(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置に組み込まれた状態で評価温度において所望の特性をもつ半導体レーザ素子を選別する半導体レーザ素子の選別方法であって、
装置に組み込まれておらず戻り光がない状態で半導体レーザ素子の温度を制御し、半導体レーザ素子が装置に組み込まれた状態で評価温度において戻り光がある場合と等価になる温度において半導体レーザ素子の光出力−電流特性の測定を行い、その測定結果に基づいて半導体レーザ素子が組み込まれる装置に組み込まれた状態で評価温度において所望の特性をもつ半導体レーザ素子を選別することを特徴とする半導体レーザ素子の選別方法。
【請求項２】
光出力−電流特性の測定を行う温度は、装置に組み込まれた状態で戻り光により見かけ上変化した端面反射率に基づく評価温度における閾値電流または装置に組み込まれた状態の実際の光学系での評価温度における閾値電流と、装置に組み込まれておらず戻り光がない状態で光出力−電流特性の測定を行う温度での閾値電流が、等しくなるような温度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の選別方法。
【請求項３】
前記測定結果は、戻り光による発光効率の変化に見合った光出力の補正を行ったものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の選別方法。
【請求項４】
半導体レーザ素子の実際の使用条件に合わせて、ＣＷモード、パルスモード、または双方のモードで駆動電流を設定し、光出力−電流特性の測定を行うことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の選別方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の選別方法を用いて半導体レーザ素子を選別する工程を含む半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子がシステムに組み込まれた条件での使用状態を考慮した半導体レーザ素子の選別方法及びその選別方法を用いた半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、映像・画像や音声・音楽のデジタルレコーディングが普及すると共に、ＰＣやビデオ等のマルチメディア機器で扱う情報量は飛躍的に増大しており、情報記録媒体の大容量化・高速化への要求が益々大きくなっている。書き換え可能な光ディスク装置は、記録媒体となる光ディスクの入換え・持ち運びが容易であり、媒体の記録密度を比較的容易に高密度化できることから、大容量記録システムとして注目され研究開発が進められてきた。今日では、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷや光磁気ディスク等の大容量記録装置が開発・製品化されており、１ＧＢを超える大容量のシステムが実現されている。
【０００３】
光ディスクシステムの大容量化・高速化に応じて、光源として用いられる半導体レーザ素子の性能についてもより高い機能が要求されるようになっている。記録密度の大容量化の為には、情報を記録するビットのサイズを小さくし、且つ正確に記録する必要がある。最近の大容量システムでは、このような問題に対応する為にレーザ光の照射方法を工夫し、パルス及びＣＷ駆動を状況に応じて使い分けることで記録・消去の動作に対応することが一般的になっている。また、高速化に対しては、記録時のレーザの光出力を増加させることが必要であり、より高い光出力において安定に動作するレーザ素子が求められている。
【０００４】
より高い光出力において安定に動作する従来の半導体レーザ素子については、特開平７−２７３３９８号公報に記載されている。その概要は、キンクの発生を抑え、直線性の良好な光出力−電流特性を得る為に、レーザ素子の共振器長が取るべき範囲を規程するものであり、レーザ素子のキンクレベルが共振器長に応じて周期的に変化することから、キンクレベルが発生する光出力を高く取れるように共振器長を設定するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術では、レーザ素子単体で評価した場合のキンクレベルを高くすることはできるものの、実際に光ディスク装置に搭載された場合については述べられていない。実際の使用条件では、光ディスクからの戻り光がレーザ内にフィードバックされる為、素子の光出力−電流特性が変わってしまうという問題点がある。従って、実際の使用条件を考慮していない場合には、光ディスク装置に組込んだ状態においてキンクが発生し、装置の書込み・消去の動作が不安定になってしまう上、光学部品や装置の組立・調整にかかるコストが増大してしまう。
【０００６】
また、戻り光の影響を考慮して、対応するシステム毎に共振器長を変えるとしても、システムによって戻り光の条件が異なる為、様々な種類の共振器長を持った素子を作製しなければならず、コストが増大してしまうという問題がある。
【０００７】
すなわち、レーザ素子が実際に光ディスク装置に搭載された場合には、ディスク面で反射したレーザ光がレーザ素子内に戻り、レーザ素子の動作状態に影響を与えるという問題が少なからず発生する。レーザ素子単体で見れば光出力−電流特性にキンクが見られなくても、戻り光の影響によりキンクが発生するようになり、光ディスク装置の動作が不安定になることがある。
【０００８】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、このような状況を想定し、戻り光がある場合にもキンクが発生せず、良好な光出力−電流特性を有するレーザ素子を提供することが可能となる技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかなるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００１１】
すなわち、半導体レーザ素子の温度を調整し、戻り光がある場合と等価になる条件において光出力−電流特性の測定を行うことによって、キンクレベルが高く、所望の光出力まで直線性の良い光出力−電流特性をもった半導体レーザ素子を選別するものである。
【００１２】
また、前記内容に加えて、レーザ素子の実際の使用条件に合わせて、ＣＷモードあるいはパルスモードでの駆動電流を設定し、選別条件をレーザが組み込まれる装置に合わせて補正するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
半導体レーザ素子を光ディスク装置に組み込んだ際には、光ディスクからの戻り光が発生する為、レーザ素子の光出力−電流特性が変化してしまう。レーザ素子が組み込まれる装置の光ピックアップの歩留を向上させる為には、戻り光がある場合にもキンクが発生しないレーザ素子を使用する必要がある。しかしながら、通常戻り光がある状態で光出力−電流特性を測定する為には、光ディスクシステムと等価な光学系を準備し、レーザ素子の位置やレンズ系の光学調整を行わなければならず、非常に手間がかかる測定であった。従って、個々の素子についてこのような測定を行うことは、コストが増大する上、特殊な評価系を用意しなければならず、マスプロダクションへの適用は困難であった。
【００１４】
レーザ素子の光出力−電流特性にキンクが発生する原因は、レーザ素子の共振器内で基本モードと高次のモードが競合することにある。基本モード及び高次のモードの位相差は、レーザ光が伝搬するレーザ共振器内の導波路の伝搬定数差Δβにより決まり、Δβと共振器長Ｌの積ΔβＬがπの整数倍となった時にキンクが発生する。各モードの伝搬定数は、レーザを構成する活性層、クラッド層等の屈折率により決るため、温度や注入電流量に応じて徐々に変化する。また、レーザ素子の閾値電流やスロープ効率等の電気・光学的特性は温度に対して指数関数的に変化し、温度の関数として求められることから、レーザ素子のキンクレベルは温度の関数として表すことができる。一方、レーザ素子の動作温度を一定とし、レーザ素子への戻り光が発生した場合について考える。この場合、戻り光によりレーザ素子の共振器内の光量が増加することから、誘導放出による利得が増加し、閾値電流が低下して活性層内のキャリア密度が低い状態でレーザ発振に至ることになる。この状態は、戻り光が無い場合にレーザ素子の動作温度を低下させた状態にほぼ等価であり、レーザ素子の温度を制御することにより戻り光がある場合のキンクレベルを容易に評価することができる。
【００１５】
図１は、レーザ素子のキンクレベルの温度依存性を示す一例である。横軸は測定温度（℃）であり、縦軸はキンクレベルＰｋ（ｍＷ）である。１、３のラインは、レーザ素子単体の場合、すなわち戻り光が無い場合のキンクレベルである。１のラインは補正後のラインであり、３のラインは補正前のラインである。補正については後述する。また、２のラインは、２５℃（室温）において戻り光量１０％を与えた場合のキンクレベルを示している。図１の条件においては、通常の評価温度２５℃（図中○）から５℃（図中□）まで温度を低下させることにより、戻り光のある状態を評価できることになる。
【００１６】
レーザ素子の測定温度（図１の制御温度）の設定については、戻り光による見かけ上の端面反射率変化と閾値電流の温度依存性により温度幅ΔＴ（通常測定温度と制御温度の差）が求められる。戻り光量ｋＦ．Ｂ（％）に対し、レーザ素子の前端面の反射率Ｒｆが見かけ上、式（１）で定義されるΔＲｆだけ増加する。
【００１７】
【数１】
0004132848.tif 000002
式（１）において、ｍは戻り光と光導波路の結合効率である。戻り光がある場合の閾値電流は、元々の反射率Ｒｆの代わりに（Ｒｆ＋ΔＲｆ）を用いることで計算される為、閾値電流の温度依存性から戻り光が無い場合の閾値電流Ｉｔｈ（Ｔ−ΔＴ）が先に求めた値と等しくなる温度幅ΔＴを見積れば良い。具体的には、温度幅ΔＴは以下のように見積ることができる。
【００１８】
式（２）はレーザ素子の前端面の反射率Ｒを元々の反射率Ｒｆとした時の閾値電流密度Ｊｔｈである。
【００１９】
【数２】
0004132848.tif 000003
ここで、βは利得係数であり、ηｉは内部量子効率であり、αｉは内部損失であり、Ｊ０は活性層の利得が０になる初期電流密度であり、ｄは活性層の膜厚であり、Ｒｒはレーザ素子の後端面の反射率である。なお、Ｊｔｈ｛Ｒ＝Ｒｆ｝は、レーザ素子の前面端の反射率ＲがＲｆの時のＪｔｈを表している。以下で用いる｛  ｝も同様である。閾値電流Ｉｔｈは、式（３）に示すように、閾値電流密度Ｊｔｈ、共振器長Ｌ、実効的な活性層幅ＷＳの積で与えられる。
【００２０】
【数３】
0004132848.tif 000004
式（２）、式（３）は、戻り光のない場合の閾値電流の反射率依存性を表す計算式である。
【００２１】
閾値電流の温度依存性は式（４）で表される。
【数４】
0004132848.tif 000005
ここで、Ｔ０はレーザ素子の特性温度であり、Ｉｔｈ（Ｔ）は、戻り光のない場合の通常測定温度Ｔでの閾値電流であり、いずれも実験によって求める。式（２）のパラメータＪ０、β、αｉ等は温度Ｔにおける実験データに合うように決める。式（４）のＩｔｈ（Ｔ−ΔＴ）は戻り光のない場合の制御温度（Ｔ−ΔＴ）における閾値電流である。
【００２２】
一方、戻り光がある場合の閾値電流は、式（２）および式（３）において元々の反射率Ｒｆの代わりに（Ｒｆ＋ΔＲｆ）を用いることで計算される。
【００２３】
温度幅ΔＴは、式（５）に示すように、式（２）、式（３）において前面の反射率Ｒが元々のＲｆから見かけ上（Ｒｆ＋ΔＲ）に変わった場合の閾値電流Ｉｔｈ｛Ｒ＝Ｒｆ＋ΔＲｆ｝と、式（４）で求められた戻り光のない場合の制御温度（Ｔ−ΔＴ）での閾値電流Ｉｔｈ（Ｔ−ΔＴ）を等しいとすることによって求められる。
【００２４】
【数５】
0004132848.tif 000006
式（４）、式（５）から、温度幅ΔＴは式（６）に示されるように求められる。
【００２５】
【数６】
0004132848.tif 000007
【００２６】
この際に注意するべき点は、光ディスクシステムの光学系によっては、レーザ素子内にフィードバックされる戻り光の偏向方向が元々のレーザ光と異なる場合があることである。このような系に対しては、実際の光学系での閾値電流の変化を考慮してΔＴを設定する必要がある。
【００２７】
また、戻り光により端面反射率が見かけ上変化することより発光効率が若干変わる為、反射率の変化に見合った光出力の補正を行う必要がある。素子前後面の反射率Ｒｆ（前面）及びＲｒ（後面）に対し、式（７）より発光効率ηＳが求められる。戻り光がある場合は、式（７）の反射率Ｒｆを見かけ上の反射率（Ｒｆ＋ΔＲｆ）とすることで発光効率が求められる。
【００２８】
【数７】
0004132848.tif 000008
【数８】
0004132848.tif 000009
【００２９】
Ｐｆ／Ｐｒは素子前後面の出力比であり、式（８）により求められる。これらの式より計算した発光効率の比率によりキンクレベルの補正を行えば良い。図２は、光出力−電流特性の測定結果とキンクレベルの補正について説明するための図である。横軸がレーザ素子に注入する電流であり、縦軸がレーザ素子の光出力である。実線は補正前の光出力−電流特性の測定結果であり、Ｐ１が実験により求められたキンクレベル（光出力−電流特性の折れ曲がり点）である。点線は補正後の光出力−電流特性を表しており、Ｐ２が補正後のキンクレベルである。補正後のキンクレベルＰ２と補正前のキンクレベルＰ１との関係を式（９）に示す。
【００３０】
【数９】
0004132848.tif 000010
【００３１】
図１において、１（補正後）は３（補正前）のデータの出力補正を行ったキンクレベルである。戻り光がある状態では無い場合に比べて発光効率が約０．８に低下するため、戻り光が無い時のキンクレベルを約０．８倍に補正して表示している。光ディスクシステムに搭載されて戻り光がある状態でのレーザ素子のキンクレベルは、４０ｍＷ程度（図中●）であるのに対し、レーザ素子を通常の温度で評価した場合のキンクレベルは約７５ｍＷ（図中○印）となった。このように、レーザ素子単体で光出力−電流特性を確認していても、実際の使用条件において戻り光があるとキンクレベルが変動し、光ディスクシステムでの動作に不具合が発生してしまう。本実施例では、見かけ上の反射率変化（約９％）及びレーザ素子の温度特性から見積り、測定温度の制御温度幅ΔＴを２０℃と設定した。通常の測定温度２５℃から２０℃低下させた５℃において評価を行い、補正したキンクレベルが戻り光がある場合のキンクレベルと一致することを確認した。
【００３２】
図３は、本実施例において光出力−電流特性の評価を行った測定系である。レーザ素子の温度制御機構と、光出力−電流特性を評価する機能があれば本実施例と異なる構成の評価系を用いても良い。１１は評価対象の半導体レーザ素子、１２は光出力をモニタする受光素子である。２１はレーザ素子の駆動電源であり、実際のシステムでの使用条件に合わせてＣＷ駆動あるいはパルス駆動、もしくはその双方において光出力−電流特性の評価を行う。２２は信号処理系であり、レーザ素子駆動電流のモニタ信号と受光素子の出力値から電流値と光出力の対応を取り、２３の表示装置（プロッタ、オシロスコープ等）に出力している。３１及び３２は温度制御系であり、ペルチエ素子を内蔵するヒートシンク部３２を温度コントローラ３１で駆動することにより所望の評価温度に設定した。
【００３３】
本実施例においては、評価するレーザ素子の平均的な特性値を用いて測定する温度を設定したが、レーザ素子の特性には素子毎にばらつきがあり、設定時に用いた特性とは必ずしも一致しない。素子特性のばらつきを考慮する場合には、制御温度幅を５℃〜１０℃補正し、マージンを確保しても良い。
【００３４】
本実施例では、１温度設定でのキンクレベルの保証を考慮していたが、光ディスクのＰＣへの内蔵や屋外へ持ち出されるビデオカメラへの内蔵等を考えると、０〜７０℃程度の広い温度範囲で動作を保証する必要がある。このような場合には、測定温度条件を増やし、上記と同様の方法で温度設定を決めた複数の測定温度で評価することにより広い温度範囲でキンクレベルが高く、システムに実装された場合にも不具合が発生しないレーザ素子を供給することができる。
【００３５】
本発明によれば、レーザの使用条件が異なる複数のシステムに対しても、レーザ素子の構造を変えることなく、選別の条件を変えるだけで対応できる。すなわち、光ディスクシステムに用いられる光学系は、光ピックアップを製造するメーカ毎に異なっており、光ディスクからの戻り光量や、レーザ素子の駆動方法もシステム毎に異なっている。戻り光の無い状態で、レーザ素子単体での光出力−電流特性のみを評価している場合には、システムに組み込んだ場合に戻り光の影響による動作不良が発生する可能性が大きく、光ピックアップの組立歩留が低下し、製造コストが増大してしまうという問題点がある。また、各システムヘの対応を、レーザ素子の構造の補正により行う場合は、光ピックアップの歩留は改善できるものの、システム毎に構造の異なる素子を作製する必要が有り、レーザ素子自体のコストが増加する。一方、本発明を用いた場合は、必要最小限のレーザ素子仕様の変更と特性選別条件の変更のみで複数のシステムに対応することができる。また、光ピックアップの製造工程での不具合の発生率を抑えられるため、レーザ素子のユーザにとってもメリットがある。本発明は、光ディスク用の光源として用いる場合にレーザ素子自体の製造コスト及び光ディスクシステムを製造する上でのコスト低減が可能であり、システム全体の価格競争力を向上させることができる。本発明の最も効果のある製品は、光ディスク用高出力半導体レーザ素子である。
【００３６】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００３８】
本発明によれば、複雑な光学調整を行うこと無く戻り光がある状態のキンクレベルを容易に評価することができ、レーザ素子が光ディスクシステムに搭載された場合の戻り光の影響による不具合の発生を無くすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るレーザ素子のキンクレベルの温度依存性と戻り光がある場合のキンクレベルを示す図である。
【図２】光出力−電流特性の測定結果とキンクレベルの補正について説明するための図である。
【図３】本発明の実施例に係る光出力−電流特性の測定系を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザ単体でのキンクレベルの温度依存性（補正後）、２…２５℃（室温）における１０％の戻り光がある場合のキンクレベル、３…レーザ単体でのキンクレベルの温度依存性（補正前）、１１…評価対象の半導体レーザ素子、１２…光出力をモニタする受光素子、２１…レーザ素子の駆動電源、２２…信号処理系、２３…表示装置（プロッタ、オシロスコープ等）、３１…温度コントローラ、３２…ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004132848.tif 000013