JPH0430487A - 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〕 本発明は、光デイスク記憶装置やレーザプリンタ等の光
情報処理装置の光源に用いて好適な半導体レーザ装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体レーザの光出力を変えたり、変調を行うた
めに駆動電流を変化させたりすると、半導体レーザチッ
プ内部で発生する熱量が変化して発光点の温度が変化す
るため、発振波長がシフトする現象が見られた。また、
半導体レーザチップの温度が熱的に安定するまでの間、
過渡的に光出力やレーザ発振波長が変化する現象も見ら
れた。

このような現象は、半導体レーザを、光記憶装置やレー
ザビームプリンタなどの光情報処理装置、高速伝送用の
光通信装置等に用いる場合は特に問題となる。例えば光
デイスクメモリでは、再生モードから記録モードに移る
場合の光出力の変化による波長シフトによりレーザビー
ムの収束点や収束スポット径が変化し、記録再生のエラ
ーを引き起こす可能性がある。また、レーザビームプリ
ンタでは、スキャン中の光出力の変動により印字濃度に
変化が生じる可能性がある。

このような光出力や発振波長の温度依存性又は過渡的変
化を小さくするために、温度制御装置により半導体レー
ザのチップ温度を一定に保つ方法や、レーザ光出力をモ
ニターして所定の値となるようにレーザの駆動電流を制
御する方法、また、例えば米津宏雄著「光通信素子工学
」２５２頁に典型例が示されているように、半導体レー
ザチップ内部に波長選択構造を設けたＤＦＢ構造やＤＢ
Ｒ構造を採用する方法が従来用いられてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の方法のうちチップ温度を一定に保つ方法
では、チップ内部の発光点の温度変化を補償することが
できなかった。また、レーザ出力をモニターして、それ
が一定になるように駆動電流を制御する方法では、一定
の光出力は得られても、波長の変動を抑制することはで
きなかった。

即ち、半導体レーザの駆動電流の変化による波長変化は
、レーザ発振を行うＰ−Ｎ接合面がチップの放熱面に対
して熱抵抗を持っているために生じる。第１２図は半導
体レーザチップ内部の熱の流れを回路図に置き換えて示
したものである。同図において、チップ内部のレーザ発
光点で発生する熱は熱源５２で示され、熱抵抗５３を介
してチップ外へ放散する。また、チップの熱容量５４に
より、接合点温度５５の変化は、熱抵抗と熱容量との積
で決まる時定数を持つ。この時定数は、通常のＡｌＧａ
Ａｓ半導体レーザで１ｍｓ程度である。第１３図は、熱
特性を考慮した半導体レーザ特性の時間変化を示す。半
導体レーザの光出力を変えるために、Ｐ−Ｎ接合に、第
１３図（ａ）に示すパルス状の電流を印加すると、この
部分での消費電力が増加して接合点温度５５は第１３図
（ｂ）のように変化する。この接合点の温度変化によっ
て、光出力は瞬間的に高く、その後徐々に減衰する第１
３図（Ｃ）のようになり、また、レーザ発振波長は、接
合点の温度の上昇に伴って第１３図（ｄ）のように長波
長側にシフトする。この変化はチップの内部で生じるた
め、たとえチップ全体の温度を一定に保っても補償する
ことができない。

第１４図は、ペルチェ素子のような温度制御素子７２の
上に半導体レーザチップ７３をマウントして温度制御を
行う場合を示す。第１５図は、この場合の熱の流れを回
路に置き換えて示したものであり、温度制御素子はヒー
トポンプ６０で示しである。この場合、ヒートシンクに
は熱抵抗５８と熱容量５９とがあるため、時定数は数秒
となり、この方法による接合点温度５７の高速での温度
制御は不可能である。

一方、ＤＦＢ構造やＤＢＲ構造等の分布帰還型構造は、
製造工程が複雑であって、製造コストが高くなり、また
ＡｌＧａＡｓ系の３元化合物では製造が困難であり、更
に、高い光出力が得にくい等の問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、半導体レーザチップと半導体レーザ駆動回路
とを備えた半導体レーザ装置において、上記半導体レー
ザチップ内部のレーザ発振を行うＰ−Ｎ接合部に隣接し
て配置され、このＰ−Ｎ接合部とは独立に電流を流すこ
とが可能な発熱手段と、上記Ｐ−Ｎ接合部に流れる電流
にかかわらず常にレーザの発振波長が一定になるように
、上記発熱手段に流す電流を制御する電流制御手段とを
設けたものである。

上記発熱手段としては、半導体レーザのＰ−Ｎ接合と同
一のエピタキシャル結晶成長プロセスで形成されるＰ−
Ｎ接合を用いることができる。

また、発熱手段の電流制御用信号として、レーザの発振
波長に比例する信号を用いることができる。

更に、発熱手段の電流制御用信号として、半導体レーザ
のＰ−Ｎ接合電圧を用いることもできる。

〔作用〕

第１０図は、本発明の半導体レーザチップ構造における
熱の流れを回路に置き換えて示したものである。本発明
では、チップ内部のレーザ発振を行うＰ−Ｎ接合に隣接
して発熱手段が設けられており、上記Ｐ−Ｎ接合で発生
する熱６５は、チップの熱抵抗６１を通じて、チップが
固着されているヒートシンクに流れ、熱抵抗６４を介し
て大気に放散される。一方、発熱手段で発生する熱６６
は、チップの熱抵抗６２を通じてヒートシンクに流れる
。上記Ｐ−Ｎ接合と発熱手段とはチップ内部で熱抵抗６
３を介して熱的に接続されているが、両者はチップ内部
で近接しているために、この熱抵抗６３の値は熱抵抗６
１及び６２に比較して非常に小さい。

従って、発熱手段に流す電流を制御することで、上記Ｐ
−Ｎ接合の温度変化を高速で補償することが可能である
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は本発明の一実施例による半導体レーザチ
ップの概略図であり、レーザ発振を行うＰ−Ｎ接合が内
部ストライブ型ダブルへテロ構造のＡＩＣ；ａＡｓ半導
体レーザである。この構造は、ｐ−ＧａＡｓ基板１上に
ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２をＭＢＥやＭＯＣＶＤな
どによりエピタキシャル成長させ、電流狭窄用溝３をエ
ツチングで形成した後、その上にダブルへテロ構造を形
成するためのｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４、ｐ−Ａｌ
ＧａＡｓ活性層５、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層６及び
ｎ−ＧａＡｓオーミック層７を形成したものである。こ
の構造では、電流狭窄用溝３上部の活性層５部分でレー
ザ発振が生じる。

一方、発熱手段としては、レーザ発振用のＰ−Ｎ接合と
同一の内部ストライブ型ダブルへテロ構造のＰ−Ｎ接合
を用いる。この構造は、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層８
に電流狭窄用溝１３を形成し、その上にダブルへテロ構
造を形成するためのｐ−ＡｌＧａＡｓ層９、ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ層１０、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層１１及びｎ−ＧａＡ
ｓオーミック層１２を形成したものである。

各層８〜１２は、レーザ発振を行うＰ−Ｎ接合を構成す
る層２及び４〜７と同時にエピタキシャル結晶成長で形
成され、ｐ−Ｃ；ａＡｓ基板１に達する深さの溝１４に
よって、これらから分離される。

発熱手段の溝１３はレーザ発振用の電流狭窄用溝３に比
べて幅を広げてあり、活性層１０に流す電流密度を下げ
ることでレーザ発振を抑制している。

半導体レーザチップは、ヒートシンク１５にマウントさ
れる。また、溝３と溝１３との間隔は１００μｍ以下と
して、発熱手段とレーザ発振部との間の熱抵抗を低くす
るようにした。なお、１６及び１７は電極線である。

第１図（ｂ）は、上記半導体レーザチップと半導体レー
ザ駆動回路とを含む半導体レーザ装置全体の構成を示す
ものである。この場合、レーザ発振用Ｐ−Ｎ接合１８と
発熱用Ｐ−Ｎ接合１９に加え、半導体レーザ出力モニタ
ー用に半導体レーザチップ後方端面よりのレーザ出力を
検出するフォトダイオード２０をパッケージに内蔵した
ものを用いる。レーザ発振用Ｐ−Ｎ接合１８には、駆動
回路２１によって所定の電流が流される。この駆動回路
２１は、モニター用フォトダイオード２０の出力信号２
２を参照して、レーザ光出力を一定に保つ機能を有する
。また、レーザ出力光２３はビームスプリンタ２４によ
ってその一部を取り出し、波長に対して透過率が直線的
に変化するフィルター２５を介して光検出器２６に入射
させる。

一方、発熱手段１９の駆動回路２８は、光検出器２６の
出力２７とモニター用フォトダイオード２０の出力信号
２２とから、予め測定しであるフィルタ２５０波長特性
を参照してレーザ発振波長を算出し、それが一定となる
ように、発熱手段１９に流す電流を制御する。

本発明の別の実施例を第２図に示す。本実施例では、第
１図に示した実施例で用いたものと同様の半導体レーザ
チップを用いる。この場合、レーザ発振用Ｐ−Ｎ接合２
９は、モニター用フォトダイオード３１の出力信号を参
照して、駆動回路３２により、所定の光出力が得られる
ように駆動される。発熱手段３０の駆動回路３５は、レ
ーザ発振用Ｐ−Ｎ接合２９の接合電圧信号３３とレーザ
駆動電流３４とを用いてこのレーザ発振用Ｐ−Ｎ接合２
９の接合点の温度を算出し、これが一定になるように、
発熱手段３０に流す電流を制御する。

第３図は典型的な半導体レーザの順電流−順電圧特性を
示す。同図に示すように、温度が上昇すると順電圧が高
くなる方向に特性がシフトする。

この温度依存性は、半導体【／−ザを構成する材料に依
存し、接合点の温度を反映することは周知の事実である
。従って、材料が同じであれば接合電圧と接合電流とか
ら接合点温度を算出することが可能であり、この接合点
温度が一定となるように、発熱手段に流す電流を制御す
ることで、光出力にかかわらずレーザ発振波長を一定に
保つことができる。

本発明の更に別の実施例を第４図に示す。本実施例では
、第１図に示す実施例で用いたものと同様の半導体レー
ザチップを用いる。この場合、レーザ発振用Ｐ−Ｎ接合
６７と発熱手段３６とを含む半導体レーザチップ全体は
ベルチェ素子等の冷却加熱装置３７にマウントされ、温
度制御装置４３により温度が一定に保たれる。入力信号
３８は作動回路４４に入力され、レーザ駆動信号３９と
符号を反転した温度制御信号４０とを発生する。

この場合、両信号の総和は常に一定とする。レーザ駆動
信号３９はレーザ駆動回路４１に入力され、レーザ発振
用Ｐ−Ｎ接合６７に電流が流される。

一方、温度制御信号４０は発熱手段駆動回路４２に入力
され、発熱手段３６に電流が流される。本実施例では、
レーザ発振用Ｐ−Ｎ接合６７と発熱手段３６との消費電
力の総和をチップ内部で常に一定に保つことで、接合点
温度を一定に保っている。なお、本実施例では半導体レ
ーザチップ全体の温度を常に一定に保つような冷却加熱
装置を用いたが、過渡的な波長変化のみの減少を目的と
する場合には、このような温度制御素子を用いなくとも
よい。

半導体レーザチップ構造としては、第５図〜第９図に示
すようなものを用いることもできる。第５図（ａ）は、
半導体レーザチップを側端面から見た構造、第５図（ｂ
）は上面から見た構造である。また、第６図〜第９図は
、第５図（ｂ）と同様に、半導体レーザチップを上面か
ら見た構造である。

これらの半導体レーザチップ構造は、第１図に示した実
施例の半導体レーザチップ構造と類似しているが、第５
図に示す例では、発熱手段の電流狭窄用溝４５はレーザ
発振用の電流狭窄用溝４４と全く同一形状であり、第５
図（ｂ）の上面回で分かるように、発熱手段は、その両
端面に無反射コーティング４６を施すことで、非発光Ｐ
−Ｎ接合として作用する。第６図は、発熱手段４７が電
流狭窄用溝を持たないダブルへテロ接合の例である。第
７図は、発熱手段４８がシングルへテロ接合の例である
。第８図は、発熱手段が抵抗体４９の例である。第９図
は、２個の発熱手段５０及び５１をレーザ発振用Ｐ−Ｎ
接合の両側に配置することにより、レーザ発振用Ｐ−Ｎ
接合と発熱手段との間の熱抵抗を下げ、波長変動の抑制
効果を高めた例である。

第１図（ａ）に示す半導体レーザチップ構造と第４図に
示す駆動回路とを用いた実施例では、第１０図に示す熱
抵抗６１．６２及び６３の値は、夫々、６０℃／Ｗ、３
０°Ｃ／Ｗ及び６０°Ｃ／Ｗが得られた。第１１図はそ
の結果を示す図であり、第１１図（ａ）はレーザの駆動
電流パルス、第１１図（ｂ）は発熱手段による補償を行
わない場合の光出力、第１１図（Ｃ）は発熱手段の駆動
電流、第１１図（ｄ）は発熱手段による補償を行った場
合の光出力を夫々示し、第１１図（ｄ）においては、過
渡的な変化が抑制されていることが分かる。

また、第１１図（ｅ）は発熱手段による補償を行わない
場合の波長変動、第１１図（ｆ）は発熱手段による補償
を行った場合の波長変動である。これらの第１１図（ｅ
）及び（ｆ）において、常温における発振波長を点線で
示す。これらの図に示すように、発熱手段による補償を
行わない場合には約３ｎｍあった波長変化を、補償を行
うことによって０．５ｎｍ程度に小さくすることが可能
になった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の方法では不可能であった、半導
体レーザの熱的特性によって生じるレーザ発振波長の変
化及び駆動電流の瞬間的な変化によって生じる光出力や
波長の過渡的変化の抑制を、簡単な半導体レーザチップ
構造と駆動回路とで抑制することが可能となった。

本発明による半導体レーザ装置を用いることで、光情報
処理の分野においてはより高密度な記憶や高精細の記録
が可能となり、また光伝送の分野においてはより高速の
情報通信が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例による半導体レーザチ
ップの構造を示す斜視図、第１図（ｂ）は上記実施例に
よる半導体レーザ装置の駆動回路の回路図、第２図は本
発明の他の実施例の駆動回路の回路図、第３図は典型的
なＡｌＧａＡｓ半導体レーザの順電流−順電圧特性の温
度依存性を示すグラフ、第４図は本発明の更に他の実施
例の駆動回路の回路図、第５図〜第９図は本発明におけ
る各種半導体レーザチップ構造の例を示す構造図、第１
０図は本発明における半導体レーザチップ内部での熱流
の回路図、第１１図は本発明の実施例の効果の説明図、
第１２図は従来の半導体レーザチップ内部での熱波の回
路図、第１３図は従来の半導体レーザの過渡応答特性を
示す特性図、第１４図は温度制御素子に搭載された半導
体レーザチップの例を示す説明図、第１５図は半導体レ
ーザチップを温度制御素子に搭載した場合の熱流の回路
図である。 なお、図面に用いた符号において、 １　・・・・・・・・・　ｐ　　ＧａＡｓ基板２　・・
・・・・・・・　ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層３　・・
・・・・・・・　電流狭窄用溝４　・・・・・・・・・
　ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層５　・・・・・・・・・
　ｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層６　・・・・・・・・・　ｎ
−ＡｌＧａＡｓクラッド層７　・・・・・・・・・　ｎ
−ＧａＡｓオーミック層８　・・・・・・・・・　ｎ−
ＧａＡｓ電流ブロック層９　・・・・・・・・・　ｐ−
ＡｌＧａＡｓクラッド層１０　−・・−・　ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ活性層１１　・・・・・・　ｎ　　Ａ　Ｉ　Ｇ　
ａ　Ａ　Ｓクラッド層１２　・・・・・・　ｎ−ＧａＡ
ｓオーミック層１３　・・・・・・　電流狭窄用溝 １４　・・・・・・　分離用溝 エフ　　・・・・・・ １８　　・・・・・・ １９．３０． ２１　　・・・・・・ ２３　　・・・・・・ ２６　　・・・・・・ ２８．３５、 である。 ヒートシンク 半導体レーザＰ−Ｎ接合 ３６．５０．５１ 発熱手段 半導体レーザ駆動回路 レーザ出力光 光検出器 発熱手段駆動回路 半導体レーザＰ−Ｎ接合

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザチップと半導体レーザ駆動回路とを
   備えた半導体レーザ装置において、 上記半導体レーザチップ内部のレーザ発振を行うＰ−Ｎ
   接合部に隣接して配置され、このＰ−Ｎ接合部とは独立
   に電流を流すことが可能な発熱手段と、 上記Ｐ−Ｎ接合部に流れる電流にかかわらず常にレーザ
   の発振波長が一定になるように、上記発熱手段に流す電
   流を制御する電流制御手段とを設けたことを特徴とする
   半導体レーザ装置。
2. （２）上記発熱手段として、レーザ発振を行う上記Ｐ−
   Ｎ接合部と同一のエピタキシャル結晶成長プロセスで形
   成されるＰ−Ｎ接合を用いることを特徴とする請求項１
   記載の半導体レーザ装置。
3. （３）半導体レーザの発振波長を検出する波長検出手段
   と、この波長検出手段の出力に応じて、上記発熱手段に
   流す電流を制御する電流制御手段とを設けたことを特徴
   とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
4. （４）上記波長検出手段は、レーザ発振を行う上記Ｐ−
   Ｎ接合部に印加される電圧を検出することによって発振
   波長を検出することを特徴とする請求項３記載の半導体
   レーザ装置。
5. （５）レーザ発振を行う第１のＰ−Ｎ接合部と、上記第
   １のＰ−Ｎ接合部に隣接して独立に形成され、レーザ発
   振が抑制された第２のＰ−Ｎ接合部と、 上記第１のＰ−Ｎ接合部の発振波長を検出する波長検出
   手段と、 上記波長検出手段の出力に応じて、上記第２のＰ−Ｎ接
   合部に印加する電圧を制御する第２のＰ−Ｎ接合部駆動
   手段とを備えた半導体レーザ装置。