JPH0782064B2 - マルチビーム型ｌｄの熱特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、１個のレーザチップ内に複数のレーザ発振
部を集積させ、複数のレーザビームを出力できるように
したマルチビーム型LDの熱特性測定装置についてのもの
である。

さらに詳しくいえば、複数集積されたレーザ発振部の中
から２個を指定し、一方のレーザ発振部が発光して発熱
状態にあるときに、他方に伝達されてゆく温度とクロス
トークの熱抵抗を測定することができ、さらに、個々の
レーザ発振部の特性温度定数と熱抵抗の測定もできる測
定装置についてのものである。

［従来の技術］ 次に、マルチビーム型LDの構成図を第16図により説明す
る。

第16図の4Aはレーザチップ、4Bはヒートシンク、4C〜4F
はレーザチップ内の独立したレーザ発振部の電極端子、
4Gはそれぞれのレーザ発振部に共通な電極端子、4K〜4N
はそれぞれレーザビームである。

ヒートシンク4Bはレーザチップ4Aの電流発熱を吸収する
ためのものである。

第16図の端子4C〜4Fにそれぞれ順方向の電流を流すと、
電流に比例したレーザビーム4K〜4Nが独立して放射され
る。

次に、レーザチップ4Aの部分外観図を第17図により説明
する。

レーザビーム4K〜4Nはチップ端面に100μｍ間隔で形成
された活性層4P〜4Sから放射される。

活性層4P〜4Sは厚みが0.2〜0.5μｍ、幅が２〜３μｍ程
度で、その奥行きは200〜300μｍと微少である。LDが発
光している状態では、第16図の端子4C〜4Fに流す電流の
ほとんどがこの活性層に集中し、電流密度は数kA/cm²以
上にもなる。この活性層は化合物半導体による複雑なPN
接合でできており、一般の半導体に比べて発熱には弱
い。流した電流と接合部の順方向電圧の積に比例した発
熱がこの微少領域に集中されるので、熱を効率よくヒー
トシンクに逃がす構造が要求される。

とくに、マルチビーム型LDは従来のシングルビームLDの
ように１レーザチップ１活性層ではないため、個々の活
性層とヒートシンク間での熱抵抗測定だけでは不十分で
あり、集積された個々の活性層の発熱が互いに影響し合
う状態をクロストーク熱抵抗として評価することがマル
チビーム型LDの開発段階で必要である。

しかし、従来の熱抵抗測定装置は単純に個々の活性層か
らヒートシンクまたは金属ケースの熱抵抗値だけを測定
するものであった。

次に、従来技術によるマルチビームLDの熱抵抗測定の構
成図を第18図により説明する。

第18図の11は熱抵抗測定装置、４はLD、６は温度計、6A
は温度センサ、12は恒温槽である。

LD4は第16図のマルチビーム型LDであり、熱抵抗測定装
置11は第16図の電極端子4C〜4Fのどれか１つに接続され
る。

恒温槽12はLD4の温度を制御するためのもので、第16図
の電極端子4C〜4Fに個々に接続されるレーザ発振部の接
合部の順方向電圧温度係数を測定する目的で使用され
る。

温度センサ6Aと温度計６は恒温槽12で予熱されたLD4の
温度を測定する目的で使用される。

例えば、LD4の温度を40℃、20℃にしたときの順方向電
圧がそれぞれ1789.6mV,1820.8mVならば電圧温度係数は
−1.56mV/℃である。

ここで、順方向電圧は熱抵抗測定装置により、1mA程度
を通電して測定する。

次に、従来装置による熱抵抗測定原理を第19図と第20図
により説明する。

第19図は熱抵抗測定装置11の構成図、第20図は第19図の
タイムチャート図である。

熱抵抗測定はLD4のPN接合部の順方向電圧温度依存性を
利用したもので、電力を加える前、加えているとき、電
力を加えた後の順方向電圧変化を測定し、規定の電力を
通電したときのPN接合部の電力加熱による温度上昇を次
式により計算して求める。

R_th＝△Ｖ÷（I_P・V_F・ｍ） （℃/W） △Ｖ＝V_M1−V_M2 （Ｖ） ここで、V_M1は電力印加上昇前の温度上昇前の順方向電
圧、V_M2は電力印加終了後の温度上昇後の順方向電圧、I
_Pは電化印加中の順方向電流、V_Fは電力印加中の順方向
電圧、ｍは順方向電圧温度係数（V/℃）である。

例えば第16図に示すレーザチップ4Aのレーザ発振部から
ヒートシンク4Bに対する熱抵抗を求めるならば、第20図
に示す電力を加えてから順方向電圧V_M2を測定するまで
の遅延時間t_dは、例えば、0.5μｓと非常に小さくする
ことが必要であり、第19図の高速V/I変換13・14に対し
ては高速の電圧追従性が要求される。

なぜなら、第16図のレーザ発振部からヒートシンクまで
の熱伝導時定数は例えば１μｓ以下と非常に高速だから
である。

また、第20図のT_Pは一般には、10ms〜200msに設定す
る。

第20図の順方向電流T_Pは加えた電力が光エネルギーとし
て放出されないように、例えばしきい値電流以下の大き
さに設定する。

I_Mは順方向電圧のV_M1とV_M2を測定するために通電する電
流で、接合部の温度上昇が無視できる程度の例えば1mA
程度に設定する。

［発明が解決しようとする課題］ LDの接合部は化合物半導体の複雑なPN接合からできてい
るため、一般のダイオードやトランジスタなどのPN接合
に比べて、リーク電流が大きく、順方向電圧V_M1、V_M2を
測定するために通電した電流I_Mの一部がリークによる影
響で順方向電圧測定の誤差になることがある。

また、順方向電圧の温度係数を測定するために恒温槽を
併用するが、測定時間の延長と、操作のわずらわしさが
あった。しかも、マルチビーム型LDで望まれるレーザ発
振部相互間の熱干渉によるクロストーク熱抵抗測定や、
特性温度定数測定ができてないという問題があった。

また、測定手段として、高価な高速の熱抵抗測定装置が
必要であった。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、この発明では、マルチビー
ム型LD4を駆動する可変直流電流源１と、マルチビーム
型LD4を駆動する可変パルス電流源２と、マルチビーム
型LD4に対し可変直流電流源１と可変パルス電流源２の
接続を切り換えるスイッチ３と、マルチビーム型LD4の
発光出力を受光する受光素子５と、マルチビーム型LD4
の温度を測定する温度計６とを備える。

この発明は、第18図の熱抵抗測定装置11の代わりに、可
変直流電流源１、可変パルス電流源２、スイッチ３、受
光素子５、増幅器７を採用し、第１図に示す接続構成に
することで、第18図の恒温槽12を不用とするものであ
る。

第１図では、LD4を可変直流電流源１の電流で加熱し、
可変パルス電流源２と受光素子５と増幅器７と測定器８
でLD4の加熱前、加熱平衡状態、加熱終了後のパルスし
きい値電流を測定する。

可変直流電流源１と温度計６で、加熱前と加熱平衡状態
でのLD4の温度を測定する。

さらに、可変直流電流源１と可変パルス電流源２のLD4
に対する接続を入れ換えて、可変直流電流源１と受光素
子５と増幅器７と測定器８で、直流しきい値電流と直流
しきい値電圧を測定する。

また、可変パルス電流源２と受光素子５と増幅器７と測
定器８で、パルスしきい値電流を測定する。

これらの個々の測定結果を計算処理することで、LD4の
レーザチップ内層での熱干渉によるクロストーク熱抵抗
と個々のレーザ発振部（活性層）の特性温度定数、熱抵
抗を求めることができる。

次に、この発明によるマルチビーム型LDの熱特性測定装
置の構成を第１図により説明する。

第１図の１は可変直流電流源、２は可変パルス電流源、
３はスイッチ、５は受光素子、5Aはバイアス電源、７は
反転増幅器、7Aは抵抗器、8Aはサンプルホールド回路で
あり、可変パルス電流源２のパルスタイミングに同期し
て、増幅器７からのパルス出力電圧をサンプルホールド
する。

第１図のLD4、温度計６、温度センサ6A、測定器８は第1
8図・第19図と同じものである。

第１図は受光素子５には、例えば受光面積10mm角のSiピ
ンホトダイオードなどを使用できる。

なお、第１図のLD4は第16図に示すように、レーザ発振
部を４個持つ場合を示しているが、４個以外の個数でも
よい。

次に、第１図の温度センサ6Aについて説明する。

温度センサ6Aは可変直流電流源１からLD4に直流電流を
加える前と加えた後のLD4の温度変化測定が目的であ
り、温度センサ6Aが周囲温度の影響を受けないよう、例
えば第２図に示すように断熱する。

第２図の21は温度センサ取付ジグで、比熱が小さく熱伝
導性のよい、例えばアルミニュムを使用し、センサ6Aを
埋め込むための穴22を備え、LD4を密着してはめ込むこ
とができる。

第２図（ｂ）はLD4を取付けた状態の断面図である。

23は温度センサ取付ジグ21を周囲温度から断熱するため
の断熱材で、例えばコルク材などを使用する。

次に、可変直流電流源１の構成を第３図により説明す
る。

第３図の31は可変電圧源、32〜34は増幅器である。

次に、可変パルス電流源２の構成図を第４図により説明
する。

第４図の41は可変電圧源、42はアステーブルマルチバイ
ブレータ、43はアナログスイッチ、44〜47は増幅器であ
る。

次に、第４図のアステーブルマルチバイブレータの構成
図を第５図により説明する。

第５図の51は発振器、52はシュミット回路、53はANDゲ
ートである。

次に、第５図のタイミングチャートを第６図により説明
する。

第６図の54〜56は第５図に記入された同じ番号の箇所の
波形図である。

第６図では、パルス幅が0.4μＳ、パルス周期が0.4mSの
パルスを可変パルス電流源２の出力として使用する。

次に、可変電圧源31・41の回路構成図を第７図により説
明する。

第７図の71は電源、72はスイッチ、73は増幅器である。
第８図は第７図の他の実施例の回路図であり、74は可変
抵抗器である。

次に、第３図の出力波形図を第９図により説明する。

第９図は第３図の可変電圧源31に第７図の回路を使用し
た場合の波形図であり、第７図のスイッチ72の接点を電
源71側に接続したときに得られる波形図である。

第９図の直流出力は、時間とともに増えていく。スイッ
チ72の接点を中立にしたときぱ、直流出力の増加は止ま
り、一定の出力に固定される。また、スイッチ72の接点
を増幅器73側に接続すれば出力は０になる。

次に、第４図の出力波形図を第10図により説明する。

第10図は第４図の可変電圧源41に第７図の回路を使用
し、第４図のアステーブルマルチバイブレータ42に第５
図の回路を使用した場合の波形図であり、第７図のスイ
ッチ72の接点を電源71側に接続したときに得られる波形
である。

第10図の出力波形は第９図の出力と同じように、時間と
ともに増えていく。スイッチ72の接点を中立にしたり、
増幅器73側に接続したりしたきのパルス電流の出力は前
述の第３図による場合と同じで、出力の増加を停止した
り、出力を０にしたりできる。

［作用］ 次に、第１図による特定温度定数とクロストーク熱抵抗
測定を第11図と第13図により説明する。

第１図のスイッチ３はLD4の電極端子の例えば4Cと4Dに
接続する可変直流電流源１と可変パルス電流源２を相互
に接続変換ができる。

第11図は第１図のフローチャートである。

ステップ31では、LD4の電極端子4Cに可変直流電流源が
接続され、4Dに可変パルス電流源２が第１図に示すよう
に接続される。

ステップ31の接続後、ステップ32〜40の測定操作を実行
することにより、LD4の電極端子4Dに接続されているレ
ーザ発振部の特性温度定数と電極端子4Cに接続されてい
るレーザ発振部から電極端子4Dに接続されているレーザ
発振部へのチップ内層を伝達する温度とクロストーク熱
抵抗が測定できる。

なお、ステップ31でスイッチ３を3B側に接続後、ステッ
プ31〜40の測定操作を実行した場合は電極端子4Cに接続
されているレーザ発振部の特性温度定数と電極端子4Dに
接続されているレーザ発振部から、電極端子4Cに接続さ
れているレーザ発振部へのチップ内層を伝達する温度と
クロストーク熱抵抗が測定できる。

次に、ステップ32はLD4に直流電流を通電する前の、す
なわち通電加熱前の温度測定であり、ステップ32で測定
した温度をT₁とする。

次に、ステップ33・37・40について説明する。

LD4を駆動する順方向電流を増してゆくと、第13図に示
すように光出力が急に増える。この急に光出力が増える
電流値のことをしきい値電流というが、しきい値電流は
温度依存性が大きく、LD4のレーザ発振部の接合部の温
度変化に指数関数的に比例し、一般に次式の関係にあ
る。

I_thB＝I_thAexp（△T_i/T_o） ここで、I_thA,I_thBはしきい値電流で、I_thAが温度上
昇、I_thBが温度上昇後の値、△T_iは昇温前後のレーザ発
振部の接合部の温度差、T_oは特性温度定数といい、短波
長または可視光のLDで100〜180K、長波長LDで50〜70K、
この値が小さいほどしきい値電流は温度変化の影響が大
きくなる。

ステップ33・37・40はLD4のレーザ発振部の接合部に対
する電流加熱の影響を小さくしてしきい値電流を測定す
るもので、可変パルス電流源２のパルス出力電流を第10
図に示すように走査して求める。測定出力例を第13図に
示す。

ステップ33で得られるしきい値電流をI_th1とする。

これはLD4が直流加熱を受けないすなわち温度上昇前の
電極端子4Dのレーザ発振部のしきい値電流である。

次にステップ37のしきい値電流をI_th2とする。I_th2は第
１図の電極端子4Cに接続されているレーザ発振部が直流
加熱され、電流発熱状態になっているときの電極端子4D
に接続されているレーザ発振部の接合部のしきい値電流
である。

次に、ステップ40のしきい値電流をI_th3とする。I_th3は
第１図の電極端子4Cへの直流加熱を終了した状態での電
極端子4Dに接続されているレーザ発振部の接合部のしき
い値電流である。

ここで、I_th2,I_th3とも第16図の電極端子4Dに接続され
ているレーザ発振部の温度上昇後のしきい値電流である
が、両者の違いはI_th2は第16図のレーザチップＡのチッ
プ内層を伝わる温度とヒートシンク4Bから伝わる合成温
度で与熱されている状態のしきい値である。

一方、I_th3は直流加熱を終了後であり、ヒートシンク4B
に蓄積された温度だけで予熱されている状態のしきい値
である。

ステップ34は第１図の可変直流電流源１からLD4に電流
を加えて加熱するための操作である。

ステップ34の操作で第16図のLD4のレーザ発振部が発熱
し、ヒートシンク4Bの温度は対数カーブ的に時間ととも
に上昇し、一定値に平衡する。

ステップ35はLD4の温度が一定値に平衡するまでの待ち
時間であり、例えば３分以上の時間である。

ステップ36は、LD4を加熱するために加えた電力を測定
する操作であり、第１図の可変値電流源１からの出力電
流と電圧とLD4からの光出力を測定する。

ステップ38ではLD4の温度を第１図の温度計６で温度測
定をする。

次に、ステップ41では、ステップ31から40までで得られ
たパラメータを使用してLD4の熱特性データを計算す
る。

次に、マルチビーム型LDを測定して得たデータ例を第11
図のフローチャートと対照して紹介する。

32……加熱前のLD4の温度T₁＝25℃、 33……加熱前のLD4のしきい値電流 I_th1＝43.0mA、 36……加熱平衡状態のLD4の順方向電流 I_F＝65.0mA、 順方向電圧V_F＝1.85V、 光出力P_o＝10mW、 37……加熱平衡状態のLD4のしきい値電流 I_th2＝45.1mA、 38……加熱平衡状態のLD4の温度 T₂＝28.0℃、 40……加熱終了後のLD4のしきい値電流 I_th3＝44.0mA、 41……LD4の電極端子4Dに接続されているレーザ発振部
の特性温度定数T_o（4D） ＝（T₂−T₁）/In（I_th3/I_th1） ＝130.5K, 電極端子4Cのレーザ発振部を熱源としてレーザチップ内
層を伝わって電極端子4Dのレーザ発振部を与熱する温度 △T_i（4C→4D）＝T_o（4D） ・In（I_th2/I_th3）＝3.2℃、 電極端子4Cのレーザ発振部を熱源としてレーザチップ内
層を伝わって電極端子4Dのレーザ発振部へ伝達されるク
ロストーク熱抵抗△R_th （4C→4D）＝△T_i（4C→4D） ／（V_F・I_F−Ｋ・P_O） ＝3.2/（1.85×0.065−1.11×0.01） ＝29.3℃/W, の測定結果か得られた。

次に、前記のクロストーク熱抵抗算出式の中でP_O、Ｋに
ついて説明する。

P_oは第16図のレーザチップ4Aの前面に放出される光出力
で、第１図により測定される値である。Ｋは第16図のレ
ーザチップ4Aの前面と後面から放出される光出力の和を
前記P_Oで割った値である。

なお、第11図のステップ34の中でLDに加える順方向電流
をしきい値電流以下に設定することもできる。この場合
は光出力も例えば0.2mW以下と小さいため前記の式からP
_O、Ｋを省略することができる。

次に、第11図のフローチャートを他の順番で実施する場
合について説明する。

ステップ31・32・33はLD4に電流加熱をする前の温度と
しきい値電流測定であり、順番をステップ32・31・33ま
たはステップ31・33・32と入れ換えることができる。

さらに、ステップ36・37・38についてはLD4の加熱温度
が一定値に平衡後の状態での温度としきい値電流測定で
あるため、ステップ36・37・38の順番は任意に入れ換え
ができる。

次に、第１図による熱抵抗測定について第12図と第14図
により説明する。

第12図はフローチャートである。

ステップ43は第11図のステップ33・37・40と同じ測定で
あり、ステップ43の測定出力例を第14図の破線カーブで
示す。

ステップ44はステップ42に対して逆の接続である。

ステップ45は第１図の可変直流電流源１の出力電流を第
９図に示すように走査して求める。

ステップ45による測定出力例を第14図の実線カーブで示
す。

ステップ46はステップ42からステップ45までで得られた
測定パラメータを使用して第16図は電極端子4Dに接続さ
れているレーザ発振部の熱特性データを算出する。

熱特性データとしては、電極端子4Dのレーザ発振部を直
流電流駆動したときのレーザ発振部での自己温度上昇が △T_i（4D）＝T_o（4D）・ In（I_th5/I_th4）の関係式で求めることができる。

次に、熱抵抗値Rth（4D）は自己温度上昇△T_i（4D）と
加えられた直流電力との関係式 R_th（4D）＝△T_i（4D） ／（V_th5/I_th5）から求めることができる。

第１図の測定例では、第12図のステップ43によるパルス
しきい値電流I_th4＝43.8mA、ステップ45による直流しき
い値電流I_th5＝44.8mA、直流しきい値電圧V_th5＝1.77V
であった。これをステップ46の近似式に代入し、 △T_i（4D）＝2.9℃、R_th（4D） ＝36.6℃/Wを得た。

［発明の効果］ この発明によれば、次の効果がある。

（ア）従来装置の恒温槽が不要になるので恒温槽温度と
LD温度が熱平衡するまでの長時間の与熱待ち時間が不要
になり測定作業も簡単になる。

（イ）従来装置はLDの順方向電圧の温度依存性を利用す
る方式のため、LDの電圧温度係数を測定るる電流は電流
発熱を防ぐため小さくなければならず、直流リーク電流
の大きなLDの場合は測定の正確さを欠く。一方、本装置
はLDのしきい値電流の温度依存性を利用する方式のた
め、測定電流は常に大きく、測定の信頼度が向上する。

（ウ）従来装置では、得られるデータは熱抵抗値のみで
あったが、本装置は、さらに、特性温度定数、レーザチ
ップ内層のクロストーク熱抵抗測定はもとより、光出力
特性の測定までも可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるマルチビーム型LDの熱特性測定
装置の構成図、第２図は温度センサ6Aの構成図、第３図
は可変直流電流源１の構成図、第４図は可変パルス電流
源２の構成図、第５図は第４図のアステーブルマルチバ
イブレータの構成図、第６図は第５図のタイミングチャ
ート、第７図は可変電圧源31・41の回路構成図、第８図
は第７図の他の実施例の回路図、第９図は第３図の出力
波形図、第10図は第４図の出力波形図、第11図と第12図
は第１図のフローチャート、第13図と第14図は第１図に
よる特定温度定数とクロストーク熱抵抗と熱抵抗測定の
ための光出力特性データ、第15図はLD4の外観図、第16
図はLD4の構成図、第17図はレーザチップ2Aの部分外観
図、第18図は従来技術によるマルチビームLDの熱抵抗測
定の構成図、第19図と第20図は従来装置による熱抵抗測
定原理図である。 １……可変直流電流源、２……可変パルス電流源、３…
…スイッチ、４……マルチビーム型LD、５……受光素
子、６……温度計、6A……温度センサ、７……増幅器、
８……測定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マルチビーム型LD（４）を駆動する可変直
   流電流源（１）と、 マルチビーム型LD（４）を駆動する可変パルス電流源
   （２）と、 マルチビーム型LD（４）に対し可変直流電流源（１）と
   可変パルス電流源（２）の接続を切り換えるスイッチ
   （３）と、 マルチビーム型LD（４）の発光出力を受光する受光素子
   （５）と、 マルチビーム型LD（４）の温度を測定する温度計（６）
   とを備えることを特徴とするマルチビーム型LDの熱特性
   測定装置。