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CN111344917B - 半导体激光器、驱动控制装置和半导体激光器的控制方法 - Google Patents

半导体激光器、驱动控制装置和半导体激光器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体激光器，包括核心层和一对覆盖层，所述核心层具有活性层以及与该活性层光学结合的衍射光栅层，所述一对覆盖层以夹着该核心层的方式配置，在所述半导体激光器中沿着所述核心层形成有导波通道，所述半导体激光器包括：平坦层，沿着导波通道与所述衍射光栅层连续设置；以及温度调节结构，用于将所述平坦层的温度调节为与所述衍射光栅层不同的温度。

Description

半导体激光器、驱动控制装置和半导体激光器的控制方法
技术领域
本发明涉及例如用于排气的成分分析等的半导体激光器，特别涉及量子级联激光器等。
背景技术
近些年，例如作为用于排气等样品气体的成分分析的光源，提出了使中红外区域的激光震荡的量子级联激光器(以下也称作QCL。)。这种QCL能够输出非常强烈的单一波长激光，因此能够实现提升分析精度。
此外，在分析中会有要求进行波长的扫描等在多个波长光下的测量的情况。因此在以往的QCL中使注入电流变化来调谐波长。
但是，这样做的话，会出现某波长的激光的强度与其他波长的激光的强度大不相同的情况，例如，在通过这些各波长进行浓度定量的情况下，激光的强度不同，因此会产生S/N比不稳定的问题。
此外，例如在具有DFB结构的分布反馈式QCL中，将衍射光栅的反射端面的位置以成为规定的光的相位(λ/4)的方式高精度地形成而产生明显的共振现象，然而由于所述反射端面是通过解理形成，所以往往产生如图6所示的相位偏移，容易发生由此引起的波长跳跃。因此，会有良品率非常低(例如约30％程度)的问题。
现有技术文献
专利文件1：日本专利公开公报特开2017-123445号
发明内容
本发明旨在解决上述问题，主要目的在于在QCL等半导体激光器中，能够抑制激光的强度变化并调整波长。此外，另一个目的在于提升良品率等。
本发明的实施方式提供一种半导体激光器，包括核心层和一对覆盖层，所述核心层具有活性层以及与该活性层光学结合的衍射光栅层，所述一对覆盖层以夹着该核心层的方式配置，在所述半导体激光器中沿着所述核心层形成有导波通道，所述半导体激光器的特征在于，包括：平坦层，沿着导波通道与所述衍射光栅层连续设置；以及温度调节结构，用于将所述平坦层的温度调节为与所述衍射光栅层不同的温度。
按照这样的实施方式，能够通过向活性层注入一定电流来抑制输出的激光的强度变化，并且通过平坦层的温度调整使其折射率发生变化来调谐激光器的震荡波长。其结果，例如在气体分析等中在各波长下进行浓度定量时，由于抑制了激光的强度变化，所以S/N比稳定，能够有助于分析精度的提升。
更优选在所述导波通道的一端设置反射面，在另一端设置光导出面，所述平坦层的端面成为所述反射面。
按照这样的实施方式，即使由于解理形成等原因，所述反射面的位置从规定位置偏移，但通过进行温度调整而进行平坦层的折射率的调整，能够将所述反射面反射的光的相位事后调整为例如位移λ/4，所以能够制造出良品率良好的基本不会发生波长跳跃的良品。
作为所述温度调节结构的具体实施方式可以列举具有如下结构的，该温度调节结构具备设置在与所述平坦层对应的部位的温度调节用电极，通过借助该温度调节用电极使电流流入平坦层，能够调节平坦层的温度。
更加优选为所述活性层由多个阱层多级连接的多重量子阱结构构成，通过在该量子阱中形成的子带间的光跃迁发出光。另外，多个阱层也可以是厚度不同。
作为本发明的效果更加显著的半导体激光器可以列举量子级联激光器。
作为驱动控制所述半导体激光器的驱动控制装置可以列举如下的，其包括：温度控制部，通过控制所述温度调节结构来调节所述平坦层的温度；以及激光器驱动部，向所述核心层注入电流产生激光震荡。
按照这样构成的本发明，能够抑制激光强度的变动并且调谐震荡波长，因此例如在用于排气等的成分分析的情况下，能够提升其分析精度。
此外，将平坦层的端面作为反射面，即，在衍射层的终端连续设置平坦层，能够通过温度调节消除例如由解理引起的反射面的相位偏移，所以能够抑制由于该相位偏移而导致的以往产生的不良品的发生，能够实现良品率的飞跃性的提高。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的半导体激光器装置的整体的示意图。
图2是表示同实施方式的半导体激光器的横断面图。
图3是用于说明同实施方式的半导体激光器的驱动方法的图。
图4是用于说明同实施方式的半导体激光器的驱动方法的图。
图5是表示本发明的其他实施方式的半导体激光器装置的整体的示意图。
图6是用于说明在以往的分布反馈式QCL中产生的波长跳跃的图。
附图标记说明
100 半导体激光器装置
1 分布反馈式半导体激光器
2 驱动控制装置
3、4、6 覆盖层
5 核心层
51 活性层
5a 反射面
5b 光导出面
8 衍射光栅层
9 平坦层
S 温度调节结构
S1 温度调节用电极
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的激光器装置100的一个实施方式进行说明。
该实施方式的激光器装置100如图1所示，具备半导体激光器1以及驱动控制该半导体激光器1的驱动控制装置2。
首先，对半导体激光器1进行说明。
该半导体激光器1是分布反馈式的量子级联激光器(以下也称作QCL。)，如图1、图2所示，例如在由n-InP构成的基板3上将由InP构成的缓冲层4、核心层5、由InP构成的上部覆盖层6以及由InGaAs构成的顶盖层7，通过按照MOCVD法、MBE法等的晶体生长按照以上顺序层积。另外，所述缓冲层4以及/或者基板3作为下部覆盖层发挥功能。
此外，分别在所述基板3的下表面设置下部电极T2、在顶盖层7的上表面设置上部电极T1，通过在这些电极T1、T2间施加电压向所述核心层5注入阈值以上的电流，核心层5发光，该半导体激光器1激光震荡。
所述核心层5由活性层51以及设置在该活性层51的上下的引导层52、53构成，是同型(n型或者p型)的半导体层层积的单极类型。
所述活性层51是多个厚度不同的阱层多级连接的结构，在本实施方式中，通过在传导体中存在的能级(子带)间的光跃迁发出中红外以上的波长的光。更加具体地说，该活性层51是由成为发光区域的半导体层与成为注入区域的半导体层以规定数量交替层积构成的。在本实施方式中，成为发光区域的半导体层是由InGaAs与InAlAs交替层积构成的，成为注入区域的半导体层是由InGaAs与InAlAs交替层积构成的。
所述引导层52、53是由InGaAs构成的，作为输送在所述活性层52上发出的光的导波通道发挥功能。
此外，在本实施方式中，在这些引导层52、53中，通过在上部引导层52的上表面上进行微小槽加工形成一维条纹结构，衍射光栅8a按照一定周期Λ排列而形成衍射光栅层8。
该衍射光栅层8与所述活性层52光学结合，在所述活性层52发出的光被各衍射光栅8a反射并向与槽方向垂直的方向(以下，也称作导波方向。)前进。此时，仅有由衍射光栅8a的周期Λ确定的一定波长的光始终接受衍射光栅8a的作用，长时间停留在活性层52内被增幅而产生激光震荡。
另外，在该半导体激光器1中，核心层5的一个端面(导波方向的末端面)是通过解理形成的反射面5a，另一个端面被施加了无反射加工，成为导出激光的光导出面5b。
然后在本实施方式中，在核心层5的所述衍射光栅层8连续形成有平坦层9。
该平坦层9通过对所述上部引导层52的反射面5a侧的一定区域不施加微小槽加工而形成，因此，该平坦层9的一个端面与衍射光栅层8连续，另一个端面成为所述反射面5a。另外，换言之，也可以说是衍射光栅层8的一部分也即光栅周期与其他部分不同的部分。
此外，在本实施方式中，设置了温度调节结构S，用于将该平坦层9的温度独立调整为与衍射光栅层8不同的温度。本实施方式的温度调节结构S具备设置在平坦层9的上部的温度调节用电极S1。
该温度调节用电极S1设置在平坦层的上方且所述顶盖层7的上表面，以与所述上部电极T1在导波方向上分离的电性非连接状态配设。此外，通过向该温度调节用电极S1施加电压使电流流过平坦层9，产生阻抗热，从而能够调整该平坦层9的温度。另外，虽然平坦层9的折射率根据该温度变化发生变化，但是本实施方式的半导体激光器100如前述那样核心层5是单极类型，所以不会发生由于电压导致对平坦层9的折射率的影响(由于量子限制斯塔克效应导致对折射率的影响)。
接着对驱动控制装置2进行说明。
虽然未图示，但是该驱动控制装置2是通过由CPU、存储器、I/O端口等构成的数字电路，由放大器、缓冲器等构成的模拟电路，存在于其间的A/D转换器以及D/A转换器等构成的，CPU与其外围设备通过存储在所述存储器中的规定的程序来协作，由此如图1所示，发挥作为设定半导体激光器1的动作模式的动作模式设定部21、向所述上部电极T1供给激光器驱动电流I1使活性层51发光的激光器驱动部22、以及向所述温度调节用电极S1供给温度调节用电流I2从而控制平坦层9的温度的温度控制部23的功能。
接着，对这样构成的半导体激光器装置100的动作进行说明。
在本实施方式中，准备了2大类动作模式，例如当根据用户的输入选择了任意的动作模式时，所述动作模式设定部21将其接受，根据选择的动作模式，所述激光器驱动部22以及温度控制部23进行动作。
所述的2类动作模式中的第1动作模式是通过对所述平坦层9进行温度调节使其折射率变化，将平坦层9的端面相位固定控制为λ/4，通过由衍射光栅8a的光路长度确定的布拉格波长引起激光震荡的模式。
更加具体地说，在该第1动作模式中，所述温度控制部23向QCL的温度调节用电极S1施加电压，使温度调节用电流I2向下部电极T2流动。另外，温度调节用电流I2的值既可以比激光震荡的阈值电流Ith大也可以比其小。
这样一来，根据该阻抗热，位于温度调节用电极S1与下部电极T2之间的平坦层9的温度发生变化，从而折射率发生变化。
在本实施方式中，预先测量出使平坦层9的端面相位为λ/4的电流，如图3所示，温度控制部23将成为该电流的电压施加到所述温度调节用电极S1。
接着，像这样，在由温度控制部23将平坦层9的端面相位控制为λ/4的状态下，所述激光器驱动部22向上部电极T1施加电压，向活性层51注入阈值Ith以上的一定的激光器驱动电流。另外，在图3中记载了脉冲震荡的例子，但是也可以是连续震荡。
第2动作模式是以尽可能不使激光强度变动的方式将激光的波长调节为所期望的值的模式。
在该第2模式中，首先所述激光器驱动部22向上部电极T1施加电压，向活性层51连续注入阈值Ith以上的一定的激光器驱动电流。通过这样，使激光连续震荡，抑制其强度变化。
在此状态下，通过使平坦层9的温度随时间变化从而使其折射率变化。
更加具体地说，所述温度控制部23如图4所示，使温度调节用电流I2随时间变化。通过这样，平坦层9的温度随时间变化，随之平坦层9的折射率也随时间变化。
这样一来，平坦层9的端面相位随时间变化，激光震荡波长随时间变化，即扫描。这里，控制平坦层9的端面相位，激光的波长以λ/4为中心在其前后的阻带(stop band)范围内扫描。
另外，如同图所示，可以通过激光器驱动部22以反复脉冲引起激光震荡。这是激光的模拟连续震荡。
然后，按照上述的半导体激光器装置100可以得到如下的效果。
首先，能够通过温度调节消除解理构成的反射面5a的相位偏移，因此能够抑制由于该相位偏移导致波长跳跃的不良品的产生，能够实现良品率飞跃性提高。
例如，在第1动作模式中，与解理的偏移无关，反射面5a上的光的相位被控制为λ/4，所以能够得到最有效的反馈，可以在没有波长跳跃的单一波长模式下产生激光震荡。
此外，如第2动作模式那样，在保持激光的强度尽可能不变化的情况下，使激光的震荡波长发生变化，所以例如在气体分析等中以各波长进行浓度定量时，各波长下的激光强度没有大的变动，所以S/N比稳定，能够有助于分析精度的提升。
另外，本发明不限于所述实施方式。
例如，如图5所示，平坦层9也可以设置在衍射光栅层8之间。温度调节用电极S1以及上部电极T1分别在平坦层9的上部以及衍射光栅层8的上部分离设置。
这样的半导体激光器100如果没有设置反射面，从两端面输出激光，与所述实施方式相同地通过改变平坦层9的温度进而改变其折射率，能够控制震荡波长。
此外，在所述实施方式中，反射面5a的相位控制是使预定的一定电流流入温度调节用电极S1的前馈方式，但是，例如，也可以是预先监测震荡波长，温度控制部23以使该震荡波长成为布拉格波长的方式对流入温度调节用电极S1的电流(或者电压)进行反馈控制，或者，还可以是设置用于直接或间接测量平坦层9的温度的温度传感器，温度控制部23以使该温度传感器的温度成为所期望的温度的方式对电压(电流)进行反馈控制等。
温度调节结构也可以不是以电流进行的结构，而是使用了珀耳帖元件或制冷剂的结构等。
此外，本发明不仅适用于量子级联激光器，只要是具有DBF结构，可以适用于其他类型的半导体激光器，还可以适用于具有DBR结构的半导体激光器。
此外，本发明不限于所述实施方式，在不超出其主旨的范围内可以进行多种变形。
工业实用性
按照本发明，能够抑制激光强度的变动并且调谐震荡波长，因此例如用于排气等的成分分析时，能够提升其分析精度。

Claims (9)

1.一种半导体激光器，包括核心层和一对覆盖层，所述核心层具有活性层以及与该活性层光学结合的衍射光栅层，所述一对覆盖层以夹着该核心层的方式配置，在所述半导体激光器中沿着所述核心层形成有导波通道，在所述导波通道的一端设置光导出面，
所述半导体激光器的特征在于，包括：
平坦层，沿着光射出方向与所述衍射光栅层连续设置；以及
温度调节结构，用于将所述平坦层的温度调节为与所述衍射光栅层不同的温度，
所述温度调节结构对所述平坦层进行温度调节，使得从所述光导出面导出的激光的震荡波长以与λ/4位移结构激光器相同的波长为中心在阻带范围内扫描。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，在所述导波通道的另一端设置反射面，所述平坦层的端面成为所述反射面。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述温度调节结构具备设置在与所述平坦层对应的部位的温度调节用电极，通过借助该温度调节用电极使电流流入平坦层，能够调节平坦层的温度。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述活性层由多个阱层多级连接的多重量子阱结构构成，通过在该量子阱中形成的子带间的光跃迁发出光。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器是量子级联激光器。
6.一种驱动控制装置，所述驱动控制装置驱动控制如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，包括：
温度控制部，通过控制所述温度调节结构来控制所述平坦层的温度；以及
激光器驱动部，向所述核心层注入电流产生激光震荡。
7.一种半导体激光器的控制方法，是如权利要求1所述的半导体激光器的控制方法，其特征在于，通过向所述核心层注入电流并以一定输出产生激光震荡，并且利用所述温度调节结构使平坦层的温度变化，以使输出的激光的波长变化。
8.一种半导体激光器的控制方法，是如权利要求2所述的半导体激光器的控制方法，其特征在于，利用所述温度调节结构将平坦层的温度控制为规定的一定温度，将反射面的相位控制为规定的一定相位。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器的控制方法，其特征在于，所述规定的一定相位是λ/4。
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