JP4620216B2

JP4620216B2 - 波長可変半導体レーザ

Info

Publication number: JP4620216B2
Application number: JP2000143261A
Authority: JP
Inventors: 晋司飯尾; 隆昭平田; 雅幸末広; 衛日原; 康夫北岡; 和久山本
Original assignee: Panasonic Corp; Yokogawa Electric Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Yokogawa Electric Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001326422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ出力光の発振波長を可変にできる波長可変半導体レーザに関し、特に、高出力特性を維持しつつ、波長可変範囲が大きく、各領域を独立に温度制御が行える波長可変半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザやＤＢＲ（分布反射型）半導体レーザなどの単色性のよい半導体レーザは、注入する電流により発振波長を変化させることができる。
【０００３】
特に、ＤＢＲ半導体レーザは、電流を注入する領域を、発光領域（活性領域）や波長可変領域（位相調整領域、ＤＢＲ（distributed bragg reflection；分布ブッラグ反射）領域）など、いくつかに分けて、多電極構造にすると、光出力と発振波長とを独立に制御できるなど、高性能な半導体レーザが製作できる。
【０００４】
ＡｌＧａＡｓ（アルミニュウム・ガリウム・ヒ素）系のＤＢＲ半導体レーザでは、波長変化は主として、波長可変領域への電流の注入によって発生したジュール熱によって、半導体レーザ内の導波路の温度が上昇し屈折率が変化することに起因している。
【０００５】
通常、半導体レーザのボンディングには、ジャンクション・ダウンとジャンクション・アップとがある。ジャンクション・ダウンは、ダイボンディングするサブマウントやステム側に対して、素子構造を形成している部分（ＰＮ接合部分）をサブマウントまたはステム側にして、接着している。ジャンクション・アップは、ＰＮ接合部分を、サブマウントまたはステム側の逆にして接着している。
【０００６】
ジャンクション・ダウンは、プロセス上やレーザ構造上での工夫が必要となるが、大きな電流（＞１００ｍＡ）を流して動作させるような半導体レーザでは、ジュール熱を放熱しやすく、また、導波路などとの光学的結合を行う場合などにも、半導体レーザの発光点の高さの精度が高いなどのメリットがある。このような半導体レーザを図６に示し説明する。
【０００７】
図６において、１はサブマウント（基材）、２は波長可変半導体レーザチップで、活性領域２１、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３、電極２４〜２７からなる。
【０００８】
活性領域２１は、電流が注入されることにより、レーザ光を発生する。位相調整領域２２は、ｐｎ接合に垂直に電流を流したり、あるいは、薄膜ヒータに電流を流すことにより、領域の温度が制御され、この温度変化により、導波路の屈折率を変化させ、半導体レーザ内のレーザ光の位相を調整し、発振波長を変化させる。ＤＢＲ領域２３は、位相調整領域２２を介して、活性領域２１からレーザ光が入力され、ｐｎ接合に垂直に電流を流したり、あるいは、薄膜ヒータに電流を流すことにより、領域の温度が制御され、この温度変化により、導波路の屈折率を変化させ、回折格子の反射特性を調整し、発振波長を変化させる。
【０００９】
電極２４〜２６は、それぞれ活性領域２１、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３のほぼ全面に形成され、電極２７は、電極２４〜２６が形成される面と反対側の面に、活性領域２１、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の全面に形成される。また、電極２７は、図示しないワイヤにより、サブマウント１のコモン電極に接続する。
【００１０】
このような波長可変半導体レーザは例えば特開平２−６５１８９号公報等に記載されている。
【００１１】
３１〜３３ははんだパターンで、それぞれ電極２４〜２６のサイズより大きく設計され、サブマウント１と電極２４〜２６とを接続する。
【００１２】
このような装置の組立動作を以下に説明する。サブマウント１にはんだパターン３１〜３３をパターニングする。そして、波長可変半導体レーザチップ２を、ジャンクション・ダウンにより、はんだパターン３１〜３３にボンディングする。これにより、電極２４〜２６は、それぞれはんだパターン３１〜３３に接続される。そして、図示しないワイヤをワイヤボンディングにより、電極２７とサブマウント１とを接続する。
【００１３】
次に半導体レーザチップ２の動作を説明する。活性領域２１に、はんだパターン３１、電極２４を介して、サブマウント１から電流を与える。これにより、活性領域２１は、レーザ光を発生し、位相調整領域２２を介して、ＤＢＲ領域２３に伝播する。
【００１４】
そして、ＤＢＲ領域２３は、サブマウント１から、はんだパターン３３、電極２６を介して、電流が入力され、温度制御をする。ＤＢＲ領域２３の温度が変化すると導波路の屈折率が温度上昇に伴い増加して発振波長が長くなる。
【００１５】
また、一般に、位相調整領域２２は、単にレーザ出力光の発振波長を可変にするためには必須ではなく、位相連続で発振波長を可変にする場合に必要となる。位相調整領域２２も、ＤＢＲ領域２３と同様に、サブマウント１から、はんだパターン３２、電極２５を介して、電流が入力され、温度制御する。位相調整領域２２の温度が変化すると導波路の屈折率が温度上昇に伴い増加して発振波長が長くなる。
【００１６】
このような半導体レーザでは、活性領域２１で発生する熱を電極２４、はんだパターン３１を介して、サブマウント１に放熱を行っている。これにより、温度上昇に伴うレーザ出力光の減少を防止している。
【００１７】
しかし、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３も、電極２５，２６、はんだパターン３２，３３を介して、サブマウント１に放熱が行われてしまう。これにより、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３では、導波路の温度の上昇が抑制され、ジャンプ・アップのボンディングに比べ、波長可変範囲が小さくなってしまうという問題点があった。
【００１８】
そこで、特開平１１−２８９１３１号公報に示されるように、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の直下に溝部を設け、放熱を防止している。このような装置を図７，８に示し説明する。図７は側面図、図８は上面図である。ここで、図６と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００１９】
図７，８において、１１は溝部で、サブマウント１に設けられ、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の下部（内部の導波路直下）に、導波路より広く間隙を形成する。３４，３５ははんだパターンで、それぞれ溝部１２を挟んでサブマウント１に設けられ、それぞれ電極２５，２６に接続する。
【００２０】
このような装置の組立動作を以下に説明する。サブマウント１に、はんだパターン３１，３４，３５をパターニングする。そして、波長可変半導体レーザチップ２を、ジャンクション・ダウンにより、はんだパターン３１，３４，３５にボンディングする。これにより、電極２４〜２６は、それぞれはんだパターン３１，３４，３５に接続される。
【００２１】
このように、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の内部の導波路直下に溝部１１を設けたので、導波路の周辺の放熱が防止できる。つまり、同じ発熱量での導波路の屈折率変化（温度変化）を大きくでき、高出力特性を維持しつつ、波長可変範囲を大きくできる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、溝部１１を設け、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の放熱を防止しているため、位相調整領域２２の熱がＤＢＲ領域２３へ熱伝導し、ＤＢＲ領域２３の熱が位相調整領域２２へ熱伝導してしまう。この結果、一方の領域だけの温度制御を行おうとしても、他方の領域の温度に影響を及ぼし、一方の領域だけの温度制御ができず、レーザ光の制御が複雑になってしまうという問題点があった。
【００２３】
そこで、本発明の目的は、高出力特性を維持しつつ、波長可変範囲が大きく、各領域を独立に温度制御が行える波長可変半導体レーザを実現することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、
レーザ出力光の発振波長を変化させる波長可変半導体レーザにおいて、
活性領域と、位相調整領域と、分布ブラッグ反射領域とを有する波長可変半導体レーザチップと、
この波長可変半導体レーザチップが取り付けられ、位相調整領域と分布ブラッグ反射領域の導波路直下に設ける溝部と、この溝部を位相調整領域側と分布ブラッグ反射領域側とに分離する隔壁とを有する基材と
を具備することを特徴とするものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１，２は本発明の第１の実施例を示した構成図で、図１は側面図、図２は上面図である。ここで、図６〜８と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００２７】
図１，２において、１２，１３は溝部で、サブマウント１に設けられ、それぞれ位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の下部（内部の導波路直下）に、導波路より広く間隙を形成する。１４は隔壁で、溝部１２，１３を位相調整領域２２側とＤＢＲ領域２３側とに分離し、位相調整領域２２直下に設けられる。３６ははんだパターンで、溝部１２を挟んでサブマウント１に設けられると共に、隔壁１４上に設けられ、電極２５に接続する。
【００２８】
このような装置の組立動作を以下に説明する。サブマウント１に、はんだパターン３１，３５，３６をパターニングする。そして、波長可変半導体レーザチップ２を、ジャンクション・ダウンにより、はんだパターン３１，３５，３６にボンディングする。これにより、電極２４〜２６は、それぞれはんだパターン３１，３６，３５に接続される。
【００２９】
次に放熱の動作について説明する。活性領域２１の熱は、電極２４、はんだパターン３１を介して、サブマウント１に放熱される。そして、位相調整領域２２の熱は、導波路直下に溝部１２があるので、導波路の周囲の放熱が防止され、位相調整領域２２からＤＢＲ領域２３への熱は、隔壁１４上に設けられたはんだパターン３６を介して、隔壁１４（サブマウント１）へ放熱される。また、ＤＢＲ領域２３の熱は、導波路直下に溝部１３があるので、導波路の周囲の放熱が防止され、ＤＢＲ領域２３から位相調整領域２２への熱は、隔壁１４上に設けられたはんだパターン３６を介して、隔壁１４（サブマウント１）へ放熱される。
【００３０】
このように、隔壁１４、はんだパターン３６により、溝部１２，１３を位相調整領域２２側とＤＢＲ領域２３側とに分離したので、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３間の熱的干渉を防止でき、各領域独立に温度制御を行うことができる。
すなわち、レーザ光の出力制御を容易に行うことができる。
【００３１】
また、ＤＢＲ領域２３は、回折格子を有しているので、領域の温度分布が均一でないと、回折格子の光学的ピッチに分布が生じてしまい、発振波長の単一性に悪影響が生じてしまう。そこで、位相調整領域２２直下に隔壁１４、はんだパターン３６を設けたので、ＤＢＲ領域２３における熱分布が均等に保たれ、発振波長の単一性を維持することができる。なお、位相調整領域２２は、回折格子はなく、導波路のみなので、発振波長の単一性に温度不均一は影響しない。
【００３２】
そして、図３に示すように、隔壁１４上にはんだパターン３６を設けずに、はんだパターン３４のような構成にしてもよい。この場合、位相調整領域２２と隔壁１４との隙間は極小なので、位相調整領域２２から隔壁１４（サブマウント１）へ熱伝導するので、上述とほぼ同一の効果を得ることができる。つまり、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３間の熱的干渉を防止でき、各領域独立に温度制御を行うことができ、発振波長の単一性を維持できる。なお、隔壁１４上に、はんだパターン３６を設けた方が好適なのはいうまでもない。
【００３３】
また、図４に示すように、溝１２，１３を設けずに、サブマウント１にはんだパターン３１，３５，３６だけを設ける構成にしてもよい。この場合、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３と、はんだパターン３６，３５が形成されていない領域との隙間が極小なので、熱伝導が起こるが、はんだパターン３２，３３の場合より、熱伝導を防止できる。この結果、はんだパターン３６により、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３間の熱的干渉を防止でき、各領域独立に温度制御を行うことができ、発振波長の単一性を維持できる。
【００３４】
以上のような波長可変半導体レーザをＳＨＧレーザ光源に使用する。ＳＨＧレーザ光源は、例えば特開平１１−２６８６１号公報等に記載されている。つまり、図５に示すように、波長可変半導体レーザチップ２が出力するレーザ光（赤外光）を非線形光学結晶であるＳＨＧ（second-harmonic-generation）素子３に入射し第２高調波光（青色光）を発生し、短波長コヒーレント光を得るものである。
【００３５】
擬似位相整合のＳＨＧ素子３では、赤外光を青色光に変換できる波長範囲が、赤外光でサブ数ｎｍ〜数ｎｍの範囲でしかない。そのため、ＳＨＧレーザ光源に使用できる半導体レーザには、青色光に変換できる効率のもっとも高い波長に発振波長を制御できることが要求される。また、ＳＨＧ素子３の変換効率は、赤外光の出力に比例するので、波長可変半導体レーザチップ２の出力に依存する。
【００３６】
従って、図１〜４に示す装置の波長可変半導体レーザを、ＳＨＧレーザ光源に用いれば、レーザ光の波長やパワーの制御が容易になるため、第２高調波光の制御が容易で、発振波長の制御に必要な広い波長可能範囲を確保できると共に、活性領域では高出力特性が向上し、高効率のＳＨＧレーザ光源を実現できる。
【００３７】
なお、基材として、サブマウント１を示したが、ステムでもよい。要するに、波長可変半導体レーザチップ２が搭載される基材であればよい。
【００３８】
また、隔壁１４を位相調整領域２２直下に設ける構成を示したが、隔壁１４を、位相調整領域２２、ＤＢＲ領域２３の両方の直下に設ける構成やＤＢＲ領域２３直下だけに設ける構成でもよい。この場合でも、各領域独立に温度制御ができる。
【００３９】
そして、図４で示されるはんだパターン３６は、コ字形でなくともよく、位相調整領域２２の放熱を防止できる接触面積で、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３との間の熱伝導を防止する構成であればよい。
【００４０】
また、図４に示されるはんだパターン３６を、図８に示されるはんだパターン３４の形状で形成し、はんだパターン３５をコ字形に形成し、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３との間の熱伝導を防止する構成にしてもよい。つまり、ＤＢＲ領域２３に接続するはんだパターンが、ＤＢＲ領域２３の放熱を防止できる接触面積で、位相調整領域２２とＤＢＲ領域２３との間の熱伝導を防止する構成にしてもよい。
【００４１】
さらに、波長可変半導体レーザチップ２を電流で制御する例を示したが、波長可変半導体レーザチップ２の電気特性は通常のダイオードなので、電流を変えれば電圧も変わる。従って、波長可変半導体レーザチップ２を電圧制御しているとも言える。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１によれば、隔壁により、溝部を位相調整領域側と分布ブラッグ反射領域側とに分離したので、位相調整領域と分布ブラッグ領域間の熱的干渉を防止でき、高出力特性を維持しつつ、波長可変範囲が大きく、各領域独立に温度制御を行うことができる。つまり、レーザ光の出力制御を容易に行うことができる。
【００４３】
請求項２，３によれば、位相調整領域直下に隔壁を設けたので、分布ブラッグ反射領域における温度分布が均等に保たれ、発振波長の単一性を維持することができる。
【００４６】
請求項４によれば、ＳＨＧレーザ光源に用いたので、レーザ光の波長やパワーの制御が容易になるため、第２高調波光の制御が容易で、発振波長の制御に必要な広い波長可能範囲を確保できると共に、活性領域では高出力特性が向上し、高効率のＳＨＧレーザ光源を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示した側面構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示した上面構成図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示した上面構成図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示した上面構成図である。
【図５】ＳＨＧレーザ光源の構成を示した図である。
【図６】従来の波長可変半導体レーザの構成を示した図である。
【図７】従来の他の波長可変半導体レーザを示した側面構成図である。
【図８】従来の他の波長可変半導体レーザを示した上面構成図である。
【符号の説明】
１サブマウント
２波長可変半導体レーザチップ
３ＳＨＧ素子
１２，１３溝部
１４隔壁
２１活性領域
２２位相調整領域
２３ＤＢＲ領域
３１，３５，３６はんだパターン

Claims

レーザ出力光の発振波長を変化させる波長可変半導体レーザにおいて、
活性領域と、位相調整領域と、分布ブラッグ反射領域とを有する波長可変半導体レーザチップと、
この波長可変半導体レーザチップが取り付けられ、位相調整領域と分布ブラッグ反射領域の導波路直下に設ける溝部と、この溝部を位相調整領域側と分布ブラッグ反射領域側とに分離する隔壁とを有する基材と
を具備することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
隔壁は、位相調整領域直下に設けたことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
隔壁上に位相調整領域と熱的に接続するはんだパターンを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の波長可変半導体レーザ。
波長可変半導体レーザチップが出力するレーザ光をＳＨＧ素子に入力し、第２高調波光を出力するＳＨＧレーザ光源に用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。