(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ、オーム接触層（ｃ１）と、やはりオーム接触層の機能を有する基板（Ｓ）との間に配置された一連の半導体層からなる少なくとも一つの活性領域（１１）を含む、複数の半導体レーザダイオードのスタックを含む半導体レーザ源であって、各ダイオードをオーム接触層を介して互いに接触させる圧力手段を含み、各レーザダイオード間に、高熱伝導率の材料で構成され、導電性を有し、ダイオードの平面における面積がダイオードの面積よりも大きな熱消散シート（ＴＨ）を含み、レーザダイオードのスタックの中心での加熱の最大値ΔＴmが、次式によって与えられ、
ΔＴm＝Ｆτｆ（Ｈ1／Ｋ1＋Ｈ2／Ｋ2）Ｎ（Ｎ＋２）／８
上式で、
−Ｆ：各ダイオードの活性領域で生成されるピーク熱流束
−τ：パルスの持続時間
−ｆ：パルスの反復周波数
−Ｈ1およびＨ2：ダイオードおよび熱消散シートのそれぞれの厚さ
−Ｋ1およびＫ2：ダイオードおよび熱消散シートの材料のそれぞれの熱伝導率
−Ｎ：スタックされるダイオードの数であることを特徴とする半導体レーザ源。
【請求項２】
各ダイオードの活性領域の両側に配置された材料の厚さが、各材料中の熱拡散長以上であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項３】
各材料の厚さが、次式の値以上であり、
0003869467.tif 000004
上式で、
−τが、パルスの持続時間であり、
−Ｋ、ρ、Ｃがそれぞれ、材料の熱伝導率、密度、比熱であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のレーザ源。
【請求項４】
パルスの終わりでの活性領域の温度上昇ΔＴcの値に関して、一対のパラメータＦ．τの値が次式の助けで求められ、
0003869467.tif 000005
上式で、
Ｆ：各ダイオードの活性領域で生成されるピーク熱流束
τ：パルスの持続時間
Ｋ1およびＫ2、ρ1およびρ2、Ｃ1およびＣ2：それぞれ、活性領域を囲む材料の熱伝導率、密度、比熱であり、
パラメータＦの値に基づいて、パラメータτの値が決まり、τの値によって、ダイオードの活性領域を囲む材料の厚さを求めることができることを特徴とする請求の範囲第３項に記載のレーザ源。
【請求項５】
熱消散シート（ＴＨ）が、半導体材料で構成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項６】
活性レーザ層（１１）が、ＧａＡｓに基づくものであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項７】
熱消散シート（ＴＨ）がＳｉＣまたはＳｉで構成されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項８】
圧力手段が、互いに電気的に絶縁され機械的に結合され、一方が他方に対して可動である、二つの圧力部分（Ｐ２、Ｐ３）を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項９】
オーム接点（Ｃ０１、Ｃ０２）が、電解金の層で覆われていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項１０】
レーザダイオードのスタックに、はんだ付けもロウ付けも含まれないことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【請求項１１】
各ダイオードの活性領域の両側に配置された材料の厚さが、各材料中の熱拡散長よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ源。
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体レーザ源に関し、詳細には、機械的クランプ止めによってアセンブルされる基本モジュールの構造に関する。
１９７０年から、レーザダイオードの有利な特性（高速直接変調が容易であり、狭いスペクトル帯で電気エネルギーを光エネルギーに変換する際の効率が高いことなど）を使用して、単位面積当たりに高い出力密度を生成することができるデバイスを生産することが提案されている。この目的のために、モノリシック基本レーザダイオードは、第１図に四つの基本ダイオードの場合で概略的に示したように、スタックの形ではんだ付けすることによってアセンブルされていた。他のすべてのものが等しい場合、放出出力密度が、基本ダイオードの高さＨに反比例することが理解されよう。
この種のデバイスは、１９７０年代に、スタックされる要素の数およびアセンブルされるスタックの数が異なるいくつかの変形例と共に、Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社によって市販された。基本レーザダイオードは、単一ヘテロ接合ダイオードであり、１０4Ａ／ｃｍ2程度のしきい値電流密度を有し、そのため、低再帰周波数（通常１ｋＨｚ）の短いパルス（１００ｎｓ）で動作する必要があった。この種のアセンブリは、数ｋＷのピーク出力を与えることができ、一つの所期の適用例は、近赤外におけるシーンのパルス照明であった。
１９８０年代の量子井戸レーザダイオードの開発によって、デバイスの特性、しきい値電流、差動効率がかなり向上し、したがってエネルギー変換効率が高まった。エネルギー変換効率は、長パルス動作（数百μｓ）または連続動作で最大５０％に達することもある。
これらの新しい特性は、閃光電球またはその他のランプを代替することによって、半導体レーザ、特にＹＡＧ：ネオジミウムレーザのポンピングへのレーザダイオードの応用に影響を及ぼしており、これらのレーザの「テークアップ」効率は係数１０以上増加している。この増加は基本的に、「白色」源のスペクトル幅と比べて、レーザダイオードのスペクトル幅（３ｎｍ）が小さいことによるものである。通常の動作モードは、「擬似連続」またはＱＣＷと呼ばれ、「長い」パルス（数百μｓ）からなり、再帰周波数を、閃光電球を用いて得られる１００Ｈｚを超える値に増加させることも有益である。たとえば、Ｊ．Ｇ．Ｅｎｄｒｉｚ等著「High power diode laser arrays」（IEEE J.Quantum Electron.,28(4)、９５２ページないし９６５ページ、１９９２年４月）に記載された混成スタックの形態でＳｐｅｃｔｒａ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅｓ社から製品が市販されており、この設計は、高周波数、したがって高平均出力での動作を可能にするという明確な目的を有する。この目的のために、通常は幅１ｃｍのアレイ状のモノリシックダイオードが、得るべき出力に応じた数だけ共通のサポート上にはんだ付けすることによってアセンブルされた基本モジュールの形態で、熱伝導率の高い材料からなるサポート上にはんだ付けされ、直列電気的に接続される。
この種のアセンブリは、
−アセンブリのコストが高いことと、
−放出出力密度が、基本モジュールの高さによって幾何学的に制限されることの二つの欠点を有する。
本発明の目的はまず、多数のスタックを必要とし、したがって製造費を大幅に削減しないかぎり経済的に実施不能であるが、再帰率が高いパルス動作を必要としないある種の応用例、すなわちポンピング半導体レーザのコストの欠点を解消する。本発明はさらに、放出出力密度を増加させるという利点を有する。
コストは二つの成分として分析することができる。
１．「フロントエンド」、すなわちすべての総合技術（材料エピタキシ、マイクロリソグラフィ、電気接点メタライゼーション）は、シリコン技術の歴史全体にわたって見られるように、生産量が増加するにつれて急速に減少する基本デバイス当たりコストを有する。これは、必然的にダイオードレーザアレイに当てはまる。
２．したがって、「バックエンド」、すなわち、すべてのアセンブリ技術および封止技術のコストは、達成される機能が複雑になればなるほど大きくなる。これは、現在市販されているスタックに当てはまる。
したがって、本発明の目的は、基本モジュールを簡略化し最適化し、かつ基本モジュールのアセンブリを簡略化することによってアセンブリコストを削減することである。本発明は、基本モジュールの高さＨを減少させ、したがって、パルスモードで放出されるピーク出力密度を増加させるという利点を有する。
本発明はしたがって、それぞれ、オーム接触層と、やはりオーム接触層の機能を有する基板との間に配置された一連の半導体層からなる少なくとも一つの活性領域を含む、半導体レーザダイオードのスタックを含む半導体レーザ源であって、各ダイオードをオーム接触層を介して互いに接触させる圧力手段を含むことを特徴とする半導体レーザ源に関する。
本発明の様々な主題および特性は、下記の説明および添付の図面から明らかになろう。
第１図は、従来技術によるレーザダイオードのスタックを表す図である。
第２図は、レーザダイオードの簡単なモジュールを表す図である。
第３図は、熱拡散シートが結合されたレーザダイオードモジュールを表す図である。
第４図は、本発明によるレーザダイオードのスタックの簡略化された例示的な実施形態を表す図である。
第５図は、レーザダイオードに注入された電流の、時間の関数としての変動の曲線と、ダイオードの活性領域の温度の変動の曲線を表す図である。
第６図は、ダイオードのピーク出力の、注入された電流の関数としての変動曲線と、底部ベースの温度の、注入された電流の関数としての変動曲線を表す図である。
第７図は、ダイオードから放出される光の波長の、注入された電流の関数としての変動曲線と、スペクトル幅の、注入された電流の関数としての変動曲線を表す図である。
第８図は、本発明によるレーザダイオードスタックの定常平均温度プロファイルを表す図である。
第９図は、持続時間τのパルス中のレーザダイオード混成モジュールの温度変化を表す図である。
第１０図は、本発明によるレーザダイオードのスタックの実装の例示的な実施形態を表す図である。
第１１図は、本発明による代替実施形態を表す図である。
したがって、第２図ないし第４図を参照し、本発明によるレーザダイオードのスタックの例示的な実施形態の構造について説明する。
本発明で使用される基本レーザダイオードは、従来技術で使用されるモジュールと比べて簡略化されたモジュールである。
第２図によれば、レーザダイオードは単に、後述のように寸法付けられるモノリシック半導体アレイを含む。この構造を「簡単なモジュール」と呼ぶ。この種のアレイは、一連の層からなりオーム接触層ｃ１で覆われた活性領域１１を半導体材料の基板Ｓ上に含む。基板Ｓはまた、オーム接触層の規定を満たすこともできる。
第３図によれば、半導体アレイは、(半導体材料、シリコーン、炭化ケイ素で構成された）高電気伝導率および高熱伝導率のシートの形のサーマルディシペータＴＨに結合される。半導体アレイの寸法および特性について下記で論じる。この構造を「混成モジュール」と呼ぶ。消散シートＴＨは、モジュールから熱を除去することができるようにモジュールの面積よりもずっと大きな面積を有する。
好ましい実施形態では、アレイの主面は、金層Ｃ０１、Ｃ０２（たとえば、電解金）で覆われる。
本発明によれば、第２図または第３図のモジュールなど、いくつかのモジュールが、第４図に表されたレーザ源Ｌを形成するようにスタックされる。モジュールは、二つの導電部品Ｐ２とＰ３との間のクランプ止めによって保持される。部品Ｐ２は、部品Ｐ１に接触するネジＶによってレーザＬに押し付けられる。部品Ｐ１と部品Ｐ３、したがって部品Ｐ２と部品Ｐ３は、絶縁体ＤＩによって互いに絶縁される。
したがって、部品Ｐ２およびＰ３によって、レーザダイオードのスタックＬに励起電流を供給することができる。
スタックＬをクランプ止めする手段に関していくつかの変形例を構想することができる。
事前にモジュールの主面上に設けられた金層によって、モジュール間の接触が良好になる。したがって、モジュールははんだ付けされない。
実装時には、部品Ｐ２と部品Ｐ３が分離され、事前に試験された基本モジュールが連続的に所定の位置に挿入され、次いでジョーが締め付けられ、モジュールが、機械的に保持されると共に、直列的に供給を受けるように電気的に接続される。このデバイスは、モジュール交換を行うために分解できるという利点を有する。ジョーの形状は、背面を適当なストップに接触させることによってモジュールを平行に位置決めするように設計することができる。
半導体レーザポンピング応用例では、選択した動作モードで、スペクトルの広がりが、使用されるイオンの有用な吸収帯の幅、たとえばＹＡＧのネオジムイオンの場合は３ｎｍよりも大きくならないようにする必要がある。しかし、レーザダイオードから放出される波長は、ネオジムイオンに使用される８０８ｎｍの波長の場合には、大きさが次式で表される係数で活性領域の温度と共に変動する。
ｄλ／ｄＴ＝０．３ｎｍ／℃
第５図は、パルスモード励起に関する、注入電流の変動（５ａ）および活性領域温度の変動（５ｂ）を概略的に表す。上記のことから、温度エクスカージョンΔＴｍは、選択された例では１０℃を超えてはならない。本発明によるデバイスは、この目的のために最適化される。
活性アレイが、活性領域を構成し、最適化された１組のエピタキシャル層がデポジットされた基板（たとえば、ＧａＡｓ）からなると仮定する。決定すべきパラメータは、活性アレイの基板の厚さと、混成スタックの場合のサーマルディシペータの性質および厚さと、モジュールの数である。
次に、平均過渡加熱温度および最大過渡加熱温度を満たすように本発明による構造を特徴付けるパラメータを求める。
モジュールのスタック、すなわち、
−それぞれ、モノリシックダイオードレーザアレイからなる、簡単なモジュールか、
−熱伝導材料（シリコーン、炭化ケイ素、銅−タングステンなど）で構成されたラジエータアレイに結合されたダイオードレーザアレイからなる混成モジュールかのどちらかを考える。
アセンブリを対称的にするために適当な材料で構成されたウェッジをスタックの上面間に挿入することができる。
最端のモジュールの外面が一定の基準温度に維持されていると仮定する。
励起モード
低デューティ比のパルスモードの事例を扱う。
−アレイ当たり光出力１００Ｗ、すなわちデバイスを損傷しない最大値を与える注入電流１２０Ａ程度
−各アレイの活性領域の端子を横切る電圧２Ｖ
−パルス持続時間約１００μｓ
−温度が、構造内で二つの連続パルス間で平衡する時間を有するようにするための再帰周波数１００Ｈｚ未満
平均温度
モジュールの平面に垂直な軸に沿った定常平均温度プロセスを第８図に概略的に示す。ΔＴmに関する近似式を与えることができる。この加熱の最大値は、混成スタックの場合、構造の中心で得られる。次式は、モジュールの数が２、３個よりも多いかぎり有効である。
ΔＴm＝Ｆτｆ（Ｈ1／Ｋ1／＋Ｈ2／Ｋ2）Ｎ（Ｎ＋２）／８  （１）
−Ｆ：各アレイの活性領域で生成されるピーク熱流束。たとえば、エネルギー変換効率が３３％でアレイ面積が０．１ｃｍ2であると仮定する場合、ピーク電力３００Ｗのパルスに対応するピーク熱流束は２ｋＷ／ｃｍ2である。
−τ：パルスの持続時間、たとえば１００μｓ
−ｆ：パルスの反復周波数、たとえば１０Ｈｚ
−Ｈ1およびＨ2：アレイおよび結合されたディシペータのそれぞれの厚さ。これらの厚さは、簡単なスタックの基板の厚さの半分に等しく、たとえば１００μｍである。
−Ｋ1およびＫ2：当該の材料のそれぞれの熱伝導率。ＧａＡｓではＫ1＝０．４６Ｗ／ｃｍ／℃、ＳｉＣでは、Ｋ2＝４．５Ｗ／ｃｍ／℃
−Ｎ：基本モジュールの数、たとえばＮ＝１０
これらのデータを用いた場合、簡単なスタックでは、ΔＴm＝１．３℃が得られる。これは、次に考える熱過渡の振幅と比べて無視することができる。
過渡温度
励起パルスの持続時間にわたって、過渡プロファイルを前の平均プロファイルに加える。過渡プロファイルは、第９図に示したように経時的に変化し、スタックで構成された周期構造の一周期を表す。材料の厚さが熱拡散長よりも大きいかぎり、すなわち
0003869467.tif 000002
（ＧａＡｓではτ＝１００の場合、５０μｍ）であるかぎり熱が流れる材料は無限とみなすことができ、持続時間τのパルスの終わりでの活性領域の温度上昇ΔＴcは、次式によって与えられる。
0003869467.tif 000003
Ｋ、ρ、Ｃはそれぞれ、活性領域の両側に配置された二つの材料の熱伝導率、密度、比熱である。簡単なスタックの場合、材料１および材料２はＧａＡｓである。
すでに定義されている励起条件の下では、下記の結果が得られる。
−簡単なスタック：ΔＴc＝１２℃、すなわち超えてはならない最大値
−ＳｉＣラジエータアレイを含む混成スタック：ΔＴc＝５℃
上記で与えた公式によって特定の応用例、たとえば所望の放出出力および励起モードに応じてスタックの設計（厚さ、アレイの数など）を最適化することができる。
たとえば、最大過渡温度値ΔＴcを固定する。公式（３）の助けで、一対の値Ｆ（活性領域の熱流束）およびτ（パルスの持続時間）を求める。たとえば、値Ｆを選択すると、パルス持続時間τが求められる。次に、公式（２）の助けで、活性領域を密閉する材料の最大厚さを求める。
ΔＴcは、得ることができる最小ピーク加熱である。基板およびディシペータの厚さを所望のパルス持続時間にわたる熱拡散長よりも低い値に減少させてもΔＴcは減少しないが、放出出力密度は減少する。
一例として、当技術分野の技術に応じて構成され、各アレイの寸法が、下記のとおりである、１０個の基本アレイ（簡単なモジュール）のスタックを考える。
−ＧａＡｓ基板の厚さ：１００μｍ
−幅：１ｃｍ
−長さ：（レーザ放出方向）：１ｍｍ
−放出光出力：２Ｖで電流１２０Ａの場合に１００Ｗ
パルスモード（１００μｓ、１０Ｈｚ）では、平均加熱は無視できるものであり、ピーク加熱は１２℃である。これは、いくつかの応用例に関して受け入れることができる。有効面積が０．１ｃｍ2の場合、放出出力は１ｋＷである。
熱が、クランプ止めによってモジュールを保持する部品のみを介して除去される構造と、モジュールの各面を介して除去される構造について考える場合、たとえば、１００μｓパルスおよび１０個の簡単なモジュールのスタックの場合はパルスの再帰周波数を１００Ｈｚに制限すべきである。
熱が、クランプ止めによってモジュールを保持する部分のみを介して除去される構造が検討されている。この場合、１００μｓパルスおよび１０個の簡単なモジュールのスタックでは、パルスの再帰周波数は１００Ｈｚに制限される。
ディシペータがもはやモノリシックアレイではなく、背部がスタックを超えて延び、流体の循環または蒸発、あるいはその両方によって冷却されるフィンとして働く、混成モジュールを設計することもできる（第３図）。この種の構造は、モジュールの平面に垂直な熱輸送によって制限される過渡加熱をそれほど低減させないが、平均冷却を向上させることができる。
−再帰周波数を増加させることと、
−選択した例における値と比べて、スタック内のモジュールの数を増加させることのどちらかを選択することができる。
スタックをクランプ止めできるようにするデバイスを、第１０図に表したように製作した。
５つのアレイのスタックの特性は、第６図および第７図に与えられており、これらの図はそれぞれ、３０Ｈｚでの１００μｓパルスモードの場合の、
−Ｐ／Ｉ特性（注入電流の関数としての放出出力）
−注入電流の関数としてのスペクトル幅を示す。
これらの曲線は実際に、上記で評価した大きさを満たす。
デバイスは、レーザダイオードスタックＬが配置されたベースＰ３を含む。固定部Ｐ２は、固定部Ｐ１上で摺動し、ネジの助けで、スタックＬを固定できるようにする。固定部Ｐ１は、ネジＶ２によってベースＰ３に固定され、絶縁プレートＤＩによってベースＰ３から絶縁される。
第１１図は、簡略化された代替実施例を表し、この実施形態では、固定部Ｐ２がバネであり、固定部Ｐ１に固定され、ダイオードスタックＬをベースＰ３に圧縮する。固定部Ｐ１は、絶縁シートＤＩによってベースＰ３に固定される。
【図１】
0003869467.tif 000006
【図２】
0003869467.tif 000007
【図３】
0003869467.tif 000008
【図４】
0003869467.tif 000009
【図５】
0003869467.tif 000010
【図６】
0003869467.tif 000011
【図７】
0003869467.tif 000012
【図８】
0003869467.tif 000013
【図９】
0003869467.tif 000014
【図１０】
0003869467.tif 000015
【図１１】
0003869467.tif 000016