用的見地から
はその２倍の６ｍｗ以上が望ましい。したがって図５からＲｆは６５％以下でな
ければならない。以上、ドループと前面の端面反射率の関係及びＣＯＤ時外部光出力と前面の端
面反射率の関係をそれぞれ調べた結果、プリンタ用レーザとしては前面の端面反
射率Ｒｆは、４５％＜Ｒｆ＜６５％ (10) の範囲内でなければならない。上記のＲｆを達成する一つの手段としては、第１ｂ図に示すような反射膜（３
）の構成、つまりＡｌ２Ｏ３膜（３）ａ／ａ−Ｓｉ膜（３）ｂ／Ａｌ２Ｏ３膜（
３）ａの３層構造にすればよい。この時、各層の層厚ｄ１，ｄ２，ｄ３を、とすれば、Ｒｆ＝５０％となる。ここで、反射膜（３）の最表面膜であるＡｌ２
Ｏ３膜（３ａ）は、反射膜（３）の一部として機能させるためと同時に、酸化防
止機能を有する膜として、このレーザプリンタ用半導体レーザ装置の動作中にお
ける反射膜（３）のａ−Ｓｉ膜（３ｂ）の酸化を防いで、反射膜（３）の屈折率
の変化を抑え、反射膜（３）の屈折率の変化を抑えることで、レーザプリンタ用
半導体レーザ装置の信頼性を向上させるために設けられたものである。なお上式
中、λ０はレーザ光の波長、ｎ１はＡｌ２Ｏ３の屈折率（ただし波長λ０の光に対する屈折率）、ｎ２はａ−Ｓｉの屈折率（ただし波長λ０の光に対する屈折率
）をそれぞれ示す。〔発明の効果〕以上のようにこの発明によれば、Ith:しきい値電流，Iop:動作電流，ΔTj:活性領域の温度上昇，T0:特性温度，Vo
p:動作電圧，Rth:素子の熱抵抗，t:プリンタの印字の際の半導体レーザの駆動時
間，C:素子の熱容量，ΔP:印字むらを規定する光出力のドループという３式を半導体レーザ装置の端面反射率を調整することによりすべて満たす
よう半導体レーザ装置を駆動するようにしたから、ドループΔＰを８％より小さ
くして、むらの少ない印字を実現することができる効果がある。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for driving a semiconductor laser device used in a laser printer. [Prior Art] FIG. 2 is a view showing a conventional semiconductor laser device for a laser printer.
Is a semiconductor laser chip for a laser printer, (2) is an end face protective film formed on a laser emitting end face before and after the laser chip, (4) is a gold wire, (5) is a submount, (6) is a heat sink, ( 7) represents the laser light emitted to the front surface of the chip, and (8) represents the monitoring laser light emitted to the back surface of the chip. Next, the operation will be described. When a current equal to or higher than a certain threshold value is applied to the semiconductor laser, laser oscillation occurs, and laser beams (7) and (8) are emitted back and forth from the chip end face as shown in FIG. 2A. Of both laser beams (7) and (8), the laser beam emitted from the back surface is used for monitoring. An end face protective film (2) made of Al2O3 or the like is formed on the laser light emitting end face to prevent oxidation of the end face. This is because when the end face is oxidized, the surface level increases, the heat generated by the laser light absorption in the surface level becomes remarkable, and the product near the end face melts instantaneously, resulting in laser destruction. It is because it is done. The reflectivity of the end face is about 30% regardless of the presence or absence of the protective film (2). In a laser printer, a semiconductor laser is driven intermittently. in this case,
After the power supply to the semiconductor laser is started, the optical output has a characteristic of decreasing with time as shown in FIG. PA in the figure is the light output immediately after the start of laser oscillation,
PB represents the light output immediately before the stop of the laser oscillation, and t represents the driving time of the laser. [Problems to be Solved by the Invention] As described above, in a laser printer, a laser is driven intermittently with a constant operating current. However, in this driving method, a phenomenon occurs in which the optical output transiently decreases. The degree of the transient decrease in optical output during the laser intermittent drive is expressed as droop. The droop ΔP is from FIG. Is defined as Since the print density of a laser printer is uniquely determined by the light output of the laser, uneven printing occurs when the drop in light output during driving is large, that is, when the droop ΔP is large. Therefore, in order to obtain uniform printing, it was necessary to reduce the droop ΔP. However, in a conventional semiconductor laser device for a laser printer having a configuration as shown in FIG. 1, the droop ΔP is 10% or more, and there is a possibility that printing unevenness may occur at such a value. Conventional semiconductor laser devices for laser printers have the above problems. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of driving a semiconductor laser device for a laser printer in which droop ΔP is sufficiently small and printing unevenness does not occur when using a laser printer. . [Means for Solving the Problems] A method of driving a semiconductor laser device for a laser printer according to the present invention includes: Ith: threshold current, Iop: operating current, ΔTj: temperature rise in active region, T0: characteristic temperature, Vo
p: operating voltage, Rth: thermal resistance of the element, t: drive time of the semiconductor laser at the time of printing by the printer, C: heat capacity of the element, ΔP: droop of the optical output that defines the printing unevenness. The semiconductor laser device is driven so as to satisfy all the conditions by adjusting the reflectivity of the end surface of the semiconductor laser device. Further, in the method for driving a semiconductor laser device for a laser printer, the characteristic temperature T0 of the semiconductor laser device is set to about 180 K, and the optical output of the semiconductor laser device is set to about 3 m.
W, and the end face reflectance of the semiconductor laser device is 45 to 65%. [Operation] The driving method of the semiconductor laser device for a laser printer according to the present invention is represented by the above formula (1)
Since the semiconductor laser device is driven so as to satisfy all of the conditions (3) to (3) by adjusting the reflectivity of the end face of the semiconductor laser device, droop ΔP is made smaller than 8%, and printing with less unevenness can be realized. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1a, (1) a semiconductor laser chip, (2) a reflection film formed on an emission end face in front of the laser chip, and (3) an end face protection film formed on a laser emission end face before and after the laser chip. ) Gold wire (5) Submount (6) Heat sink (7) Laser light emitted to front of chip (8) Laser light for monitoring emitted to back of chip FIG. 1B shows (3a) an Al2O3 film and (3b) an a-Si film, respectively. First, a method for quantitatively analyzing droop will be described. Droop is caused by a decrease in optical output due to an increase in threshold current due to an increase in the temperature of the active region of the semiconductor laser. Assuming that the temperature rise of the active region is ΔTj, PA and PB are respectively It is expressed as In the above formula, eta ^d f: external differential quantum efficiency of the front [nu: laser optical frequency h: Planck's constant q: charge Ith: threshold current Iop: Operating Current T0: representing the characteristic temperature, respectively. By substituting equations (2) and (3) into equation (1), Becomes Since the characteristic temperature T0 of the semiconductor laser is about 180 K, which is sufficiently larger than ΔTj, ΔTj / T0≪1 holds. In this case, the equation (4) is approximately It is expressed as As one method for reducing the droop ΔP from the equation (5), (I
op / Ith) -1. To increase the iop / Ith may be lowering the external differential quantum efficiency eta ^d f. To calculate ΔP from equation (5), a value of ΔTj is required. So ΔTj is
Differential equation considering heat generation and outflow, Was determined by solving Solving the above equation gives Becomes When the equations (4) or (5) and (7) are calculated, the droop ΔP is obtained. In order to reduce the droop ΔP in the above discussion, it was found that that may be reduced to the external differential quantum efficiency eta ^d f. As a specific method of reducing the eta ^d f, the facet reflectivity of the front (hereinafter referred to as Rf)
There is a method to increase the. eta ^d f and Rf, relationship Rr (facet reflectivity of the back surface), the Is represented by In the above equation, α represents the absorption coefficient, and L represents the resonator length. (8)
From the equation, the larger the Rf, η ^d f is small. FIG. 4 shows the relationship between the droop ΔP and the front end face reflectance Rf. It can be seen from the figure that ΔP decreases as Rf increases. The upper limit of the droop ΔP when there is no risk of uneven printing when using a laser printer is 8%. From FIG. 4, to realize ΔP <8%, Rf is set to 45
% Or more may be set. As described above, it was found that Rf should be increased in order to lower the droop ΔP. However, when Rf increases, ΔP decreases, but the light density near the end surface increases. Therefore, end face breakage due to COD (optical damage) is likely to occur at a low light output, and reliability is reduced. Rf is used between the external light output Po during COD and the internal light intensity Pi near the end face, The relationship holds. FIG. 5 shows the C obtained by calculating equation (9).
The relationship between the external light output Po at the time of OD and the reflectance Rf of the front end face is shown. Here, CO
The internal light intensity Pi near the end face at the time of D was constant at 30 mw regardless of Rf. Since a laser for a printer is generally used with a light output of about 3 mw, it is preferably twice or more, 6 mw or more from a practical viewpoint. Therefore, from FIG. 5, Rf must be 65% or less. As a result of examining the relationship between the droop and the front facet reflectivity and the relation between the external light output during COD and the front facet reflectivity, the front facet reflectivity Rf of the printer laser is 45% <Rf <65. % (10). One means for achieving the above Rf is a reflection film (3) as shown in FIG.
), That is, the Al2O3 film (3) a / a-Si film (3) b / Al2O3 film (
3) A three-layer structure a may be used. At this time, the thickness d1, d2, d3 of each layer is Then, Rf = 50%. Here, Al2, which is the outermost surface film of the reflection film (3),
The O3 film (3a) serves as a part of the reflection film (3) and, at the same time, as a film having an antioxidant function, the a-Si film of the reflection film (3) during operation of the semiconductor laser device for a laser printer. The oxidation of the film (3b) is prevented, the change in the refractive index of the reflective film (3) is suppressed, and the change in the refractive index of the reflective film (3) is suppressed, thereby improving the reliability of the semiconductor laser device for a laser printer. It is provided for the purpose. In the above formula, λ0 indicates the wavelength of the laser beam, n1 indicates the refractive index of Al2O3 (however, the refractive index for light of wavelength λ0), and n2 indicates the refractive index of a-Si (however, the refractive index for light of wavelength λ0). . [Effect of the Invention] As described above, according to the present invention, Ith: threshold current, Iop: operating current, ΔTj: temperature rise in active region, T0: characteristic temperature, Vo
p: operating voltage, Rth: thermal resistance of the element, t: drive time of the semiconductor laser at the time of printing by the printer, C: heat capacity of the element, ΔP: droop of the optical output that defines the printing unevenness. Since the semiconductor laser device is driven so as to satisfy all the conditions by adjusting the end face reflectivity, the droop .DELTA.P is made smaller than 8%, and there is an effect that printing with less unevenness can be realized.

【図面の簡単な説明】第１ａ図はこの発明の一実施例によるレーザプリンタ用半導体レーザ装置を示
す図、第１ｂ図は一実施例によるレーザプリンタ用半導体レーザ装置の端面近傍
の拡大図、第２図は従来のレーザプリンタ用の半導体レーザ装置を示す図、第３
図はレーザを断続駆動した場合の光出力の低下を示す図、第４図はドループΔＰ
と前面の端面反射率Ｒｆの関係を示す図、第５図はＣＯＤ時外部光出力レベルＰ
ｏと前面反射率Ｒｆの関係を示す図である。図中、（１）半導体レーザチップ、（３）レーザチップの前面の出射端面上に
形成された反射膜、（２）レーザチップの前後のレーザ出射端面上に形成された
端面保護膜、（４）金ワイヤ、（５）サブマウント、（６）ヒートシンク、（７
）チップ前面に出射されたレーザ光、（８）チップ裏面に出射されたモニター用
レーザ光。なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1a is a view showing a semiconductor laser device for a laser printer according to an embodiment of the present invention, FIG. 1b is an enlarged view near an end face of the semiconductor laser device for a laser printer according to an embodiment, FIG. 2 shows a conventional semiconductor laser device for a laser printer, and FIG.
The figure shows a decrease in optical output when the laser is intermittently driven, and FIG. 4 shows the droop ΔP
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the front end facet reflectance Rf and the external light output level P at the time of COD.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between o and front surface reflectance Rf. In the figure, (1) a semiconductor laser chip, (3) a reflection film formed on the emission end face in front of the laser chip, (2) an end face protection film formed on the laser emission end face before and after the laser chip, (4) ) Gold wire, (5) submount, (6) heat sink, (7)
(8) laser light emitted to the front of the chip, and (8) monitoring laser light emitted to the back of the chip. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims

(1) In a method of driving a semiconductor laser device for a laser printer, Ith: threshold current, Iop: operating current, ΔTj: temperature rise in active region, T0: characteristic temperature, Vo
p: operating voltage, Rth: thermal resistance of the element, t: a semiconductor laser driving time for the printer printing, C: heat capacity of the element, [Delta] P: the semiconductor laser device of three equations that droop of light output that define the printing irregularities A method of driving a semiconductor laser device for a laser printer, wherein the semiconductor laser device is driven so as to satisfy all of the conditions by adjusting the reflectivity of an end surface of the semiconductor laser device. (2) The method for driving a semiconductor laser device for a laser printer according to (1), wherein the characteristic temperature T0 of the semiconductor laser device is about 180 K, the optical output of the semiconductor laser apparatus is about 3 mW, A method for driving a semiconductor laser device for a laser printer, wherein the end face reflectance of the device is 45 to 65%.