JP2908111B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ装置に
関し、特にレーザアレイチップの温度を精度よく制御
し、熱的クロストークを低減できる半導体レーザ装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高速光ファイバ通信の光源として広く用
いられている半導体レーザ装置のレーザアレイチップに
おいては、同一基板上に相互に平行に配置された複数の
発振領域を有しており、各発振領域を独立して発振さ
せ、レーザ光を出射させることができる。而して、各発
振領域におけるレーザ駆動電流を変化させると、レーザ
光の出射により発生する熱が変化し、レーザアレイチッ
プの温度が変化することとなり、このレーザアレイチッ
プの温度変化により、レーザ光の発振波長，発振しきい
値電流，量子効率などの特性が変動する。そこで、従来
は熱電冷却素子を制御することにより、レーザアレイチ
ップの温度を一定に保持する半導体レーザ装置が用いら
れていた。

【０００３】図８は従来のこのような半導体レーザ装置
の構造を示す図であり、図８（ａ）はその上面図、図８
（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。これら
図において、１はレーザアレイチップ、１ａはレーザア
レイチップ底面に接するメッキ層、２ａ〜２ｃはレーザ
アレイチップの発振領域、３はＳｉＣ，ｃ−ＢＮ，ダイ
ヤモンドなどからなるサブマウント、４はサーミスタ、
５はサブマウント３，サーミスタ４およびモニタホトダ
イオード（図示せず）を取りつけるためのチップキャリ
ア、６はペルチェ素子などの熱電冷却素子、１１および
１２は熱電冷却素子６に電圧を印加する端子、１３ａ〜
１３ｃは各発振領域２ａ〜２ｃ上部の電極に接続された
端子、１４はメッキ層１ａに接続された端子、１５およ
び１６はサーミスタ４に電圧を印加する端子であり、そ
の一方の端子はサーミスタ４の抵抗の変化を検出すべく
例えばブリッジ回路（図示せず）に接続されている。な
お、図８（ａ）において斜線部分はメッキ部分を示し、
各端子１１〜１６は金ワイヤにて接続されているが、図
８（ｂ）においては、端子１１〜１６の記載は省略し、
接続される端子の番号のみを記載している。

【０００４】次に図８の半導体レーザ装置の動作につい
て説明する。各発振領域２ａ〜２ｃは、端子１３ａ〜１
３ｃ，１４間に電圧を印加し、各発振領域２ａ〜２ｃの
ｐｎ接合に順方向電流を流すことにより発振して、図８
（ｂ）において紙面に対して垂直方向にレーザ光７を出
射し、熱を発生させる。この熱量は各発振領域における
レーザ駆動電流の変化により変動し、レーザアレイチッ
プ１の温度を変化させる。この温度変化は、例えば発振
領域２ｂの駆動電流を変化させた場合、点線で示すよう
に、レーザアレイチップ１，サブマウント３，チップキ
ャリア５を順次介してサーミスタ４に伝わり、サーミス
タ４の温度を変化させる。サーミスタ４の温度変化によ
り端子１５，１６間の抵抗値が変化し、前述のブリッジ
回路により、サーミスタ４の温度変化はその抵抗値の変
化として検出される。この検出された抵抗値と基準とな
る抵抗値（設定温度における抵抗値）とを比較して、サ
ーミスタ４の抵抗値を一定に保持すべく、その比較結果
を熱電冷却素子駆動回路（図示せず）に入力し、熱電冷
却素子６に流れる電流量を制御する。この熱電冷却素子
６の制御により、レーザアレイチップ１の温度が一定温
度に制御され、安定したレーザ特性が得られることとな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザ装
置は以上のように構成されているので、レーザアレイチ
ップ１の温度変化は、レーザアレイチップ１，サブマウ
ント３，チップキャリア５等の幾つもの部材を順次介し
てサーミスタ４に伝えられるため、レーザアレイチップ
１の温度変化を精度よくサーミスタ４に伝えることがで
きず、このため、サーミスタ４の温度を一定温度に制御
したにもかかわらず、レーザアレイチップ１の温度を一
定温度に制御できず、従って光出力や発振波長などレー
ザ光の特性が変動するという熱的クロストーク（熱的干
渉）が起こるという問題点があった。

【０００６】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、レーザアレイチップの温度変
化を精度よく検出して熱電冷却素子を制御し、レーザア
レイチップの温度を一定に保持することにより熱的クロ
ストークを低減できる半導体レーザ装置を得ることを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体レ
ーザ装置は、基板の一主面上に、非発振領域と活性層の
両側に埋込層を配設した埋込型構造の発振領域とがそれ
ぞれ列状に分離領域を介して隣接し、並べて配設された
レーザアレイチップと、このレーザアレイチップの非発
振領域の表面上に配設された信号取出電極と、この信号
取出電極からの信号により駆動制御され、レーザアレイ
チップを冷却する冷却素子と、を備えたものである。さ
らに、一つの発振領域を挟んで二つの非発振領域を配設
し、一方の非発振領域に信号取出電極を配設し、他方の
非発振領域の表面上に絶縁膜を介して発振領域の電極配
線層を配設したものである。また、基板の一主面上に、
発振領域とこの発振領域を形成する際の積層構造の一部
を残して構成された非発振領域とがそれぞれ列状に分離
領域を介して隣接し、並べて配設されたレーザアレイチ
ップと、このレーザアレイチップの非発振領域の表面上
に配設された信号取出電極と、この信号取出電極からの
信号により駆動制御され、レーザアレイチップを冷却す
る冷却素子と、を備えたものである。さらに、非発振領
域を発振領域の埋込層と同じ積層構造としたものであ
る。さらに、非発振領域が発振領域の活性層と同じ材料
の第１の半導体層とこの第１の半導体層の上に配設され
た基板と異なる導電型を有する第２の半導体層とを備え
たものである。

【０００８】

【作用】この発明においては、信号取出電極が設けられ
た非発振領域と活性層の両側に埋込層を配設した埋込型
構造の発振領域とがそれぞれ列状に分離領域を介して隣
接して並べられたレーザアレイチップの信号取出電極か
らの信号により冷却素子が駆動制御されるので、埋込型
構造のレーザアレイチップの温度を、発振領域の電気的
影響を少なくして直接検出できる。さらに、一つの発振
領域を挟んで二つの非発振領域が配設され、一方の非発
振領域に信号取出電極が配設され、他方の非発振領域の
表面上に絶縁膜を介して上記発振領域の電極配線層が配
設されたので、半導体レーザ装置自体の構造がコンパク
トに構成できる。また、信号取出電極が設けられた非発
振領域が発振領域を形成する際の積層構造の一部を残し
て構成されるとともに非発振領域と発振領域とがそれぞ
れ列状に分離領域を介して隣接して並べられたレーザア
レイチップの信号取出電極からの信号により冷却素子が
駆動制御されるので、レーザアレイチップの温度を、発
振領域の電気的影響を少なくして直接検出できるととも
に温度検出手段を形成する工程を簡略化できる。さら
に、非発振領域が発振領域の埋込層と同じ積層構造を備
えているので、非発振領域と発振領域は構成材料が同じ
になり、これら領域の相互の温度特性が同じになり、非
発振領域と発振領域とで温度の誤差が少なくなる。また
さらに、非発振領域が発振領域の活性層と同じ材料の第
１の半導体層とこの第１の半導体層の上に配設された基
板と異なる導電型を有する第２の半導体層とを備えたの
で測定の感度を高くすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の一実施例による半導体レー
ザ装置を図面に基づいて説明する。図１において、図８
と同一符号は同一または相当部分を示し、４０はレーザ
アレイチップとチップキャリアとの間に設けられた温度
変化素子となるサーミスタであり、サブマウントの役割
をも果たしている。

【００１０】次に動作について説明する。まず、従来と
同様に端子１３ａ〜１３ｃ，１６間に電圧を印加し、レ
ーザ駆動電流を調節してレーザ光を出射させる。ここ
で、例えば発振領域２ｂにおけるレーザ駆動電流を変化
させた場合、レーザアレイチップ１の温度変化は、点線
で示すように、レーザアレイチップ１を通過し、メッキ
層１ａを介してサーミスタ４０に伝わる。サーミスタ４
０の温度が変化することにより、サーミスタ４０に接続
された端子１５，１６間の抵抗値が変化する。この抵抗
値の変化を、例えばブリッジ回路（図示せず）により検
出し、この時の抵抗と基準となる抵抗とを例えばオペア
ンプ（図示せず）により比較する。その結果を熱電冷却
素子駆動回路（図示せず）に入力し、熱電冷却素子６に
流れる電流量を制御する。これにより、サーミスタ４０
およびその上部にあるレーザアレイチップ１の温度が一
定温度に制御され、安定したレーザ特性が得られる。

【００１１】このように本実施例によれば、レーザアレ
イチップ１のメッキ層１ａにサーミスタ４０を密着させ
て設けたから、レーザアレイチップ１で発生した温度変
化はレーザアレイチップ１，メッキ層１ａを介してサー
ミスタ４０に伝わり、従来に比べてサーミスタまでの熱
の伝播経路が短縮され、レーザアレイチップ１の温度変
化が精度よくサーミスタ４０に伝わるようになり、その
結果、レーザアレイチップ１の温度を一定に制御するこ
とができ、熱的クロストークによるレーザ光の特性変動
を低減することができる。

【００１２】次に本実施例の第２の実施例による半導体
レーザ装置について説明する。この実施例では、温度検
出素子としてメッキ層１ａとサブマウント３との間に薄
膜導電体を設け、該導電体の抵抗変化を検出するように
したものである。以下詳述すると、図２（ａ）は本発明
の第２の実施例による半導体レーザ装置の上面図、図８
（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、レーザ
アレイチップ１のメッキ層１ａとサブマウント３との間
に薄膜の導電体８が設けられ、この導電体８に接続する
端子１５，１６間の抵抗値の変化を検出するものであ
る。上記導電体８としては、鉄，モリブデン，白金，チ
タン，銅，タンタル，金，ニッケルなどが例示される。
なお、導電体８の膜厚は薄膜であるため、導電体８は高
抵抗となり、実質的にメッキ層１ａと導電体８とは絶縁
されることとなる。

【００１３】次に動作について説明する。例えば端子１
３ｂ，１４間のレーザ駆動電流を変化させた場合、レー
ザアレイチップ１の温度変化は、点線で示すように、メ
ッキ層１ａを介して導電体８に伝わる。この導電体８の
温度変化により、端子１５，１６間の抵抗値が変化す
る。而して、以降の動作は図１の実施例の場合と同様に
行われ、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００１４】次に本発明の第３の実施例による半導体レ
ーザ装置について説明する。この実施例では、レーザア
レイチップ１自体の温度変化を直接検出するようにした
ものである。即ち図３に示すように、レーザアレイチッ
プ１には端子１５，１６が取り付けられており、該端子
によりレーザアレイチップ１の温度変化による抵抗値の
変化を検出するようになっている。

【００１５】次に動作について説明する。例えば端子１
３ｂ，１４間のレーザ駆動電流を変化させた場合、温度
変化は点線で示すように伝わり、レーザアレイチップ１
の基板の温度も変化する。この基板の温度変化により、
これに接続された端子１５，１６間の抵抗値が変化す
る。而して、以降の動作は図１の実施例の場合と同様に
行われ、上記実施例よりもさらに精度の高い温度制御を
行うことができる。

【００１６】なお、図３においては、端子１５，１６と
もにレーザアレイチップ１上に接続したが、例えば一方
の端子１６のみを基板上に接続して、端子１６，１４間
の抵抗値の変化を検出するようにしてもよい。

【００１７】次に本発明の第４の実施例による半導体レ
ーザ装置について説明する。この実施例では、レーザア
レイチップ１の温度変化を、発振領域に平行に配置され
た非発振領域の耐圧の変化により検出するようにしたの
である。すなわち図４に示すように、２ｄは非発振領
域、２ｅは埋込層からなる非発振領域を示し、さらに２
１はｐ−ＩｎＰ基板、２２はｎ−ＩｎＰ層、２３はｐ−
ＩｎＰ層、２４はｎ−ＩｎＰ層、２５はＩｎＧａＡｓＰ
層、２６は絶縁膜、２７は電極であり、非発振領域２ｄ
は埋込層と同一の層構造により構成されており、ｐｎｐ
ｎ構造を形成している。

【００１８】次に動作について説明する。例えば端子１
３ｂ，１４間のレーザ駆動電流を変化させた場合、温度
変化は点線で示すように伝わり、レーザアレイチップ１
の非発振領域２ｄの温度も変化する。この非発振領域２
ｄの温度変化により、その耐圧（降伏電圧）が変化す
る。図５は、このｐｎｐｎ構造における電流−電圧特性
の温度依存性を示すグラフであり、点線は温度上昇後の
電流−電圧特性である。図５から明らかなように、ｐｎ
ｐｎ構造における温度変化は耐圧の変化をもたらす。従
って、端子１５に正の電圧（逆方向バイアス）を印加し
て、ｐｎｐｎ構造における耐圧を検出し、その時の耐圧
と基準となる設定温度（例えば２５℃）における耐圧と
を比較して、上記の実施例と同様に熱電冷却素子６を制
御する。

【００１９】次に本発明の第５の実施例について説明す
る。図４に示した第４の実施例による半導体レーザ装置
では、温度変化を検出する素子として非発振領域のｐｎ
ｐｎ構造を利用したが、この実施例では、発振領域と実
質的に同一構造の非発振領域を利用するようにしたもの
である。すなわち図６に示すように、発振領域２ｃにお
けるｎ−ＩｎＰ層２２は電流をブロックするため、ｎ−
ＩｎＰ層２２には電流は殆ど流れず、従って、非発振領
域２ｄの構造は、実質的に発振領域２ｃと同一構造とな
る。

【００２０】次に動作について説明する。図４の装置と
同様にして、レーザアレイチップ１の非発振領域２ｄの
温度が変化する。この非発振領域２ｄの温度変化によ
り、その耐圧および立ち上がり電圧が変化する。図７
は、この非発振領域２ｄにおける電流−電圧特性の温度
依存性を示すグラフであり、点線は温度上昇後の電流−
電圧特性である。図７から明らかなように、非発振領域
２ｄにおける温度変化は耐圧および立ち上がり電圧の変
化をもたらす。従って、端子１５に負の電圧（順方向バ
イアス）を印加して、非発振領域２ｄにおける立ち上が
り電圧を検出し、その時の電圧と基準となる設定温度
（例えば２５℃）における立ち上がり電圧とを比較し
て、上記の実施例と同様に熱電冷却素子６を制御する。
また装置においては、図４の装置と同様にしてｐｎ構造
の耐圧を比較して、熱電冷却素子６を制御することもで
きる。

【００２１】以上のように、第４ないし第５の実施例に
よれば、温度変化を検出する素子がレーザアレイチップ
の一部に形成されており、レーザアレイチップの熱変化
を精度よく検知できるだけでなく、その構造はレーザア
レイチップの前工程にて同時に形成され得るため、温度
変化検出手段を形成する工程を省くことができる。ま
た、半導体レーザ装置自体の構造が簡易となる。

【００２２】なお、図７に示す電流−電圧特性の変化
は、図６の非発振領域２ｄに特有のものではなく、ｐｎ
接合を有するものであれば、図７と同様の特性の変化が
見られる。従って、ｐｎ接合を有する領域をレーザアレ
イチップ１に形成して、温度変化検出手段の一部として
もよい。また、発振領域とは別に余分に発振領域と同一
構造のものをレーザアレイチップ１に形成して、温度変
化検出手段の一部としてもよい。さらに、図４および図
６においては、レーザアレイチップ１の端部の非発振領
域２ｄが温度変化を検出する素子として利用されている
が、例えば発振領域に挟まれた領域に設けてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る半導体レ
ーザ装置によれば、信号取出電極が設けられた非発振領
域と活性層の両側に埋込層を配設した埋込型構造の発振
領域とがそれぞれ列状に分離領域を介して隣接して並べ
られたレーザアレイチップの信号取出電極からの信号に
より冷却素子が駆動制御されるので、埋込型構造のレー
ザアレイチップの温度を、発振領域の電気的影響を少な
くして直接検出することができ、正確にレーザアレイチ
ップの温度制御を行い、熱的クロストークを低減させ、
安定したレーザ特性が得られるという効果がある。さら
に、一つの発振領域を挟んで二つの非発振領域が配設さ
れ、一方の非発振領域に信号取出電極が配設され、他方
の非発振領域の表面上に絶縁膜を介して上記発振領域の
電極配線層が配設されたので、半導体レーザ装置自体の
構造がコンパクトに構成でき、小型化を図ることができ
る。

【００２４】また、信号取出電極が設けられた非発振領
域が発振領域を形成する際の積層構造の一部を残して構
成されるとともに非発振領域と発振領域とがそれぞれ列
状に分離領域を介して隣接して並べられたレーザアレイ
チップの信号取出電極からの信号により冷却素子が駆動
制御されるので、レーザアレイチップの温度を、発振領
域の電気的影響を少なくして高精度に直接検出すること
ができるとともに温度検出手段を形成する工程を簡略化
でき、構造が簡単で、熱的クロストークが少なく、安定
したレーザ特性の半導体レーザ装置を構成することがで
きる。さらに、非発振領域が発振領域の埋込層と同じ積
層構造を備えているので、非発振領域と発振領域とで温
度の誤差が少なくなり、より正確にレーザアレイチップ
の熱変化を検知でき、安定したレーザ特性が得られると
いう効果がある。またさらに、非発振領域が発振領域の
活性層と同じ材料の第１の半導体層とこの第１の半導体
層の上に配設された基板と異なる導電型を有する第２の
半導体層とを備えたので測定の感度を高くすることがで
き、より精度高くレーザアレイチップの熱変化を検知で
き、安定したレーザ特性が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例による半導体レーザ装
置の断面図である。

【図２】この発明の第２の実施例による半導体レーザ装
置の上面図、及びＡ−Ａ’線断面図である。

【図３】この発明の第３の実施例による半導体レーザ装
置の断面図である。

【図４】この発明の第４の実施例による半導体レーザ装
置の断面図である。

【図５】上記半導体レーザ装置のｐｎｐｎ構造における
電流−電圧特性の温度依存性を示すグラフ図である。

【図６】この発明の第５の実施例による半導体レーザ装
置の断面図である。

【図７】上記半導体レーザ装置の発振領域と実質的同一
構造における電流−電圧特性の温度依存性を示すグラフ
図である。

【図８】従来の半導体レーザ装置を示す上面図、及びＡ
−Ａ’線断面図である。

【符号の説明】

１ レーザアレイチップ ２ａ〜２ｃ 発振領域 ３ サブマウント ４，４０ サーミスタ ５ チップキャリア ６ 熱電冷却素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の一主面上に、非発振領域と活性層
   の両側に埋込層を配設した埋込型構造の発振領域とがそ
   れぞれ列状に分離領域を介して隣接し、並べて配設され
   たレーザアレイチップと、 このレーザアレイチップの上記非発振領域の表面上に配
   設された信号取出電極と、 この信号取出電極からの信号により駆動制御され、レー
   ザアレイチップを冷却する冷却素子と、 を備えた 半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 一つの発振領域を挟んで二つの非発振領
   域が配設され、一方の非発振領域に信号取出電極が配設
   され、他方の非発振領域の表面上に絶縁膜を介して上記
   発振領域の電極配線層が配設されたことを特徴とする請
   求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 基板の一主面上に、発振領域とこの発振
   領域を形成する際の積層構造の一部を残して構成された
   非発振領域とがそれぞれ列状に分離領域を介して隣接
   し、並べて配設されたレーザアレイチップと、 このレーザアレイチップの上記非発振領域の表面上に配
   設された信号取出電極と、 この信号取出電極からの信号により駆動制御され、レー
   ザアレイチップを冷却する冷却素子と、 を備えた半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 非発振領域が発振領域の埋込層と同じ積
   層構造を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体
   レーザ装置。
5. 【請求項５】 非発振領域が発振領域の活性層と同じ材
   料の第１の半導体層とこの第１の半導体層の上に配設さ
   れた基板と異なる導電型を有する第２の半導体層とを備
   えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装
   置。