JP5616343B2 - 波長制御半導体レーザデバイス - Google Patents

波長制御半導体レーザデバイス Download PDF

Info

Publication number
JP5616343B2
JP5616343B2 JP2011526624A JP2011526624A JP5616343B2 JP 5616343 B2 JP5616343 B2 JP 5616343B2 JP 2011526624 A JP2011526624 A JP 2011526624A JP 2011526624 A JP2011526624 A JP 2011526624A JP 5616343 B2 JP5616343 B2 JP 5616343B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor laser
laser diode
control circuit
feedback control
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011526624A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2012503308A (ja
Inventor
エム メンヒ,ホルガー
エム メンヒ,ホルガー
ゲー ゲルラッハ,フィリップ
ゲー ゲルラッハ,フィリップ
カルパイ,マルク
デル レー,アレクサンデル エム ファン
デル レー,アレクサンデル エム ファン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips NV
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips NV, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips NV
Publication of JP2012503308A publication Critical patent/JP2012503308A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5616343B2 publication Critical patent/JP5616343B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0612Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/06808Stabilisation of laser output parameters by monitoring the electrical laser parameters, e.g. voltage or current
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0261Non-optical elements, e.g. laser driver components, heaters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H01S5/0264Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices for monitoring the laser-output
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/04Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] characterized by the mesa, e.g. dimensions or shape of the mesa
    • H01S5/18347Mesa comprising active layer

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、光学計測デバイスに関し、より具体的には光学自己ミキシングセンサに関する。
集積フォトダイオード付きVCSEL(VIP)は、対地速度測定などにおける自動車センサのキーコンポーネントになるであろう。自動車アプリケーションではデバイスの動作温度範囲が広く(例えば、−40°Cから120°C)なければならない。しかし、VIPは、動作したとしても、この広い温度範囲では特性が大きく変わってしまう。
VCSELの性能パラメータの温度依存性は非特許文献1で周知になっている。主要な影響が3つある:
キャビティ共鳴が次式に従ってシフトする:
∂λres/∂T≒0.07nm/K
さらに、ゲインピークが次式に従ってシフトする:
∂λgain/∂T≒0.32nm/K
別の影響として、温度上昇とともにレーザ閾値が変化し、ゲイン/電流が減少する。
うまく設計することにより、VCSELは広い温度範囲で動作する(例えば、−80°Cから180°C、非特許文献2参照)。
しかし、かかるデバイスの出力パワーは動作温度範囲にわたって10倍以上変化し、レージング波長は約10nmシフトする。特に、集積フォトダイオードの性能(感度と雑音)も温度とともに大きく変化する。こうした影響はすべて、一定の信号対雑音比、一定の出力パワーなどの安定したVIP性能とは相容れない。好ましくは、出力パワーは目に危険のない限度以下で、明確な波長でなければならない。レーザを自己ミキシングセンサとして用いた場合、10nmシフトするだけで、距離と速度の測定に1%のシステマチックエラーが生じる。
VCSELSの温度依存性の波長シフトを利用してDWDMのレーザアレイの波長を調節している。特許文献1は、個々のVCSELの波長を調節するVCSELアレイを開示している。波長の調節はバイアス加熱により行う。アレイは冷却面に接地されている。そして、VCSELの近くに配置した加熱要素により個別に波長を設定する。しかし、この構成では、VCSELの近くに波長を調整する付加的コンポーネントが必要となる。さらに、特許文献1のバイアス加熱には冷却面が必要である。VCSELを個別に冷却するわけではないが、冷却には熱拡散用の付加的コンポーネントが必要となる。
米国特許出願公開第2008/0031294A1号
H. Li and K. Iga, "Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Devices", S69ff, Springer 2003 B. Weigl et al., "High-performance oxide-confined GaAs VCSELs", IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 3, 409-415 (1997)
本発明の一目的は、設計がより単純な波長制御半導体レーザを提供することである。この目的は請求項1に記載したレーザデバイスにより達成できる。本発明の有利な実施形態と改良とを従属項に記載した。一般的なアイデアとして、集積フォトダイオードを有するレーザダイオードのコンポーネントの1つを、レーザダイオードの加熱にも用いるレーザダイオードを提案する。
具体的に、半導体レーザデバイスを提案する。該デバイスは、垂直共振器面発光レーザである半導体レーザダイオードと、集積フォトダイオードと、半導体レーザダイオード及び集積フォトダイオードを電気的に接続する、典型的にはデポジションにより形成したメタルレイヤである電気的接点とを有するレーザダイオードデバイスを有する。
したがって、集積フォトダイオードを有するVCSELなどの半導体レーザデバイスであって、加熱手段を一体化したものを提案する。本発明は、広い範囲の動作温度にわたりレーザ波長を安定化させるのに特に好適である。本発明の基本的なアイデアは、レーザダイオードデバイスに一体となっているVIPなどのパーツである加熱要素を利用することである。換言すると、集積フォトダイオードを有するレーザダイオードの要素の1つを、その通常の機能とは別に、制御された加熱要素としても用いる。そのため、別途加熱手段を設ける必要がない。したがって、レーザダイオードデバイスの電気的接点を含む既存構造のうち少なくとも1つが加熱要素として機能する。
半導体レーザデバイスは、さらに、レーザダイオードデバイスの温度を安定化または設定することによりレーザ波長を安定化または設定するフィードバック制御回路を有する。この回路は、測定した温度依存パラメータに応じて加熱電圧または電流を発生するように構成されている。加熱電圧または電流を、レーザダイオードデバイスの少なくとも1つの電気的接点に印加する。少なくとも1つの電気的接点は、加熱電流がレーザダイオードデバイスに流れて、半導体レーザダイオードを加熱するように、半導体レーザダイオードまたは集積フォトダイオードにも電気的に接続されている。一般的に、フィードバック制御回路は、測定した温度依存パラメータをレーザダイオードデバイスから制御回路にフィードバックするフィードバックループを有する。
半導体レーザダイオードは、フォトダイオードを垂直に集積した(VIP)垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)である。VCSEL構造によりフォトダイオードの集積が容易になる。パワー消費が少なく、そのため熱放射も少ないので、温度調整の範囲が広がる。
本発明の一実施形態では、集積フォトダイオードは逆バイアスで動作し、レーザダイオードデバイスの温度を安定化または設定するフィードバック制御回路は集積フォトダイオードにかかる電圧を設定するように構成される。集積フォトダイオードは受光した光により誘導される光電流により加熱される。
この場合、加熱要素を追加する必要が無く、VIPなどの、フォトダイオードを集積した共通レーザダイオードをフィードバック制御回路とともに利用できる。
別の実施形態では、半導体レーザダイオードと集積フォトダイオードとを電気的に接続する少なくとも1つの電気的接点は、レーザ波長を安定化または設定する回路に接続された2つの端点すなわち電極を有する。この場合、その回路で制御された加熱電流が、その2つの端点間の電気的接点を流れる。別の可能性として、電気的接点の下の基板またはレイヤに加熱電流を部分的に流してもよい。したがって、2つの端点を有する電気的接点を用いるのではなく、電気的接点を2つの横方向に離れた接点に分けることもできる。加熱電流または電圧を共通面上の2つの横方向に離れた電気的接点間に印加し、電気的接点の少なくとも1つが半導体レーザダイオードまたは集積フォトダイオードに接触している。このタイプの加熱要素の抵抗を大きくするため、離れた電気的接点を異なる材料で作ることもできる。具体的に、一方の接点を標準的な合金接点とし、他方を単純な金属接点として、損失を大きくして、接触抵抗とシート抵抗を含む抵抗全体を大きくしてもよい。
光電流とフォトダイオードにかかる電圧による加熱と、加熱要素として設計された電気的接点を介した加熱とを組み合わせることも可能である。
レーザダイオードの温度を適当な温度センサで検知してもよい。しかし、余分な温度センサを必要とせずに、レーザダイオードの動作温度をモニタすることができ、有利である。特に、アクティブゾーンの温度を直接測ることができる。この目的のため、温度に対するレーザダイオードの順方向電圧(動作電圧)の依存性を測ることができる。一般的にはこの依存性は負である。
本発明の実施形態では、フィードバック制御回路の入力を半導体レーザダイオードの電気的接点に接続する。このフィードバック制御回路は、温度依存性のある入力パラメータとして、レーザダイオードの順方向電圧を測定する。
本実施形態の改良としてレーザ波長を制御するため、レーザダイオード温度が所定波長(すなわち、設定または安定化する波長)に対応する温度より低い場合、一定の動作電流において動作電圧が所定値より低くなる限り、ダイオードをフィードバック制御回路で加熱する。
代替的に、または追加的に、集積フォトダイオードにより測定した光出力をフィードバック制御回路の入力パラメータとして用いることができる。本発明の有利な改良によると、フィードバック制御回路の入力は集積フォトダイオードの電気的接点に接続され、集積フォトダイオードにより測定された光出力はフィードバック制御回路に入力パラメータとして送られる。フィードバック制御回路は光出力に応じて加熱電流または電圧を設定する。このパラメータはいくぶんフィードバックに敏感であり、特にレーザ条件下ではそうであるが、本実施形態の設計は、温度センサの追加が必要ではないので、非常に単純である。さらに、前述の通り、レーザ強度の温度依存性が非常に大きく、温度測定の感度が非常に高くなる。
さらに別の、または追加的な入力パラメータとして、フィードバック制御回路を加熱部分で測定した信号を直接用いるよう構成できる。具体的に、加熱電圧または加熱電流により加熱される部分の抵抗に対応するパラメータを検出できる。加熱部分にかかる電圧は、温度依存的な抵抗のため、温度にも依存する。加熱部分が離れている場合には、レーザ温度の制御よりも加熱要素温度の制御の方が有用である。この場合、温度をレーザ電圧から求めると、レーザ温度の反応時間によりフィードバックループが遅くなる。本発明の別の改良によると、加熱されるレーザダイオードデバイスの部分に係る電圧をフィードバック制御回路に入力パラメータとして送り、加熱電圧または電流を、この電圧に応じてフィードバック制御回路で設定する。
レーザダイオードを望みの温度まで加熱するのに必要なパワーを低減して、同時にフィードバックループを速くするため、基板上に、少なくとも部分的に溝で囲まれたメサ構造として形成された半導体レーザダイオードを利用すると有利である。溝により基板に沿った横方向の熱拡散が減少する。
レーザダイオードに対してある程度の断熱をする別の、または追加の可能性として、メサと基板との間に部分的に酸化したレイヤを配置する。
今まで、寿命を延ばし、効率を高めるため、一般的にはレーザダイオードを冷却してきた。しかし、冷却、特に能動的な冷却には、追加的コンポーネントが必要である。レーザダイオードを受動的に冷却する場合、外部温度により動作温度が制限される。しかし、アプリケーションによっては、外部温度が大きく変動することもある。外部温度が変動する環境における典型的なアプリケーションは、車両用センサであり、具体的には自動車、船舶、または航空機用センサである。本発明の一般的なアイデアとして、一般的な外部温度の範囲において、アプリケーションの高温側でレーザダイオードを動作させれば、レーザセンサの能動的冷却をしなくてすむ。この目的のため、VIP等のレーザダイオードが、アプリケーションで典型的な外部温度範囲の下限より十分上の温度で動作するように、温度範囲を大幅に減らすために、加熱要素の使用を提案する。しかし、レーザダイオードの寿命に悪い影響が生じる温度までの温度範囲において、VCSELを中間温度で動作させることが好ましい。それでも、発生温度の範囲は全体で例えば少なくとも2分の1まで狭くする。この場合、動作温度範囲を狭くしたまま、レーザダイオードが例えば>100°Cで動作する時間を短くできる。それゆえ、レーザダイオードの寿命にとって有害な温度範囲より低い動作温度範囲を設定することが一般的には好ましい。
本デバイスは高い温度で最適な特性を示すように設計できる。より具体的には、半導体レーザデバイス、特に上記の半導体レーザデバイスを有する車両速度または距離センサを提案する。該センサは、半導体レーザダイオードと、レーザ強度の自己混合振動から距離または速度に関するパラメータを測定する自己混合信号復号回路と、温度に関係するパラメータを検知する入力を有するフィードバック制御回路とを有する。フィードバック制御回路は、半導体レーザダイオードを加熱し、それにより半導体レーザダイオードの温度を少なくとも20°Cに、好ましくは少なくとも50°Cに、さらに好ましくは少なくとも60°Cに安定化させる加熱電流または加熱電圧を制御する。上記の通り、自動車のアプリケーションで現れる温度は典型的には−40°Cから120°Cの範囲である。レーザダイオードは、その温度範囲の上60%のところで動作する。
この動作により、能動的冷却は必要なく、一定の、しかし比較的高い温度においてレーザダイオードを安定化させるには加熱で十分である。自己混合振動の周波数はレーザ波長の関数なので、本発明は、特にレーザ自己混合センサに好適である。
船舶及び航空機のアプリケーションにおける温度範囲は概して同様である。アプリケーションに応じて、レーザダイオードの温度をこれよりも高く、または低く設定してもよい。しかし、フィードバック制御回路により安定化される温度は、動作を安定化させ寿命を長くするため、好ましくは100°Cより低く、より好ましくは80°Cより低い。
本発明の第1の実施形態による半導体レーザデバイスの上面図である。 本発明の第1の実施形態による半導体レーザデバイスの側面図である。 本発明の第2の実施形態による、加熱要素として機能するリング接点を有する半導体レーザデバイスの上面図である。 図3に示した実施形態の変形例である。 図3に示した実施形態の変形例である。 半導体レーザダイオードと集積フォトダイオードの制御回路の実施形態を示すブロック図である。 半導体レーザデバイス1のアプリケーションを示す図である。
図1と図2は、それぞれ半導体レーザデバイス1の上面図と側面図である。
半導体レーザデバイス1は、レーザダイオードデバイス3を有する。レーザダイオードデバイス3は、VCSEL300と、集積フォトダイオード200と、VCSEL300及び集積フォトダイオード200を電気的に接続する電気的接点110、210、310とを有する。VCSEL300は、2つのブラッグ反射版スタック301、303と、中間スタック302(例えば、3つの量子井戸)とを有する。VCSELとフォトダイオードのレイヤは基板100上にデポジションされる。VCSELの一般的な基板材料はGaSaである。
半導体レーザデバイス1は、さらに、レーザダイオードデバイス3の温度を安定化または設定することによりレーザ波長を安定化または設定するフィードバック制御回路10を有する。フィードバック制御回路10は、フィードバック制御回路10により検出された温度依存パラメータに応じて、加熱電圧または電流を発生するように構成されている。この加熱電圧または電流をレーザダイオードデバイス3の電気的接点に印加する。少なくとも1つの電気的接点は、VCSEL300または集積フォトダイオード200にも電気的に接続されており、加熱電流がレーザダイオードデバイス3に流れて所望の波長に対応する所定温度までVCSEL300を加熱するようになっている。特に、VCSEL300は、レーザダイオードの温度が所定波長に対応する温度より低いとき、動作電圧が所定動作電流における所定値より下にある限り、フィードバック制御回路10により、光電流と調整された逆バイアス電圧とにより加熱される。
具体的に、フィードバック制御回路10は、配線12、14、16によりレーザダイオードデバイス3に接続されている。配線12と16は、VCSEL300上のリング接点310と、集積モニタダイオード200とVCSELとを接続する電気的接点210とに接続されている。フィードバック制御回路10は、これらの配線12、16を介してVCSEL300の順電圧を温度依存パラメータとして特定する。
フィードバック制御回路10は、配線14を介してリア接点110に接続されている。集積フォトダイオード(200)は配線12と14を介して逆バイアスで動作し、フィードバック制御回路10は配線12、14を介して集積フォトダイオード(200)にかかる電圧を調節する。フォトダイオードは受けた光による光電流により加熱される。集積フォトダイオード200に印加される加熱パワーは、光電流とフィードバック制御回路10により印加される電圧との積になる。
逆バイアス動作では、光電流は逆バイアス電圧にはほとんど依存しないので、逆バイアス電圧を調節することにより、レーザ強度の測定を妨げずに、加熱パワーを制御できる。光電流もフィードバック制御回路10にフィードバックして、電圧を決定してVCSEL300の実際の温度と望ましい温度との乖離に応じた加熱パワーとすることができるとさらに有用である。
集積フォトダイオード200とVCSEL300はメサ構造を構成する。このメサ構造は、基板100に作られた溝600により囲まれている。溝600によりメサ構造を熱的に分離できる。溝600をエッチングするのに加えて、メサと基板100との間に(VCSELの酸化物開口に類似した)部分的酸化レイヤを構成してもよい。
図3は、半導体レーザデバイス1の別の実施形態を示す図である。本実施形態は、電気的接点110、210、310はVCSEL300と集積フォトダイオード200とを接続するものであるが、この電気的接点を加熱要素として利用するとの考えに基づく。この目的のため、フィードバック制御回路10に接続されている電気的接点の2つの端点を用いるように、それぞれの電気的接点を変更する。フィードバック制御回路10によりその2端点間の加熱電流を制御する。
図3に示した実施形態では、VCSEL上のリングコンタクト310を加熱要素として用いている。リング状の導電レイヤを切って(interrupted)、2つの端を構成する。これらの端を端点18、19として用い、配線12、14を介してフィードバック制御回路10を接続する。フィードバック制御回路10により制御された加熱電流は、端点18、19の間で、リングコンタクトに沿って流れる。
さらに、リングコンタクト310の導電材料の温度抵抗は温度に依存するので、リングコンタクト310を温度センサとして用いることもできる。フィードバック制御用の入力として用いる適当なパラメータは、例えば、端点18、19間を流れる電流と、配線12、14間の電位差である。
図4は、図3に示した実施形態の変形例を示す。VCSEL300上のリングコンタクト310の替わりに、集積フォトダイオード200上の電気的接点210を加熱要素として用いる。この電気的接点210は、好ましくはVCSEL300と集積フォトダイオード200のnコンタクト(n-contact)である。この目的のため、細長いU字形の、VCSEL300の周りに配置したレイヤとして、コンタクト210を構成する。このU字形コンタクトの足の端は、配線12、14に接続され、端点18、19を構成する。
図5は、電気的接点を加熱要素としても用いる実施形態の別の変形例を示す。図5に示した変形例では、加熱電流または加熱電圧は共通面上の横方向に離れた2つの電気的接点間に与えられ、少なくとも一方の電気的接点はVCSEL300及び/または集積フォトダイオード200に接触している。図4に示した実施形態と同様に、VCSEL300と集積フォトダイオード200の両方に接触するnコンタクト(n-contact)が加熱要素として機能するように変更されている。集積フォトダイオード200上のnコンタクトは2つのコンタクト230、231に分かれている。コンタクト230、231の一方または両方を用いて、VCSEL用の電源(図示せず)に接続してもよい。フィードバック制御回路10により制御された加熱電圧を、配線12、14を介してコンタクト230、231の間に印加する。コンタクト230、231間のシート抵抗、すなわちコンタクト230、231とフォトダイオード200の下層レイヤとの間の接触抵抗により、加熱パワーが生じる。接触抵抗を大きくするには、異なる金属をコンタクト230、231に用いることができる。特に、コンタクト230、231の一方を、VCSELデバイス上の導電レイヤに一般的に用いられる標準的な合金とする。そして、他方のコンタクトを、メサ型の下層レイヤに対する遷移抵抗(transition resistance)が大きい材料で作ってもよい。
ここまで説明した実施形態では、フィードバック制御回路10はスタンドアロンの構成として説明した。しかし、フィードバック制御回路10は、半導体レーザデバイス1の駆動回路に組み込まれ、及び/または一体となっていてもよい。図6のブロック図は、駆動回路がフィードバック制御回路10を含む実施形態を示す。この構成は、図3乃至図5に示したような、電気的接点を電気的加熱要素としたレーザダイオード要素、すなわち図3乃至図5に示したレーザダイオード要素において特に有用である。
VCSEL300を流れる電流はレーザドライバ350で制御される。レーザドライバ350はレーザ電圧(温度を示す)も測定している。集積フォトダイオード200にかかる逆電圧と光電流は、フォトダイオード制御回路250で制御される。加熱要素700、例えば図3乃至図5に示した変更した電気的接点は、フィードバック制御回路10で独立に制御できる。フィードバックループ800によりレーザ電圧に関する情報をとり、必要なら、破線の配線で示したように、光電流に関する情報もとる。
図1と図2に示した実施形態では、フォトダイオード(例えば、デバイス250)にかけた逆電圧により加熱に影響を与えることができる。この実施形態では、フィードバック制御回路10は、フォトダイオード制御回路250に組み込まれてもよい。
図7は、半導体レーザデバイス1のアプリケーションを示す図である。半導体レーザデバイス1を車両速度センサとして用い、特に自動車4のスピードを測定する。半導体レーザデバイス1は自動車4の下に取り付けられている。自己混合振動及び/またはスペックル効果などの自己混合効果を評価することによりスピードを測定する。ドップラー誘導によるレーザ強度の自己混合振動によりスピードを測定するため、デバイス1は、レーザビーム5が斜めに車道6にあたるように構成されている。外部温度の変化が大きくてもレーザ波長を安定化するため、フィードバック制御回路によりVCSELの温度を50°Cと80°Cの間に安定化させる。そのため、広い外部温度範囲において波長を安定化させる冷却、特に能動的な冷却は必要ない。半導体レーザデバイス1のレーザダイオードは、自動車の一般的な外部条件下での温度の高い方の範囲で常に動作するからである。しかし、性能の低下や寿命の短縮を避けるため、温度制御回路がVCSELの温度を180°C以下、より好ましくは120°C以下の値で安定化させることが好ましい。本発明のこの実施形態では、加熱要素を有する他のタイプの半導体レーザデバイスも一般的には利用することができる。例えば、レーザダイオードやモニタリングダイオードのコンポーネントを利用する替わりに、追加的に加熱要素をレーザダイオードの基板に設けてもよい。
本発明の好ましい実施形態を添付図面に示し、上記の通り説明したが、言うまでもなく、本発明は開示した実施形態には限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正を考えることができる。
1 半導体レーザデバイス
3 レーザダイオードデバイス
4 自動車
5 レーザビーム
6 車道
10 フィードバック制御回路
12、14、16 配線
18、19 端点
100 基板
110、210、310、230、231 電気的接点
200 集積フォトダイオード
250 フォトダイオード制御回路
300 VCSEL
301、303 ブラッグ反射版
302 量子井戸
350 レーザドライバ
600 溝
700 加熱要素
800 フィードバックループ

Claims (13)

  1. 半導体レーザデバイスであって、
    集積フォトダイオードと、半導体レーザダイオード及び前記集積フォトダイオードを電気的に接続する電気的接点とを有する、垂直共振器面発光である前記レーザ半導体レーザダイオードを有するレーザダイオードデバイスを有し、
    前記半導体レーザデバイスはさらに、
    前記レーザダイオードデバイスの温度を安定化または設定することによりレーザ波長を設定または安定化させるフィードバック制御回路であって、測定した温度依存パラメータに応じて加熱電圧または電流を生成するように設定されたフィードバック制御回路を有し、
    前記加熱電圧または電流を前記レーザダイオードデバイスの電気的接点に印加し、前記電気的接点の少なくとも一つは、加熱電流がデポジション方向にレーザダイオードデバイスの複数のレイヤを通って流れて前記半導体レーザダイオードを加熱するように前記半導体レーザダイオードまたは前記集積フォトダイオードに電気的に接続された、半導体レーザデバイス。
  2. 前記集積フォトダイオードは逆バイアスで動作し、前記レーザダイオードデバイスの温度を安定化または設定するフィードバック制御回路は前記集積フォトダイオードにかかる電圧を設定するように構成され、前記集積フォトダイオードは受光した光により誘導される光電流により加熱されることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  3. 前記半導体レーザダイオードと前記集積フォトダイオードとを電気的に接続する前記電気的接点の少なくとも1つは、前記フィードバック制御回路に接続する2つの端点を有し、前記加熱電流は前記2つの端点の間を流れることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  4. 前記加熱電流または電圧を共通面上の2つの横方向に離れた電気的接点間に印加し、前記電気的接点の少なくとも1つが前記半導体レーザダイオードまたは前記集積フォトダイオードに接触していることを特徴とする、
    請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  5. 前記離れた電気的接点は異なる材料でできていることを特徴とする、
    請求項4に記載の半導体レーザデバイス。
  6. 前記フィードバック制御回路の入力は前記半導体レーザダイオードの電気的接点に接続され、前記フィードバック制御回路は前記レーザダイオードの順電圧を測定する、請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  7. 前記レーザダイオード温度が所定波長に対応する温度より低い場合、前記動作電圧が固定動作電流において所定値より低くなる限り、前記半導体レーザダイオードは前記フィードバック制御回路により加熱されることを特徴とする、請求項6に記載の半導体レーザデバイス。
  8. 前記フィードバック制御回路は前記加熱電流または電圧により加熱された部分の抵抗に対応するパラメータを測定することを特徴とする、
    請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  9. 前記フィードバック制御回路の入力は前記集積フォトダイオードの電気的接点に接続され、前記集積フォトダイオードにより測定された光出力は前記フィードバック制御回路に入力パラメータとして送られ、前記フィードバック制御回路は前記光出力に応じて加熱電流または電圧を設定することを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  10. 前記半導体レーザダイオードは基板上にメサ構造として構成され、該メサ構造は少なくとも部分的に前記基板中の溝により囲まれていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  11. 前記半導体レーザダイオードは基板上にメサ構造として構成され、前記メサと前記基板との間に部分的酸化レイヤが構成されていることを特徴とする、
    請求項1に記載の半導体レーザデバイス。
  12. 求項1に記載の半導体レーザデバイスを有する車両速度または距離センサであって、前記半導体レーザデバイスは、
    半導体レーザダイオードと、
    レーザ強度の自己混合振動から距離または速度に関するパラメータを測定する自己混合信号復号回路と、
    温度に関するパラメータを検出する入力を有し、前記半導体レーザダイオードを加熱する加熱電流または加熱電圧を制御するフィードバック制御回路であって、少なくとも20°Cで前記半導体レーザダイオードの温度を安定化させるフィードバック制御回路と
    有することを特徴とする、車両速度または距離センサ。
  13. 前記フィードバック制御回路は、100°C以下で半導体レーザダイオードの温度を安定化させることを特徴とする、
    請求項12に記載の車両速度または距離センサ。
JP2011526624A 2008-09-17 2009-09-16 波長制御半導体レーザデバイス Active JP5616343B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08164490.8 2008-09-17
EP08164490 2008-09-17
PCT/IB2009/054044 WO2010032202A2 (en) 2008-09-17 2009-09-16 Wavelength-controlled semiconductor laser device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012503308A JP2012503308A (ja) 2012-02-02
JP5616343B2 true JP5616343B2 (ja) 2014-10-29

Family

ID=41559613

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011526624A Active JP5616343B2 (ja) 2008-09-17 2009-09-16 波長制御半導体レーザデバイス

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8345719B2 (ja)
EP (1) EP2327128B1 (ja)
JP (1) JP5616343B2 (ja)
KR (1) KR101659504B1 (ja)
CN (1) CN102160246B (ja)
WO (1) WO2010032202A2 (ja)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013002333A1 (de) * 2013-02-12 2014-08-14 Continental Teves Ag & Co. Ohg Verfahren und Strahlensensormodul zur vorausschauenden Straßenzustandsbestimmung in einem Fahrzeug
AU2014287499B2 (en) 2013-07-09 2017-12-21 Tactical Holographic Holdings Llc Modular holographic sighting system
US20160327365A1 (en) * 2013-07-15 2016-11-10 OptiFlow, Inc. Holographic weapon sight with laser management system
WO2015009720A2 (en) 2013-07-15 2015-01-22 OptiFlow, Inc. Gun sight
WO2017030656A2 (en) 2015-06-26 2017-02-23 OptiFlow, Inc. Holographic weapon sight with optimized beam angles
US10254532B2 (en) 2015-06-26 2019-04-09 Ziel Optics, Inc. Hybrid holographic sight
CN109219908B (zh) * 2016-01-04 2021-10-01 汽车交通安全联合公司 散热器上加热器
US10177841B2 (en) * 2016-03-31 2019-01-08 Mellanox Technologies, Ltd. Electro-optic transceiver module with wavelength compensation
AU2017382218B2 (en) 2016-12-21 2023-05-11 Acucela Inc. Miniaturized mobile, low cost optical coherence tomography system for home based ophthalmic applications
KR101998859B1 (ko) * 2017-06-16 2019-07-11 광주과학기술원 라이다 시스템의 검출 신호 제어 장치 및 방법
EP3514898A1 (en) * 2018-01-19 2019-07-24 Koninklijke Philips N.V. Vertical cavity surface emitting laser device with integrated photodiode
WO2019246412A1 (en) * 2018-06-20 2019-12-26 Acucela Inc. Miniaturized mobile, low cost optical coherence tomography system for home based ophthalmic applications
US11730363B2 (en) 2019-12-26 2023-08-22 Acucela Inc. Optical coherence tomography patient alignment system for home based ophthalmic applications
CN113495331A (zh) * 2020-03-18 2021-10-12 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 一种光模块
US10959613B1 (en) 2020-08-04 2021-03-30 Acucela Inc. Scan pattern and signal processing for optical coherence tomography
WO2022035809A1 (en) 2020-08-14 2022-02-17 Acucela Inc. System and method for optical coherence tomography a-scan decurving
US11393094B2 (en) 2020-09-11 2022-07-19 Acucela Inc. Artificial intelligence for evaluation of optical coherence tomography images
CN116322471A (zh) 2020-09-30 2023-06-23 奥克塞拉有限公司 近视预测、诊断、计划和监测设备
US11497396B2 (en) 2021-03-24 2022-11-15 Acucela Inc. Axial length measurement monitor
CN115051237A (zh) * 2022-04-25 2022-09-13 武汉云岭光电有限公司 半导体激光器及其制作方法、半导体激光器的升温方法
CN118367434B (zh) * 2024-06-19 2024-09-10 四川泰瑞创通讯技术股份有限公司 光模块及其控制方法、设备、计算机可读存储介质

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04116878A (ja) * 1990-09-07 1992-04-17 Ricoh Co Ltd ヒータ付半導体レーザ素子
US6233045B1 (en) * 1998-05-18 2001-05-15 Light Works Llc Self-mixing sensor apparatus and method
JP2000049418A (ja) * 1998-07-30 2000-02-18 Oki Electric Ind Co Ltd 発振波長可変半導体レーザ
DE19839088B4 (de) 1998-08-27 2006-08-03 Avalon Photonics Ltd. Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung
JP2002076424A (ja) * 2000-08-30 2002-03-15 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光電気変換素子
AU2002245062A1 (en) 2000-10-30 2002-07-30 Santur Corporation Laser thermal tuning
JP4168437B2 (ja) * 2000-11-09 2008-10-22 日本電気株式会社 半導体受光素子
US20030087121A1 (en) * 2001-06-18 2003-05-08 Lawrence Domash Index tunable thin film interference coatings
WO2003032547A2 (en) * 2001-10-09 2003-04-17 Infinera Corporation Transmitter photonic integrated circuit
US6570459B1 (en) 2001-10-29 2003-05-27 Northrop Grumman Corporation Physics package apparatus for an atomic clock
EP1381090A1 (en) * 2002-07-11 2004-01-14 Agilent Technologies, Inc. - a Delaware corporation - Wavelength detector apparatus and method therefor
JP2005217147A (ja) * 2004-01-29 2005-08-11 Seiko Epson Corp 受発光素子アレイ、光モジュール、および光伝達装置
US7230963B2 (en) * 2004-04-14 2007-06-12 The Trustees Of Princeton University Monolithic wavelength stabilized asymmetric laser
US20060022213A1 (en) 2004-08-02 2006-02-02 Posamentier Joshua D TO-can heater on flex circuit
JP2006100414A (ja) * 2004-09-28 2006-04-13 Sumitomo Electric Ind Ltd 光送信器
JP2006302919A (ja) * 2005-04-15 2006-11-02 Sony Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US7283214B2 (en) * 2005-10-14 2007-10-16 Microsoft Corporation Self-mixing laser range sensor
JP4292583B2 (ja) 2005-12-21 2009-07-08 セイコーエプソン株式会社 原子周波数取得装置および原子時計
JP4605508B2 (ja) 2005-12-28 2011-01-05 セイコーエプソン株式会社 原子周波数取得装置および原子時計
JP2007273644A (ja) * 2006-03-30 2007-10-18 Eudyna Devices Inc 光半導体装置、レーザチップおよびレーザモジュール
JP2007273694A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Eudyna Devices Inc 光半導体装置
JP2007294789A (ja) * 2006-04-27 2007-11-08 Sony Corp 半導体レーザ素子
US8089995B2 (en) 2006-07-12 2012-01-03 Oracle America, Inc. Structures and methods for adjusting the wavelengths of lasers via temperature control
JP4200389B2 (ja) 2007-02-22 2008-12-24 セイコーエプソン株式会社 光素子
JP5458100B2 (ja) 2008-09-09 2014-04-02 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 速度決定装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2327128B1 (en) 2013-03-27
US20110164633A1 (en) 2011-07-07
CN102160246A (zh) 2011-08-17
CN102160246B (zh) 2013-03-27
WO2010032202A3 (en) 2010-11-18
US8345719B2 (en) 2013-01-01
KR101659504B1 (ko) 2016-09-23
EP2327128A2 (en) 2011-06-01
KR20110070875A (ko) 2011-06-24
JP2012503308A (ja) 2012-02-02
WO2010032202A2 (en) 2010-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5616343B2 (ja) 波長制御半導体レーザデバイス
US20040228377A1 (en) Wide temperature range vertical cavity surface emitting laser
US6301279B1 (en) Semiconductor diode lasers with thermal sensor control of the active region temperature
EP3735598A1 (en) Laser arrangement with optical filter
US10788368B1 (en) Thermal isolation structure
JP2009514239A (ja) 波長が安定化された光源
US8611382B2 (en) Output power stabilization for laser diodes using the photon-cooling dependent laser voltage
JP2005244242A (ja) 少なくとも1つのビーム放射型の半導体素子を備えた装置およびビーム放射型の半導体素子の動作温度を安定させる方法
US11444436B2 (en) Semiconductor optical amplifier, semiconductor optical amplification device, optical output device, and distance measuring device
Cocquelin et al. Tunable single-frequency operation of a diode-pumped vertical external-cavity laser at the cesium D 2 line
JP2018098419A (ja) 半導体レーザ、光源ユニット、通信システム及び波長多重光通信システム
JP5533154B2 (ja) 半導体発光装置
KR20070092172A (ko) 레이저 어셈블리, 이것의 형성 방법 및 이것을 포함하는장치
JP5005421B2 (ja) 波長ロッカー用温度制御装置、波長ロッカー及び光モジュール
JP2009081321A (ja) 波長安定化レーザ装置および方法,ならびに波長安定化レーザ装置を備えたラマン増幅器
US20030021327A1 (en) Semiconductor surface-emitting laser with integrated photodetector
JP2008277644A (ja) 波長ロッカー用温度制御装置、波長ロッカー及び光モジュール
JP5190027B2 (ja) 半導体レーザモジュール,およびこれを備えたラマン増幅器
JP4625661B2 (ja) 半導体光素子、レーザモジュール、及び光送受信器
JP2008187108A (ja) 光素子およびその製造方法
JP3196300B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP5275203B2 (ja) 波長ロッカー
JP2009088445A (ja) 光素子
JP2010287597A (ja) 半導体レーザモジュール,およびこれを備えたラマン増幅器
JP2004063716A (ja) 光半導体モジュールおよび波長安定化光源

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120913

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130724

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130820

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131120

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140212

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140612

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20140619

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140819

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140911

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5616343

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250