波長可変半導体レーザー装置

专利摘要:
本発明は出力光源の波長を変化させることができる半導体レーザー装置に関する。半導体レーザーダイオード及び上記半導体レーザーダイオードの周りに配置された１つまたは複数の熱源素子を同一基板上に集積し、上記熱源素子を利用して上記半導体レーザーダイオードを均一に加熱するように構成することで半導体レーザーダイオードの出力波長を容易で、且つ速く変化させることができるという効果がある。
公开号:JP2011507263A
申请号:JP2010537833
申请日:2008-04-02
公开日:2011-03-03
发明作者:キム、キュン、ヒュン；キム、ワン、ジョン；コ、ヒュン、スン；スン、グン、ヨン；パク、ソン、ヒ；フー、チュル；ホン、ジョン、チョル
申请人:エレクトロニクス アンド テレコミュニケーションズ リサーチ インスチチュートＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ；
IPC主号:H01S5-06

专利说明:

[0001] 本発明は出力光源の波長を変化させることができる半導体レーザー装置に関するもので、より詳細には半導体レーザーダイオードの周りに１つまたは複数の熱源素子を配置し熱を均一に加熱して出力波長を変化させることができる波長可変半導体レーザー装置に関する。]
背景技術

[0002] 波長可変レーザーとは、出力光の波長を調節することができるレーザーのことである。このような波長可変レーザーは光通信、ガスセンサー及びバイオセンサーなどに光源として使用される。光通信、多様なセンサーなどに使用するための波長可変レーザーは波長可変範囲が広く、出力が大きく、波長変換速度が速くて値段が安くなければならない。]
[0003] 波長可変レーザーの波長可変方式には面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）とＭＥＭＳを利用する方式、外部共振器を使用するレーザー（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ）を使用する方式、熱線（ｈｏｔ ｗｉｒｅ）を使用する方式、ＤＢＲレーザーを使用する方式などがある。]
[0004] このうちＭＥＭＳを利用する方式はＭＥＭＳ技術を利用して共振の長さ（ｃａｖｉｔｙ ｌｅｎｇｔｈ）を変え出力波長を調節する方式である。この方式は波長可変範囲が広く、連続的に波長を変えることができるという長所はあるものの、波長可変速度が遅く、長期間使用時に安全性などに問題がある。]
[0005] 外部共振器を使用する方式は、レーザーと鏡から成る共振器の中にプリズム、回折格子のような波長選択器具を装着し、波長選択器具を動かしてレーザーの出力波長を変える方式である。この方式を使用する波長可変レーザーは出力波長が大きく、出力光線の幅が狭く、波長可変領域が広く、連続的に波長を変えることができるという長所はあるものの、波長可変速度が遅く、機械的な駆動装置の安全性に問題がある。]
[0006] 熱線を使用する方式は、レーザーに熱線を装着し、熱線を利用してレーザーの温度を調節し出力波長を変える方式である。このような熱線を使用する方式を適用したＤＦＢレーザーを使用する場合、温度による波長変化係数は約０．１ｎｍ／Ｃ程度である。このようなＤＦＢレーザーを使用する場合、１つのＤＦＢレーザーで可能な波長変化幅が制限されているため、広い波長可変幅が必要な場合は複数のＤＦＢレーザーを使用しなければならないという問題点がある。]
[0007] 図１は従来の熱線を使用する波長可変型レーザーダイオードの一実施例を示した図面である。図１を参照すると、レーザーダイオードの表面に熱線ヒーター１１２と、熱線ヒーター１１２の電極１１０、１１１が蒸着されている。すなわち、熱線に電源を連結し、熱線から放出された熱を利用してレーザーダイオードを加熱し発振波長を変える構造である。このような方式で製造された熱線型ＤＦＢレーザーは現在商用として市販されている。この方式は連続的に波長を変えることができ、構造が単純で、生産が容易であるという長所はあるが、波長変換速度が遅いという短所もある。] 図１
[0008] 最後に、ＤＢＲレーザーは主に利得領域、回折格子領域、位相領域で構成されている。各領域は別途の電流供給器を利用して駆動し、各領域に流れる電流によりキャリア濃度の変化が生じ、このキャリア濃度の変化による屈折率の変化によって出力波長が変わる。この方式は連続的な波長変換が不可能である。また、特定波長の光を得るために各領域に流れる電流による出力波長を予め調べて表を作り、所望する波長に該当する電流を流さなければならない。この方式は波長の制御方法が複雑であるという短所がある。]
先行技術

[0009] 米国特許第６，８６５，２１４号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0010] 上述したように、従来の波長可変レーザーの波長可変方式は波長可変速度が遅く、所望する波長を得るための制御方法が複雑で、長期間使用時に安全性に問題がある。従って、本発明は半導体レーザーダイオードの出力波長を容易で、且つ早く変更できる波長可変半導体レーザー装置を提供しようとするものである。]
課題を解決するための手段

[0011] 本発明の好ましい一実施形態による波長可変半導体レーザー装置は、光を放出する半導体レーザーダイオードと、前記半導体レーザーダイオードに電流を供給する第１電源供給器と、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に配置されて熱源として使用される１つ以上の熱源素子と、前記１つ以上の熱源素子に電源を供給する１つ以上の第２電源供給器と、を含む。]
[0012] 前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成された、熱を発生することができる構造の半導体素子であり、前記半導体レーザーダイオードと同じ構造の半導体素子である。]
[0013] 前記１つ以上の第２電源供給器は、前記１つ以上の熱源素子に１対１で連結される。]
[0014] 一方、前記半導体レーザーダイオードは、面放出（ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）型半導体レーザーダイオードである。]
[0015] 前記１つ以上の熱源素子は、前記面放出型半導体レーザーダイオードの一定半径内に形成され、前記面放出型半導体レーザーダイオードのアクティブ領域のすぐそばに（ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ）位置する。]
[0016] また、前記１つ以上の熱源素子は、光放出面を電極または不透明な膜で覆って光放出が生じないようにするか、または光放出面の一部を電極で覆い、前記光放出面の残りの部分を不透明な膜で覆って光放出が生じないようにする。]
[0017] 一方、前記半導体レーザーダイオードは、端面発光（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）型半導体レーザーダイオードである。]
[0018] 前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードの片側または両側に配置される。]
[0019] また、前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に光放出の方向が前記半導体レーザーダイオードと異なるように曲がった形態で形成される。]
[0020] また、前記１つ以上の熱源素子は、基板に対して光放出の方向が前記半導体レーザーダイオードと異なるように熱源素子の光放出面が傾斜して形成される。]
発明の効果

[0021] 本発明によれば、従来の熱線を使用する方式に比べて出力波長の変更が容易で、波長変換速度が速いという効果がある。]
図面の簡単な説明

[0022] 従来の熱線を使用する波長可変型レーザー装置の一実施例を示した図面である。
本発明の第１実施形態による波長可変半導体レーザーダイオードの構造を示した図面である。
本発明の第２実施形態による波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。
本発明の第３実施形態による波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。
本発明の第４実施形態による面放出型半導体レーザー装置を用いた波長可変半導体レーザーダイオードの構造を示した図面である。
本発明の第５実施形態による端面発光（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）型波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。
本発明の第６実施形態による端面発光型波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である
図２から図７に図示した波長可変半導体レーザー装置を適用して実際に製作した面放出型波長可変半導体レーザー装置の波長可変特性を測定した結果グラフである。] 図２
実施例

[0023] 以下では添付の図面を参照して本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる好ましい実施例を詳しく説明する。]
[0024] 但し、本発明の好ましい実施例に対する動作原理を詳細に説明するにおいて関連する公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に不明確にすると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。]
[0025] また、図面全体にわたって類似する機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使用する。]
[0026] 図２は本発明の第１実施形態による波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。図２を参照すると、波長可変半導体レーザー装置は同一基板上に光源として用いられる１つの半導体レーザーダイオード２０３と熱源として用いられる１つの熱源素子２０２が並列に集積されている構造であって、熱源素子２０２に電流を供給する第１電源供給器２０１と、半導体レーザーダイオード２０３に電流を供給する第２電源供給器２０４を含む。] 図２
[0027] 上記熱源素子２０２と半導体レーザーダイオード２０３は、異なる電源供給器を使用して個別に動作し、電気的に分離している。]
[0028] また、熱源素子２０２は、半導体レーザーダイオード２０３と同一基板上に形成された同じ構造の半導体素子、または半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成された熱を発生することができる任意の構造の半導体素子であり、熱源素子２０２から発生する熱は半導体レーザーダイオード２０３に伝達され半導体レーザーダイオード２０３の出力光波長を変えるのに使用される。]
[0029] また、熱線型波長可変レーザーダイオードの場合は、レーザーダイオードの表面に形成されているＴｉなどから成る熱線（ヒーター）を利用してレーザーダイオードを加熱してレーザーダイオードの出力光波長を変えるが、本発明では熱源素子として半導体ダイオードなどの半導体素子を使用する。半導体ダイオードなどの半導体素子は電流を流すと、それ自体から熱が発生するため、本発明ではこれを熱線の代わりに熱源素子として用い、半導体レーザーダイオードの出力光波場を変える。]
[0030] 第１電源供給器２０１は、熱源素子２０２に供給する電流量を調節することで発生する熱を調節し、これにより半導体レーザーダイオード２０３の出力光波長を変える波長調節機の役割をする。]
[0031] 図３は、本発明の第２実施形態による波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。図３を参照すると、本発明の波長可変半導体レーザー装置は１つの基板上に複数の熱源素子３０２を１つの第１電源供給器３０１を使用して半導体レーザーダイオード３０３の波長を変化させる構造である。] 図３
[0032] 具体的に、複数の熱源素子３０２を１つの第１電源供給器３０１に連結し、ここに半導体レーザーダイオード３０３を並列に配置し、１つの第２電源供給器３０４を上記半導体レーザーダイオード３０３に連結する。]
[0033] ここで、複数の熱源素子３０２と半導体レーザーダイオード３０３は同一基板上に集積されており、熱源素子３０２と半導体レーザーダイオード３０３は異なる電源供給器を使用して個別に動作し、電気的に分離している。]
[0034] また、熱源素子３０２は、半導体レーザーダイオード３０３と同一基板上に形成された同じ構造の半導体素子または半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成された熱を発生することができる任意の構造の半導体素子であり、熱源素子３０２を半導体レーザーダイオード３０３の周りに対称的に配置し、半導体レーザーダイオード３０３を効果的に加熱できるようにする。また、熱源素子３０２の個数は制限しない。]
[0035] 図４は、本発明の第３実施形態による波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。図４を参照すると、本発明の波長可変半導体レーザー装置は複数の熱源素子４０５、４０６、４０７を使用し、それぞれの熱源素子４０５、４０６、４０７を別途の電源供給器４０１、４０２、４０３と連結して半導体レーザーダイオード４０８と対称的に並列に連結した構造である。上記半導体レーザーダイオード４０８には別途の電源供給器４０４が連結されている。] 図４
[0036] ここで、複数の熱源素子４０５、４０６、４０７と半導体レーザーダイオード４０８は同一基板上に集積されており、複数の熱源素子４０５、４０６、４０７と半導体レーザーダイオード４０８は異なる電源供給器４０１、４０２、４０３及び４０４を使用して個別に動作し、電気的に分離している。]
[0037] また、熱源素子４０５、４０６、４０７は、半導体レーザーダイオード４０８と同一基板上に形成された同じ構造の半導体素子、または半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成された熱を発生することができる任意の構造の半導体素子であり、熱源素子の個数は制限しない。すなわち、半導体レーザーダイオードを均一に加熱し、出力波長を可変させるために半導体レーザーダイオードの周りに１つまたは複数の熱源素子を配置する。]
[0038] 図５は、本発明の第４実施形態による面放出レーザーを使用した波長可変半導体レーザー装置の構造を示した図面である。]
[0039] 図５の（ａ）は本発明の第４実施形態による面放出レーザーを使用した波長可変半導体レーザー装置の斜視図である。図５の（ａ）を参照すると、本発明の波長可変半導体レーザー装置は基板５０１に面放出型半導体レーザーダイオード５０２と４つの熱源素子５０３が形成されている。４つの熱源素子５０３は面放出型半導体レーザーダイオード５０２の周りに一定の間隔で離隔されて配置される。]
[0040] ４つの熱源素子５０３は面放出型半導体レーザーダイオード５０２のような面放出型半導体ダイオードであり、複数の熱源素子５０３の光放出面を電極などで覆って半導体レーザーダイオードの光放出面のみを開放する。]
[0041] 本発明では面放出型半導体レーザーダイオード５０２の周りに４つの熱源素子５０３が配置された構造を説明しているが、熱源素子は１つまたは複数個配置されることができる。複数の熱源素子を面放出型半導体レーザーダイオードの周りに一定の間隔で配置すると、１つの熱源素子を使用した時より面放出半導体レーザーダイオードを均一に加熱することができる。]
[0042] また、本発明では４つの熱源素子５０３が面放出型半導体レーザーダイオード５０２のような面放出型半導体ダイオードの場合を例示したが、熱源素子は面放出半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成されることができ、熱を発生することができる任意の構造の半導体素子であればよい。]
[0043] 図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の面放出レーザーを使用した波長可変半導体レーザー装置をＩ−Ｉ’方向に切断した断面図である。図５の（ｂ）を参照すると、本発明の波長可変半導体レーザー装置は同一基板５０４上に下部ＤＢＲ５０５と上部ＤＢＲ５０６が形成されている。半導体レーザーダイオード５０２の電極５０８は光を放出できるように開放されている。熱源素子５０３の電極５０７は光が放出されないように熱源素子５０３の放出面を覆っている。ここで、電極以外の不透明な膜を使用するか、または一部は電極を使用し、残りの部分は不透明な膜を使用して熱源素子５０３の放出面を覆うことができる。]
[0044] また、本発明の面放出型波長可変半導体レーザー装置を熱線型波長可変面放出レーザーと比べて、本発明を熱線型波長可変面放出レーザーに適用する場合について説明する。]
[0045] 熱線型波長可変面放出レーザーは表面に熱線が付着されている構造であって、熱線から発生する熱を利用して面放出レーザーを加熱し、波長を変える構造である。しかし、面放出型半導体レーザーダイオードは上部と下部に半導体を利用したＤＢＲミラーが積層されている構造である。このような構造で外部に熱線がある場合、面放出型半導体レーザーダイオードのアクティブ領域に熱が伝達されるためには先ず上部のＤＢＲミラーを通過しなければならないが、面放出型半導体レーザーダイオードのＤＢＲミラーは熱伝導率が低いため、熱伝逹効率が落ち、熱線から発生した熱がアクティブ領域まで伝達されるのに多くの時間がかかる。]
[0046] 従って、本発明による面放出型波長可変半導体レーザー装置を熱線型波長可変面放出レーザーに適用すると、熱源素子が面放出型半導体レーザーダイオードのアクティブ領域のすぐそばに位置するため、熱線型より速く、効果的な波長変換が可能である。]
[0047] 図６は本発明の第５実施形態による端面発光（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）型波長可変半導体レーザー装置であり、端面発光型半導体レーザーダイオードの片側または両側に熱源素子を集積した構造を示した図面である。] 図６
[0048] 図６を参照すると、本発明の端面発光型波長可変半導体レーザー装置は同一基板６０１上に端面発光型半導体レーザーダイオード６０２及び半導体レーザーダイオード６０２の両側に位置した熱源素子６０３が形成されている。] 図６
[0049] 熱源素子６０３は、半導体レーザーダイオード６０２の片側にのみ形成されることもでき、光源としての役割をしないため、長さは半導体レーザーダイオード６０２と同一である必要がない。]
[0050] また、端面発光型波長可変半導体レーザーダイオードの場合、熱源素子６０３の光放出面のみを覆い、半導体レーザーダイオード６０２の放出面を覆わないのは難しいため、熱源素子６０３の共振器を図６のように曲げて熱源素子６０３から放出される光の方向を半導体レーザーダイオード６０２から放出される光の方向と異なるようにする。] 図６
[0051] 図７は本発明の第６実施形態による端面発光（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ）型波長可変半導体レーザー装置を示した図面であり、図７の（ａ）は端面発光型半導体レーザーダイオード７０２の片側または両側に光放出面の一部分が斜めにエッチングされた熱源素子７０３−１、７０３−２を集積した構造であり、図７の（ｂ）は図７の（ａ）に示した熱源素子７０３−１、７０３−２と異なる形態で光放出面がエッチングされた熱源素子７０３−３である。]
[0052] 図７の（ａ）を参照すると、本発明の端面発光型波長可変半導体レーザー装置は熱源素子７０３−１、７０３−２の光出力方向を半導体レーザーダイオード７０２の光出力方向と異ならせるために、エッチングなどの方法を使用して熱源素子７０３−１、７０３−２の一部分を斜めにエッチングする。熱源素子７０３−１、７０３−２をエッチングした後、半導体基板７０１を切断してから切断面がエッチングされた部分を通るように切り出し、半導体レーザーダイオード７０２の光放出面を基板に対して直角に形成し、熱源素子７０３−１、７０３−２の光放出面を基板に対して傾斜して形成し、熱源素子７０３−１、７０３−２と半導体レーザーダイオード７０２が異なる方向に光を放出するようにする。]
[0053] 図７の（ｂ）を参照すると、本発明の端面発光型波長可変半導体レーザー装置は、図７の（ａ）の熱源素子７０３−１を逆さまにした状態に光放出面がエッチングされた熱源素子７０３−３を使用することもできる。]
[0054] 従って、図２から図７を参照して説明した本発明の波長可変半導体レーザー装置は半導体レーザーと熱源素子が同一基板上に集積され、１つまたは複数の熱源素子から発生する熱が効果的に半導体レーザーダイオードに伝達されるように互いが隣接して形成される。] 図２
[0055] また、半導体レーザーと熱源素子を異なる電源供給器を使用して個別に動作させ、半導体レーザーダイオードと熱源素子を電気的に分離させる。また、半導体レーザーダイオード以外の熱源素子はレーザーの役割をせず熱源素子に流れる電流により熱を発生する熱源の役割のみをする。また、光が放出することを防ぐために、熱源素子の光放出面を電極あるいは他の透過性物質で覆うか、放出される光の方向を半導体レーザーダイオードから放出される光の方向と異なるように形成する。]
[0056] 図８は図２から図７に図示した波長可変半導体レーザー装置を適用して実際に製作した面放出型波長可変半導体レーザー装置の波長可変特性を測定した結果グラフである。ここで、熱線に流れる電流を０ｍＡから７０ｍＡまで１０ｍＡ単位で変えながら波長可変特性を測定した。図８を参照すると、熱源素子に供給される電流により半導体レーザーダイオードの波長が変わることが分かる。] 図２ 図８
[0057] 以上説明した本発明は上述の実施例及び添付の図面により限定されるのではなく、本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な置換、変形及び変更ができるということは本発明が属する技術分野で通常の知識を有する当業者には自明である。]

权利要求:

請求項1
光を放出する半導体レーザーダイオードと、前記半導体レーザーダイオードに電流を供給する第１電源供給器と、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に配置されて熱源として用いられる１つ以上の熱源素子と、前記１つ以上の熱源素子に電源を供給する１つ以上の第２電源供給器と、を含む波長可変半導体レーザー装置。
請求項2
前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に形成された熱を発生することができる構造の半導体素子であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項3
前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードと同じ構造の半導体素子であることを特徴とする請求項２に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項4
前記１つ以上の第２電源供給器は、前記１つ以上の熱源素子に１対１で連結されることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項5
前記半導体レーザーダイオードは、面放出型半導体レーザーダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項6
前記１つ以上の熱源素子は、前記面放出型半導体レーザーダイオードの一定の半径内に形成され、前記面放出型半導体レーザーダイオードのアクティブ領域のすぐそばに位置することを特徴とする請求項５に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項7
前記１つ以上の熱源素子は、光放出面を電極で覆って光放出が生じないようにすることを特徴とする請求項６に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項8
前記１つ以上の熱源素子は、光放出面を不透明な膜で覆って光放出が生じないようにすることを特徴とする請求項６に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項9
前記１つ以上の熱源素子は、光放出面の一部を電極で覆い、前記光放出面の残りの部分を不透明な膜で覆って光放出が生じないようにすることを特徴とする請求項６に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項10
前記半導体レーザーダイオードは、端面発光（ｅｄｇｅｅｍｉｔｔｉｎｇ）型半導体レーザーダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項11
前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードの片側または両側に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項12
前記１つ以上の熱源素子は、前記半導体レーザーダイオードと同一基板上に光放出の方向が前記半導体レーザーダイオードと異なるように曲がった形態で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の波長可変半導体レーザー装置。
請求項13
前記１つ以上の熱源素子は、基板に対して光放出の方向が前記半導体レーザーダイオードと異なるように熱源素子の光放出面が傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の波長可変半導体レーザー装置。