(57)【要約】【課題】従来の技術では、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを高い精度で容易に検査することができない。【解決手段】半導体レーザの検査方法は、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザについての基準電流対光出力特性を取得するステップと、取得した前記特性が示す曲線におけるうねりの回数を計測するステップと、計測した回数に基づいて、前記半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査するステップとを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザについての基準電流対光出力特性を取得するステップと、
取得した前記特性が示す曲線におけるうねりの回数を計測するステップと、
計測した回数に基づいて、前記半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査するステップと
を含む半導体レーザの検査方法。
【請求項２】
前記回数を計測するステップでは、前記半導体レーザの最大定格光出力より高い光出力におけるうねりの回数を計測する
請求項１に記載の半導体レーザの検査方法。
【請求項３】
高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザについての基準電流対光出力特性を取得し、
取得した前記特性が示す曲線におけるうねりの回数を計測し、
計測した回数に基づいて、前記半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査する
半導体レーザの検査装置。
【請求項４】
前記回数を計測する際、前記半導体レーザの最大定格光出力より高い光出力におけるうねりの回数を計測する
請求項３に記載の半導体レーザの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザは、通信、データの記録再生、計測など様々な分野で利用されており、分野に応じていろいろな駆動制御方法が検討されている。なかでも基準電流に高周波電流を重畳する方法は、シングルモードレーザの発光スペクトルをマルチモード化させる最も有効な手法で、多くの分野で使用されている。これは主に半導体レーザのモードホッピング雑音や戻り光誘起雑音を抑制するために利用される手法である。
【０００３】
モードホッピング雑音は、環境温度の変化などにより主たる発光モードが隣接するモードに移動する際の強度変動に起因するものである。戻り光誘起雑音は、出射されたレーザ光が光学部品や光ディスクなどにより反射されて半導体レーザ内部に戻る際に発生する干渉による強度変動に起因するものである。いずれの雑音も発光モードがシングルかそれに近い状態であるときに影響が大きく、基準電流に高周波電流を重畳することにより半導体レーザの発光スペクトルをマルチモード化して、強度変動の影響を複数の発光モードに分散することにより雑音を抑制することができる。
【０００４】
しかしながら、半導体レーザや高周波重畳回路の個体バラツキなどの要因により、基準電流に重畳する高周波電流の振幅が不足してしまい、発光スペクトルが十分にマルチモード化されず雑音を抑制できない場合がある。このため性能不十分な半導体レーザを検査段階で取り除いたり、半導体レーザの実動作時に高周波電流を重畳した効果（以後、高周波重畳効果と呼ぶ）が不足していれば、高周波電流の振幅を大きくして高周波重畳効果を向上させるなどの対策が必要になる。いずれにしても精度良く簡単に高周波重畳効果を確認する検査方法が必要であり、このために従来いくつかの手法が提案されている。
【０００５】
最も直接的な検査方法は、発光スペクトルを光スペクトルアナライザで直接計測する方法であるが、計測器が高価であるため設備投資負担が大きくなることや、被測定個体毎にレーザ光を光ファイバに取り込むための光軸調整が必要で検査が非常に煩雑になってしまうことなどから実際に活用するには問題がある。
【０００６】
こうした中、従来において最も簡便に高周波重畳効果を確認でき、かつ広く一般に認知されている手法として、高周波重畳の有無によって半導体レーザのＩ−Ｌ特性（駆動電流対光出力特性）が変化することを利用する方法がある。これは例えば特許文献１または特許文献２にその詳細が示されているので以下に説明する。図１８は半導体レーザのＩ−Ｌ特性を評価するための測定系を示す図である。その測定系では、電流源２から基準電流３を加算器８に供給するとともに、高周波重畳回路４から高周波電流５を加算器８に供給することにより、半導体レーザ１に基準電流３と高周波電流５を加算して注入できるようになっている。
【０００７】
基準電流３の大きさと高周波電流５の振幅および周波数は可変である。また、半導体レーザ１から出射された光出力７は光パワーメータ６により測定できるようになっており、基準電流３を徐々に大きくしながら光出力７を測定することにより、半導体レーザ１のＩ−Ｌ特性を測定することができるようになっている。高周波電流５を加えても加えなくてもＩ−Ｌ特性の測定は可能である。以後、基準電流３に高周波電流５を加えた状態のことを高周波重畳有り、加えない状態のことを高周波重畳なしと表現する。
【０００８】
図１９は図１８の測定系を用いて測定した半導体レーザ１のＩ−Ｌ特性を示す図であって、破線は高周波重畳なしの場合のＩ−Ｌ特性を示しており、実線は高周波重畳有りの場合のＩ−Ｌ特性を示している。ここで高周波重畳の有無によって図１９に示すようにＩ−Ｌ特性が変わる理由について説明する。図１９のＡに示すように、基準電流３が半導体レーザ１の発振閾値電流Ｉｔｈと同じときを考える。このとき高周波重畳なしの場合は光出力７はほとんどない。しかしながら、高周波電流５が重畳されると電流振幅の高い側でレーザが発振するため光出力７が発生する。
【０００９】
このことから、高周波重畳有りの場合は半導体レーザ１の発振閾値電流Ｉｔｈが高周波重畳なしの場合と比較して小さくなることを理解することができる。そして図１９のＢに示すように、電流振幅の低い側が半導体レーザ１の発振閾値電流Ｉｔｈを下回らなくなったときに高周波重畳の有無にかかわらず平均光出力は同じになる（直流Ｉ−Ｌ特性が線形である場合）ため、光出力が高くなるに従って図１９に示すように高周波重畳の有り無しそれぞれのＩ−Ｌ特性は漸近していく。
【００１０】
半導体レーザ１の光スペクトルをマルチモード化するには、１つの発光モードに集中させないために、発振直後の状態を維持する必要がある。発振直後の状態を維持するためには、半導体レーザの発光と停止を高速で繰り返す必要があり、基準電流３に高周波電流５を重畳することにより実現することができる。より厳密には高周波電流５を重畳した場合の電流振幅の下限が、半導体レーザ１の発振閾値電流Ｉｔｈを下回るように設定すれば、高速で半導体レーザ１は発光と停止を繰り返すことになり、発振開始直後の状態すなわちマルチモードを維持することができる。そしてこれまでの説明からわかるように、図１９における高周波重畳有り無しのＩ−Ｌ特性が漸近せずに十分離れていれば、高周波電流５を重畳したときの電流振幅の下限が十分に半導体レーザ１の発振閾値電流Ｉｔｈを下回ってマルチモードを維持していることを確認することができる。
【００１１】
このように、特許文献１および２には、高周波重畳有り無しでの発振閾値電流Ｉｔｈの差分ΔＩｔｈの大きさから発光スペクトルがマルチモードになったか否かを判断する手法が示されている。また上記文献には、発振閾値電流の差分ΔＩｔｈを用いる考え方と同じ考え方により、一定光出力を得るための基準電流をＩｏｐとした場合における高周波重畳有り無しでの差分ΔＩｏｐや、一定基準電流注入時の高周波重畳有り無しでの光出力Ｐｏの差分ΔＰｏの大きさによって、発光スペクトルがマルチモードになったか否かを判断する手法も示されている。ここで光出力の差分ΔＰｏは基準電流の差分ΔＩｏｐの別の見方による表現であって、両者はほぼ等価な内容であるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特公平５-０５４７１４号公報
【特許文献２】特開平３-１４４３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら従来の方法では、高周波重畳の有無による差が最も分かりやすい発振閾値電流の差分ΔＩｔｈを比較する場合、高周波重畳有り無しでの２回のＩ−Ｌ測定が必要になるため検査に長時間がかかってしまうといった問題がある。基準電流の差分ΔＩｏｐまたは光出力の差分ΔＰｏを測定するのであれば基準電流を掃引して行うＩ−Ｌ測定よりも短時間で済むが、この場合発振閾値電流の差分ΔＩｔｈよりも基準電流の差分ΔＩｏｐまたは光出力の差分ΔＰｏの方が小さくなってしまうため評価精度が悪くなってしまうといった問題がある。
【００１４】
また、発振閾値電流の差分ΔＩｔｈ、基準電流の差分ΔＩｏｐ、光出力の差分ΔＰｏのいずれを用いる場合においても、種々の回路を組み合わせることに伴って基準電流に発生する電流オフセットや、高周波電流波形の歪に伴って基準電流に発生する見かけ上の電流オフセットがそれぞれの個体によりばらつく。そのため、発振閾値電流の差分ΔＩｔｈ、基準電流の差分ΔＩｏｐ、および、光出力の差分ΔＰｏといった電流の値を判断基準とする従来の手法では評価精度が著しく損なわれてしまうという大きな問題がある。
【００１５】
以下にこの問題を高周波電流波形に歪があった場合を例にとって説明する。例えば図１８の加算器８において高周波電流５をコンデンサを介してＡＣカップリングさせた場合を考える。この場合、図２０のＢのように高周波電流が振幅重心（太線）の下がる方向に歪んだとき、高周波電流を基準電流に加算した後で振幅中心（破線）が基準電流より上がるため、見かけ上基準電流に正のオフセットが加わることになる。基準電流に正のオフセットが加わると、発振閾値電流Ｉｔｈ、基準電流Ｉｏｐ、光出力Ｐｏが本来よりも小さく測定されるため発振閾値電流の差分ΔＩｔｈ、基準電流の差分ΔＩｏｐ、光出力の差分ΔＰｏの値を過大評価してしまうことになる。
【００１６】
反対に図２０のＤのように、高周波電流が振幅重心（太線）の上がる方向に歪んだ場合、高周波電流を基準電流に加算した後で振幅中心（破線）が基準電流より下がるため、見かけ上基準電流に負のオフセットが加わることになる。基準電流に負のオフセットが加わると、発振閾値電流Ｉｔｈ、基準電流Ｉｏｐ、光出力Ｐｏが本来よりも大きく測定されるため、発振閾値電流の差分ΔＩｔｈ、基準電流の差分ΔＩｏｐ、光出力の差分ΔＰｏを過小評価してしまうことになる。
【００１７】
以上説明したように、図２０のＢやＤに示すように電流振幅の重心が変化すると見かけ上基準電流にオフセットが加わるため、基準電流を横軸にとったＩ−Ｌ測定結果は図２０のＣに示す歪がない場合に対して変化してしまう。これにより発振閾値電流の差分ΔＩｔｈ、基準電流の差分ΔＩｏｐ、光出力の差分ΔＰｏの測定精度が著しく悪くなってしまう。
【００１８】
また別の要因により図１８の電流源２と高周波重畳回路４と加算器８の組み合わせによって電流オフセットが発生する場合もまったく同じことが言え、評価精度に著しい誤差が生じてしまう。
【００１９】
そこで本発明は、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを高い精度で容易に検査する半導体レーザの検査方法及び半導体レーザの検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザの検査方法は、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザについての基準電流対光出力特性を取得するステップと、取得した前記特性が示す曲線におけるうねりの回数を計測するステップと、計測した回数に基づいて、前記半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査するステップとを含む。
【００２１】
前記回数を計測するステップでは、前記半導体レーザの最大定格光出力より高い光出力におけるうねりの回数を計測してもよい。
【００２２】
本発明の半導体レーザの検査装置は、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザについての基準電流対光出力特性を取得し、取得した前記特性が示す曲線におけるうねりの回数を計測し、計測した回数に基づいて、前記半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを検査する。
【００２３】
本発明の半導体レーザの検査装置は、前記回数を計測する際、前記半導体レーザの最大定格光出力より高い光出力におけるうねりの回数を計測してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、高周波電流が重畳された基準電流が供給された半導体レーザの発光スペクトルがマルチモード状態にあるか否かを高い精度で容易に検査する半導体レーザの検査方法及び半導体レーザの検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】基準電流に高周波電流を加えた場合と基準電流に高周波電流を加えない場合とにおける半導体レーザのＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図２】図１に示す高周波重畳有りにおける半導体レーザのＩ−Ｌ特性の電流に関する１次導関数を示す図である。
【図３】図１に示す高周波重畳有りにおける半導体レーザのＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数を示す図である。
【図４】図１〜図３の（１）のポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図５】図１〜図３の（２）のポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図６】図１〜図３の（３）のポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図７】図１〜図３の（４）のポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図８】図１〜図３の（５）のポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図９】図１〜図３のＡのポイントにおける、半導体レーザの光出力の時間変化を示す図である。
【図１０】図１〜図３の（１）のポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１１】図１〜図３の（２）のポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１２】図１〜図３の（３）のポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１３】図１〜図３の（４）のポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１４】図１〜図３の（５）のポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１５】図１〜図３のＡのポイントにおける半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。
【図１６】高周波電流振幅が小さい場合のＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数を示す図である。
【図１７】高周波電流振幅が大きい場合のＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数を示す図である。
【図１８】半導体レーザのＩ−Ｌ評価を行う測定系を示す図である。
【図１９】高周波重畳の有無による半導体レーザのＩ−Ｌ特性の違いを説明するための図である。
【図２０】高周波電流波形の歪によって発生する従来手法での課題を説明するための図である。
【図２１】実施の形態１および実施の形態２における半導体レーザの検査装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の半導体レーザの検査方法を説明するための、基準電流に高周波電流を加えた場合（高周波重畳有り）と基準電流に高周波電流を加えない場合（高周波重畳無し）とにおける半導体レーザのＩ−Ｌ特性を示す図である。図２は、図１に示すＩ−Ｌ特性の電流に関する１次導関数を示す図である。図３は、図１に示すＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、実際の高周波重畳有りでのＩ−Ｌ特性は線形ではなくうねりを伴っている。本願発明者の調査の結果、このうねりはキャリア寿命に対して光子寿命が非常に短い半導体レーザ特有の緩和振動に関連した現象であることが判明した。通常数百ＭＨｚ程度の高周波重畳周波数に対して、半導体レーザの緩和振動周波数はＧＨｚのオーダを持つ。このため高周波重畳による電流振幅が発振閾値電流Ｉｔｈを下回り、半導体レーザが発振と停止を繰り返せば高周波電流の１周期分の時間の中に明確な緩和振動が観測されることになる。
【００２８】
Ｉ−Ｌ特性におけるうねりと、高周波電流の１周期中に発生する緩和振動の数を調査したところ、光出力において観測される緩和振動の数がＩ−Ｌ特性においてその光出力に至るまでに発生するうねりの数に対応していることが分かった。以下に実測例に基づいて、この現象を説明する。
【００２９】
図１〜図３のＩ−Ｌ特性およびその１次と２次の導関数中に示す（１）〜（５）のポイントにおいて、半導体レーザの光出力の時間変化を観測した結果を示すのが図４〜図８である。つまり、図４は（１）のポイント、図５は（２）のポイント、図６は（３）のポイント、図７は（４）のポイント、図８は（５）のポイントにおける測定データを示す図である。
【００３０】
まず図１〜図３から、Ｉ−Ｌ特性において光出力を（１）→（２）→（３）→（４）→（５）と上げていくと、それに応じてＩ−Ｌ特性におけるうねりの数も１→２→３→４→５と増加していくことが分かる。また図４→図５→図６→図７→図８と見ていくと、高周波電流の１周期中に現れる緩和振動の数がそれに応じて１→２→３→４→５と増加していくことが分かる。
【００３１】
これら２つの測定結果から、Ｉ−Ｌ特性のうねりは高周波電流の１周期中に現れる緩和振動の数に応じて発生していることがわかった。さらに図９は図１〜図３に示すＡのポイントにおいて、半導体レーザの光出力の時間変化を観測した結果を示す図で、光出力を上げていってＩ−Ｌ特性にうねりが観測できなくなった領域では、もはや明瞭な緩和振動現象が観測されないことが分かった。
【００３２】
さらに図１０〜図１５は、図１〜図３のＩ−Ｌ特性およびその１次と２次の導関数中に示す（１）〜（５）およびＡのポイントにおいて、半導体レーザの光スペクトルを測定した結果を示す図である。つまり、図１０は（１）のポイント、図１１は（２）のポイント、図１２は（３）のポイント、図１３は（４）のポイント、図１４は（５）のポイント、図１５はＡのポイントにおける測定データを示す図である。
【００３３】
この測定結果によると、緩和振動によりＩ−Ｌ特性にうねりが観測されている（１）〜（５）のポイントにおいてはマルチモードになっているのに対して、緩和振動が不明瞭になりＩ−Ｌ特性にうねりが観測されないＡのポイントでは、スペクトルがほぼシングルで高周波重畳効果が不十分であることが分かる。すなわち緩和振動によりＩ−Ｌ特性にうねりが観測されている範囲であれば、スペクトルがマルチモード化されて高周波重畳効果が得られていると言える。
【００３４】
Ｉ−Ｌ特性におけるうねりを観測するには、例えば図３に示すようにＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数が正の勾配を持ってゼロレベルと交差する点を検出すればよい。この場合、図３では（１）〜（５）の５ポイントにおいてうねりが検出されている。その他の検出方法としては、２次導関数が負の勾配を持ってゼロレベルと交差する点をカウントしてもよいし、ゼロレベルではなく任意の所定レベルと交差する点をカウントしてもよい。
【００３５】
次に実際の半導体レーザの良否を判定する方法を図１６と図１７を用いて説明する。図１６と図１７はそれぞれ高周波電流の振幅が小さい場合と大きい場合におけるＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数を示す図で、高周波電流の振幅が大きいほどＩ−Ｌ特性のうねりの数が多くより高い光出力までうねりが続いていることがわかる。
【００３６】
前述した方法を適用してＩ−Ｌ特性におけるうねりの数をカウントすると、高周波電流の振幅が小さい図１６では３回、高周波電流の振幅が大きい図１７では６回のうねりがそれぞれ検出されている。図１６と図１７それぞれに最大定格光出力を得る基準電流の位置が示されているが、図１７を見ると５回目のうねりを検出した時点ではまだ光出力が最大定格光出力まで到達していないため十分な高周波重畳効果があるとは判断できないが、６回目のうねりを検出した時点では光出力が最大定格光出力を超えており十分な高周波重畳効果があると判断できる。
【００３７】
このことから、Ｉ−Ｌ特性におけるうねりの数が６回以上あればその半導体レーザは良品であると判断することができる。ここで最適なうねりの数は、半導体レーザの設計や高周波電流の周波数または最大定格光出力により変わるため、各々の所望する条件に合わせて設定する必要がある。
【００３８】
上述したように実施の形態１においては、Ｉ−Ｌ特性におけるうねりの数を検出することにより所望の光出力範囲において発光スペクトルがマルチモード化されているか否かを判断することができる。このとき高周波重畳有りの状態で発生するＩ−Ｌ特性のうねりは、高周波電流の振幅の大きさに依存するため、図２０に示すようなオフセットの影響を受けない。このため従来の方法と比較して、非常に精度良く高周波重畳効果を検査することが可能である。
【００３９】
このように実施の形態１によれば、高周波重畳有りでの１回のＩ−Ｌ測定において、Ｉ−Ｌ特性のうねりの個数を検出することにより、従来より高精度にかつ容易に半導体レーザの発光スペクトルがマルチモードの状態にあることを確認することができる。
【００４０】
なお、図１８のＩ−Ｌ測定系にＩ−Ｌ特性データから緩和振動に起因したうねりを検出する演算機構９を加えた図２１に示す構成の検査装置を用いることにより、上述した検査方法を実行することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態１と同様に、図１〜図３を用いて実施の形態２の半導体レーザの検査方法を説明する。実施の形態１ではＩ−Ｌ特性におけるうねりの総数をカウントしたが、実施の形態２では最大定格光出力など所望の任意の光出力Ｐｍａｘよりも高い光出力において、Ｉ−Ｌ特性にうねりが検出されるか否かを判断する。
【００４２】
なぜならば所望の光出力Ｐｍａｘよりも高い光出力においてＩ−Ｌ特性にうねりが観測されるということは、所望の光出力Ｐｍａｘより高い光出力において明瞭に緩和振動現象が生じており、発光スペクトルがマルチモードになっていることを示すからである。具体的にはまず高周波重畳有りでのＩ−Ｌ特性から所望の光出力Ｐｍａｘを得るための基準電流Ｉｍａｘを得る。そして図３に示すＩ−Ｌ特性の電流に関する２次導関数から、Ｉｍａｘ以上において正の勾配を持ってゼロレベルと交差する点を検出してうねりが有ると判断する。例えば図３ではＩｍａｘ以上すなわちＰｍａｘよりも高い光出力においてＩ−Ｌ特性のうねりが（５）のポイントにおいて検出されているため、図３の例は良品と判断することができる。
【００４３】
以上説明したように実施の形態２によれば、高周波重畳有りのＩ−Ｌ特性を測定し、所望の光出力Ｐｍａｘよりも上におけるＩ−Ｌ特性のうねりを検出することにより、高精度にかつ容易に所望の光出力Ｐｍａｘまで半導体レーザの発光スペクトルがマルチモードの状態にあることを確認することができる。
【００４４】
実施の形態２においても実施の形態１の場合と同様に、図１８のＩ−Ｌ測定系にＩ−Ｌ特性データから緩和振動に起因したうねりを検出する演算機構９を加えた図２１に示す構成の検査装置を用いることにより、実施の形態２において説明した検査方法を実行することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  半導体レーザ、  ２  電流源、  ３  基準電流、  ４  高周波重畳回路、  ５  高周波電流、  ６  光パワーメータ、  ７  光出力、  ８  加算器、  ９  Ｉ−Ｌ特性データから緩和振動に起因したうねりを検出する演算機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011082251.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2011082251.tif 000018
【図１７】
2011082251.tif 000019
【図１８】
2011082251.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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