JPS63136680A - 半導体レ−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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は半導体レーザ装置、特にその発振波長を一定に
制御できる半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術） 一般に半導体レーザでは、過大出力によるレーザ破壊を
防ぎ、かつ安定した動作を行わせるために、発振出力光
強度をモニタし、その値を基準値と比較し、その大小で
レーザの駆動電流を制御する発振出力制御が必要である
。また、半導体レーザを、光ファイバを通す光通信、ま
た光の透過率を測′定するような計測の用途に用いる場
合、発振出力制御に加えて波長制御することが求められ
る。

第９図はＧａＡ　Ｉ　ＡＳ半導体レーザの発振出力を一
定に保つように駆動電流を制御した状態で、温度を変化
させた場合の発振波長の変化を示す。

従来、発振波長を一定に保つためには、出力強度が一定
になるように電流を制御した状態で、パッケージ全体の
温度を一定に保つという間接的な方法で行われてきた。

第１０図はその様な目的に用いられる半導体レーザ装置
の一例である。この装置では半導体、レーザペレット（
６６）がペレットキャリアー（６７）され、ざらにこの
キャリアーはゼーベック効果を利用した電子式冷却加熱
装ｆｉｌ（６８）にマウントされている。ベレットキャ
ラ・リアーには温度測定用のセンサー（６９）が固着さ
れている。半導体レーザペレット（６６）の光出力端面
と反対側の端面からの出射光に対しホトダイオード（７
０）が設置されており、これによって発振出力光の強度
をモニターする。以上の部品は全体として一個の気密パ
ッケージ（７１）内に治められており、ざらに電子式冷
却加熱装置（Ｂ８）の放熱のためパッケージにはヒート
シンク（７２）が取り付けられる。

発振出力の安定化のためにはモニター用ホトダイオード
の検出出力を誤差増幅器（７３）によって基準電圧（７
４）と比較し、この誤差増幅器（７３）の出力によりペ
レットの駆動電流を制御することによゴて行う。なお、
これにより光出力は一定に保たれる。一方、温度の安定
化のためには温度センサー（６９）の出力を誤差増幅器
（７５）によって基準電圧（７６）と比較し、この誤差
増幅器（７５）の出力によって電子式冷却加熱装！！（
６Ｂ）を駆動することによって行う。

即ち、半導体レーザの発振波長の安定化制御は、出力光
強度モニターからの帰還によって光出力を一定に保ち、
かつパッケージの温度を一定に保つことにより行なわれ
ている。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に半導体レーザの発振波長の温度特性はペレット毎
に大幅に異なっている。このため上述の温度安定化によ
る発振波長の制御方式では、レーザ毎に分光器等によっ
て予め発振波長を正確に測定し、求める波長が得られる
ペレットキャリア一温度を求めて、温度制御を行う必要
がある。

第１１図は、ペレットキャリア一温度を一定として駆動
電流を変化した場合の発振波長の変化を示す。これは、
ペレットとベレットキャリアー問の熱抵抗により、例え
ば温度を一定に保っても駆動電流が変化する状態では、
接合部の温度が変化し、発振波長が変化することを示し
ている。また半導体レーザを一定先出力で動作させた場
合の駆動電流は、ベレット自身の劣化により、第１２図
に示す様に時間と共に変化する。つまり、一定光出力で
動作させるために必要な駆動電流は時間と共に増大する
。

このため、上述の光出力を一定とし、かつパッケージ温
度を一定に保つ方法では、半導体レーザベレットの長時
間に渡る動作点の変動による発振波長を補償することが
できない。またレーザの駆動電流が一定でも、パッケー
ジ温度が大巾に変動した場合、瞬間的にベレット発光部
位とベレットキャリアーの温度検出部位に温度差が生じ
発振波長のずれが発生等の場合がある。

つまり、従来技術では、個々の半導体レーザそれぞれに
ついて、目的とする波長を博るための動作温度を設定す
る必要があり装置の互換性に乏しい。半導体レーザの発
振波長制御の方法としては間接的なものでおり、長時間
動作下におけるベレットの温度−波長特性の変動に対応
できない。また、動作環境の大幅な変化による瞬時の発
振波長の変動には対応出来ないという欠点を有している
。

なお、特開昭６１−９５５８４号公報には、相互に波長
感度が異なる２つの光／電気変換器で出力光を電気信号
に変換し、その電気信号の差が零となるように発光素子
の温度を制御するものが記載されいる。しかしながら、
このものでは光出力の制御が出来ないという欠点がある
。

本発明はより簡便で半導体レーザ毎の互換性が高く、長
時間使用においても波長制御性が良い半導体レーザ装置
を提供するものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、半導体レーザと、この半導体レーザの出力光
の一部を受光する半導体レーザ光の制御波長帯域におい
て感度が波長に対して依存しない第１の光検出器と、半
導体レーザの出力光の一部を受光する感度が波長に対し
て単調に依存する第２の光検出器と、第１の光検出器の
出力の第１の基準値からのずれを求める第１の誤差増幅
器と、この第１の誤差増幅器の出力によって駆動され第
１の誤差増幅器の出力が一定になるように半導体レーザ
の駆動電流を上下するための電流制御装置と、第２の光
検出器の出力の第２の基準値からのずれを求める第２の
誤差増幅器と、この第２の誤差増幅器の出力によって駆
動され第２の誤差増幅器の出力が一定になるように半導
体レーザの温度を上下するための温度制御装置とを備え
たことを特徴とする半導体レーザ装置である。

更には、半導体レーザと、この半導体レーザの出力光の
一部を受光する感度が波長に依存しない光検出器と、透
過率が波長の測定域において波長に対して単調に変化す
るフィルターを光検出器の前面で所定の周期で扱き差し
する手段と、その扱き差しの周期にあわせて光検知器の
出力を同期検波し、フィルターが有る場合と無い場合の
光検出器の出力を得る手段と、フィルターが有る場合の
光検出器の出力の第１の基準値からのずれを求める第１
の誤差増幅器と、この第１の誤差増幅器の出力によって
駆動され第１の誤差増幅器の出力が一定になるように半
導体レーザの温度を上下するための温度制御装置と、フ
ィルターが無い場合の光・検出器の出力の第２の基準値
からのずれを求める第２の誤差増幅器と、この第２の誤
差増幅器の出力によって駆動され第２の誤差増幅器の出
力が一定になるように半導体レーザの駆動電流を上下す
るための電流制！ｌＩ装置とを備えたことを特徴とする
半導体レーザ装置である。

（作　用） 本発明では、感度が波長に単調に依存する光検出器を備
えているので、光出力が一定であれば、その検出器の検
出出力は半導体レーザの発振波長と一対一で対応する。

従って、光出力を一定に制御しつつ、感度が波長に単調
に依存する光検出器の出力で半導体レーザの動作温度を
制御すれば、半導体レーザの発振波長を一定に保つこと
ができる。従って、従来技術に比べより一層の正確な波
長制御が、長期間にわたって可能となる。

（実施例） この発明の一実施例の半導体レーザ装置を第１図を参照
して説明する。

半導体レーザペレット（１）は熱伝導が良好な金属から
なるペレットキャリアー（２）に固着されてあり、ペレ
ットキャリアー（２）は電子式冷却加熱素子（３）上に
固着されている。これらの部品はすべて気密パッケージ
（４）内におさめられている。レーザ出力光はレンズ（
５）で平行光にされた後ビームスプリッタ（６）によっ
てその一部が取り出される。この光はビームスプリッタ
（７）によって二分割され、一方は感度が波長に依存し
ない光検出器（８）に、また他方は波長に対して透過率
が単調に変化する光学フィルター（９）を通して同じく
感度が波長に依存しない光検出器（１０）にそれぞれ入
射される。なお、光学フィルター（９）と光検出器（１
０）により感度が波長に単調に依存する光検出器が構成
される。第２図ａはここで用いた光学フィルタ（９）の
波長に対する透過率の特性を示す。

さて、検出出力が波長に対して依存しない光検出器の出
力Ａを基準電圧（１４）と比較し、誤差増幅器（１５）
の出力によって発振出力が一定になるようレーザの駆動
電流を制御する。一方、検出出力が波長に対して単調に
依存する光検出器の出力Ｂを、第２図すに示す設定波長
に対応する基準電圧（１７）と比較し、誤差増幅器（１
８）の出力によって電子式冷却加熱素子の駆動電流を制
御し、温度をコントロールする。

このように本発明では、感度が波長に単調に依存する光
検出器を備えているので、光出力が一定であれば、その
検出器の検出出力は半導体レーザの発振波長と一対−で
対応する。従って、光出力を一定に制御しつつ、感度が
波長に単調に依存する光検出器の出力で半導体レーザの
動作温度を制御すれば、半導体レーザの発振波長を一定
に保つことができる。これにより、従来技術に比べより
一層の正確な波長制御が、長期間にわたって可能となる
。

第３図は、上述の実施例の半導体レーザ装置の発振波長
の温度特性を従来技術と対比して示したものである。第
３図ａは従来技術を示し、同図すは本発明の場合を示す
。従来のペレットキャリアの温度を安定化する方法での
外気温度変化（５ｏ）に対する発振波長の変化（５１）
は、温度の急激に変化する場合にモードのホッピングに
よる発振波長の変動（５２）が観測された。一方、本発
明の半導体レーザ装置では外気温度の変化（５３）に対
して発振波長（５４）は全く変動が認められなかった。

上述の実施例ではレーザ光を一度平行光に直して光検出
器に入射したが、発散光のままでも勿論同様に波長制御
を行うことが出来る。

次に、この発明の他の実施例を第４図を参照して説明す
る。この実施例は、光検出器を２つ用いるのではなく、
１つの光検出器とフィルタを有する回転光チョッパを用
いるものであり、上述の実施例と同様に半導体レーザの
発振波長の安定化を計ることが出来る。

半導体レーザペレット（１９）は熱伝導が良好な金属か
らなるペレットキャリアー（２ｏ）に固着されており、
ペレットキャリアーは電子式冷却加熱素子（２１）上に
固着されている。これらの部品はすべて気密パッケージ
（２２）内におさめられている。レーザ出力光はレンズ
（２３）で平行光にされた後、ビームスプリッタ（２４
）によってその一部が取り出される。ざらにその光は回
転光チョッパ（２５）を通り、光検出器（２６）に入射
する。光検出器（２６）の出力Ｃは２個の同期検波器（
２７）、（２８）に入力される。

第５図は回転式光チョッパ（２５）の断面図であり、波
長に対して透過率が単調に変化する光学フィルターフィ
ルタ一部（２９）及び透過部（３０）を有している。こ
の光チョッパのフィルタ一部及び透過部に対応して光検
出器（２６）の出力Ｃは、第６図ａに示すようなパルス
出力を示す。この出力パルスＣにはフィルターの無い場
合の光検出器の出力（３１）とフィルターのある場合の
光検出器の出力（３２）とが交互に現れる。光チョッパ
の回転に同期して雨検出出力の検波用同期パルス発生器
（３３）よりパルスＤ、Ｅが発生する。パルスＤ、巳は
光チョッパの光透過部及びフィルタ一部に合わせて、第
６図ｂ１Ｃに示すようなパルスとなっていて、それぞれ
同期検波器（２７）、（２８）に入力され、同期検波器
（２１）、（２８）はそれぞ、れフィルターの無い場合
の光検出出力（３１）とフィルターのある場合の光検出
出力（３２）を選択的に取出し、またそれを平滑化する
。

ここで、フィルターの無い場合の光検出（同期検波器（
２７）　）出力Ａを基準電圧（３５）と比較し誤差増幅
器（３４）の出力によって発振出力が一定になるようレ
ーザの駆動電流を制御する。一方、フィルタのある場合
の光検出（同期検波器（２８）　）出力Ｂを基準電圧（
３１）と比較し、誤差増幅器（３６）の出力によって電
子式冷却加熱素子の駆動電流を制御し、温度をコントロ
ールする。このようにして、上述の実施例と同様に半導
体レーザの発振波長の安定化がなされる。

次に、光検出器を気密パッケージ内に封入した実施例に
つき、第７図を参照して説明する。

即ち、この実施例では、レーザペレット（３８）は良好
な熱伝導を有するベレットキャリアー　（３９）に固着
されており、このペレットキャリアー（３９）は電子式
冷却加熱素子（４０）に固着されている。

ベレットキャリアー（３９）には、同一基板上に形成し
た感度が波長に依存しないものと依存するものの２個の
光検出器としてＳ１ホトダイオード（４１）が固着され
ており、レーザペレットの出射端面と反対の端面からの
放出光が入射する。このホトダイオードは、第８図に断
面構造を示すように、２個のホトダイオードの一方の表
面にのみ誘電体多Ｗ１膜又は色ガラスよりなるレーザの
波長制御範囲帯域内において透過率が波長に対して単調
に変化する光フィルターの薄膜（４８）を形成したもの
である。即ち、高抵抗３ｉ基板（４２）に不純物拡散に
よるｎ　層（４３）を形成され、その上にＡＵからなる
電極（４４）を形成され、さらに分割され２領域に不純
物拡散によりｐ−層（４５）、〈４６）を形成され、５
ｔ０２の保護ＪＩ！（４７＞をその両表面に形成した後
、その一方の表面にのみ、光フィルター形成してなる。

なお、（４９）はＡＩＷ極である。

特にこの実施例では、感度が波長に依存する光検出器と
、依存しない光検出器が気密パッケージ内に収容され、
それぞれにレーザペレットの出射端面と反対の端面から
の放出光が入射するので、光検出器に光を導く光学系の
構成が簡略化され、またそれにより半導体レーザ装置が
コンパクトになる。また、同一基板上に２個のホトダイ
オードを形成したがもちろん個別ホトダイオードを用い
てもよい。またＳｉホトダイオードに限らず、レーザの
波長に感度を合わせてＧｅホトダイオード等他の光検出
器を用いてもよい。

［Ｒ明の効果コ 以上の様に本発明に示した半導体レーザ装置によれば、
半導体レーザの発振波長の安定化を簡単な装置で高精度
に達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体レーザ装置を示す図
、第２図は光出力検出器に波長に対して単調な感度依存
性をもたせるための光学フィルターの透過率特性を示す
図、第３図は本発明の半導体レーザ装置と従来装置にお
ける発振波長の温度変化特性を示す図、第４図は本発明
の半導体レーザ装置の他の実施例を示す図、第５図は光
チョッパの断面図、第６図は光検出器の出力波形を示す
図、第７図は本発明の半導体レーザ装置の他の実施例を
示す図、第８図はホトダイオードの断面構造図、第９図
は半導体レーザの発振出力を一定としてパッケージ温度
を変化させた場合の発振波長の変化を示す図、第１０図
は従来の半導体レーザ装置を示す図、第１１図は半導体
レーザのパッケージ温度を一定とし、駆動電流を変化さ
せた場合の発振波長の変化を示す図、第１２図は半導体
レーザの出力を一定としたときの駆ｖＪ電流の経時変化
を示す図である。 （１）・・・半導体レーザペレット、 （２）・・・ベレットキャリアー、 （３）・・・電子式冷却加熱素子、 （４）・・・気密パッケージ、 （８）（Ｉｆ）・・・感度が波長に依存しない光検出器
、（９）・・・光学フィルター、 （１５）（１Ｂ）・・・誤差増幅器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザと、この半導体レーザの出力光の一
   部を受光する前記半導体レーザ光の制御波長帯域におい
   て感度が波長に対して依存しない第１の光検出器と、前
   記半導体レーザの出力光の一部を受光する前記制御波長
   帯域において感度が波長に対して単調に依存する第２の
   光検出器と、前記第１の光検出器の出力の第１の基準値
   からのずれを求める第１の誤差増幅器と、この第１の誤
   差増幅器の出力によつて駆動され第１の誤差増幅器の出
   力が一定になるように前記半導体レーザの駆動電流を上
   下するための電流制御装置と、第２の光検出器の出力の
   第２の基準値からのずれを求める第２の誤差増幅器と、
   この第２の誤差増幅器の出力によって駆動され第２の誤
   差増幅器の出力が一定になるように前記半導体レーザの
   温度を上下するための温度制御装置とを備えたことを特
   徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）前記温度制御装置がペルチェ素子を含むことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置
   。
3. （３）前記第２の光検出器は、感度が波長の測定域にお
   いて波長に依存しない光検出素子と、この光検出素子の
   前面に設置された透過率が波長の測定域において波長に
   単調に依存にフィルターとを有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置。
4. （４）同一基板上に形成された前記半導体レーザ光の制
   御波長帯域において感度が波長に依存しない二個のホト
   ダイオードの一方の表面に誘電体多層膜又は色ガラスか
   らなる光吸収係数が波長に対して単調に変化する薄膜フ
   ィルターを形成して前記第２の光検出器とし、またフィ
   ルターを形成しない他方を前記第１の光検出器とするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体レー
   ザ装置。
5. （５）半導体レーザと、この半導体レーザの出力光の一
   部を受光する感度が波長に依存しない光検出器と、透過
   率が波長の測定域において波長に対して単調に変化する
   フィルターを前記光検出器の前面で所定の周期で抜き差
   しする手段と、その抜き差しの周期にあわせて光検知器
   の出力を同期検波し、フィルターが有る場合と無い場合
   の光検出器の出力を得る手段と、前記フィルターが有る
   場合の光検出器の出力の第１の基準値からのずれを求め
   る第１の誤差増幅器と、この第１の誤差増幅器の出力に
   よつて駆動され第１の誤差増幅器の出力が一定になるよ
   うに前記半導体レーザの温度を上下するための温度制御
   装置と、前記フィルターが無い場合の光検出器の出力の
   第２の基準値からのずれを求める第２の誤差増幅器と、
   この第２の誤差増幅器の出力によつて駆動され第２の誤
   差増幅器の出力が一定になるように前記半導体レーザの
   駆動電流を上下するための電流制御装置とを備えたこと
   を特徴とする半導体レーザ装置。
6. （６）前記温度制御装置がペルチェ素子を含むことを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の半導体レーザ装置
   。