JPH0425089A - 外部共振器型半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、発振波長の温度依存性を安定化した外部共
振器型半導体レーザ装置に関する。

【従来の技術】

従来の基本的な半導体レーザは、レーザ発振を行うため
にレーザチップの前端面および後端面を共振器として使
用していた。そして、レーザチップが後端面から出射す
るレーザ光を後方に設けた受光デツプて受けて、この受
光デツプが発生ずるモニタ電流に基づいてレーザ出力を
制御しつつ、上記レーザチップの前端面から前方ヘレー
ザ光を取り出していた。このような半導体レーザの発振
軸モードは、第６図に示すように、レーザ媒質の利得分
布と、レーザ共振器の透過特性によって選択される。第
６図（ａ）は波長（横軸）に対するレーザ媒質の利得分
布を、同図（ｂ）は波長に対する各軸モートのスペクト
ルを、同図（Ｃ）は上記（ａ）と（ｂ）とを重畳させた
スーパーラディアント状態のスペクトルをそれぞれ模式
的に示している。第６図（ｃ）に示ず各軸モートのうち
、上記利得分布のピーク（最大値）に近い波長のものが
最大の利得を得て発振軸モードとなる。ここで、周囲温
度Ｔが変化すると、半導体のハンドギャップが変化する
ため、第６図（ａ）に示すように、上記利得分布のピー
ク波長はβ−２〜３人／ｄｅｇの割合て長波長側へ変化
する。また、媒質の屈折率が変化する」二にレーザチッ
プ自体も熱膨張するため、共振器の実効的な光学長が変
わる。それによって第６図（ｂ）に示すように、各軸モ
ートは約３人の間隔を保ちながらγ−０．７人／ｄｅｇ
程度の割合で長波長側へ変化する。ある状態より温度Ｔ
を上昇させると、しばらく発振波長は連続変化をするが
、このように利得分布の変化量βが軸モードの変化量γ
よりも大きいため、やがてモードポツピングを起こし、
以後、第８図に示すように連続変化とモードポツピング
を繰り返し、階段状に変化する。また、半導体レーザを
駆動する電流値によっても発振波長は変化するため、波
長多重光通信や高分解能の分光の光源としての応用を妨
げてきた。 そこで、最近になって、第５図に示すように、５ＥＣ（
ショート・エクスターナル・キャビティ外部共振器型）
レーザが発明された。これは半導体レーザチップＩｆが
後端面１１ａから出射したレーザ光を後方に設けた反射
部材１２の反射面（外部ミラー）１２ａで反射させてレ
ーザチップ１１へ帰還させるもので、載置部材１３上に
おいてレーザチップ１１の後端面１１ａと外部ミラー１
２ａとで外部共振器１７を構成している。半導体レーザ
チップ１１としては、一般にＧａΔＳ基板上に活性層と
してＡＱＧａΔＳを成長したＶＳＩＳ（Ｖヂャネルド・
ザブストレート・インナー・ス）・ライブ）構造のもの
が用いられる。載置部材１３は、ヒートシンクとして働
くように熱伝導率が大きい銅（Ｃｕ）で構成されている
。このＳＥＣレーザの発振軸モードは、第７図に示すよ
うに、レーザ媒質の利得分布とレーザ軸モードと外部共
振器１７の共振特性との３つの要因により選択される。 第７図（ａ）は波長に対するレーザ媒質の利得分布を、
同図（ｂ）は波長に対する各軸モードのスペクトルを、
同図（ｃ）は波長に対する外部共振器１７の共振特性を
、同図（ｄ）は上記（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に
示す各特性を重畳したスーパーラディアント状態のスペ
クトルを示している。第７図（ｄ）に示ず各軸モードの
うち、最大ピークを与えるスペクトル（以下、「ピーク
波長」という。）が発振軸モードとなる。なお、この場
合の包絡線Ｃ２は、第６図（ｃ）に示した包絡線Ｃ９と
異なり、リップルを有している。ここで、包絡線Ｃ２の
ピーク波長λの温度特性ｄλ／ｄＴは、外部共振器長Ｑ
（すなわち、レーザチップＩＩと反射部材１２とのギャ
ップ長）の温度係数ｄρ／ｄＴを変えることにより制御
できる。例えば、第９図（ａ）（ｂ）　、　（ｃ）は、
それぞれこのＳＥＣレーザの発振波長の典型的な温度依
存性を示している。いずれの場合もΔｔという温度範囲
では、第７図（ｄ）に示す包絡線Ｃ２の同一の山におい
て順次軸モードが最大利得を得て発振軸モードとなり、
ΔＴを越えると発振軸モードが包絡線Ｃ３の隣の山のピ
ークに移行して大きいモードホップが生じている。詳し
くは、第９図（ａ）は、上記ピーク波長λの温度係数ｄ
λ／ｄＴと軸モードの温度係数γとの間に、ｄλ／ｄＴ
　＜γなる関係があるときの特性を示している。温度Ｔ
が」１昇するにつれて、発振軸モードが短波長側に隣接
する軸モードに順次移行して、Δ′丁の範囲内で発振波
長が減少する向きに小さいモードポツプを起こしている
。第９図（ｂ）はｄＴ／ｄＴγのときの特性を示してい
る。ΔＴ−Δｔとなって大きいモードホップのみが生じ
る状態を示している。ざらに、第９図（ｃ）は、ｄλ／
ｄＴ＞γのときの特性を示している。温度Ｔカ月二昇す
るにつれて、発振軸モードが長波長側に隣接する軸モー
ドに順次移行して、発振波長が増加する向きに小さいモ
ードポツプを生じる状態を示している。これらの例から
れかるように、このＳＥＣレーザは、ｄλ／ｄＴ−γと
なるように外部共振器長ρとその温度係数ｄｃ／ｄＴと
を設定することによって、第９図（ｂ）に示ずように、
上記基本的な半導体レーザよりも広い温度範囲（以下１
安定温度範囲」という。）八Ｔでモードホップを抑制す
ることができる。実際に、第５図に示した構成において
、レーザチップ１１．反射部材１２の前後方向のザイズ
２Ｌ、２Ｍをともに２５０μＭとし、外部共振器長ρを
６０μ屑としたとき、八Ｔを２８°Ｃとすることができ
た。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、上記ＳＥＣレーザでも、大きなモードポ
ツプを発生する温度（第９図（ｂ）で八Ｔの両端の温度
）を任意に制御することは困難である。 このため、素子作製過程で全くモードホップを発生しな
い温度範囲を特定したい場合には、素子の特性を選別し
なければならない。そのようにした場合、歩留の低下を
きたずし、特性の選別に多大の時間を要するという問題
がある。この問題を解決するためには、安定温度範囲Δ
′Ｆをできるだけ大きくして、特定された温度範囲が安
定温度範囲Δ′Ｊ゛内に入る確率を高めれば良い。 安定温度範囲ΔＴを広げるためには、まず、外部共振器
長ρを小さく設定する手段が考えられる。 外部共振器長ρを小ざくすると、第７図（ｃ）に示した
外部共振器１７の共振特性において各共振ピークの波長
（以下「外部モード」という。）λｅの間隔が広がり、
第７図（ｄ）に示した包絡線Ｃ７の山の間隔か広くなっ
て、発振軸モートが隣の山へ移行し難くなると考えられ
るからである。しかしながら、外部モードλｅの’ｌＡ
Ａ度係数ｄ１ｅ／ｄＴか−・般に（ただし、λＯは発振
波長を表わしている。）と表わされることから、単に外
部共振器長ρを小さくするだυでは、（１／の因子の影
響で温度係数ｄλｅ　／　ｄ　Ｔが増大して、ピーク波
長λの温度係数（］λ／　（Ｉ　Ｔが大きくなる。この
結果、発振波長は、第９図（ｃ）に示したように△′１
゛の範囲内で長波長側の軸モートヘモ−トポツブを起こ
すことになる。 また、夕（部共振器長ρを小さくすると、外部共振器１
７の共振特性がフラットに近い波形となって、発振軸モ
ートを選択する機能が低下することになり、ΔＴの範囲
内で長波長側へモードホップを発生ずる傾向を強めるこ
とになる。なお、外部共振器長Ｑを大きく設定すると、
安定温度範囲へＴが減少するだ（ジでなく、レーザチッ
プ１１へ帰還するレーザ光量が低下して、発振軸モード
の選択性が弱くなる。このため、従来より、外部共振器
長ρの値は素子の特性を選別した歩留をもとにして最適
値に定められている。」二に述べた安定温度範囲Δ’Ｊ
”　＝　２８°Ｃを勺える外部共振器長ρ−６０μｍは
そのようにして定めた最適値であって、単にこの値を変
更したとしても安定温度範囲Δ′■゛を広げることはで
きない。 次に、安定温度範囲へＴを広げるために、上記式（１）
に表わされた温度係数（１ρ／ｄＴを小さく設定する手
段が考えられる。式（１）に基づいて外部モードλｅの
温度係数ｄ　）、　ｅ　／　（汀を小さくして、ピーク
波形λの温度係数ｔＬ２．／ｄＴを小ざくする手段であ
る。温度係数ｄ　Ｑ　／　ｄ　’、Ｉ”を小さくするた
めには、載置部材１３を構成ずろ材料Ｃｕを（熱膨張係
数１７、ＯＸ　Ｉ　Ｏ−６／°Ｃ）を変更して熱膨張係
数を小ざくすれば良い。たたし、熱伝導度がＣｕ（熱伝
導度０　、９４．　ｃａｌ／　ｃｍ−ｓｅｃ　・０Ｃ）
に比して極端に小ざい場合、動作時の温度」；昇により
信頼性を損なうおそれがある。実際に、載置部＋、＋を
タングステンＷ（熱膨張係数７１．５ｘｌ’ｏ−６／’
Ｃ９伝導度０　／ｌ０ｃａ１／ｃｍ−８ｅＣ・０Ｃ）で
構成して実験したとごろ、熱伝導度が小さいため信頼性
が良くないものであ−った。 そこで、この発明の目的は、Ｃｕよりも熱膨張係数が小
さい適切な材料で載置部子Ａを構成ずろことにより、安
定温度幅△Ｔを広げることができ、しかも信頼性が損な
われるのを防止できる外部共振器型半導体レーザ装置を
提供することにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、この発明は、半導体レーザ
チップと反射面を有する反射部材とを載置部材」二に固
定して、−に記し−サチソプのレー勺１光出射端面と上
記反射部材の反射面とで外部共振器を構成し、−１−記
レーザチツプの媒質の利得分布と」二足外部共振器の共
振特性とによって」二足レーザチップの軸モートを選択
して発振動作する外部共振器型半導体レーザ装置におい
て、」−記載置部材は銅とタングステンとの合金からな
ることを特徴としている。

【作用】

載置部材はＣｕとＷとの合金（以ドＩ−Ｃｕ−Ｗ合金１
という。）からなっている。Ｃｕは従来より用いられて
いるし料てあって、熱膨張係数１７．ＯＸ］０−１１／
°Ｃ１？＃Ｙ伝導度０　、９４　ｃａｌ／　ｃｍ−８（
ＩＣ・°Ｃである。−力、Ｗ（」熱膨張係数４　、　Ｆ
ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ６／’Ｃ熱伝導度０　、４０　ｃａｌ／
　ｃｍ−ｓｅｃ・℃であり、熱膨張係数、熱伝導度がい
ずれもＣｕに比して小さくなっている。したがって、上
記載置部材は、膨張係数、熱伝導度がいずれもＣｕとＷ
との中間の値に設定される。すなわち、熱膨張係数がＣ
ｕよりも小さく、かつ熱伝導度がＷよりも大きい状態に
なる。載置部材の熱膨張係数がＣｕよりも小さくなるこ
とによって外部共振器長σの温度係数ｄρ／ｄＴが小さ
くなる。したがって、式（１）により外部モードλｅの
温度係数ｄλｅ／ｄＴが小さくなり、この結果、ピーク
波長λの温度係数ｄλ／ｄＴが小さくなる。したがって
、従来に比して安定温度範囲へＴが広がる。しかも、上
記載置部材はＷからなる場合よりも熱伝導度が大きい状
態に設定できる。 したがって、動作時の温度上昇が抑えられ、信頼性が損
なわれることもない。 なお、外部共振器長Ｑは、安定温度幅へＴが最大となる
ように素子の特性を選別することによって、改めて最適
の値に設定する。外部共振器長ｅの最適値は載置部材の
組成によって変化すると考えられるからである。

【実施例】

以下、この発明の外部共振器型半導体レーザ装置を図示
の実施例により詳細に説明する。 第１図に示すように、この外部共振器型半導体レーザ装
置は、レーザチップ１と、反射部材２と、Ｃｕ−Ｗ合金
からなる載置部材３とからなっている。レーザチップ１
は、従来と同様に、ＧａＡｓ基板上に活性層としてＡＱ
ＧａＡｓを成長したＶＳＩＳ構造のものであり、ｌａは
その一方のレーザ光出射端面（後端面）を示している。 反射部材２は、ＧａＡｓからなり、誘電体コーティング
した高反射率（９５％）の反射面２ａを有している。レ
ーザチップ１と反射部材２は、レーザ光出射端面１ａと
反射面２ａとを互いに対向させ、距離Ｑ（外部共振器長
）だけ離間させた状態で、それぞれ融着材によって上記
載置部材３上に固定している。すなわち、レーザ光出射
端面１ａと反射面２ａとで外部共振器７を構成している
。なお、レーザチップ１９反射部材２の前後方向のサイ
ズ２Ｌ、２Ｍは、従来と同様にともに２５０μｍである
。 温度変化があった場合、外部共振器長Ｑは、レーザチッ
プｌ９反射部材２および載置部材３の前後方向の熱変形
の合成として変化する。ここで、レーザチップ１９反射
部材２は、それぞれ前後方向の中央Ｘ、Ｙに関して対称
に熱変形すると考えられる。このとき、両中央Ｘ、Ｙ間
の距離をＤとすると、外部共振器長ρは、 ρ−Ｄ−（Ｌ＋Ｍ）　　　　　　　　・・・　（２）と
表わされる。レーザチップ１１反射部材２．載置部材３
の線膨張係数をそれぞれα１．α２．α３とするとρの
温度変化率は −ａ３（１＋ｃａ３−ａｒ）Ｌ＋ｃａ３−ａｘ＞Ｍ　　
−（３）となる。この式（３）を既に示した式（１）に
代入すと表２つされる。 いま、レーザチップＩと反射部材２が同じ材料ＧａＡｓ
で構成されていることがらα１−α２−αと置くことが
でき、式（４）は ｄＴ　　　　　　　　　　　ρ と表わされる。 ここで、第３図中に示すように、載置部材３を構成する
Ｃｕ−Ｗ合金の組成比をｗ／ｃｕ＝８０／２０として線
膨張係数α３を８．０Ｘ１０−６／’Ｃに設定するもの
とする。なお、ＧａＡｓの線膨張係数αは６．０ｘｌＯ
−８／℃である。このとき、外部モードλｅの温度変化
率ｄλｅ／ｄＴは外部共振器長ρによって第２図に示す
ように表わされる。なお、比較のため、第２図中には載
置部材がＣｕ（線膨張係数１７．ＯＸｌ　０−’／℃）
からなる場合の温度変化率ｄλｅ／ｄＴを併わせて表わ
している。第２図かられかるよう１こ、外部共振器中ρ
の値が同じレベルであれば、外部モードλｅの温度変化
率ｄλｅ／ｄＴが小さくなる。したがって、レーザチッ
プｌの利得分布と外部共振器７の共振特性とを重畳して
得られるピーク波長λの温度係数ｄλ／ｄＴを小さくす
ることができ、従来のＳＥＣレーザに比して安定温度範
囲ΔＴを広げることができる。実際には、実験で確認し
たどころ、第２図中に点Ｆで示すように、素子歩留が最
大となる最適の外部共振器長ρは４５μｍとなり、この
とき、安定温度範囲へＴは３３°Ｃとなった。載置部材
がＣｕからなる場合は、最適の外部共振器長ρが６０μ
ｎであって、そのときの安定温度範囲へＴは２８℃であ
るから、従来に比して５℃だけ安定温度範囲へＴが広が
ったことになる。さらに、上記Ｃｕ−Ｗ合金の組成比を
Ｗ／Ｃｕ＝８５／１５．９０／１０として、線膨張係数
をそれぞれ７．０ｘｌＯ−’／’Ｃ６，５ＸＩＯ−’／
°Ｃに設定したとき、安定温度範囲へＴはそれぞれ組成
比に応じて３６°Ｃ１４０°Ｃに広がった。このように
、載置部材３をＣｕ−Ｗ合金で構成するこ七により、従
来のＳＥＣレーザに比して安定温度範囲へＴを広げるこ
とができた。 また、第３図中に示すように、上記Ｃｕ−Ｗ合金の組成
比Ｗ／Ｃｕを８０／２０．８５／１５　９０／＋　０７
こ設定したきき、熱伝導率がそれぞれ０５９　（ｃａｌ
／ｃｍ°ＳｅＣＨ’ｃ）、　０　、５５　（ｃａｌ／ｃ
ｍ°ｓｅｃ・℃）の０５０（Ｃａ１／Ｃｍ−８ｅＣ・℃
）となって、いずれもＷの熱伝導率０．４０（ｃａｔ／
ｃｍ−ｓｅｃ・’ｃ）よりも大きくなる。したがって、
素子動作時の温度−に昇を抑えることができ、信頼性が
損なわれるのを防止することができる。実際に、組成比
Ｗ／Ｃｕ＝８０／２０のものを出力５ｍＷで７０°Ｃの
高温雰囲気中で長期的にエージングしたところ、第４図
に示すように、駆動電流はほとんど変化せず、４０００
時間を経過しても素子の劣化は見られなかった（ｎ−４
個）。また、組成比Ｗ／Ｃｕ＝８５／＋５９０／１０の
ものも、同様に素子の劣化はなく、良好な結果を示した
。

【発明の効果】

以」二より明らかなように、この発明の外部共振器型半
導体レーザ装置は、レーザチップと反射部材とを載置固
定する載置部材をＣｕ−Ｗ合金で構成しているので、外
部モードの温度係数を小さくすることができ、したがっ
て、安定温度範囲ΔＴを広げることができる。しかも、
信頼性が損なわれるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の外部共振器型半導体レー
ザ装置の構成を示す図、第２図は載置部材がそれぞれＣ
ｕ−Ｗ合金、Ｃｕからなるときの外部モードの温度係数
を示す図、第３図は載置部材がそれぞれＷ、Ｃｕ−Ｗ合
金、Ｃｕからなるときの安定温度範囲を示す図、第４図
は上記外部共振器型半導体レーザ装置のエージング結果
を示す図、第５図は従来のＳＥＣレーザの構成を示す図
、第６図、第７図はそれぞれ従来の基本的な半導体レー
ザＳＥＣレーザの発振軸モードの選択性を示す図、第８
図、第９図はそれぞれ従来の基本的な半導体レーザ、Ｓ
ＥＣレーザの発振波長の温度依存性を示す図である。 １・・レーザチップ、１ａ・・・レーザ光出射端面、２
　反射部材、２ａ　反射面、３　・載置部材、７　・外
部共振器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザチップと反射面を有する反射部材と
   を載置部材上に固定して、上記レーザチップのレーザ光
   出射端面と上記反射部材の反射面とで外部共振器を構成
   し、上記レーザチップの媒質の利得分布と上記外部共振
   器の共振特性とによって上記レーザチップの軸モードを
   選択して発振動作する外部共振器型半導体レーザ装置に
   おいて、上記載置部材は銅とタングステンとの合金から
   なることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。