(57)【要約】 半導体レーザの温度を測及び制御し、波長を安定化する、半導体レーザの温度制御機構の駆動方法を提供する。半導体レーザの動作温度及び周囲温度を表す信号が発生され、周囲温度信号の関数である目標レーザ動作温度が確立される。次いで、動作温度信号と目標レーザ動作温度の間の相関度を高めるように、半導体レーザの温度制御機構が駆動される。別の実施形態も開示される。
2010505266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法において、前記レーザの出力レーザ発振波長が前記レーザの動作温度の関数であり、前記方法が、
前記半導体レーザの動作温度を表す信号を発生する工程、
周囲温度を表す信号を発生する工程、
前記周囲温度信号の関数である目標レーザ動作温度を確立する工程、及び
前記動作温度信号と前記目標レーザ動作温度の間の相関度を、前記相関度が高まるにしたがって前記半導体レーザの前記出力レーザ発振波長が変化するように、高めるために前記半導体レーザの少なくとも１つの温度制御機構を駆動する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記半導体レーザの前記出力レーザ発振波長が、周囲温度にしたがって変化する位相整合波長を有する、波長変換デバイスに結合され、
前記半導体レーザの前記温度制御機構が、前記出力レーザ発振波長が前記位相整合波長を含む波長変換帯域幅内に留まるように、前記出力レーザ発振波長を変化させるために駆動される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体レーザの前記出力レーザ発振波長が波長変換デバイスに結合され、前記周囲温度信号が前記波長変換デバイスの温度を測定することによって発生されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体レーザの前記出力レーザ発振波長が波長変換デバイスに結合され、前記周囲温度信号が前記周囲温度を直接測定することによって発生されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体レーザの前記出力レーザ発振波長が波長変換デバイスに結合され、前記目標レーザ動作温度が、前記周囲温度信号の変化にしたがって前記レーザ出力の波長を前記波長変換デバイスの位相整合波長に同調させるために確立されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体レーザが、波長選択領域、位相整合領域及び利得領域を有するＤＢＲレーザダイオードを含み、
前記半導体レーザの前記動作温度信号が、前記位相整合領域及び前記利得領域の温度よりも正確に前記波長選択領域の温度を表すように発生され、
前記半導体レーザの前記温度制御機構が、前記波長選択領域の温度が前記位相整合領域及び前記利得領域のそれぞれの温度よりも大きい程度で影響を受けるように、駆動される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記温度制御機構が前記波長選択領域の上を延びる加熱素子構造を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体レーザが、前記波長選択領域、前記位相整合領域及び前記利得領域に電流を注入するように構成されたそれぞれの部分を含む駆動電極構造を有し、
前記動作温度信号が、前記駆動電極構造の前記波長選択部、前記位相選択部及び前記利得部にそれぞれの基準電圧が印加されたときの前記駆動電極構造の前記波長選択部にかかる電圧を測定することによって、発生される、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法において、
前記半導体レーザが、波長選択領域、位相整合領域及び利得領域を有するＤＢＲレーザダイオードを含み、前記レーザの出力レーザ発振波長が前記波長選択領域の動作温度の関数であるように構成され、
前記半導体レーザがさらに、前記位相整合領域より多くの熱を前記波長選択領域において発生し、前記利得領域より多くの熱を前記波長選択領域において発生するように構成されたＤＢＲ区画温度制御機構を有し、
前記ＤＢＲ区画温度制御機構が前記波長選択領域の上を延びる加熱素子構造または前記波長選択領域に電流を注入するように構成された駆動電極構造を有し、
前記方法が、前記波長選択領域の温度が前記位相整合領域及び前記利得領域のそれぞれの温度よりも大きい程度で影響を受けるように前記ＤＢＲ区画温度制御機構を駆動する工程を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
ＤＢＲ半導体レーザダイオードの動作温度を表す信号を発生する方法において、
前記ＤＢＲ半導体レーザダイオードが、半導体基板、リッジ導波路、加熱素子構造及び駆動電極構造を有し、前記駆動電極構造によって発生される電気バイアスの下での光子の誘導放出のために構成され、
前記リッジ導波路が前記半導体レーザの長さ方向次元に沿って前記誘導放出光子を光誘導するために配置され、
前記ＤＢＲ半導体レーザダイオードがさらに、波長選択領域、位相整合領域及び利得領域を有し、前記レーザの出力レーザ発振波長が前記波長選択領域の動作温度の関数であるように構成され、
前記加熱素子構造が、前記波長選択領域の上で、前記リッジ導波路の両側を、前記半導体レーザの前記長さ方向次元に沿って延びる一対の加熱素子ストリップを含み、前記加熱素子構造が、前記位相整合領域より多くの熱を前記波長選択領域において発生し、前記利得領域より多くの熱を前記波長選択領域において発生するように構成され、
前記方法が、前記加熱素子ストリップに基準電流または基準電圧を印加する工程及び前記加熱素子ストリップに前記基準電流または前記基準電圧が印加されたときの前記波長選択領域上を延びる前記加熱素子ストリップ対にかかる電圧または前記加熱素子ストリップ対の電気抵抗を測定することによって前記動作温度信号を発生する工程を含む、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００６年９月２６日に出願された米国特許出願第１１/５２６９８８号の優先権の恩典を主張する。上記出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には半導体レーザに関し、さらに詳しくは、半導体レーザの温度を測定及び制御するための方式並びに半導体レーザの波長安定化のための方式に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は全般的には、様々な態様で構成することができる、半導体レーザに関する。限定ではなく説明のため、例えば、分布帰還（ＤＦＢ）レーザまたは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザのような単一波長半導体レーザを、二次高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような、光波長変換デバイスと組み合せることにより、高速変調のための短波長源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば１０６０ｎｍのＤＢＲレーザまたはＤＦＢレーザを、その波長を５３０ｎｍに変換するＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調させることによって、基本レーザ信号の高次高調波を発生するように構成することができる。しかし、ＭｇＯドープ周期分極化ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）のようなＳＨＧ結晶の波長変換効率は、レーザダイオードとＳＨＧデバイスの間の波長整合に強く依存する。レーザ設計に詳しい技術者には当然であろうように、ＤＦＢレーザは反射性媒質として半導体材料にエッチングでつくられた格子または同様の構造を用いる共振キャビティレーザである。ＤＢＲレーザは、エッチングでつくられた格子が半導体レーザの電子ポンピング領域から物理的に分離されているレーザである。ＳＨＧ結晶はレーザ光周波数を二逓倍するために非線形結晶の二次高調波発生特性を用いる。
【０００４】
ＰＰＬＮＳＨＧデバイスの許容波長範囲は極めて狭い−代表的なＰＰＬＮＳＨＧ波長変換デバイスについて、半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅は約０.１６ｎｍにすぎない。多くの場合、半導体レーザの出力波長は、レーザの温度が約２.０℃から２.７℃ないしさらに大きく変化すると、大きく変化してこの許容帯域幅の外に出るであろう。レーザ出力が波長変換デバイスの許容帯域幅から外れてしまうと、目標波長における変換デバイスの出力は激減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、単一波長半導体レーザと波長変換デバイスの組合せを用いる短波長源の波長整合及び安定化のための手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
レーザ源の開発における波長整合及び安定化に関わる課題を与えられて、本発明の発明者等は半導体レーザの温度を測定及び制御するための方式並びに最適出力パワーを達成するために能動的に同調することができる半導体レーザの有益な潜在能力を認識した。例えば、発明者等は、動作中に半導体レーザの波長が安定値に維持されれば、無変動二次高調波出力パワーを維持しながら、短波長デバイスを過大な雑音無しに高速で変調できることを認識した。本発明は、二次高調波発生がレーザ源に用いられるか否かに関わらず、一般にレーザ源の波長整合及び安定化にも関する。
【０００７】
本発明の一実施形態にしたがえば、半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法が提供される。本方法にしたがえば、半導体レーザの動作温度及び周囲温度を表す信号が発生され、周囲温度信号の関数である目標レーザ動作温度が確立される。次いで、動作温度信号と目標レーザ動作温度の間の相関度を高めるように半導体レーザの温度制御機構が駆動される。温度制御機構が駆動されて相関度が高まるにつれて、レーザの出力レーザ発振波長がより安定な値に変化する。
【０００８】
例えば、半導体レーザの温度制御機構を駆動する上述の方法にしたがえば、本発明の半導体レーザはＤＢＲ型レーザダイオードの形態をとることができ、半導体レーザの温度制御機構は、レーザの利得領域に印加される駆動電極注入電流の変調中に、動作温度信号と目標レーザ動作温度の相関度を高めるように駆動することができる。このようにすれば、本発明の駆動方式は、本発明が用いられなければ半導体レーザの動作を特徴付けるであろう、ブラッグ波長ドリフトを低減するために用いることができる。
【０００９】
本発明の別の実施形態にしたがえば、半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法が提供される。半導体レーザは、波長選択領域、位相整合領域及び利得領域を有するＤＢＲレーザダイオードを含む。半導体レーザはさらに、波長選択領域上を延びる加熱素子構造または波長選択領域に電流を注入するように構成された駆動電極構造を含むＤＢＲ区画温度制御機構を有する。ＤＢＲ区画温度制御機構は、波長選択領域の温度が位相整合領域及び利得領域の温度より大きい程度に影響されるように、駆動される。
【００１０】
本発明のまた別の実施形態にしたがえば、ＤＢＲ半導体レーザダイオードの動作温度を表す信号を発生する方法が提供される。ＤＢＲ半導体レーザダイオードには、レーザの波長選択領域上を、レーザのリッジ導波路とは逆の側の面上で、レーザの長さ方向次元に沿って延びる一対の加熱素子ストリップを含む加熱素子構造が設けられる。本方法にしたがえば、加熱素子ストリップに基準電流が印加され、加熱素子対にかかる電圧を測定することによって動作温度信号が発生される。あるいは、基準電流または基準電圧が加熱素子ストリップに印加されたときの加熱素子ストリップの電気抵抗を測定することによって動作温度信号を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】光波長変換デバイスに光結合され、本発明にしたがうマイクロ加熱素子構造を有する、ＤＦＢ半導体レーザまたは同様のタイプの半導体レーザの略図
【図１Ｂ】光波長変換デバイスに光結合され、本発明にしたがうマイクロ加熱素子構造を有する、ＤＢＲ半導体レーザまたは同様のタイプの半導体レーザの略図
【図２Ａ】本発明にしたがう温度補償の恩恵がない場合のＤＢＲ半導体レーザの温度上昇を示すグラフ
【図２Ｂ】ＤＢＲ半導体レーザの利得区画が従来態様で駆動されているときの時間の経過にともなうレーザ発振波長の変化を示すグラフ
【図３Ａ】本発明にしたがう温度補償の恩恵がない場合のＤＦＢ半導体レーザの温度上昇を示すグラフ
【図３Ｂ】熱誘起パターニング効果によって、従来態様で駆動されているＤＦＢ半導体レーザに時間の経過にともなうレーザ波長ドリフトが生じている様子を示すグラフ
【図４】本発明の一実施形態にしたがうマイクロ加熱素子構造が組み込まれている半導体レーザを簡略に示す断面斜視図
【図５】駆動電極構造及び本発明にしたがうマイクロ加熱素子構造を有する電極層の簡略な上面図
【図６】本発明の別の実施形態にしたがうマイクロ加熱素子構造が組み込まれている半導体レーザの略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特定に実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解することができる。
【００１３】
図１Ａ及び１Ｂはそれぞれ、光波長変換デバイス８０に光結合されている、ＤＦＢ半導体レーザ１０及びＤＢＲ半導体レーザ１０の略図である。半導体レーザ１０によって放射される光ビームは、波長変換デバイス８０の導波路に直接結合させることができ、あるいはコリメート／集束光学系または何らかのタイプの適する光学素子または光学系を介して結合させることができる。波長変換デバイス８０は入射光を高次高調波に変換し、変換された信号を出力する。
【００１４】
ＤＦＢレーザ設計に詳しい技術者には当然であろうように、図１Ａに簡略に示されるＤＦＢ半導体レーザ１０はレーザ１０内に組み込まれているリッジ導波路４０の方向に概ね沿って延びる分布帰還格子を有する。隆起リッジ構造または埋込リッジ構造を有することができるリッジ導波路４０は、誘導放出光子を半導体レーザ１０の長さ方向次元Ｚに沿って光誘導するように配置される。図１Ａには示されていないが以下で図４〜６を参照して論じられる駆動電極がレーザ１０の動作に必要な電気バイアスＶバイアスを発生するためにレーザデバイスに組み込まれる。同じく以下でさらに詳細に説明される加熱素子ストリップ６２，６４が、レーザ１０のリッジ導波路とは逆の側の面上に、分布帰還格子の少なくとも一部に沿って延びる。説明を明確にするために、加熱素子ストリップ６２及び６４の相対寸法は誇張されており、リッジ導波路４０はレーザ１０内の実際の位置にはかかわらずに簡略に示されている。図４〜５及びこれにともなう本文には、本発明に関して用いるための、導波路４０，駆動電極及び加熱素子ストリップ６２，６４の好ましい構成の１つのより良い説明が与えられる。
【００１５】
ＤＢＲレーザ設計に詳しい技術者には当然であろうように、図１Ｂに簡略に示されるＤＢＲレーザ１０は、波長選択領域１２，位相整合領域１４及び利得領域１６を有する。レーザ１０のＤＢＲ区画とも称することができる、波長選択領域１２は一般にレーザキャビティの活性領域の外部に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、反射係数が波長に依存するミラーとして格子がはたらくから、波長選択を提供する。ＤＢＲレーザ１０の利得領域１６はレーザの光利得の大半を提供し、位相整合領域１４は利得領域１６の利得材料と波長選択領域１２の反射性材料の間の可調位相シフトを生じさせる。波長選択領域１２は、ブラッグ格子を用いても用いなくとも差し支えない、多様な適する別の構成で設けることができる。リッジ導波路４０が、波長選択領域１２，位相整合領域１４及び利得領域１６を通して延びる。加熱素子ストリップ６２Ａ，６４Ａ，６２Ｂ，６４Ｂ，６２Ｃ及び６４Ｃが、概ねリッジ導波路４０の方向に沿って、波長選択領域１２，位相整合領域１４，利得領域１６またはこれらの組合せに組み込まれる。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂに示される波長変換デバイス８０の波長変換効率は、半導体レーザ１０と波長変換デバイス８０の間の波長整合に依存する。波長変換デバイス８０で発生される高次高調光波の出力パワーは、レーザ１０の出力波長が波長変換デバイス８０の波長変換帯域幅から外れると激減する。例えば、１２ｍｍ長のＰＰＬＮＳＨＧデバイスの場合に、半導体レーザ１０における約２℃の温度変化は一般に、レーザ１０の出力波長を波長変換デバイス８０の０.１６ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域幅の外に出すに十分である。
【００１７】
発明者等は、様々な外部及び内部の要因が、半導体レーザの温度を変化させ、その出力波長を変え得ることを認識した。例えば、周囲温度、すなわちレーザが配置されている場所の周囲の温度は、半導体レーザの温度及びそのレーザ発振波長に有意な変化をおこさせ得る。さらに、図２Ａ及び２Ｂを参照する。図２Ａの線Ａは利得領域の温度を示し、図２Ａの線ＢはＤＢＲ区画の温度を示している。ＤＢＲ半導体レーザの利得区画は従来態様で駆動されているから、利得区画の活性領域及びクラッド領域は初めに加熱され、利得区画の屈折率が高くなる。この結果光路長が長くなり、図２Ｂに示されるように、レーザ発振光スペクトルは時間の経過とともに長波長側に移行してから短波長側に急激に落ち込む。このモードホッピング現象は、駆動電流によって発生した熱が利得区画厚を通って伝搬して半導体レーザの底面に到達するまで、図２Ｂに示される態様で反復する。この時点、例えば図２Ａ及び２Ｂの示される実施形態では約１ｍｓにおいて、利得区画、位相区画及びＤＢＲ区画を含むレーザチップ全体がかなりの温度上昇を受け始め、時間の経過にともなう温度上昇にしたがってレーザ発振波長が単調に長くなっていく。この、約１ｍｓで始まる、温度の単調上昇は図２Ｂに図式的に示される。この熱誘起波長変化により−熱誘起ブラッグレーザ波長ドリフトとして図２に示される−ＤＢＲレーザに望ましくないパターンニング効果が生じる。
【００１８】
図３Ａ及び３Ｂは従来態様で駆動される半導体レーザにおける熱的挙動をさらに示すために提示される。特に図３Ａを参照すれば、ＤＦＢ半導体レーザへの電流注入が時間の経過とともに半導体レーザの活性領域及びクラッド領域の温度を高める。この温度上昇によりＤＦＢレーザの屈折率が高くなり、この結果、レーザの光路長及びブラッグ格子波長のいずれもが長くなる。この結果、レーザ発振光スペクトルは図３Ｂに示される態様で長波長側に連続的に移行する。ＤＢＲ半導体レーザに関して上述したように、熱誘起波長変化によってＤＦＢレーザに望ましくないパターニング効果も生じる。
【００１９】
本発明は半導体レーザの、温度測定、熱制御及び波長安定化に関する。本発明の特定の態様は、半導体レーザ１０と付随する波長変換デバイス８０，例えばＳＨＧ結晶の間の精確な波長整合を可能にする方式に関する。そのようにすれば、半導体レーザ１０の出力光を十全に利用することができ、高効率短波長レーザ源を得ることができる。例えば、本発明の一態様にしたがえば、半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法が提供される。本方法は主として、レーザの出力レーザ発振波長がレーザの動作温度の関数であるレーザに適用可能である。
【００２０】
初めに、半導体レーザの動作温度を表す信号が発生される。動作温度信号は、様々な従来のまたはこれから開発される手段で発生され得ると考えられるが、半導体レーザが加熱素子構造を有する本発明の一態様にしたがえば、抵抗加熱素子の電気抵抗は温度に通常依存するから、動作温度信号は加熱素子構造の電気抵抗を測定することによって発生される。限定ではなく、例として、図４〜６を参照して適する加熱素子構造が本明細書で説明される。この点では別の従来のまたはこれから開発される加熱素子構造も適していると思われる。半導体レーザの接合電圧は温度に通常依存するから、レーザの駆動電極構造にかかる電圧を測定することによっても動作温度信号を発生させることができる。駆動電極電圧は好ましくは、駆動電極構造に基準電圧が印加されたときに測定することができる。
【００２１】
周囲温度、すなわち半導体レーザ１０及び付随する波長変換デバイス８０が配置されている場所の周囲の温度を表す信号も発生される。周囲温度信号は様々な従来のまたはこれから開発される手段で発生され得ると考えられる。限定ではなく、例として、半導体レーザの出力が波長変換デバイスに結合される場合、波長変換デバイスの温度を測定することによって間接的に周囲温度信号を発生させることができる。あるいは、半導体レーザ１０及び付随する班長変換デバイス８０が配置されている場所の周囲の温度を直接測定するための手段を設けることによって周囲温度信号を発生させることができる。
【００２２】
発明者等は、いずれのタイプのデバイスも周囲温度の変化にさらされる条件の下で半導体レーザが波長変換デバイスに普通に結合されることを認識した。多くのタイプの半導体レーザ、例えばＤＢＲレーザのレーザ発振波長は、付随する波長変換デバイス、例えばＰＰＬＮＳＨＧ結晶とは温度に関して異なるレートで変化する。したがって、ある周囲温度において波長変換デバイスの変換帯域幅と適切に整合されているレーザ発振出力を有するＤＢＲレーザは、別の周囲温度においては波長変換デバイスと不整合になり得るであろう。この結果、周囲温度の変化により、波長変換効率が減少し、かなりの出力振幅低下がもたらされ得るであろう。
【００２３】
この周囲温度誘起不整合に対処するため、周囲温度信号の関数である目標レーザ動作温度が確立され、動作温度信号と目標レーザ動作温度の間の相関度を高めるように半導体レーザの温度制御機構が駆動される。時間の経過とともに、レーザの出力レーザ発振波長は波長変換デバイスの位相整合波長に一層密に相関する値に変化する。したがって、本発明の一態様は周囲温度信号が変化している間もレーザ出力の波長を波長変換デバイスの位相整合波長に同調させることができる手段を提供する。限定ではなく、例として、半導体レーザの出力レーザ発振波長を調整して、波長変換デバイスの（中心波長とも称される）位相整合波長が周囲温度にともなって変化している間もＰＰＬＮＳＨＧデバイスの波長変換体域内に留まるように、変化させることができる。本発明を定め、説明する目的のため、あるパラメータの関連パラメータに「ともなう」変化が２つのパラメータの精確で融通のきかない変化を必要とするととられるべきではないことに注意されたい。本発明にしたがう多くの場合、別のパラメータにともなって変化するパラメータは実際にはある程度まで主導パラメータに影響を与えるであろう。
【００２４】
目標レーザ動作温度はレーザが結合される光デバイスの温度依存性を定量化することによって確立することができる。例えば、半導体レーザの出力が温度依存性を示す（中心波長とも称される）位相整合波長を有する波長変換デバイスに光結合される場合、周囲温度が変化している間も波長変換デバイスの波長変換帯域幅内に半導体レーザの出力レーザ発振波長が留まるように目標レーザ動作温度を確立することができる。
【００２５】
本発明にしたがう温度制御機構は様々な従来のまたはこれから開発される形態をとることができると考えられるが、本発明の一実施形態にしたがえば、温度制御機構はレーザの駆動電極構造に具現化される。一般に、本発明のこの態様にしたがえば、駆動電極構造によるレーザの半導体接合への電流注入を制御することで動作レーザ温度を駆って、目標レーザ動作温度を追わせることができる。温度制御機構としての駆動電極構造の使用に関するさらなる詳細は、ＤＢＲレーザに関して以下に提示される。
【００２６】
本発明にしたがう温度制御機構はレーザの半導体接合に熱結合される電気抵抗加熱素子構造に具現化することもできる。一般に、本発明のこの態様にしたがえば、加熱素子構造がレーザの半導体接合を加熱する度合いを制御することで動作レーザ温度を駆って、目標レーザ動作温度に追随させることができる。温度制御機構としての加熱素子構造の使用に関するさらなる詳細も、ＤＢＲレーザに関して以下に提示される。
【００２７】
本発明にしたがって用いられる特定の温度制御機構にかかわらず、温度制御機構は、動作温度信号と目標レーザ動作温度の間の相関が適切な値に達するまで、例えば、波長変換デバイスの温度依存変換帯域内にレーザ発振波長が入るまで、動作温度信号発生工程及び温度制御駆動工程が反復されるフィードバックループとして駆動することができる。
【００２８】
本発明の半導体レーザが、波長選択領域、位相整合領域及び利得領域を有するＤＢＲ型レーザダイオードの形態をとる場合、半導体レーザの動作温度信号は波長選択領域の温度を最も正確に表すように発生させることができる。同様に、半導体レーザの温度制御機構は主として波長選択領域に影響を与えるように駆動することができる。例えば、温度制御機構は、主として波長選択領域上に延びる加熱素子構造または主として波長選択領域に電流を注入するように構成された駆動電極構造を有することができる。本発明を説明し、定める目的のため、「主として」レーザの一領域に他の領域に優る影響を与える機構または動作は、その機構または動作が「一領域」に「他領域」より大きな程度まで影響を与えることを意味するととられるべきであることに注意されたい。
【００２９】
半導体レーザが波長選択領域及び位相整合領域と利得領域の一方または両方に電流を注入するように構成された駆動電極構造を有する場合、動作温度信号は、（ｉ）駆動電極構造の波長選択部、位相整合部及び利得部に基準電流を印加して、（ii）駆動電極構造の波長選択部にかかる電圧を測定することによって発生させることができる。このようにすれば、より確実な動作温度指標を得ることができる。同様に、半導体レーザが波長選択領域上に延びる加熱素子構造を有する場合、加熱素子構造に基準電流または基準電圧を印加したときに、加熱素子構造にかかる電圧または加熱素子構造の電気抵抗を測定することによって動作温度信号を発生させることができる。
【００３０】
図１Ｂに示され、上で詳細に説明されたＤＢＲ型レーザの場合、本発明は、半導体レーザ１０の波長選択領域１２が波長選択領域１２上に延びるマイクロ加熱素子構造で加熱されるかまたは波長選択領域１２が波長選択領域１２に電流ＩＪを注入することによって加熱される場合の、温度モニタリング及び波長安定化の方式に向けられる。上述したように、周囲温度及びレーザ駆動電流ＩＤによって発生する熱の変化はレーザ１０の出力波長に変化をおこさせ得る。これへの対処に役立たせるため、本発明は半導体レーザの温度制御機構を駆動する方法を導入する。
【００３１】
例えば、半導体レーザが揺動する動作温度の下で変動を受ける出力レーザ発振波長を有するＤＢＲレーザからなる場合、半導体レーザはＤＢＲ区画温度制御機構を有するように構成される。ＤＢＲ区画温度制御機構は主としてレーザの波長選択領域で熱を発生するように構成され、（ｉ）波長選択領域上に延びる加熱素子構造または（ii）波長選択領域に電流を注入するように構成された駆動電極構造を有する。このようにすれば、主として波長選択領域の温度に影響を与えるようにＤＢＲ区画温度制御機構を駆動することができる。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態において、本明細書に説明される温度制御機構を組み込んでいる半導体レーザの出力は、その出力がＰＰＬＮＳＨＧ波長変換デバイスのようなそれ自体の出力信号を定める波長依存光デバイスに結合されるように構成することができる。そのような場合、光デバイスの出力信号または波長をモニタすることができ、モニタした光信号の関数としてレーザのＤＢＲ区画温度制御機構を駆動して信号の振幅または波長を最適化することができる。例えば、ＤＢＲレーザに結合された波長変換デバイスに関しては、ＤＢＲ区画温度制御機構を駆動して変換デバイス出力信号の振幅を最大化することができる。
【００３３】
マイクロ加熱素子構造を用いて、また波長選択領域１２に電流ＩＪを注入することによって波長選択領域１２を加熱することができる場合、加熱素子駆動電流ＩＨ及び注入電流ＩＪは、波長選択領域１２の温度制御が初めは主として注入電流ＩＪの影響の下に達成され、続いて主として加熱素子駆動電流ＩＨの影響の下に達成されるように、制御することができる。このようにすれば、加熱素子駆動電流ＩＨ及び注入電流ＩＪを合せて用いて、利得領域１６のレーザ駆動電流ＩＤによるかまたは周囲温度の変化による温度変動を補償することができる。注入電流ＩＪは加熱素子駆動電流ＩＨより迅速に波長選択領域１２を加熱することができる。逆に、加熱素子駆動電流ＩＨ及びマイクロ加熱素子構造は注入電流ＩＪよりも、光損失の増大及び線幅の拡大のような、レーザにおける望ましくない効果を導入する傾向が弱いことが多い。さらに、連続波（ＣＷ）条件下では、ＩＨはＩＪより単位電力入力あたりのレーザ温度変化に関して効率が高いことが多い。したがって、本発明では光路長の温度関連変化を補償するために上述した態様で注入電流ＩＪと加熱素子駆動電流ＩＨを組み合せることが考えられている。
【００３４】
上述したように、本発明はより広く半導体レーザに関する温度測定方式にも関する。本発明のこの態様にしたがえば、半導体レーザに一体化された１つ以上のマイクロヒータの加熱素子にかかる電圧または加熱素子の電気抵抗がレーザ温度の測定値を与える。ＤＢＲ半導体レーザダイオードの場合は、図１Ｂ及び４に示されるように、波長選択領域１２上を、リッジ導波路４０とは逆の側の面上に、半導体レーザの長さ方向次元に沿って延びる一対の加熱素子ストリップ６２Ａ，６４Ａを加熱素子構造が有する。図４においては加熱素子ストリップが参照数字６２及び６４で示される。このようにして、位相整合領域１４及び利得領域１６で発生される熱より多くの熱が波長選択領域１２に発生するように加熱素子構造が構成される。動作温度信号を発生させるため、基準電流または基準電圧が加熱素子ストリップに印加され、基準電流または基準電圧が加熱素子ストリップ６２Ａ，６４Ａに印加されたときの、加熱素子ストリップ対６２Ａ，６４Ａにかかる電圧または加熱素子ストリップ対６２Ａ，６４Ａの電気抵抗が測定される。
【００３５】
次に図４〜６を参照する。本発明は特定のマイクロ加熱素子構造の使用に限定されないが、本明細書に説明される態様で、半導体レーザ１０の、またはその選ばれた領域の、温度を測定及び制御するため、及び半導体レーザの波長安定化のための方式を可能にするために用いることができる、適するマイクロ波加熱素子構造がここで特に参照される。半導体レーザ１０は、活性領域３０，リッジ導波路４０，駆動電極構造及びマイクロ加熱素子構造を含む半導体基板２０を有することができる。図示される実施形態において、駆動電極構造は駆動電極素子５０を含み、マイクロ加熱素子構造は一対の加熱素子ストリップ６２，６４を含む。活性領域３０は、半導体基板２０内のＰ型半導体材料及びＮ型半導体材料で定められ、駆動電極素子５０及び、半導体基板２０に定められる、対応するＮ型領域２５によって発生される電気バイアスＶバイアスの下での光子の誘導放出のために構成される。半導体レーザ１０の波長出力はレーザの温度に依存し、マイクロ加熱素子構造はレーザの加熱及び温度モニタリングのための手段を提供するように構成される。
【００３６】
半導体レーザ１０の長さ方向次元Ｚに沿って延びるマイクロ加熱素子構造の加熱素子ストリップ６２，６４は、リッジ導波路の長さ方向次元に概ね平行に延びる経路に沿って、すなわちストリップ６２，６４の長さに沿って電流を流すことによって熱を発生するように設計された材料で作成される。限定ではなく、例として、Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｗ，Ａｇ及びＡｌは、個別にまたは様々な組合せで、ストリップ６２，６４の形成に適しているであろうと考えられる。例えば、加熱素子ストリップ６２，６４の形成にはＡｕ及びＰｔを含む合金の利用が好ましいであろう。
【００３７】
本発明を定め、説明する目的のため、本発明の概念を導入できる様々なタイプの半導体レーザの特定の構造は、半導体レーザの設計及び作成に関する、容易に入手できる技術文献に教示されていることに注意されたい。限定ではなく、例として、半導体レーザ１０には、分布帰還（ＤＦＢ）形状または分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）形状を定めるレーザを含めることができる。
【００３８】
図４に示されるように、加熱素子ストリップ６２，６４は、一方の加熱素子ストリップ６２がリッジ導波路４０の一方の側に沿って延び、他方の加熱素子ストリップ６４がリッジ導波路４０の他方の側に沿って延びるように、リッジ導波路４０の横で両側に配置される。さらに、駆動電極素子５０もリッジ導波路４０の両側で横に広がることができる。加熱素子ストリップ６２，６４への駆動電流は、駆動電流によって発生される熱を変え、よって半導体レーザの波長を同調またはロックするように制御することができる。
【００３９】
図４にさらに示されるように、駆動電極素子５０の横側部分５２，５４がリッジ導波路４０の両側で横に広がる場合、駆動電極構造及びマイクロ加熱素子構造は、駆動電極素子５０の横側部分５２及び対応する加熱素子ストリップ６２はリッジ導波路４０の同じ側に沿って延び、リッジ導波路４０の同じ側の面上の共通作成層の対応するそれぞれの部分を占めるように、配置されることが好ましいであろう。同様に、駆動電極素子５０の横側部分５４及び対応する加熱素子ストリップ６４はリッジ導波路４０の他方の側に沿って延び、リッジ導波路４０の他方の側の面上の共通作成層の対応するそれぞれの部分を占める。
【００４０】
本明細書で用いられるような「共通作成層」は、共通作成工程で作成することができるように配置された１つ以上のコンポーネントを含む半導体デバイスの層である。本明細書でコンポーネントが共通作成層にあるとされる場合、そのようなコンポーネントが共通の面に作成される必要があると解されるべきではない。例えば、図４を参照すれば、駆動電極素子５０と加熱素子ストリップ６２，６４は完全には共面上にないが、共通作成工程で形成することができる。したがって、これらは共通作成層にあるということができる。対照的に、駆動電極素子５０と活性領域３０は、それらのコンポーネントを形成している材料の性質及びコンポーネントの位置が共通工程での作成に適していないから、共通作成層にあるということはできない。
【００４１】
本発明の構成にしたがえば、加熱素子ストリップ６２，６４の、リッジ導波路４０の共通の側で、共通作成層にある別の電極構造との一体化を可能にすることによって、加熱素子ストリップ６２，６４の場所を最適化することができる。図４及び５には駆動電極素子５０及び、リッジ導波路の両側に沿って延びる、対応する加熱素子ストリップ６２，６４を有する本発明が示されているが、駆動電極素子５０に横側部分５２，５４を設ける必要はないか、または駆動電極素子５０をリッジ導波路４０のいずれの側にも設ける必要はないと考えられる。
【００４２】
図４には、マイクロ加熱素子構造の加熱素子ストリップ６２，６４からそれぞれ、半導体基板２０を通って、活性領域３０まで延びる直接加熱経路２２，２４も示されている。本発明の図示される実施形態にしたがえば、加熱素子ストリップ６２，６４は、駆動電極構造が直接加熱経路２２，２４に実質的に干渉しないように、配置される。直接加熱経路への「実質的な」干渉は、駆動電極構造の直接加熱経路２２，２４と干渉する部分によって「吸われる」熱の量を見ることによって定量化することができる。例えば、活性領域３０に届く熱量を約１０％から約２５％より多く減少させるであろういかなる干渉も直接加熱経路への「実質的な」干渉となるであろう。いくつかの考えられる好ましい実施形態において、干渉の度合いは導かれる熱の約５％より少ない減少に相当する。別の考えられる実施形態においては、駆動電極構造が直接加熱経路２２，２４への干渉を完全に回避するように、加熱素子ストリップ６２，６４が配置される。これらの実施形態の全てにおいて、駆動電極構造に帰因するいかなる熱吸取り効果も最小限に抑えることができ、あるいは少なくともかなりの程度抑えることができる。
【００４３】
マイクロ加熱素子構造は加熱素子ストリップ６２，６４で発生された熱が活性領域３０に迅速に、例えば４μｓ以内で、到達することを保証するため、活性領域３０に十分近づけて配置されるべきである。限定ではなく、例として、マイクロ加熱素子構造の加熱素子ストリップ６２，６４は、活性領域３０のＰＮ接合からの離隔が約５μｍより小さくなるように配置することができるであろう。加熱素子ストリップ６２，６４と活性領域３０の間隔は、ストリップ６２，６４及び駆動電極構造を形成するための作成プロセスが十分に精密であれば、５μｍよりかなり小さく、例えば約２μｍにできるであろうと考えられる。
【００４４】
駆動電極構造の動作がマイクロ加熱素子構造の導電素子によって阻害されないことを保証するために注意が払われるべきである。例えば、この目的のため、マイクロ加熱素子構造の加熱素子ストリップ６２，６４が駆動電極素子５０から少なくとも約２μｍは確実に離されることが好ましいであろう。図４に示されるように、加熱素子ストリップ６２，６４を形成する抵抗性薄膜並びに駆動電極構造及びマイクロ加熱素子構造を形成する様々な導電層は、半導体基板２０上に直接被着された電気絶縁性薄膜７０上に形成することができる。さらに、薄い保護被膜を加熱素子ストリップ６２，６４上に形成できることに注意されたい。
【００４５】
図５を参照すれば、電流注入及び熱分散のためリッジ導波路４０上及びその周囲に形成された、駆動電極素子５０の陽極電極領域５６及びＰ型金属を駆動電極構造が有することが好ましい。陽極金属は加熱素子ストリップ６２，６４及び加熱素子コンタクトパッド６６の周囲に形成された導電配線５５を介して駆動電極素子５０のＰ型金属に接続される。加熱素子ストリップ６２，６４は、活性領域３０のＰＮ接合から数μｍ〜数１０μｍ離して、リッジ４０の両側に配置される。加熱素子ストリップ６２，６４とＰ型金属の間には電気絶縁のための数μｍの間隙がある。加熱素子ストリップ６２，６４と陽極電極領域５６及び加熱素子コンタクトパッド６６の間にも間隙がある。この間隙の幅は、加熱素子ストリップ６２，６４で発生された熱が陽極電極領域５６を介して実質的に放散されることはないであろうように、調整することができる。上述したように、上記の間隙幅は少なくとも１０μｍとすることが好ましいであろうと考えられる。加熱素子ストリップで発生された熱の「実質的」放散は、陽極電極領域５６及び加熱素子コンタクトパッド６６の部分で「吸われる」熱の量を見ることによって定量化することができる。例えば、活性領域３０に届く熱量を約１０％から約２５％より多く減少させるであろうこれらの素子によるいかなる放散も「実質的」であろうと考えられる。いくつかの考えられる好ましい実施形態において、放散の度合いは導かれる熱の約５％より少ない減少に相当する。
【００４６】
本発明の一実施形態にしたがえば、加熱素子ストリップ６２Ａ，６４Ａ，６２Ｂ，６４Ｂは、波長選択領域１２及び位相整合領域１４においてはリッジ導波路４０の長さ方向次元に沿って延びるが、利得領域１６においては実質的な距離にかからないように、構成される。このタイプの構成には、波長選択領域１２及び位相整合領域１４の温度制御が望ましい場合に、動作上の利点がある。
【００４７】
本発明の別の実施形態にしたがう図６を参照すれば、マイクロ加熱素子構造はリッジ導波路４０の上を半導体レーザ１０の長さ方向次元Ｚに沿って延びる加熱素子ストリップ６５を有する。ＤＢＲレーザの場合、図６に示されるタイプの加熱素子ストリップ６５はＤＢＲ型レーザ（図１Ｂを参照されたい）の波長選択領域１２または位相整合領域１４を、これらの領域は駆動電極構造の導電素子を排除するように作成することができるから、有効に加熱するために用いることができる。図６に示されるように、駆動電極素子５２，５４は、これらを入れることが必要であるかまたは好ましい場合に、リッジ導波路４０の横に並べて設けることができる。
【００４８】
図６に示されるように、加熱素子ストリップ６５とリッジ導波路４０の間を半導体レーザ１０の長さ方向次元Ｚに沿って延びる中間スペースには、駆動電極構造からの導電素子が全く含まれていない。この結果、系から熱を吸い取ることができるであろう導電素子によって妨げられていない直接加熱路を活性領域３０と加熱素子ストリップ６５の間に確立することができる。加熱素子ストリップ６５の幅は少なくとも活性領域３０の幅ほどの大きさであるが、活性領域３０の幅の約４倍よりは小さいことが好ましいと考えられる。
【００４９】
本出願明細書全体にわたって様々なタイプの（電）流への言及がなされている。本発明を説明し、定める目的のため、そのような（電）流は電流を指すことに注意されたい。さらに、本発明を説明し、定める目的のため、本明細書における電流の「制御」への言及は、電流が能動的に制御されるかまたはいずれかの基準値の関数として制御されることを必ずしも意味していないことに注意されたい。むしろ、電流は電流の絶対値を確立することだけで制御できるであろうと考えられる。
【００５０】
本発明の上記の詳細な説明は、特許請求されるような本発明の本質及び特徴の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。例えば、本発明の概念にしたがって動作するレーザは走査型ビデオ投映システムに利用できると考えられる。この場合、本発明の様々な制御及び測定の方式に用いられる動作温度及び周囲温度の信号は、投映システムの動作サイクルの帰線期間中に発生させることができる。
【００５１】
すなわち、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。例えば、本明細書では隆起リッジ導波路に関して本発明の概念が説明されているが、本発明は「埋込」リッジ導波路構造に関しても有効であろうと考えられる。したがって、添付される特許請求の範囲における「リッジ導波路」の記述は、隆起リッジ導波路及び埋込リッジ導波路を含み、隆起リッジ導波路構造に限定されると解されるべきではない。
【００５２】
「好ましく（preferably）」、「普通（commonly）」及び「一般（typically）」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定する目的はなく、ある特徴が特許請求される本発明の構造または機能に肝要であるか、本質的であるかを意味せず、重要であることさえも意味しない。むしろ、これらの語句は、本発明の特定の実施形態に用いられても用いられなくても差し支えない、別のまたは追加の特徴を際立たせることが目的であるにすぎない。さらに、値、パラメータまたは、別の値、パラメータまたは変数「の関数」である、変数への言及は、唯一の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味すると解されるべきではないことに注意されたい。
【００５３】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は本明細書において、いずれかの量的な比較、値、測定値またはその他の表示に帰因させ得る不確定性の固有の度合いを表すために用いられる。語句「実質的に」は、定量的表現が、取り上げられている主題の基本機能における変化を生じさせずに、言明された基準から変化し得る程度を表すためにも用いられる。
【符号の説明】
【００５４】
１０    ＤＦＢ半導体レーザ／ＤＢＲ半導体レーザ
１２    波長選択領域
１４    位相整合領域
１６    利得領域
２０    半導体基板
２２，２４    直接加熱経路
２５    Ｎ型領域
３０    活性領域
４０    リッジ導波路
５０    駆動電極素子
５２，５４    駆動電極素子横側部分
５５    導電配線
５６    陽極電極領域
６２，６４，６５    加熱素子ストリップ
６６    加熱素子コンタクトパッド
７０    電気絶縁性薄膜
８０    光波長変換デバイス
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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