JP2918739B2 - マルチビーム半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はマルチビーム半導体レ
ーザ装置に関し、特に、光ディスクの並列データ転送，
交換機内のＡＴＭ（ Air turbine motor：エアタービン
モータ）ノード配線，スーパーコンピュータのインター
コネクション等に用いられるマルチビーム半導体レーザ
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、例えば１９８８年電子通信学会
研究会（ＯＱＥ８８−６，ｐ３９−４４）にて報告され
た従来の光ディスク用マルチビーム半導体レーザ装置の
組立断面構造図であり、図４(a) はジャンクションアッ
プ組立、図４(b) はジャンクションダウン組立により得
た断面構造を示している。図において、１は複数個の単
体レーザエレメント（ＬＤ１，ＬＤ２，…，ＬＤｎ）１
１，１２，…，１３がモノリシックに集積されたマルチ
ビーム半導体レーザチップ、２は放熱体であるヒートシ
ンク（以下、サブマウントと称す）、３はマルチビーム
半導体レーザチップ１とサブマウント２とを接着するた
めのハンダ材、１１，１２，…，１３はそれぞれ単体レ
ーザからなる各単体レーザエレメント（ＬＤ１，ＬＤ
２，…，ＬＤｎ）、３１，３２，３３はそれぞれ各単体
レーザエレメント１１，１２，…，１３の表電極，活性
領域，裏電極である。

【０００３】次に動作について説明する。マルチビーム
半導体レーザ装置は、複数個の単体レーザエレメントを
発光点間隔を数１０μｍ〜２５０μｍの等間隔の位置に
モノリシックに集積した、複数の光出力を行うアレイレ
ーザである。各単体レーザエレメント（ＬＤ１，ＬＤ
２，…，ＬＤｎ）１１，１２，…，１３は、それぞれ独
立にｐ電極３１，ｎ電極３３を有し、これらに独立に電
流が注入されることにより、単体レーザエレメント１
１，１２，…，１３は独立に動作し、各活性領域３２よ
りレーザ出力することができる。

【０００４】このようなモノリシックなマルチビーム半
導体レーザ装置は各単体レーザエレメント１１，１２，
…，１３を近接させて集積させているため、各単体レー
ザエレメントが３０ｍＷ以上の高出力で動作すると、レ
ーザ発振により生ずる発熱によってそれぞれの単体レー
ザエレメント間で熱干渉が生じる。この熱干渉は他の単
体レーザエレメントの光出力，発振波長等に変化を与
え、動作を不安定にするだけでなく、発熱に起因する温
度上昇による各単体レーザエレメントの信頼性の低下を
引き起こす。従って、この熱干渉の低減がマルチビーム
半導体レーザ装置では重要となる。

【０００５】この各単体レーザエレメント間で生ずる熱
干渉は、該マルチビーム半導体レーザ装置の組立方法に
よって変化する。従来の半導体レーザの組立方法には、
図４(a) に示すような、マルチビーム半導体レーザチッ
プ１の基板側の裏電極３３とヒートシンク２をハンダ材
３を用いて融着するジャンクションアップ組立（Ｊ−ｕ
ｐ組立）と、図４(b) に示すような、活性領域３２に近
い側の表電極３１表面とヒートシンク２とをハンダ材３
を用いて融着するジャンクションダウン組立（Ｊ−ｄｏ
ｗｎ組立）とがある。

【０００６】図５は従来のマルチビーム半導体レーザ装
置の駆動時における温度上昇を説明するための図であ
る。図５(a) はマルチビーム半導体レーザチップ１上に
集積された各単体レーザエレメントを単体で動作させた
場合及び全単体レーザエレメント（ここでは全単体レー
ザエレメント数を４としている）を動作させた場合の温
度上昇を示している。マルチビーム半導体レーザ装置の
場合（全単体レーザエレメントを動作させた場合）、単
体レーザ装置とは異なり、自己の発熱のみではなく他の
単体レーザエレメントからの発熱による熱干渉により温
度上昇が起こり、特にマルチビーム半導体レーザチップ
１の中央部分に位置する単体レーザエレメントＬＤ２，
ＬＤ３では、熱干渉を与えてくる単体レーザエレメント
の数が端部に位置する単体レーザエレメントよりも多く
なるので、温度上昇率は大きい。

【０００７】また、図５(b) は、マルチビーム半導体レ
ーザチップ１の中央部分に位置する単体レーザエレメン
ト（中央素子）の温度上昇と、マルチビーム半導体レー
ザチップ１に集積させている単体レーザエレメントの数
との関係を示しており、ここでは、マルチビーム半導体
レーザ装置をＰ＝２０ｍＷの出力で動作させた場合につ
いて示している。図に示すように、集積する単体レーザ
エレメント数の増加に伴って中央素子の温度は上昇す
る。また、Ｊ−ｕｐ組立に比べると、発熱源となる活性
領域３２に近い面を放熱用のサブマウント２に融着した
Ｊ−ｄｏｗｎ組立を行ったものの方が温度上昇率は小さ
くて有利であることがわかる。

【０００８】図６は半導体レーザの代表的な光学的特性
の１つである光出力−電流特性を示す図であり、ここで
は便宜上、マルチビーム半導体レーザチップ１に集積す
る単体レーザエレメント数は４としている。図６(a) は
各単体レーザエレメントを独立に駆動した場合の光出力
−電流特性を示し、また、図６(b) は全単体レーザエレ
メント（ＬＤ１〜ＬＤ４）を同時に駆動した場合につい
て示している。該図６に示すように、全エレメントを同
時に駆動すると、各単体レーザエレメントを独立に駆動
させた場合に比べて、同一電流で出力する光出力が低下
していることがわかる。また、特に温度上昇率の高い中
央素子ＬＤ２，ＬＤ３では、光出力の低下の度合が大き
い。

【０００９】上記図５(a) に示したように、マルチビー
ム半導体レーザ装置の場合、自己発熱に加えて他の単体
レーザエレメントからの熱干渉により、マルチビーム半
導体レーザチップ１の中央素子の温度が特に上昇するた
め、上記図６に示すように、全単体レーザエレメントで
の駆動電流が一定であるにも係わらず、中央素子ＬＤ
２，ＬＤ３に光出力の低下が起きる。そこで、ＡＰＣ
（オートパワーコントロール：auto-power control）駆
動により、全単体レーザエレメントにおいて光出力を一
定に保とうとすると、駆動電流の上昇により、発振波長
のシフトを引き起こす。そこで、一般的にはマルチビー
ム半導体レーザ装置の組み立てには熱干渉が少しでも低
減できるようにＪ−ｄｏｗｎ組立を用い、さらに、熱拡
散の効率を良くするためにサブマウント２には熱伝導率
の良い材料を用いている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のマルチビーム半
導体レーザ装置は以上のように構成されているので、各
単体レーザエレメント間での熱干渉の低減を図るために
Ｊ−ｄｏｗｎ組立を行っているが、各単体レーザエレメ
ントが電気的に分離されているマルチビーム半導体レー
ザ装置をＪ−ｄｏｗｎ組立するには、サブマウント２側
にも各単体レーザエレメントに対応したパターン電極を
設け、かつ、各単体レーザエレメント間がショートしな
いように精度よく組み立てる必要があるが、その組立精
度はマルチビーム半導体レーザチップ上に集積する単体
レーザエレメント数が増加するにしたがって厳しくなる
という問題点があった。また、Ｊ−ｄｏｗｎ組立でも完
全に熱干渉の影響の低減が行えるわけではなく、特に該
マルチビーム半導体レーザの高出力化、あるいは、集積
する単体レーザエレメント数の増加にしたがい、さらに
熱干渉を受けやすくなるので、光出力の低下を招き、発
振波長などにも変化をきたすため、信頼性が低下してし
まうなどの問題点があった。

【００１１】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、各単体レーザエレメントが電気
的に分離されて構成されているようなマルチビーム半導
体レーザ装置において、チップ上に集積される単体レー
ザエレメント数が増加しても各単体レーザエレメント間
での熱干渉が増加しないような、かつ、その組立作業が
容易であり、Ｊ−ｕｐ組立を行っても熱拡散が効率良く
行えるようなマルチビーム半導体レーザ装置を得ること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係るマルチビ
ーム半導体レーザ装置は、複数の単体レーザエレメント
を互いに所定の距離を隔ててモノリシックに集積してな
るマルチビーム半導体レーザチップと、独立に動作させ
ることが可能な複数のペルチェ素子エレメントを有する
サブマウントとを備え、上記マルチビーム半導体レーザ
チップは上記サブマウント上に組み立てられてなるもの
である。

【００１３】また、この発明に係るマルチビーム半導体
レーザ装置は、複数の単体レーザエレメントを互いに所
定の距離を隔ててモノリシックに集積してなるマルチビ
ーム半導体レーザチップと、その上面側の表面領域内
に、独立に動作させることが可能な複数のペルチェ素子
エレメントをｐｎ接合により形成してなるサブマウント
とを備え、上記マルチビーム半導体レーザチップは上記
サブマウント上に組み立てられてなるものである。

【００１４】また、この発明に係るマルチビーム半導体
レーザ装置は、ペルチェ素子エレメントと単体レーザエ
レメントの数が同じでそれぞれ等間隔で相対向する位置
にあるようにしたものである。

【００１５】さらに、この発明に係るマルチビーム半導
体レーザ装置は、マルチビーム半導体レーザチップの中
央部に対応するペルチェ素子エレメントには最大となる
電流を、両端部に対応するペルチェ素子エレメントには
最小となる電流を流すようにしたものである。

【００１６】

【作用】この発明に係るマルチビーム半導体レーザ装置
は、独立に動作させることが可能な複数のペルチェ素子
エレメントを有するサブマウントを備えたことにより、
マルチビーム半導体レーザチップ上に集積された各単体
レーザエレメント毎若しくは複数に分割されたチップ内
の領域毎に独立に温度コントロールをすることが可能に
なり、チップ内の温度分布を一様に保つことができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１は、この発明の一実施例によるマルチビーム
半導体レーザ装置の組立断面構造を示す図であり、図に
おいて、１は複数個の単体レーザエレメント（ＬＤ１，
ＬＤ２，…，ＬＤｎ）１１，１２，…，１３がモノリシ
ックに集積されたマルチビーム半導体レーザチップ、２
はその上面に互いに所定の距離を隔てて設けられた複数
個のペルチェ素子エレメント４１を有する放熱用のサブ
マウント（ヒートシンク）、３はマルチビーム半導体レ
ーザチップ１とペルチェ素子エレメント４１とを、ある
いは、サブマウント２とペルチェ素子エレメント４１と
を接着するためのハンダ材、１１，１２，…，１３はそ
れぞれ単体レーザからなる単体レーザエレメントＬＤ
１，ＬＤ２，…，ＬＤｎ、３１，３２，３３は各単体レ
ーザエレメント１１，１２，…，１３の表電極，活性領
域，裏電極、４１はマルチビーム半導体レーザチップ１
とサブマウント２との間に挿入されたペルチェ素子エレ
メントである。

【００１８】図１(a) はマルチビーム半導体レーザチッ
プ１内の単体レーザエレメント数（ｎ個）に比べサブマ
ウント２上に設けたペルチェ素子エレメント４１の数が
少ない場合のマルチビーム半導体レーザの断面構造を、
また、図１(b) はペルチェ素子エレメント４１の数およ
び位置が各単体レーザエレメントの数および位置に対応
している、即ち両者の数が同じで、位置がそれぞれ等間
隔で相対向する位置にある場合のマルチビーム半導体レ
ーザの断面構造を示している。複数個のペルチェ素子エ
レメント４１を介してサブマウント２上に複数個の単体
レーザエレメントが集積されたマルチビーム半導体レー
ザチップ１をＪ−ｕｐ組立する。ペルチェ素子エレメン
ト４１は、集積度，ビーム間隔及びレーザの光出力に合
わせて、図１(a) 及び図１(b) に示すように、各単体レ
ーザエレメントの数及び設けられた位置に対応させた
り、もしくは単体レーザエレメント数より少なくして複
数個の単体レーザエレメントに対応させて設ける。

【００１９】次に動作について説明する。ペルチェ素子
エレメント４１は、異種の金属を接合させて該金属間に
電流を流した際に両者界面で吸熱，発熱が起こるという
ペルチェ効果を利用したものであり、異種金属の２層構
造となっている。ペルチェ素子エレメント４１に電流を
流すことにより、該ペルチェ素子エレメント４１の内部
で吸熱反応を起こして冷却される側と、発熱反応を起こ
して昇温する側とが出来、本実施例では該吸熱側になる
方をマルチビーム半導体レーザチップ１に接合させて該
チップ１の発熱による昇温を抑え、一方、発熱側となる
方はサブマウント２側に接合させて、そこで発生する熱
はサブマウント２に放熱されるようにしている。また、
ペルチェ素子エレメント４１は、図１に示すマルチビー
ム半導体レーザ装置を側面から見て、該エレメント４１
の一方または両側が、半導体レーザチップ１およびサブ
マウント２の外側にはみ出して設けられており、この外
側まで露出した部分の上下面に該エレメント４１の＋電
極，−電極が設けられている。従って、これら電極間に
流す電流の向きを変えることにより、該ペルチェ素子エ
レメント４１を構成する２層金属の所望の一方を発熱
側，吸熱側とすることができ、また、流す電流量によっ
てそのペルチェ効果の度合を調整できる。

【００２０】本実施例において、従来例と同じように各
単体レーザエレメント１１，１２，…，１３には独立に
電流を注入することによりそれぞれ独立に動作させる。
このとき、ペルチェ素子エレメント４１はそれぞれ独立
に＋電極，−電極を有しているので、各々のエレメント
４１に流す電流量及び電流の向きを変えることにより、
マルチビーム半導体レーザチップ１のペルチェ素子エレ
メント４１と接触する部分の温度を調節することができ
る。

【００２１】図２は、この発明の一実施例によるマルチ
ビーム半導体レーザ装置の駆動時における温度上昇とペ
ルチェ素子エレメント４１に印加する電流量との関係を
示す図であり、ここでは全エレメント数を８とした８点
ビームレーザに対して、ペルチェ素子エレメント４１を
図１(b) に示したように各単体レーザエレメントＬＤ１
〜ＬＤ８に対応して８個設けた場合について示してい
る。以下、ペルチェ素子エレメント４１による温度上昇
の調節動作について説明する。図２(a) は単体レーザエ
レメントＬＤ１〜ＬＤ８を同時に動作させた場合のマル
チレーザ半導体チップ１における温度上昇を示し、ま
た、図２(b) は単体レーザエレメントＬＤ１〜ＬＤ８に
対応するペルチェ素子エレメント４１に印加する電流量
を示している。該図に示すように、従来はマルチビーム
半導体レーザチップ１の中央部分の単体レーザエレメン
トＬＤ４およびＬＤ５を頂点として温度が上昇してい
た。これに対し、本実施例では図２(b) に示すように、
温度上昇しやすいエレメントＬＤ４およびＬＤ５に対応
するペルチェ素子エレメント４１においては最大に、エ
レメントＬＤ１およびＬＤ８に対応するペルチェ素子４
１においては最小となるよう、該ペルチェ素子エレメン
ト４１に流す電流量を設定して駆動させるようにしたの
で、マルチビーム半導体レーザチップ１の端部へ行くほ
どペルチェ素子エレメント４１の冷却効果が小さくなる
こととなり、結果、該チップ１の中央部分にゆくほど温
度の上昇が抑えられることとなり、全単体レーザエレメ
ントの温度は一定となり、しかも、全体の温度上昇率は
低く抑えられる。

【００２２】このように、上記実施例では、複数のペル
チェ素子エレメント４１をサブマウント２に各々独立し
て設け、マルチビーム半導体レーザチップ１中の位置に
よる熱干渉の受けやすさの違いによって、該チップ１内
のその部位で該チップ１部に対応するペルチェ素子エレ
メント４１に印加する電流量を調節して、該チップ１の
全部位での温度が一様になるよう該ペルチェ素子４１の
冷却効果の度合を調整するようにしたので、動作の安定
した、熱干渉の影響を低減した高性能マルチビーム半導
体レーザ装置を得ることができる。また、Ｊ−ｕｐ組立
にて組み立てを行えるので、マルチビーム半導体レーザ
チップ１に集積する単体レーザエレメントの数が増加し
ても容易に精度良く組み立てることができる。また、各
単体レーザエレメントの数および位置に対応してペルチ
ェ素子エレメント４１を設けた図１(b) の本第２の実施
例においては、この数および位置が対応していない図１
(a) の第１の実施例に比し、同一マルチビーム半導体レ
ーザチップ１内における温度の一様化をより精度良く行
うことができる。

【００２３】なお、上記実施例では、各ペルチェ素子エ
レメント４１をサブマウント２上にハイブリッドに設け
たものを示したが、図３に示すように、サブマウントに
半導体材料（例えばＳｉ）を用い、ｐ型領域及びｎ型領
域を設けて、モノリシックにペルチェ素子エレメント４
１を集積したものでも同様の効果を示すことができ、こ
のようにしたものにつき、以下説明する。

【００２４】図３はこの発明の第３の実施例によるマル
チビーム半導体レーザ装置の組立断面構造を示す図であ
り、図中、図１同一符号のものは同一または相当部分を
示す。図３において、５２はＳｉのサブマウントにｎ型
不純物を拡散して形成したｎ型領域、５１は該ｎ型領域
５２中に形成したｐ型領域であり、ｐ型領域５１，単体
レーザエレメント１１，１２，…，１３の裏電極３３，
ｎ型領域５２間に電流を流すと、裏電極３３とｐ型領域
５１又はｎ型領域５２間でペルチェ効果を生じ、裏電極
３３とｐ型領域５１又はｎ型領域５２でペルチェ素子エ
レメント４１を形成することになる。これにより、電流
の方向，大きさを調整することにより、接合する単体レ
ーザエレメント１１，１２，…，１３の裏電極３３の温
度を調整することができ、その結果、マルチビーム半導
体レーザチップ１の温度を調整することができる。

【００２５】なお、上記両実施例において、ペルチェ素
子エレメント４１に流す電流量は、各単体レーザエレメ
ント１１，１２，…，１３もしくは各ペルチェ素子エレ
メント４１にサーミスタを設けて制御する、あるいは、
各単体レーザエレメント１１，１２，…，１３の発振波
長もしくは光出力をモニタしながら制御するようにする
と、より一層、制御精度を向上することができ、熱干渉
の影響を低減した安定したマルチビーム半導体レーザ装
置を得ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明に係るマルチビ
ーム半導体レーザ装置は、独立に動作させることが可能
な複数のペルチェ素子エレメントを有するサブマウント
を備えたことにより、マルチビーム半導体レーザチップ
上に集積された各単体レーザエレメント毎若しくは複数
に分割されたチップ内の領域毎に独立に温度コントロー
ルをすることが可能になり、チップ内の温度分布を一様
に保つことができる。その結果、各単体レーザエレメン
ト間での熱干渉の影響を大きく低減した高性能なマルチ
ビーム半導体レーザ装置を容易に得ることができる効果
がある。さらに、この発明に係るマルチビーム半導体レ
ーザ装置では、Ｊ−ｕｐ組立を行ってもチップにおける
発熱を効率良く拡散することができるようになることか
ら、チップ上に集積する単体レーザエレメント数が増加
した場合でも組立精度がそれほど要求されず、かつ活性
領域へのストレスの少ないＪ−ｕｐ組立を採用すること
が可能になるという効果がある。

【００２７】また、ペルチェ素子エレメントを各ビーム
エレメントの数および位置に対応して設けるようにする
と、温度制御をより一層精度良く行うことができ、さら
に高性能なマルチビーム半導体レーザ装置を得ることが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるマルチビーム半導体
レーザ装置の組立断面構造を示す図である。

【図２】この発明の一実施例によるマルチビーム半導体
レーザ装置の駆動時における温度上昇とペルチェ素子エ
レメントに印加する電流量との関係を示す図である。

【図３】この発明の第２の実施例によるマルチビーム半
導体レーザ装置の組立断面構造を示す図である。

【図４】従来のマルチビーム半導体レーザ装置の組立断
面構造を示す図である。

【図５】従来のマルチビーム半導体レーザ装置の駆動時
における温度上昇を示す図である。

【図６】従来のマルチビーム半導体レーザ装置の光出力
−電流特性を示す図である。

【符号の説明】

１ マルチビーム半導体レーザチップ ２ サブマウント（ヒートシンク） ３ ハンダ材 １１ 単体レーザエレメント（ＬＤ１） １２ 単体レーザエレメント（ＬＤ２） １３ 単体レーザエレメント（ＬＤｎ） ３１ 表電極 ３２ 活性領域 ３３ 裏電極 ４１ ペルチェ素子エレメント ５１ ｐ型領域 ５２ ｎ型領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−204292（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−143872（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−16364（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 33/00 H01L 23/38

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単体レーザエレメントを互いに所
   定の距離を隔ててモノリシックに集積してなるマルチビ
   ーム半導体レーザチップと、独立に動作させることが可能な 複数のペルチェ素子エレ
   メントを有するサブマウントとを備え、上記マルチビーム半導体レーザチップは上記サブマウン
   ト上に組み立てられてなる ことを特徴とするマルチビー
   ム半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 複数の単体レーザエレメントを互いに所
   定の距離を隔ててモノリシックに集積してなるマルチビ
   ーム半導体レーザチップと、 その上面側の表面領域内に、独立に動作させることが可
   能な複数のペルチェ素子エレメントをｐｎ接合により形
   成してなるサブマウントとを備え、 上記マルチビーム半導体レーザチップは上記サブマウン
   ト上に組み立てられてなることを特徴とするマルチビー
   ム半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 ペルチェ素子エレメントと単体レーザエ
   レメントの数が同じでそれぞれ等間隔で相対向する位置
   にあることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマ
   ルチビーム半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 マルチビーム半導体レーザチップの中央
   部に対応するペルチェ素子エレメントには最大となる電
   流を、両端部に対応するペルチェ素子エレメントには最
   小となる電流を流すようにしてなることを特徴とする請
   求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマルチビーム
   半導体レーザ装置。