JP7145877B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば排ガスの成分分析等に用いられる半導体レーザに関し、特に量子カスケードレーザ等に関するものである。
近時、例えば、排ガスなどのサンプルガスの成分分析に用いられる光源として、中赤外領域のレーザ光を発振する量子カスケードレーザ（以下ＱＣＬともいう。）が提案されている。この種のＱＣＬは、非常にシャープな単一波長レーザ光を出力できるので、分析精度の向上を図ることができる。
ところで、分析においては波長の掃引など、複数波長光での測定が求められる場合がある。そこで従来のＱＣＬにおいては、注入電流を変化させて波長をチューニングしている。
しかしながら、そうすると、ある波長でのレーザ光の強度と別の波長でのレーザ光の強度とが大きく異なる場合が生じ、例えば、それら各波長で濃度定量を行う場合に、レーザ光の強度が異なるので、Ｓ／Ｎ比が安定しないといった問題が生じ得る。
また、例えばＤＦＢ構造を有する分布帰還型のＱＣＬにおいては、回折格子における反射端面の位置を、所定の光の位相（λ／４）となるように精度よく形成することによって鋭い共振現象が生じるところ、前記反射端面は劈開によって形成されているため、図６に示すような位相ずれが生じがちで、それによる波長飛びが発生し易い。そのため、良品歩留まりが非常に低い(例えば約３０％程度）といった課題もある。
特開２０１７－１２３４４５号公報
本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであって、ＱＣＬ等の半導体レーザにおいて、レーザ光の強度変動を抑制しながら波長調整できるようにすることをその主たる所期課題としたものである。また、副次的には、良品歩留まりの向上等も所期課題とするものである。
すなわち本発明に係る半導体レーザは、活性層及び該活性層と光学的に結合した回折格子層を有するコア層と、該コア層を挟むように配置された一対のクラッド層とを備え、前記コア層に沿って導波路が形成されているものである。そして、前記導波路に沿って、前記回折格子層に連続して設けられた平坦層と、前記平坦層の温度を前記回折格子層とは異なる温度に調節するための温調構造とを備えていることを特徴とする。
このようなものであれば、活性層には一定電流を注入して出力されるレーザ光の強度変動を抑制しながら、平坦層の温度調整によりその屈折率を変化させてレーザの発振波長をチューニングすることが可能になる。その結果、例えばガス分析などで各波長での濃度定量を行う場合に、レーザ光の強度変動が抑制されるので、Ｓ／Ｎ比が安定し、分析精度の向上に資することができるようになる。
前記導波路の一端に反射面、他端に光導出面が設けられたものにおいては、前記平坦層の端面が前記反射面となっているものがより好ましい。
このようなものであれば、劈開による形成などの原因で前記反射面の位置が所定位置からずれたとしても、温度調整による平坦層の屈折率の調整により、前記反射面で反射した光の位相を例えばλ／４シフトするように事後的に調整できるので、波長飛び発生のほとんどない良品を歩留まりよく製造することができるようになる。
前記温調構造の具体的実施態様としては、該温調構造が、前記平坦層に対応する部位に設けられた温調用電極を備えたものであり、該温調用電極を介して平坦層に電流を流すことにより、平坦層の温度を調節できるように構成してあるものを挙げることができる。
より好ましくは、前記活性層が、複数の井戸層が多段に接続された多重量子井戸構造からなり、その量子井戸中に形成されるサブバンド間の光遷移により光を発生させるものが好ましい。なお、複数の井戸層は厚さが異なるものであってもよい。
本発明の効果がより顕著となる半導体レーザとしては、量子カスケードレーザを挙げることができる。
前記半導体レーザを駆動制御する駆動制御装置としては、前記温調構造を制御して前記平坦層の温度を調節する温度制御部と、前記コア層に電流を注入してレーザ発振させるレーザ駆動部とを備えたものを挙げることができる。
このように構成した本発明によれば、レーザ光強度の変動を抑制しながら発振波長のチューニングができるので、例えば排ガスなどの成分分析に用いた場合に、その分析精度を向上させることができるようになる。
また、平坦層の端面を反射面とする、つまり、回折層の終端に連続して平坦層を設けたものにおいては、例えば劈開による反射面の位相ずれを温調によりキャンセルすることができるので、その位相ずれによって従来生じていた不良品の発生を抑制し、良品歩留まりの飛躍的な向上を図ることができるようになる。
本発明の一実施形態における半導体レーザ装置の全体を示す模式図である。 同実施形態の半導体レーザを示す横断面図である。 同実施形態の半導体レーザの駆動方法を説明するための図面である。 同実施形態の半導体レーザの駆動方法を説明するための図面である。 本発明の他の実施形態における半導体レーザ装置の全体を示す模式図である。 従来の分布帰還型ＱＣＬにおいて生じていた波長飛びを説明するための図面である。
１００・・・半導体レーザ装置
１・・・分布帰還型半導体レーザ
２・・・駆動制御装置
３、４、６・・・クラッド層
５・・・コア層
５１・・・活性層
５ａ・・・反射面
５ｂ・・・光導出面
８・・・回折格子層
９・・・平坦層
Ｓ・・・温調構造
Ｓ１・・・温調用電極
以下、本発明に係るレーザ装置１００の一実施形態について図面を参照して説明する。
この実施形態におけるレーザ装置１００は、図１に示すように、半導体レーザ１と、この半導体レーザ１を駆動制御する駆動制御装置２とを備えたものである。
まず、半導体レーザ１について説明する。
この半導体レーザ１は、分布帰還型の量子井戸カスケードレーザ（以下ＱＣＬともいう。）であり、図１、図２に示すように、例えばｎ－ＩｎＰからなる基板３上に、ＩｎＰからなるバッファ層４、コア層５、ＩｎＰからなる上部クラッド層６及びＩｎＧａＡｓからなるキャップ層７を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などによる結晶成長によって、この順で積層させたものである。なお、前記バッファ層４及び／又は基板３が下部クラッド層としての機能を果たす。
また、前記基板３の下面には下部電極Ｔ２が、キャップ層７の上面には上部電極Ｔ１がそれぞれ設けられており、これら電極Ｔ１、Ｔ２間に電圧を印加して前記コア層５に閾値以上の電流を注入することにより、コア層５が発光してこの半導体レーザ１はレーザ発振する。
前記コア層５は、活性層５１と、この活性層５１の上下に設けられたガイド層５２、５３とから構成され、同型（ｎ型又はｐ型）の半導体層が積層されたユニポーラタイプのものである。
前記活性層５１は、複数の厚さの異なる井戸層が多段に接続された構造のものであり、この実施形態では、伝導体に存在する準位（サブバンド）間の光遷移により中赤外以上の波長の光が発生するようにしてある。より具体的に説明すると、この活性層５１は、発光領域となる半導体層と、注入領域となる半導体層とが所定数交互に積層されて構成されている。この実施形態では、発光領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されており、注入領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されている。
前記ガイド層５２、５３は、ＩｎＧａＡｓからなるものであり、前記活性層５２で発生した光を伝搬する導波路としての機能を担う。
さらに、この実施形態では、これらガイド層５２、５３のうち、上部ガイド層５２の上面に微細溝加工を施して一次元ストライプ構造を形成することにより、回折格子８ａが一定周期Λで並ぶ回折格子層８を形成している。
この回折格子層８は、前記活性層５２と光学的に結合されており、前記活性層５２で発生した光は、各回折格子８ａで反射しながら溝方向と直交する方向（以下、導波方向ともいう。）に進行する。このとき、回折格子８ａの周期Λで定まる一定波長の光だけが常に回折格子８ａの作用を受け、活性層５２内に長く留まって増幅されることによりレーザ発振が生じる。
なお、この半導体レーザ１において、コア層５の一方の端面（導波方向の終端面）が、劈開によって形成された反射面５ａであり、他方の端面は、無反射加工が施されて、レーザ光を導出する光導出面５ｂとなっている。
しかしてこの実施形態では、コア層５における前記回折格子層８に連続して平坦層９が形成されている。
この平坦層９は、前記上部ガイド層５２における反射面５ａ側の一定領域に微細溝加工を施さないことによって形成したものであり、したがって、この平坦層９の一端面は回折格子層８に連続しており、他端面が前記反射面５ａとなる。なお、見方を変えれば、回折格子層８の一部であって格子周期が他とは異なる部分であるともいえる。
さらにこの実施形態では、この平坦層９の温度を回折格子層８とは異なる温度に独立して調整するための温調構造Ｓが設けられている。この実施形態の温調構造Ｓは、平坦層９の上部に設けられた温調用電極Ｓ１を備えたものである。
この温調用電極Ｓ１は、平坦層の上方であって前記キャップ層７の上面に設けられたものであり、前記上部電極Ｔ１とは導波方向に離間した、電気的に非接続状態で配設されている。そして、この温調用電極Ｓ１に電圧を印加して平坦層９に電流を流すことにより、抵抗熱を発生させて該平坦層９の温度を調整できるように構成してある。なお、この温度変化により平坦層９の屈折率が変化するが、この実施形態の半導体レーザ１００は、前述したようにコア層５がユニポーラタイプのものなので、電圧による平坦層９の屈折率への影響（量子拘束シュタルク効果による屈折率への影響）は生じない。
次に駆動制御装置２について説明する。
この駆動制御装置２は、図示しないが、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏポートなどからなるデジタル電気回路と、増幅器、バッファなどからなるアナログ電気回路と、それらの間に介在するＡ／Ｄコンバータ及びＤ／Ａコンバータ等から構成されたものであり、前記メモリに記憶された所定のプログラムによってＣＰＵとその周辺機器が協働することによって、図１に示すように、半導体レーザ１の動作モードを設定する動作モード設定部２１と、前記上部電極Ｔ１にレーザ駆動電流Ｉ１を供給して活性層５１で光を発生させるレーザ駆動部２２と、前記温調用電極Ｓ１に温調用電流Ｉ２を供給して平坦層９の温度を制御する温度制御部２３としての機能を発揮する。
次に、このように構成された半導体レーザ装置１００の動作を説明する。
この実施形態では、大きく２種類の動作モードが用意してあり、例えばユーザの入力によって、いずれかの動作モードが選択されると、これを前記動作モード設定部２１が受けつけ、選択された動作モードに従って、前記レーザ駆動部２２及び温度制御部２３が動作する。
前記２種類の動作モードのうちの第１動作モードは、前記平坦層９を温調することによってその屈折率を変化させ、平坦層９の端面位相をλ／４に固定的に制御して回折格子８ａの光路長で定まるブラッグ波長でレーザ発振させるモードである。
より具体的に説明すると、この第１動作モードでは、前記温度制御部２３が、ＱＣＬの温調用電極Ｓ１に電圧を印加して下部電極Ｔ２に向かって温調用電流Ｉ２を流す。なお、温調用電流Ｉ２の値は、レーザ発振する閾値電流Ｉｔｈより大きくても小さくてもよい。
そうすると、その抵抗熱によって、温調用電極Ｓ１と下部電極Ｔ２との間に位置する平坦層９の温度が変化し、屈折率が変化する。
この実施形態では、平坦層９の端面位相がλ／４となる電流が予め測定されており、図３に示すように、温度制御部２３は、その電流となる電圧を前記温調用電極Ｓ１に印加する。
そして、このように、温度制御部２３によって平坦層９の端面位相がλ／４に制御された状態で、前記レーザ駆動部２２が上部電極Ｔ１に電圧を印加し、活性層５１に閾値Ｉｔｈ以上の一定のレーザ駆動電流を注入する。なお、図３ではパルス発振の例が記載されているが、連続発振でも構わない。
第２動作モードは、レーザ光強度をできる限り変動させないようにして、レーザ光の波長を所望の値に調節するモードである。
この第２モードにおいては、まず前記レーザ駆動部２２が、上部電極Ｔ１に電圧を印加し、活性層５１に閾値Ｉｔｈ以上の一定のレーザ駆動電流を連続注入する。このことにより、レーザ光を連続発振させ、その強度変動を抑制する。
その状態で、平坦層９の温度を時間的に変化させることによってその屈折率を変化させる。
より具体的には、前記温度制御部２３が、図４に示すように、温調用電流Ｉ２を経時変化させる。このことによって、平坦層９の温度が経時変化し、それに伴って平坦層９の屈折率も時間的に変化する。
そうすると、平坦層９の端面位相が時間的に変化し、レーザ発振波長が時間的に変化、すなわち掃引されることになる。ここでは、平坦層９の端面位相を制御して、レーザ光の波長が、λ／４を中心としてその前後のストップバンド幅内で掃引されるようにしてある。
なお、同図に示すように、レーザ駆動部２２によって、繰り返しパルスでレーザ発振させてもよい。これはレーザ光の疑似的連続発振である。
しかして、以上に述べた半導体レーザ装置１００によれば、以下のような効果を奏し得る。
まず、劈開による反射面５ａの位相ずれを温調によりキャンセルすることができるので、その位相ずれによって波長飛びを起こすような不良品の発生を抑制し、良品歩留まりの飛躍的な向上を図ることができるようになる。
例えば、第１動作モードにおいて、劈開のずれにかかわらず、反射面５ａでの光の位相がλ／４となるように制御されるので、最も有効な帰還を得られ、波長飛びのない単一波長モードでレーザ発振が可能になる。
また、第２動作モードのように、レーザ光の強度をできる限り変動しないように保ったまま、レーザ光の発振波長を変化させることができるので、例えばガス分析などで各波長での濃度定量を行う場合に、各波長でのレーザ光の強度が大きく変動しないので、Ｓ／Ｎ比が安定し、分析精度の向上に資することができるようになる。
なお、本発明は前記実施形態に限られない。
例えば、図５に示すように、平坦層９を回折格子層８の間に設けてもよい。温調用電極Ｓ１及び上部電極Ｔ１は、平坦層９の上部及び回折格子層８の上部にそれぞれ分離して設けてある。
このような半導体レーザ１００は、反射面が設けられておらず、両端面からレーザ光を出力するところ、前記実施形態同様、平坦層９の温度、ひいてはその屈折率を変えることにより、発振波長を制御することができる。
また、前記実施形態においては、反射面５ａの位相制御を、予め定めた一定電流を温調用電極Ｓ１に流すというフィードフォワード的なものとしていたが、例えば、発振波長をモニターしておき、その発振波長がブラッグ波長となるように、温調用電極Ｓ１に流す電流（又は電圧）を温度制御部２３がフィードバック制御するようにしてもよいし、あるいは、平坦層９の温度を直接ないし間接的に測定するための温度センサを設けておき、その温度センサの温度が所望の温度となるように、温度制御部２３が電圧（電流）をフィードバック制御するなどしてもよい。
温調構造は電流によるものではなく、ペルチェ素子や冷媒を用いたものなどでも構わない。
さらに、本発明は、量子カスケードレーザのみならず、ＤＢＦ構造を有するものであれば、その他のタイプの半導体レーザにも適用可能であるし、ＤＢＲ構造を有する半導体レーザにも適用可能である。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
本発明によれば、レーザ光強度の変動を抑制しながら発振波長のチューニングができるので、例えば排ガスなどの成分分析に用いた場合に、その分析精度を向上させることができるようになる。

Claims (8)

  1. 活性層及び該活性層と光学的に結合した回折格子層を有するコア層と、該コア層を挟むように配置された一対のクラッド層とを備え、前記コア層に沿って導波路が形成されている半導体レーザにおいて、
    導波路に沿って前記回折格子層の終端に連続して設けられた平坦層と、
    前記平坦層の温度を、前記回折格子層とは異なる温度に調節するための温調構造とを備え、
    前記回折格子層と前記平坦層はいずれも、前記導波路に沿って延びる同一構造の前記活性層と一方の前記クラッド層との間に形成されており、
    前記導波路の一端に反射面、他端に光導出面が設けられたものにおいて、前記平坦層の端面が前記反射面となっており、
    前記平坦層の端面で反射した光の波長が、ストップバンド幅内でλ／４シフト構造レーザと同じ波長を中心として掃引されるように、前記温調構造が前記平坦層を温調することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記温調構造が、前記平坦層に対応する部位に設けられた温調用電極を備えたものであり、該温調用電極を介して平坦層に電流を流すことにより、平坦層の温度を調節できるように構成してある請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記活性層が、複数の井戸層が多段に接続された多重量子井戸構造からなり、その量子井戸中に形成されるサブバンド間の光遷移により光を発生させるものである請求項１に記載の半導体レーザ。
  4. 量子カスケードレーザである請求項１乃至３いずれか記載の半導体レーザ。
  5. 請求項１乃至４いずれか記載の半導体レーザを駆動制御する駆動制御装置であって、
    前記温調構造を制御して前記平坦層の温度を制御する温度制御部と、前記コア層に電流を注入してレーザ発振させるレーザ駆動部とを備えていることを特徴とする駆動制御装置。
  6. 請求項１乃至４いずれか記載の半導体レーザの制御方法であって、
    前記コア層に電流を注入して一定出力でレーザ発振させる一方で、前記温調構造を利用して平坦層の温度を変化させることにより、出力されるレーザ光の波長を変化させることを特徴とする半導体レーザの制御方法。
  7. 請求項１乃至４のいずれか記載の半導体レーザの制御方法であって、
    前記温調構造を利用して平坦層の温度を所定の一定温度に制御し、反射面の位相を所定の一定位相に制御することを特徴とする半導体レーザの制御方法。
  8. 前記所定の一定位相がλ／４である請求項７記載の半導体レーザの制御方法。
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