JP4431008B2 - 半導体レーザの熱抵抗評価装置および熱抵抗評価方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザの熱抵抗評価装置および熱抵抗評価方法に関し、特に、面発光レーザの熱抵抗評価方法に適用して好適なものである。

長波長（通信波長）帯面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）は、メトロ系通信網や１０ギガビットイーサネット（登録商標）用の低消費電力化された光源として期待され、研究開発が盛んに行われている。ここで、長波長帯面発光レーザは、短波長帯面発光レーザに比べて熱伝導率が低い結晶材料が用いられるため、熱抵抗（単位消費電力当たりの活性層の温度変化）が１０００℃／Ｗ以上の高い値を有する。このような高い熱抵抗は、面発光レーザを電流駆動する際に、比較的低い電流値においても、熱ロールオーバーによる光出力の低下をもたらすため、実用上の障害となっている。このため、電流注入が行われる半導体分布ブラッグ反射層の構造の最適化や、活性層に直接電流を注入する構造や、熱伝導率が高いＧａＡｓ系分布ブラッグ反射層との貼り合わせ構造（非特許文献１）などが提案されている。

一方、面発光レーザの熱抵抗を低減させるだけでなく、面発光レーザの熱抵抗を定量的に評価することも重要である。ここで、半導体レーザの熱抵抗Ｒｔｈ、以下の（１）式で定義することができる。
Ｒｔｈ＝ΔＴ／Ｐｄｉｓ＝ΔＴ／（ＶＩ−Ｐｏｕｔ） （１）
ただし、ΔＴは、半導体レーザの発熱による活性層の温度上昇分、Ｐｄｉｓは、半導体レーザの消費電力、Ｐｏｕｔは、半導体レーザからの光出力、Ｖは、半導体レーザを駆動する電圧、Ｉは、半導体レーザを駆動する電流である。

（１）式におけるΔＴの評価方法としては様々な方法があるが（非特許文献２）、ＣＷ（連続発振）と活性層の発熱の影響を無視できるパルス発振（デューティ比０．１％）による発振波長の差から、（１）式の活性層の温度上昇分ΔＴを見積もることが一般的に行われている。
しかしながら、端面発光型レーザの熱抵抗は５０℃／Ｗ程度であるのに対し、面発光レーザの熱抵抗は１０００℃／Ｗ以上ある。このため、面発光レーザでは、パルス駆動におけるパルス幅を小さくしても、活性層の発熱の影響を完全に除去することができず、熱抵抗値が過小評価されることがあった。

このため、面発光レーザでは、発振波長λの消費電力依存性（λ−Ｐｄｉｓ特性）および温度依存性（λ−Ｔ特性）をＣＷ駆動にてそれぞれ評価し、以下の（２）式を用いて熱抵抗値を見積もることが行われていた（非特許文献３）。
Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Δλ／ΔＰｄｉｓ）／（Δλ／ΔＴ） （２）
Ｙ．Ｏｈｉｓｏ，Ｈ．Ｏｋａｍｏｔｏ"Ｓｉｎｇｌｅ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｏｄｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ １．５５−μｍ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ−Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ"ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１４，ＮＯ．６，ＪＵＮＥ ２００２，７３８−７４０ Ｊｏａｎｎｅ Ｓ．Ｍａｎｎｉｎｇ"Ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ：Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ"Ｊ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．５２(２)，Ｍａｙ １９８１，３１７９−３１８４ Ｍｉｃｈａｅｌ Ｈ．Ｍａｃｄｏｕｇａｌ，Ｊｏｎ Ｇｅｓｋｅ，Ｃｈａｏ−Ｋｕｎ Ｌｉｎ，Ａａｒｏｎ Ｅ．Ｂｏｎｄ，ａｎｄ Ｐ．ＤａｎｉｅｌＤａｐｋｕｓ"Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ＶＣＳＥＬ’ｓ ｗｉｔｈ ＡｉＯx−ＧａＡｓ ＤＢＲ’ｓ"ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１０，ＮＯ．１，ＪＡＮＵＡＲＹ １９９８，１５−１７

しかしながら、（２）式を用いて熱抵抗値を見積もる方法では、λ−Ｐｄｉｓ特性およびλ−Ｔ特性とを別々に測定し、各直線の傾きからΔλ／ΔＰｄｉｓとΔλ／ΔＴとをそれぞれ導出する必要がある。このため、（２）式を用いて熱抵抗値を見積もる方法は、工程が煩雑で効率が悪いという問題があった。
そこで、本発明の目的は、熱抵抗値の算出精度を低下させることなく、熱抵抗の評価工程の簡便化および効率化を図ることが可能な半導体レーザの熱抵抗評価装置および熱抵抗評価方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の半導体レーザの熱抵抗評価装置によれば、第１の駆動電流にて半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する第１の温度依存性評価手段と、第２の駆動電流にて前記半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する第２の温度依存性評価手段と、前記第１の駆動電流と前記第２の駆動電流の発振波長が同一となる時の各温度の差から、前記半導体レーザの活性層の温度上昇分を評価する温度上昇評価手段と、前記第１の駆動電流における第１の消費電力と前記第２の駆動電流における第２の消費電力との差から、前記温度上昇評価手段にて評価された温度上昇分だけ前記活性層の温度を上昇させるために必要な第３の消費電力を評価する消費電力評価手段と、前記温度上昇評価手段にて評価された温度上昇分を前記第３の消費電力で除した値を熱抵抗として算出する熱抵抗算出手段とを備えることを特徴とする。

また、請求項２記載の半導体レーザの熱抵抗評価装置によれば、前記第１の駆動電流をＩ₁、前記第２の駆動電流をＩ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₁、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ１、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ２、前記活性層の温度上昇分をΔＴ、前記第１の消費電力をＰｄｉｓ１、前記第２の消費電力をＰｄｉｓ２、前記第３の消費電力をΔＰｄｉｓとすると、前記熱抵抗Ｒｔｈは、
Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｐｄｉｓ２−Ｐｄｉｓ１）
＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／［（Ｖ₂Ｉ₂−Ｐｏｕｔ２）−（Ｖ₁Ｉ₁−Ｐｏｕｔ１）
で与えられることを特徴とする。

また、請求項３記載の半導体レーザの熱抵抗評価方法によれば、第１の駆動電流にて半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する工程と、第２の駆動電流にて前記半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する工程と、前記第１の駆動電流と前記第２の駆動電流の発振波長が同一となる時の各温度の差から、前記半導体レーザの活性層の温度上昇分を評価する工程と、前記第１の駆動電流における第１の消費電力と前記第２の駆動電流における第２の消費電力との差から、前記温度上昇分だけ前記活性層の温度を上昇させるために必要な第３の消費電力を評価する工程と、前記活性層の温度上昇分を前記第３の消費電力で除した値を熱抵抗として算出する工程とを備えることを特徴とする。

また、請求項４記載の半導体レーザの熱抵抗評価方法によれば、前記第１の駆動電流をＩ₁、前記第２の駆動電流をＩ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₁、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ１、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ２、前記活性層の温度上昇分をΔＴ、前記第１の消費電力をＰｄｉｓ１、前記第２の消費電力をＰｄｉｓ２、前記第３の消費電力をΔＰｄｉｓとすると、前記熱抵抗Ｒｔｈは、
Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｐｄｉｓ２−Ｐｄｉｓ１）
＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／［（Ｖ₂Ｉ₂−Ｐｏｕｔ２）−（Ｖ₁Ｉ₁−Ｐｏｕｔ１）
で与えられることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、ＣＷ駆動された半導体レーザの発振波長の温度依存性に基づいて半導体レーザの熱抵抗値を評価することが可能となる。このため、半導体レーザの発振波長の消費電力依存性を評価する必要がなくなるとともに、パルス駆動による半導体レーザの発振波長を見積もる必要がなくなり、半導体レーザの熱抵抗が高い場合においても、熱抵抗値の算出精度を低下させることなく、熱抵抗の評価工程の簡便化および効率化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザの熱抵抗評価装置および熱抵抗評価方法について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの熱抵抗評価方法を示すフローチャートである。
図１において、互いに電流値の異なる駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂にて半導体レーザをそれぞれＣＷ駆動しながら、各駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂における発振波長λ₁、λ₂の温度依存性をそれぞれ評価する（ステップＳ１、Ｓ２）。ただし、λ₁は、駆動電流Ｉ₁で半導体レーザをＣＷ駆動した時の発振波長、λ₂は、駆動電流Ｉ₂で半導体レーザをＣＷ駆動した時の発振波長である。

図２は、互いに電流値の異なる駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂で面発光レーザをＣＷ駆動した時の温度と波長との関係を示す図である。
図２において、駆動電流Ｉ₁にて半導体レーザをＣＷ駆動すると、温度上昇に比例して発振波長λ₁が上昇する。また、駆動電流Ｉ₂にて半導体レーザをＣＷ駆動すると、温度上昇に比例して発振波長λ₂が上昇するとともに、発振波長λ₁に対して発振波長λ₂がシフトされる。ただし、Ｉ₂＞Ｉ₁であり、Ｉ₁は閾値電流以上である。

なお、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂にて半導体レーザをそれぞれＣＷ駆動した時の発振波長λ₁、λ₂の温度依存性は、半導体レーザが固定されるステージのステージ温度コントローラと光スペクトルアナライザを用いて評価することができる。
ここで、発振波長λ₁、λ₂が互いに同一となる時の発振波長のうち、任意の発振波長をλ_aとする。そして、λ₁＝λ_aとなるステージ温度コントローラの温度Ｔ₁と、λ₂＝λ_aとなるステージ温度コントローラの温度Ｔ₂とを、各発振波長λ₁、λ₂における温度依存性から求める。そして、ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂とすると、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂における発振波長λ₁、λ₂がλ_aとなる時の各温度Ｔ₁、Ｔ₂の差から、ΔＴを求める（ステップＳ３）。ここで、ΔＴは、駆動電流をＩ₁からＩ₂に増加させた時の活性層の温度上昇分を示している。

次に、ステージ温度コントローラの温度がＴ₁で駆動電流がＩ₁の時の駆動電圧Ｖ₁および光出力パワーＰｏｕｔ１を求める。そして、温度Ｔ₁かつ駆動電流Ｉ₁における半導体レーザの消費電力Ｐｄｉｓ１＝（Ｉ₁Ｖ₁−Ｐｏｕｔ１）を求める。また、ステージ温度コントローラの温度がＴ₂で駆動電流がＩ₂の時の駆動電圧Ｖ₂および光出力パワーＰｏｕｔ２を求める。そして、温度Ｔ₂かつ駆動電流Ｉ₂における半導体レーザの消費電力Ｐｄｉｓ２＝（Ｉ₂Ｖ₂−Ｐｏｕｔ２）を求める。

そして、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂における半導体レーザの消費電力Ｐｄｉｓ１、Ｐｄｉｓ２がそれぞれ求まると、これらの消費電力Ｐｄｉｓ１、Ｐｄｉｓ２の差から、活性層の温度をΔＴだけ上昇させるために必要な消費電力ΔＰｄｉｓを求める（ステップＳ４）。なお、消費電力ΔＰｄｉｓは、半導体レーザの光出力および駆動電圧の駆動電流依存性（Ｉ−Ｌ−Ｖ特性）から簡単に得ることができる。

次に、温度上昇分ΔＴおよび消費電力ΔＰｄｉｓが求まると、以下の（３）式に示すように、ΔＴをΔＰｄｉｓで除した値を熱抵抗Ｒｔｈとして算出する（ステップＳ５）。
Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｐｄｉｓ２−Ｐｄｉｓ１）
＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／［（Ｖ₂Ｉ₂−Ｐｏｕｔ２）−（Ｖ₁Ｉ₁−Ｐｏｕｔ１） （３）
これにより、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂にてＣＷ駆動された半導体レーザの発振波長の温度依存性に基づいて半導体レーザの熱抵抗Ｒｔｈを評価することが可能となる。このため、半導体レーザの発振波長の消費電力依存性を評価する必要がなくなるとともに、パルス駆動による半導体レーザの発振波長を見積もる必要がなくなり、半導体レーザの熱抵抗Ｒｔｈが高い場合においても、熱抵抗Ｒｔｈの算出精度を低下させることなく、熱抵抗Ｒｔｈの評価工程の簡便化および効率化を図ることが可能となる。

図３は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの熱抵抗評価装置を示すブロック図である。
図３において、筐体１には、ＸＹＺ軸方向に移動可能な可動ステージ２が設けられ、可動ステージ２上には電子冷却装置３が配置されている。なお、電子冷却装置３としては、例えば、ペルチェ素子などを用いることができる。そして、可動ステージ２上には、熱抵抗の評価対象となる半導体レーザを固定するステージ４が配置されている。なお、ステージ４は、熱伝導率の高いＣｕやＡｌなどの金属で構成することができる。また、ステージ４上には、調芯用光ファイバ５およびＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６が、可動ステージ２の可動範囲内に並べて配置されている。また、熱抵抗の評価対象となる半導体レーザとしては、例えば、ＡｕＳｎはんだにてヒートシンク２２に固定された面発光レーザ２１を挙げることができる。

そして、可動ステージ２は、可動ステージ２の移動を制御する可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７に電気ケーブルＫ１を介して接続されている。また、電子冷却装置３は、ステージ４の温度を制御するステージ温度コントローラ８に電気ケーブルＫ２を介して接続されている。
さらに、熱抵抗評価装置には、サブマウント２３を介して面発光レーザ２１に駆動電流を注入する定電流源９が設けられている。そして、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７、ステージ温度コントローラ８および定電流源９は、制御電気信号ケーブルＣ１〜Ｃ３をそれぞれ介して制御用パーソナルコンピュータ１０に接続されている。

そして、調芯用光ファイバ５は、光ファイバＦ１を介して１：９カプラ１１の入力に接続され、１：９カプラ１１の出力は、光ファイバＦ２を介してフォトダイオード１２に接続されるとともに、光ファイバＦ３を介して光スペクトルアナライザ１４に接続されている。また、Ｉ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６およびフォトダイオード１２は、電気ケーブルＫ６、Ｋ５をそれぞれ介して２ｃｈ光パワーメータ１３に接続されている。そして、２ｃｈ光パワーメータ１３および光スペクトルアナライザ１４は、制御電気信号ケーブルＣ４、Ｃ５をそれぞれ介して制御用パーソナルコンピュータ１０に接続されている。

そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、制御電気信号ケーブルＣ１〜Ｃ５をそれぞれ介して、可動ステージ２の移動、可動ステージ２の温度の設定、面発光レーザ２１に注入される電流の設定、光パワーや光スペクトルの読み取り、調芯用光ファイバ５の調芯などを制御することができる。
ここで、制御用パーソナルコンピュータ１０は、図１の処理を実行させるためのプログラムを格納することができる。そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、図１の処理を実行させるためのプログラムに従って、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７、ステージ温度コントローラ８および定電流源９を制御しながら、２ｃｈ光パワーメータ１３および光スペクトルアナライザ１４による計測値を参照し、（３）式の計算を行うことにより、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈを算出することができる。

そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、面発光レーザ２のλ−Ｔ特性を評価する場合、面発光レーザ２１が調芯用光ファイバ５の下に配置されるように、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７に指示して可動ステージ２を移動させることができる。また、制御用パーソナルコンピュータ１０は、面発光レーザ２のＩ−Ｌ−Ｖ特性を評価する場合、面発光レーザ２１がＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の下に配置されるように、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７に指示して可動ステージ２を移動させることができる。

そして、面発光レーザ２のλ−Ｔ特性およびＩ−Ｌ−Ｖ特性を同一のステージ温度コントローラ８にて制御することにより、装置ごとに異なる微小なステージ温度の差を補正する必要がなくなり、熱抵抗の評価工程の簡略化を図りつつ、熱抵抗の評価精度を向上させることができる。
また、可動ステージ２を筐体１内に設置することにより、可動ステージ２が外気に晒されることを防止することができる。このため、ステージ温度が外気温の変動に影響されないようにすることが可能となり、熱抵抗の評価精度を向上させることができる。

すなわち、面発光レーザ２１の熱抵抗を評価する場合、ヒートシンク２２に固定された面発光レーザ２１をサブマウント２３を介してステージ４上に配置し、ヒートシンク２２に固定された面発光レーザ２１およびサブマウント２３を治具（図示せず）にてステージ４上に固定する。そして、面発光レーザ２１およびサブマウント２３を電気ケーブルＫ４、Ｋ３をそれぞれ介して定電流源９に接続する。

そして、ステージ温度コントローラ８は、電子冷却装置３を制御することにより、ステージ４の温度を任意の温度に設定する。なお、ステージ４の温度の分解能は０．０１℃程度以上の分解能を持つことが好ましい。そして、ステージ４の温度が設定されると、制御用パーソナルコンピュータ１０は、定電流源９を動作させ、駆動電流Ｉ₁にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動させる。なお、定電流源９の電流の分解能は０．０１ｍＡ程度以上の分解能を持つことが好ましい。また、面発光レーザ２１をＣＷ駆動させた時の印加電圧をモニタできるようにする必要がある。

そして、面発光レーザ２１がＣＷ駆動されると、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光２４を調芯用光ファイバ５および１：９カプラ１１を介してフォトダイオード１２に入射させる。そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、フォトダイオード１２にて検出された光出力を２ｃｈ光パワーメータ１３にてモニタしながら、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７を制御し、面発光レーザ２１から出射された光出力が最大となる位置に可動ステージ２を移動させる。

そして、可動ステージ２の位置が定まると、制御用パーソナルコンピュータ１０は、ステージ温度コントローラ８にてステージ４の温度を変化させながら、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光２４の光スペクトルを光スペクトルアナライザ１４にて測定する。そして、ステージ４の温度が複数の点に設定された時の光スペクトルが得られると、駆動電流Ｉ₁にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動した時の発振波長λ₁の温度依存性を評価する。

そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、駆動電流Ｉ₁における発振波長λ₁の温度依存性を評価すると、駆動電流Ｉ₂にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動させる。そして、ステージ温度コントローラ８にてステージ４の温度を変化させながら、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光２４の光スペクトルを光スペクトルアナライザ１４にて測定する。そして、ステージ４の温度が複数の点に設定された時の光スペクトルが得られると、駆動電流Ｉ₂にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動した時の発振波長λ₂の温度依存性を評価する。

次に、制御用パーソナルコンピュータ１０は、面発光レーザ２１のＩ−Ｌ−Ｖ特性を評価する場合、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７を制御し、面発光レーザ２１から出射されたレーザ光２４の全てがＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６に入射される位置に可動ステージ２を移動させる。なお、面発光レーザ２１がＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の真下にくるように、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７によるリセット位置を設定するようにしてもよい。そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、面発光レーザ２１のＩ−Ｌ−Ｖ特性を評価する場合、可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７にリセット信号を送ることにより、面発光レーザ２１がＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の真下にくるように、可動ステージ２を移動させるようにしてもよい。

そして、面発光レーザ２１がＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の真下に配置されると、ステージ温度コントローラ８は、ステージ温度コントローラ８にてステージ４の温度を任意に設定させるとともに、定電流源９にて面発光レーザ２１を任意の駆動電流で駆動させる。そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、Ｉ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６にて検出された光出力を２ｃｈ光パワーメータ１３にてモニタするとともに、発光レーザ２１をＣＷ駆動させた時の印加電圧をモニタすることにより、任意のステージ温度における面発光レーザ２１のＩ−Ｌ−Ｖ特性を評価することができる。

そして、制御用パーソナルコンピュータ１０は、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂にて面発光レーザ２１をそれぞれＣＷ駆動した時の発振波長λ₁、λ₂の温度依存性ならびに面発光レーザ２１のＩ−Ｌ−Ｖ特性を求めると、面発光レーザ２１の活性層の温度上昇分ΔＴおよび面発光レーザ２１の消費電力ΔＰｄｉｓを算出する。そして、（３）式を用いることにより、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈを算出する。

これにより、駆動電流Ｉ₁、Ｉ₂にて面発光レーザ２１をそれぞれＣＷ駆動した時のλ−Ｔ特性の評価結果とＩ−Ｌ−Ｖ特性が既知であれば、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈを算出することが可能となる。このため、λ−Ｐｄｉｓ特性を評価することなく、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈを算出することが可能となり、簡便かつ効率的に熱抵抗Ｒｔｈを評価することができる。

図４は、熱抵抗の評価対象となる面発光レーザ２１の構成例を示す断面図である。
図４において、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上には、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射層３２が積層され、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射層３２上には、ＩｎＰ／ＧａＡｓバッファ層３３を介してｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３４が積層されている。

なお、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射層３２は、例えば、Ｓｉがドープされた２５対のｎ−ＧａＡｓとＡｌＡｓにて構成することができる。また、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３４、例えば、５．５対のｎ−ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰにて構成することができる。
そして、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３４上には、ＩｎＰクラッド層で挟まれたＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５が形成され、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５上には、ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３６が積層されている。そして、ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３６上には、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂分布ブラッグ反射層３９が積層されている。

なお、ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３６は、例えば、Ｚｎがドープされた５対のｐ−ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰにて構成することができ、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂分布ブラッグ反射層３９は、１６対のＳｉＯ₂とＴｉＯ₂にて構成することができる。
そして、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５の周囲のＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５およびｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３６が除去され、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５の周囲がＦｅ−ＩｎＰ埋め込み層３７およびｎ−ＩｎＰ層３８にて順次埋め込まれている。

また、ｎ−ＩｎＰ層３８上には、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５の周囲に配置されたｐ−コンタクト層４０が形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の裏面には、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３５の周囲に配置されたｎ−コンタクト層４１が形成されるとともに、ｎ−コンタクト層４１の内側に配置された反射防止膜４２が形成されている。

この面発光レーザ２１の発振波長は２５℃で１５５２ｎｍを示しており、メサ面積９×９μｍ²において良好な単一横モード性を示している。ここで、熱伝導率が低いｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層３４に熱伝導率が高いｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射層３２を貼り付けることにより、面発光レーザの熱抵抗を低減させることができる。

図５は、面発光レーザ２１のλ−Ｔ特性の評価方法の具体例を示す図である。
図５において、駆動電流Ｉ₁＝２ｍＡとし、図３のステージ４の温度が２０、２５、３０℃の３点において、面発光レーザ２１の光スペクトルを光スペクトルアナライザ１４にて測定した。そして、この測定結果を参照することにより、駆動電流Ｉ₁にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動した時の発振波長λ₁についてのλ−Ｔ特性を評価した。

次に、駆動電流Ｉ₂＝８ｍＡとし、図３のステージ４の温度が２０、２５、３０℃の３点において、面発光レーザ２１の光スペクトルを光スペクトルアナライザ１４にて測定した。そして、この測定結果を参照することにより、駆動電流Ｉ₂にて面発光レーザ２１をＣＷ駆動した時の発振波長λ₂についてのλ−Ｔ特性を評価した。
ここで、発振波長λ₁、λ₂が互いに同一となる時の発振波長のうち、任意の発振波長λ_a＝１５５２．５ｎｍとすると、駆動電流Ｉ₁では、発振波長λ_a＝１５５２．５ｎｍとなる時の温度Ｔ₁は３０．０℃、駆動電流Ｉ₂では、発振波長λ_a＝１５５２．５ｎｍとなる時の温度Ｔ₂は２０．０℃となる。この結果、面発光レーザ２１の活性層の温度上昇分ΔＴは１０．０℃となる。

次に、図３の可動ステージＸＹＺ軸コントローラ７をリセットし、面発光レーザ２１がＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の真下にくるように可動ステージ２を移動させる。そして、ステージ４の温度Ｔ₁＝３０．０℃かつ駆動電流Ｉ₁＝２ｍＡの時の駆動電圧Ｖ₁と光出力Ｐｏｕｔ１を評価した後、ステージ４の温度Ｔ₂＝２０．０℃かつ駆動電流Ｉ₂＝８ｍＡの時の駆動電圧Ｖ₂と光出力Ｐｏｕｔ２を評価した。この時、駆動電圧Ｖ₁＝１．４７１Ｖ、光出力Ｐｏｕｔ１＝０．００３２ｍＷ、駆動電圧Ｖ₂＝２．２７９Ｖ、光出力Ｐｏｕｔ２＝０．０６５３ｍＷであった。この結果、活性層の温度をΔＴだけ上昇させるために必要な消費電力ΔＰｄｉｓは０．０１５２３Ｗとなる。従って、（３）式により、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈとして６５７℃／Ｗという値が得られた。

一方、λ−Ｐｄｉｓ特性およびλ−Ｔ特性とを別々に測定して求めた面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈは、６５２℃／Ｗであった。この結果、本実施形態による熱抵抗Ｒｔｈの評価方法は、簡便かつ効率よく行うことが可能であるにもかかわらず、従来の方法による評価と非常によく一致することが判った。また、通常の面発光レーザの熱抵抗Ｒｔｈが１０００℃／Ｗ以上であることを考えると、今回得られた熱抵抗Ｒｔｈは６５７℃／Ｗと低くなっている。これは、今回の測定に用いた面発光レーザ２１が、熱伝導率の高いＧａＡｓ系ＤＢＲを薄膜化Ｗａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ技術により貼り合わせた構造であることに起因している。

なお、上述した実施形態では、面発光レーザ２１の熱抵抗Ｒｔｈを評価する方法について説明したが、端面発光型半導体レーザの熱抵抗Ｒｔｈを評価に適用するようにしてもよい。この場合、半導体レーザから出射されるレーザ光の出射方向は垂直方向から水平方向に変わるため、これに応じて図３の調芯用光ファイバ５およびＩ−Ｌ特性評価用フォトダイオード６の配置位置を変化させればよい。

本発明は、メトロ系通信網や１０ギガビットイーサネット（登録商標）用の低消費電力化された光源として期待されている長波長帯面発光レーザなどの熱抵抗の評価に利用することができ、熱抵抗値の算出精度を低下させることなく、熱抵抗の評価工程の簡便化および効率化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る面発光レーザの熱抵抗評価方法を示すフローチャートである。 互いに電流値の異なる駆動電流で面発光レーザをＣＷ駆動した時の温度と波長との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る面発光レーザの熱抵抗評価装置を示すブロック図である。 熱抵抗の評価対象となる面発光レーザの構成例を示す断面図である。 面発光レーザのλ−Ｔ特性の評価方法の具体例を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ 可動ステージ
３ 電子冷却装置
４ ステージ
５ 調芯用光ファイバ
６ Ｉ−Ｌ特性評価用フォトダイオード
７ 可動ステージＸＹＺ軸コントローラ
８ ステージ温度コントローラ
９ 定電流源
１０ 制御用パーソナルコンピュータ
１１ １：９カプラ
１２ フォトダイオード
１３ ２ｃｈ光パワーメータ
１４ 光スペクトルアナライザ
２１ 面発光レーザ
２２ ヒートシンク
２３ サブマウント
２４ レーザ光
Ｆ１〜Ｆ３ 光ファイバ
Ｋ１〜Ｋ６ 電気ケーブル
Ｃ１〜Ｃ５ 制御電気信号ケーブル
３１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３２ ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射層
３３ ＩｎＰ／ＧａＡｓバッファ層
３４ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層
３５ ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
３６ ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射層
３７ Ｆｅ−ＩｎＰ埋め込み層
３８ ｎ−ＩｎＰ層
３９ ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂分布ブラッグ反射層
４０ ｐ−コンタクト層
４１ ｎ−コンタクト層
４２ 反射防止膜

Claims (4)

1. 第１の駆動電流にて半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する第１の温度依存性評価手段と、
   第２の駆動電流にて前記半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する第２の温度依存性評価手段と、
   前記第１の駆動電流と前記第２の駆動電流の発振波長が同一となる時の各温度の差から、前記半導体レーザの活性層の温度上昇分を評価する温度上昇評価手段と、
   前記第１の駆動電流における第１の消費電力と前記第２の駆動電流における第２の消費電力との差から、前記温度上昇評価手段にて評価された温度上昇分だけ前記活性層の温度を上昇させるために必要な第３の消費電力を評価する消費電力評価手段と、
   前記温度上昇評価手段にて評価された温度上昇分を前記第３の消費電力で除した値を熱抵抗として算出する熱抵抗算出手段とを備えることを特徴とする半導体レーザの熱抵抗評価装置。
2. 前記第１の駆動電流をＩ₁、前記第２の駆動電流をＩ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₁、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ１、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ２、前記活性層の温度上昇分をΔＴ、前記第１の消費電力をＰｄｉｓ１、前記第２の消費電力をＰｄｉｓ２、前記第３の消費電力をΔＰｄｉｓとすると、前記熱抵抗Ｒｔｈは、
   Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｐｄｉｓ２−Ｐｄｉｓ１）
   ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／［（Ｖ₂Ｉ₂−Ｐｏｕｔ２）−（Ｖ₁Ｉ₁−Ｐｏｕｔ１）
   で与えられることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの熱抵抗評価装置。
3. 第１の駆動電流にて半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する工程と、
   第２の駆動電流にて前記半導体レーザをＣＷ駆動しながら発振波長の温度依存性を評価する工程と、
   前記第１の駆動電流と前記第２の駆動電流の発振波長が同一となる時の各温度の差から、前記半導体レーザの活性層の温度上昇分を評価する工程と、
   前記第１の駆動電流における第１の消費電力と前記第２の駆動電流における第２の消費電力との差から、前記温度上昇分だけ前記活性層の温度を上昇させるために必要な第３の消費電力を評価する工程と、
   前記活性層の温度上昇分を前記第３の消費電力で除した値を熱抵抗として算出する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザの熱抵抗評価方法。
4. 前記第１の駆動電流をＩ₁、前記第２の駆動電流をＩ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₁、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の駆動電圧をＶ₂、前記第１の駆動電流Ｉ₁で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ１、前記第２の駆動電流Ｉ₂で前記半導体レーザをＣＷ駆動した時の光出力パワーをＰｏｕｔ２、前記活性層の温度上昇分をΔＴ、前記第１の消費電力をＰｄｉｓ１、前記第２の消費電力をＰｄｉｓ２、前記第３の消費電力をΔＰｄｉｓとすると、前記熱抵抗Ｒｔｈは、
   Ｒｔｈ＝ΔＴ／ΔＰｄｉｓ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／（Ｐｄｉｓ２−Ｐｄｉｓ１）
   ＝（Ｔ₁−Ｔ₂）／［（Ｖ₂Ｉ₂−Ｐｏｕｔ２）−（Ｖ₁Ｉ₁−Ｐｏｕｔ１）
   で与えられることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザの熱抵抗評価方法。

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