(57)【要約】【課題】高出力で動作する半導体レーザ素子が組込まれ、駆動時の消費電力が低減し、故障率が従来に比べて半減する半導体レーザモジュールを提供する。【解決手段】歪み多重量子井戸構造から成る活性層を含む半導体の積層構造が基板１の上に形成され、共振器長と低反射膜の反射率を設計パラメータとし、共振器長Ｌが１０００μｍより長く１８００μｍ以下であり、一方の端面に反射率が３％以下の低反射膜Ｓ1が形成され、他方の端面に反射率が９０％以上の高反射膜Ｓ2が形成されている埋込み型半導体レーザ素子Ａと、それを装荷する冷却装置１４と、両者を内部に封入するパッケージ１３と、半導体レーザ素子の一方の端面に配置されたレンズ１５ａとを有する半導体レーザモジュール。【選択図】図４
2006210951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み多重量子井戸構造から成る活性層を含む半導体の積層構造が基板の上に形成され、共振器長と低反射膜の反射率とを設計パラメータとし、
前記共振器長が１０００μｍより長く１８００μｍ以下であり、
一方の端面に反射率が３％以下の前記低反射膜が形成され、他方の端面に反射率が９０％以上の高反射膜が形成されている埋込み型半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を上部に装荷する冷却装置と、
前記半導体レーザ素子と前記冷却装置を内部に封入するパッケージと、
前記半導体レーザ素子の前記一方の端面に配置された少なくとも１個のレンズとを有することを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記レンズを介して、前記半導体レーザ素子の前記の一方の端面に対向配置された光ファイバを有する請求項１の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子において、前記歪み多重量子井戸構造が格子不整合率０.５〜１.５％の圧縮歪み多重量子井戸構造である請求項１または２の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子において、前記基板がＩｎＰから成り、前記活性層がＧａＩｎＡｓＰから成る請求項１〜３のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子において、前記活性層における量子井戸の個数が３〜５個である請求項１〜４のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子において、前記低反射膜が、電子サイクロトロン共鳴スパッタ法で成膜されたＡｌ2Ｏ3膜または誘電体多層膜である１〜５のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子において、発振レーザ光の波長帯域が１２００〜１５００nmである請求項１〜６のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記パッケージの中に、請求項１〜７のいずれかの半導体レーザ素子がペルチェ素子から成る前記冷却装置の上に装荷された状態で封入されている請求項１〜７のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記冷却装置が、複数対のペルチェ素子から成る冷却器を少なくとも２台並列に配置した構造になっている請求項１〜８のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
前記冷却装置は、前記ペルチェ素子の半数をそれぞれ電気的に直列に配列し、その直列に配列したものを並列に配列して形成されている請求項１〜９のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項１１】
前記冷却装置が４０対以上のペルチェ素子から成る請求項１〜１０のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
前記ペルチェ素子の排熱断面積が３０mm2以上である請求項１〜１１のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項１３】
前記パッケージの底板であるベースプレートの厚みが３〜１０mmである請求項１〜１２のいずれかの半導体レーザモジュール。
【請求項１４】
前記光ファイバからの光出力が１８０mW以上である請求項２〜１３のいずれかの半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザモジュールに関し、更に詳しくは、内部吸収による出力低下がないので高出力で動作する埋込み型半導体レーザ素子と、それが組込まれていることにより、駆動に要する消費電力が低減し、かつ故障率も従来に比べて半減し、また、レーザ光を多重化する場合でも損失を低減することができる、最大光ファイバ出力が１８０ｍＷ以上である半導体レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
多重量子井戸構造から成る活性層（発光領域）を有する半導体レーザ素子は、バルク半導体の活性層を有する半導体レーザ素子に比べて高光出力で発振するので、エルビウムドープ光ファイバ増幅器用光源としての実用化研究が進められている。例えば、１.４８μｍ帯域で発振するレーザ素子であって、ＧａＩｎＡｓＰを用いた格子整合系の多重量子井戸構造を有する２次元的ヘテロ構造をＩｎＰ基板に形成することにより、単一横モードが制御されている埋込みＢＨレーザ素子が、光ファイバ増幅器用の光源として実用化されている。そして、この半導体レーザ素子に対しては、更なる高光出力化への要望が強まっている。
【０００３】
このような多重量子井戸構造から成る活性層を有する半導体レーザ素子の高出力化を実現するためには、その共振器長を長くすることが有効であるとされている。共振器長が長い方が、しきい値電流密度が同じであっても大きな電流を流すことができ、そのことにより光出力が高くなるからである。
しかしながら、活性層の多重量子井戸構造が格子整合系になっている場合、共振器長を長くすると、光出力が飽和する駆動電流は大きくなるが、内部吸収による量子効率の低下が支配的となり、むしろ光出力は低下するという問題が発生する。そのため、格子整合系の多重量子井戸構造の半導体レーザ素子においては、その共振器長を１０００μｍ以上にすることは忌避されている。
【０００４】
一方、図１で概略を示した構造の光ファイバ増幅器用励起光源が知られている。この光源は、光出力が１４０ｍＷ程度の２個のレーザモジュールＭ，Ｍからの光出力を光結合器Ｃで合波することにより、光ファイバＦから２５０mW以上の光出力を取り出すものである。そして、この光源に対しても、高出力化の要望は強まっている。
図１で示した光源の場合、レーザモジュールＭ，Ｍからの光出力は光結合器Ｃで合波したときに減衰するため、利用できる光源としての光出力は用いたレーザモジュールから本来期待できる光出力（２台のレーザモジュールの光出力の和）よりも小さくなってしまう。すなわち、レーザモジュールの総駆動電力に対する光ファイバ出射端の光出力比で定義されるエネルギー変換効率は低下する。また、図１では２台のレーザモジュールＭ，Ｍを用いているが、仮にそのうちの１台が故障すれば光源としての機能は消失する。すなわち、この光源は高出力光源としての信頼性に乏しいものになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、共振器長を１０００μｍより長くしても光出力の低下が起こらない半導体レーザ素子を用いることにより、駆動電流の低減が可能で、高い駆動信頼性を備え、そして、波長多重化時における波長多重カプラの損失が小さく、従来の光ファイバ増幅器用の励起光源に比べてより高出力で駆動する励起光源として使用することができ、例えば最大光ファイバ出力が１８０ｍＷ以上である半導体レーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記した目的を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、半導体レーザ素子における光出力の大小は当該レーザ半導体素子の効率と注入電流密度の積算値の大小で規定されるという事実に着目し、この着目点を基礎にして格子整合系の量子井戸構造を有する半導体レーザ素子と格子不整合系の量子井戸構造を有する半導体レーザ素子につき、効率と共振器長との関係を調べたところ、共振器長をある値以上に長くすることにより、従来に比べればより高出力で発光する半導体レーザ素子を製造することが可能であるとの着想を抱き、更に研究を重ねることにより、後述する半導体レーザ素子が組み込まれている半導体レーザモジュールを開発するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明においては、歪み多重量子井戸構造から成る活性層を含む半導体の積層構造が基板の上に形成され、共振器長と低反射膜の反射率とを設計パラメータとし、前記共振器長が１０００μｍより長く１８００μｍ以下であり、一方の端面に反射率が３％以下の前記低反射膜が形成され、他方の端面に反射率が９０％以上の高反射膜が形成されている埋込み型半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を上部に装荷する冷却装置と、前記半導体レーザ素子と前記冷却装置を内部に封入するパッケージと、前記半導体レーザ素子の前記一方の端面に配置された少なくとも１個のレンズとを有することを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【０００８】
その場合、前記半導体レーザ素子において、前記歪み多重量子井戸構造が格子不整合率０.５〜１.５％、好ましくは０.５〜１.１％の圧縮歪み多重量子井戸構造であり、また、前記冷却装置としては、４０対以上のｐ型、ｎ型の導電性を有するペルチェ素子を電気的に交互に配列し、これらを上下２枚のセラミックス基板で狭持させた構成のものが好適である。なお、以後の説明では、ｐ型、ｎ型のペルチェ素子のそれぞれを、１個ずつ対にした場合の数を“対数”と定義する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のモジュールに組み込む半導体レーザ素子は、共振器長と低反射膜の反射率を設計パラメータとして製作され、共振器長が長く、同時に低反射膜の反射率を３％以下にしているので、内部吸収による出力低下を起こしにくく、高出力駆動が可能であり、高光出力の光ファイバ増幅用光源として有用である。
したがって、この半導体レーザ素子を用いて組み立てた本発明の半導体レーザモジュールは、全体としての駆動に要する消費電力が小さく、またはそのレーザモジュールを組み込んだシステムの故障率も従来に比べて半減し、信頼性は高くなる。
【００１０】
更に、本発明のレーザモジュールでは、極めて高い光出力が得られるため、波長合成に偏波合成や偏波合成により合成して使用されていた複数台のレーザモジュールを１台のモジュールで置換することが可能になる。そのため、本発明のレーザモジュールを用いることにより、光ファイバ増幅器に使用される光学系部品の部品数を低減することが可能となり、低コストでコンパクトな構成の励起光源を実現することができる。
【００１１】
このことにより、エルビウムドープ光ファイバ増幅器やラマン増幅器などの光ファイバ増幅器を構成する際に、コンパクトで低価格な高出力光ファイバアンプを提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２と図２のIII−III線に沿う断面図である図３に、本発明のモジュールに組み込まれる半導体レーザ素子の断面構造の１例を示す。
この素子Ａは、例えば有機金属気相成長法、液相法、分子線エピタキシャル成長法、ガスソース分子線エピタキシャル成長法、化学線エピタキシャル成長法などの公知のエピタキシャル成長法により、所定の半導体から成る基板１の上に所定の半導体のエピタキシャル結晶成長を行って後述する積層構造を形成したのち、劈開を行って所定の共振器長（Ｌ）とし、更に一方の劈開面に後述する低反射膜Ｓ１を成膜し、他方の劈開面に高反射膜Ｓ２を成膜し、更に基板１の裏面に下部電極９、積層構造の上面に上部電極８を形成した構造になっている。
【００１３】
図２で示した積層構造は埋込み型ＢＨ構造になっていて、例えばｎ−ＩｎＰから成る基板１の上に、例えばｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層２、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３、例えばＧａＩｎＡｓＰから成る格子不整合系の多重量子井戸構造の活性層４、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５が順次積層されており、更に、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５の上に、例えばｐ−ＩｎＰから成る上部クラッド層６、例えばｐ−ＧａＩｎＡｓＰから成るキャップ層７が積層されている。そして、このキャップ層７の上に上部電極８が形成され、また基板１の裏面には下部電極９が形成されている。
【００１４】
また、上記した下部クラッド層２、下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３、活性層４、および上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５の側面に例えばｐ−ＩｎＰ層１１とｎ−ＩｎＰ層１２をこの順序で積層することにより、活性層４への電流注入用の狭窄部が形成されている。
この積層構造において、活性層４は歪み多重量子井戸構造で構成されている。具体的には、基板１に対して格子不整合率が＋０.５〜＋１.５％、好ましくは０．５〜１．１％となるような圧縮歪み多重量子井戸構造になっている。そして井戸数は３〜５個であることが好適である。
【００１５】
この格子不整合率が絶対値で０.５％より小さい場合には、活性層４は格子整合系の場合と同様の挙動を示して、例えば共振器長（Ｌ）が１０００μｍである場合、その光出力は高々２００mWであるにすぎない。またこの格子不整合率が１.５％より大きい場合には、結晶歪みの緩和が生じて結晶性が劣化し、レーザ素子の特性劣化が生ずるといった問題が発生して不適当となる。とくに、井戸数が多くなるにしたがい、また井戸層厚が厚くなるほど、重大な問題となる。
【００１６】
また、この半導体レーザ素子の場合、上記した格子不整合系の多重量子井戸構造で活性層４を構成し、また後述するように光出射端面に成膜されている低反射膜Ｓ１の反射率を３％以下に設定することにより、その共振器長（Ｌ）を１０００μｍより長くしても高出力の発光を実現することができる。しかしながら、共振器長（Ｌ）を１８００μｍより長くすると、上記した要件を付与したとしてもやはり内部吸収による光出力の低下が認められるので、共振器長（Ｌ）は、１０００μｍより長く１８００μｍ以下に設定される。
【００１７】
その場合、光出射端面に成膜される低反射膜Ｓ１の反射率は３％以下、他方の端面に成膜される高反射膜Ｓ２の反射率は９０％以上に設定される。
とくに低反射膜Ｓ１の反射率は３％以下であることが必要で、３％より大きい反射率にすると効率が低下して光出力が低下してしまう。
この低反射膜Ｓ１は、例えばＡｌ２Ｏ３の単層や、例えばＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２を交互に積層したような誘電体多層膜であることが好ましい。また、この低反射膜Ｓ１の成膜に際しては、例えばプラズマＣＶＤ法（ＰＣＶＤ法）や電子サイクロトロン共鳴スパッタ法（ＥＣＲスパッタ法）などを適用することができるが、信頼性の高い低反射膜を成膜できるという点でＥＣＲスパッタ法を適用することが好ましい。
【００１８】
次に本発明の半導体レーザモジュールの例Ｂ１を図４に示し、それを説明する。
このモジュールＢ１は、既に説明したレーザ素子Ａが後述する複数対のペルチェ素子１４ａから成る１個の冷却装置１４に装荷された状態でパッケージ１３の中に封入された構造になっている。
そして、レーザ素子Ａの光出射端面側にはコリメータレンズ１５ａが配置され、更にパッケージ１３の前面には集光レンズ１５ｂを介して、光ファイバ１６が配置され、またレーザ素子Ａの背面にはホトダイオード１７が配置されている。
【００１９】
このモジュールＢ１において、冷却装置１４はレーザ素子Ａの作動時に発生する熱を吸熱して当該レーザ素子Ａの熱飽和を緩和するために設けられ、それは、半導体レーザ素子Ａの近傍に固定されたサーミスタ（温度センサ）１８により半導体レーザ素子Ａの温度をモニタしつつ、その指示温度が一定温度となるようにペルチェ素子１４ａに流す電流を制御することにより実現される。
【００２０】
その場合、レーザモジュールＢ１が置かれている環境の温度と、半導体レーザ素子Ａが一定に制御される温度（上記したサーミスタ１８の指示温度）との差が大きいほど、冷却装置１４に加わる負荷は大きくなり、その結果、冷却装置１４の消費電力が大きくなり、またレーザモジュールＢ１全体の消費電力も大きくなる。
一定の使用条件（半導体レーザ素子Ａの発生熱量や環境温度などが一定）下における冷却装置１４の消費電力は、用いるペルチェ素子１４ａの大きさやゼーベック係数の大きさなどの特性にも依存するが、概ね、使用対数が４０対より少ない場合は大きくなり、モジュールＢ１総体の消費電力もまた大きくなる。そのようなことから、ペルチェ素子の使用対数は４０対以上に設定することが好ましい。
【００２１】
なお、上記した構造において、ペルチェ素子１４ａから成る冷却装置１４が固定されているパッケージのＣｕ−Ｗ製ベースプレート１３ａの厚みを厚くすると、冷却装置１４からベースプレート１３ａを通ってレーザモジュール外部のヒートシンク（図示しない）へ排出される熱がベースプレート１３ａを通過する間に拡散するので、上記排熱経路の実効的な熱抵抗を下げることができ、そのことにより、冷却装置１４の負荷が軽減されて冷却効果は増大する。そのため、冷却装置１４の消費電力を低く押えることが可能になるとともに、より高温の環境下においてもレーザモジュールＢ１を安定して動作させることが可能になる。
【００２２】
しかしながら、ベースプレート１３ａの厚みを過度に厚くすると、上記した熱の拡散による熱抵抗の低減効果よりも、放熱経路が長くなることに基づく熱抵抗の増加が支配的となり、冷却装置１４による冷却効果はかえって小さくなる。
ベースプレート１３ａの厚みは、このようなトレードオフ関係における最適範囲として設定されることが好ましい。
【００２３】
次に、本発明の半導体レーザモジュールの別の例Ｂ２を図５に示す。
このモジュールＢ２は、複数対のペルチェ素子１４ａから成る冷却器１４Ａと、複数対のペルチェ素子１４ｂから成る冷却器１４Ｂがパッケージ１３の中に電気的に並列に配置された構造になっている。
この構造の場合には、一定の使用条件（半導体レーザ素子Ａの発熱量、サーミスタ１８の温度、およびレーザモジュールＢ２が置かれている環境温度が同一）下でのモジュール総体としての消費電力は、ペルチェ素子の総数が同じであれば、モジュールＢ１と略同等であるが、冷却器の動作電圧を低減することができ、例えば汎用の安価な５ボルト電源を用いて冷却器を駆動することができるという利点を有している。
【実施例】
【００２４】
実施例１
１）半導体レーザ素子の製造
ｎ−ＩｎＰ基板１の上に、ｎ−ＩｎＰの下部クラッド層２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３、１.０ｅＶの禁制帯幅を有するＧａＩｎＡｓＰをバリア層に用いて、量子井戸数が５で、＋０.８％の格子不整合率を有する圧縮歪み多重量子井戸構造の活性層４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５、ｐ−ＩｎＰの上部クラッド層６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰのキャップ層７から成る積層構造をＭＯＣＶＤ法で形成し、ｐ−ＩｎＰ層１１、ｎ−ＩｎＰ層１２で電流狭窄部を形成することにより、図３で示した埋込み型ＢＨ構造を製造した。
【００２５】
そして、全体を劈開して各種の共振器長（Ｌ）とし、一方の劈開面にＥＣＲスパッタ法で反射率３％の低反射膜Ｓ１をＡｌ２Ｏ３で成膜し、他方の劈開面に同じくＥＣＲスパッタ法で反射率９８％の高反射膜Ｓ２を成膜して図２で示した実施例素子とした。
比較のために、活性層４を、ＧａＩｎＡｓＰから成る格子整合系の量子井戸構造で形成したことを除いては、実施例素子と同様にして素子を製造した。これを比較例素子１とする。
【００２６】
２）素子の特性
これら２個の素子につき、共振器長（Ｌ）を変えたときの最大光出力を測定した。その結果を図６に示す。
図６から明らかなように、比較例素子１の場合は、全体として最大光出力が低いだけでなく共振器長（Ｌ）が８００μｍ以上になると内部吸収による最大光出力の低下が認められる。しかしながら、実施例素子の場合は、共振器長（Ｌ）が１２００μｍを超えるまで内部吸収による光出力の低下は認められず、しかも、その最大光出力は３１０ｍＷ程度であり、高出力動作をしている。
【００２７】
３）低反射膜Ｓ１の影響
実施例素子の作製時に、高反射膜Ｓ２の反射率は９８％としたまま反射率５％の低反射膜Ｓ１を成膜して共振器長（Ｌ）が異なる素子を製造した。低反射膜の反射率が５％のものを比較例素子２とする。ここで、低反射膜Ｓ１はＰＣＶＤ法を適用して成膜された。
前記した実施例素子と比較例素子２につき、共振器長（Ｌ）を変化させたときの最大光出力を測定した。その結果を図７に示す。
【００２８】
図７から明らかなように、積層構造は実施例素子のそれと同じであっても、低反射膜Ｓ１の反射率が３％より大きくなると、内部吸収が支配的となり最大光出力は大幅に低下してしまう。
なお、共振器長（Ｌ）が１２００μｍである実施例素子において、反射率３％の低反射膜（Ａｌ２Ｏ３）Ｓ１を電子線ビーム（ＥＢ）蒸着法とＥＣＲスパッタ法で成膜して、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）信頼性試験を行ってみた。
【００２９】
１０００時間運転後における動作電流の変化率は、前者の場合には０.６％であった。しかし、後者の場合は０％であった。
以上のことから明らかなように、低反射膜Ｓ１の反射率は３％以下に設定することが必要であり、その際、低反射膜Ｓ１はＥＣＲスパッタ法で成膜することが好適であることがわかる。
【００３０】
実施例２
近年、エルビウムドープ光ファイバ増幅器の外にラマン増幅器の研究開発が活発に行われているが、この励起光源としては、任意の波長帯において高出力である励起光源が要求されている。
そこで、活性層組成を変化させて発振波長が１１５０ｎｍから１５５０ｎｍまで発振するレーザ素子を実施例素子として作製した。なお、このレーザ素子の共振器具（Ｌ）は、１２００μｍとし、端面反射率は低反射側が３％に、高反射側は９８％に設定した。
【００３１】
上記レーザ素子の最大光出力の発振波長依存性を図８に示す。１２００ｎｍから１５５０ｎｍの発振波長で、３００ｍＷ以上の最大光出力が得られたが、発振波長が、短波長になるにつれて、光出力は低下する傾向にある。これは、短波長領域ではＩｎＰクラッドと光閉じ込め層とのエネルギー差であるヘテロ障壁が小さくなるため、この障壁を越えて流れる非発光電流成分が増加するためである。
【００３２】
また、発振波長の長波長化のためには、量子井戸構造における井戸層厚を厚くする手法が１例として考えられるが、このような手法では、長波長側ほど井戸層厚の厚膜化により活性層に蓄えられる歪みエネルギーが大きくなり、結晶性の劣化要因が生ずるものと考えられる。
一方、光通信システムの受光素子には、ＧａＩｎＡｓを材料とする受光素子が用いられており、この受光素子は、１６５０ｎｍ近傍に吸収端があるために受光感度が急激に低下する。このために、信号光源の波長としては、長波長側で１６５０ｎｍ程度が限界となる。このような制約のもとで、この信号を増幅するために必要なラマン増幅器の励起光源としては、１００ｎｍ程度短波長の１５５０ｎｍ程度の高光出力励起光源が必要となる。
【００３３】
したがって、１２００ｎｍ以上１５５０ｎｍ以下の波長帯域において、本発明の光半導体レーザ素子は、とくに高出力を得ることが可能であり、１４８０ｎｍ帯域で発振するエルビウムドープ光ファイバ増幅器励起用光源の外に、ラマン増幅器の高出力光源にも好適に使用することができる。
なお、実施例素子においては、ＧａＩｎＡｓＰ系の材料を用いたが、ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓなどの材料を用いても、上記波長帯域のレーザ素子を作製することができる。
【００３４】
以上の実施例素子ではｎ−ＩｎＰ基板を用いたがｐ−ＩｎＰ基板の場合でも同様の効果が得られた。
実施例３
共振器長（Ｌ）が１２００μｍである前記した実施例素子を用いて図４、図５で示したレーザモジュールＢ１，Ｂ２を組み立てた。
【００３５】
なお、この実施例素子は、駆動電圧２.５Ｖ、駆動電流１.１Ａにおいて端面光出力２８０ｍＷで動作する半導体レーザ素子である。したがって、この実施例素子の発熱量（ＱＬＤ）は１.１（Ａ）×２.５（Ｖ）−０.２８（≒０.３）Ｗ≒２.５Ｗとなる。
このとき、冷却装置１４を構成するペルチェ素子１４ａとしては下記仕様のものを用いた。
【００３６】
形状：縦０.６４mm、横０.６４mm、高さ０.８２mmの直方体バルク。
特性：ゼーベック係数２.０×１０−４Ｖ／Ｋ、性能指数２.８×１０−３／Ｋ、抵抗率１.１×１０−５Ωｍ、熱伝導率１.３Ｗ／Ｋ／ｍ。
図４に示したレーザモジュールＢ１については、４０対、５０対のペルチェ素子を直列接続した場合について、また図５に示したレーザモジュールＢ２については２５対の直列接続された、ペルチェ素子から成る冷却器を２台並列に接続した場合について、実施例素子の発熱量（ＱＬＤ）を２．５Ｗ、環境温度を５０℃とし、サーミスタ温度を２５℃に保持した状態で駆動したときの、冷却器の駆動電流（Ｉｃ）、駆動電圧（Ｖｃ）、消費電力（Ｗｃ）を見積った。
【００３７】
なお、比較例として、ペルチェ素子の対数が３０である従来設計の冷却器を用いた場合についても同様の検討を行なった。
以上の結果を図９と表１に示した。
【００３８】
【表１】
2006210951.tif 000003
【００３９】
図９および表１から次のことが明らかである。
（１）ペルチェ素子の使用対数が４０対より少なくなると、レーザモジュールＢ１，Ｂ２のいずれにおいても、冷却装置の駆動電流は大きくなり、冷却装置の消費電力も大きく、レーザモジュールの全体としての消費電力も大きくなっている。
（２）他方、ペルチェ素子の使用対数が４０対より多くなると、冷却装置の駆動電圧は高くなるものの、冷却装置の消費電力、レーザモジュールの全体としての消費電力はいずれも小さくなっており、４０対使用の場合、および５０対使用の場合は、いずれも、３０対使用の場合に比べて１Ｗ以上の改善が認められる。
【００４０】
（３）なお、ペルチェ素子を直列に接続する数を多くすると直列抵抗が大きくなるため、とくに、高温環境下でレーザモジュールを使用する場合などにおいては、冷却器の両端の電圧降下が大きくなって、汎用の安価な５Ｖ電源が使用できなくなるという問題がある。このため、表１および図５で示したようにペルチェ素子２５対を直列に接続した冷却器を２台並列に接続した状態で使用することにより、冷却装置の消費電力、レーザモジュールの全体としての消費電力に関しては、５０対から成る１個の冷却装置使用の場合と同様の効果を得ることができる。また、１台の冷却器内部のペルチェ素子の半数を、図１０で示したように、それぞれ、ｐ型およびｎ型のペルチェ素子が交互となるように電気的に直列に接続し、更にこれらを電気的に並列に配列して形成される冷却器を用いても冷却装置の冷却能力を下げることなく、より低い電圧で駆動することが可能になるので、汎用の安価な５ボルト電源による駆動が可能になる。
【００４１】
２台の冷却器を使用する場合には、そのうちの少なくとも１台の冷却装置においてペルチェ素子を電気的に並列接続としてもよい。
つぎに、比較例（従来例）である３０対のペルチェ素子より成る冷却器を使用したレーザモジュールと、５０対のペルチェ素子より成る冷却器を使用したレーザモジュールを作製した。ここで使用した半導体レーザ素子は、実施例１および実施例２および３に示した共振器長１２００μｍの半導体レーザ素子である。これらのレーザモジュールについて、環境温度６５℃の下で半導体レーザ素子の発熱量を種々に変化させ、サーミスタ１８の指示温度が２５℃となるように制御した場合の冷却器の消費電力を調べた。その結果を、図１１に示す。
【００４２】
図１１から明らかなように、３０対のペルチェ素子より成る冷却器を使用したレーザモジュールでは、半導体レーザ素子の発熱量が２．２５Ｗ以上の領域では、発生する熱を排出することができなかった。これに対して、５０対のペルチェ素子より成る冷却器を使用したレーザモジュールでは、発熱量が２Ｗ以上の領域において比較例よりも消費電力が低く抑えられており、また、発熱量が２．５Ｗの場合であっても充分な冷却性能を有し、さらに２．９Ｗ以上の発熱まで冷却可能であった。このように、半導体レーザ素子の共振器長が１０００μｍ以上となる本発明の半導体レーザ素子を、とくに高い光出力領域において冷却するには、本実施例で示したようなペルチェ素子の対数が４０対以上である冷却器を使用することが好適である。
【００４３】
なお、本実施例では、ペルチェ素子の大きさとして、縦０．６４ｍｍ，横０．６４ｍｍの大きさのものを使用したが、ペルチェ素子の大きさはこれに限定されるものではない。すなわち、４０対のペルチェ素子から成る冷却器においては、排熱に寄与するペルチェ素子の総断面積（なお、本発明においては、これを「排熱断面積」という）は、０．６４（ｍｍ）×０．６４（ｍｍ）×４０（対）×２＝３２．８ｍｍ２であるから、約３０ｍｍ２以上の排熱断面積を有する冷却器であれば、ペルチェ素子の数が４０対より少ないものであっても、本発明の効果を奏することは明らかである。
【００４４】
ここで、上記した実施例３のレーザーモジュールＢ１１個を用い、また図１で示したように、ペルチェ素子から成る冷却器を有する光ファイバ出力１４０ｍＷのレーザモジュール２個を用いて、それぞれ、ファイバ出射端の光出力が２５０ｍＷとなるような光ファイバ増幅器励起用光源を組み立てた場合を想定し、両者それぞれについて、環境温度５０℃、サーミスタ温度２５℃の条件下における運転仕様を表２に示す。
【００４５】
【表２】
2006210951.tif 000004
【００４６】
表２から明らかなように、要求されるファイバ出射端の光出力が２５０ｍＷ以上の励起用光源の駆動において、実施例３のレーザモジュール１個を用いた場合の方が、従来の場合に比べてシステム全体としての消費電力は小さくなっている。
つぎに、上記光ファイバ増幅器励起用光源を構成するレーザモジュールにおける半導体レーザ素子の活性層の温度を比較するとともに、上記した光ファイバ増幅器励起用光源において、両者とも半導体レーザ素子の摩耗故障の活性化エネルギー（Ｅａ）が同等であるとした場合の両システムの故障率を算出した。その結果を表３に示す。
【００４７】
表３における熱抵抗は、サーミスタの温度を２５℃に保持した場合の半導体レーザ素子とサーミスタ間の熱抵抗を示している。実施例２において、熱抵抗は、１２（Ｋ／Ｗ）と比較例の２／３となっている。これは、実施例２における半導体レーザ素子の共振器長が１２００μｍであるため、共振器長が８００μｍの比較例の半導体レーザ素子の場合よりも放熱面積が増大したためである。このとき、半導体レーザ素子における活性層の温度Ｔｊ（Ｋ）は
Ｔｊ（Ｋ）＝サーミスタの温度（２５℃）＋２７３（Ｋ）
＋熱抵抗（Ｗ／Ｋ）×レーザ発熱量（Ｗ）で表わされる。
【００４８】
したがって、実施例２の場合は、
Ｔｊ（Ｋ）＝２５（℃）＋２７３（Ｋ）＋１２（Ｋ／Ｗ）
×２．４５（Ｗ）＝３２７（Ｋ）
となり、比較例の場合は同様に
Ｔｊ（Ｋ）＝２５（℃）＋２７３（Ｋ）＋８（Ｋ／Ｗ）
×１．４５（Ｗ）＝３２４（Ｋ）
となる。
【００４９】
両者を比較すると、レーザ発熱量が、実施例では、約１．７倍程度比較例よりも大きいにもかかわらず、活性層の温度は、ほぼ同程度であり、共振器長を長くしたことにより活性層の温度上昇を抑制することができる。
一方、レーザモジュールの故障率は、
レーザモジュール故障率（ＦＩＴ）＝レーザ摩耗故障率（ＦＩＴ）
＋レーザ偶発故障率（ＦＩＴ）＋結合系故障率（ＦＩＴ）
で表わされ、光ファイバ増幅器励起用光源としての総故障率は、
総故障率（ＦＩＴ）＝レーザモジュール故障率（ＦＩＴ）×（構成するレーザモジュールの台数）となる。
【００５０】
したがって、表３から明らかなように、実施例３のような構成で、２５０ｍＷの光ファイバ増幅器励起用光源を構成した方が、総故障率は１９６０（ＦＩＴ）と、従来のレーザモジュール（１４０ｍＷ）を２台用いた励起用光源の総故障率の約５０％となり、信頼性の高い励起光源が実現されている。
なお、構成するレーザモジュールの台数が増加すればするほど、総故障率の点で、本発明が有効であることは言うまでもない。
【００５１】
【表３】
2006210951.tif 000005
【００５２】
また、図４に示したレーザモジュールＢ１において５０対のペルチェ素子から成る冷却器を使用し、冷却器の下部からＣｕ−Ｗから成るベースプレート１３ａに流れ込む熱量が１０ＷとなるようにレーザモジュールＢ１の駆動条件（半導体レーザ素子の駆動電流、サーミスタの温度、冷却器の駆動電流を調整）を設定した。このとき、ベースプレート１３ａ下面の温度、すなわちレーザモジュールＢ１が固定されている図示しないヒートシンクの温度は２０℃に保たれるように制御した。この状態で、冷却器の下のベースプレート１３ａの厚みを種々変化させた各場合について、冷却器の下面の温度、すなわちベースプレート１３ａ上面の温度を測定した。
【００５３】
なお、比較例として、従来構造であるベースプレートの厚さ１ｍｍの場合についても同様の測定を実施した。これらの結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
2006210951.tif 000006
【００５５】
表４から、次のことがわかる。すなわち、ベースプレート１３ａの厚みを０．１ｍｍから順次厚くしていくと、ベースプレート上面の温度と下面の温度（一定：２０℃）との温度差は小さくなるが、ベースプレートの厚さが１０ｍｍ以上となると、かえって温度差は大きくなっている。ベースプレート上面と下面間の温度差がこのような傾向を示す原因は、Ｃｕ−Ｗ製ベースプレート１３ａの厚みを厚くすることにより、冷却器１４の下面からベースプレート１３ａを通ってレーザモジュール外部のヒートシンク（図示しない）に排出される熱がベースプレート１３ａを通過する間に拡散するため、上記排熱経路の実効的な熱抵抗を下げることが可能となる一方で、ベースプレート１３ａの厚みを過度に厚くすることにより、上記した熱の拡散による実効的な熱抵抗の低減効果よりも放熱経路が長くなることに基づく熱抵抗の増加が支配的となるためであると考えられる。ベースプレート１３ａの厚さは、このようなトレードオフ関係における最適範囲として決定されることが好ましく、具体的には３〜１０ｍｍの値とするのが好適である。ベースプレート１３ａの厚さがこのような範囲に選択されたレーザモジュールは、ベースプレートの上面と下面間の温度差が小さいため、冷却器の負荷が低減され、低消費電力での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】光ファイバ増幅器励起用光源を示す概略図である。
【図２】本発明の半導体レーザ素子Ａを示す側面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の半導体レーザモジュールＢ１を示す概略図である。
【図５】本発明の別の半導体レーザモジュールＢ２を示す概略図である。
【図６】実施例素子と比較例素子１における共振器長と最大光出力との関係を示すグラフである。
【図７】実施例素子と比較例素子２における共振器長と最大光出力との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の半導体レーザ素子の最大光出力の波長依存性を示すグラフである。
【図９】レーザモジュールにおけるペルチェ素子の使用対数とペルチェ消費電力との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３のレーザモジュールにおいて採用される冷却器内部のペルチェ素子の電気的接続を示す図である。
【図１１】実施例３において作製された半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ素子の発熱量と冷却器の消費電力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
Ｍ      レーザモジュール
Ｃ      光結合器
Ｆ      光ファイバ
Ｌ      共振器長
Ｓ1      低反射膜
Ｓ2      高反射膜
Ａ      レーザ素子
Ｂ1，Ｂ2    レーザモジュール
１      基板
２      下部クラッド層
３      下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
４      活性層
５      上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
６      上部クラッド層
７      キャップ層
８      上部電極
９      下部電極
１１    ｐ−ＩｎＰ層
１２    ｎ−ＩｎＰ層
１３    パッケージ
１４，１４Ａ，１４Ｂ    冷却装置
１４ａ，１４ｂ    ペルチェ素子
１５ａ    コリメータレンズ
１５ｂ    集光レンズ
１６    光ファイバ
１７    ホトダイオード
１８    サーミスタ
【図１】
2006210951.tif 000007
【図２】
2006210951.tif 000008
【図３】
2006210951.tif 000009
【図４】
2006210951.tif 000010
【図５】
2006210951.tif 000011
【図６】
2006210951.tif 000012
【図７】
2006210951.tif 000013
【図８】
2006210951.tif 000014
【図９】
2006210951.tif 000015
【図１０】
2006210951.tif 000016
【図１１】
2006210951.tif 000017