专利名称：发光设备和控制发光设备的方法
技术领域：
这里描述的实施例涉及通过采用半导体激光器和二次谐波生成元件输出多频率激光束的发光设备以及控制发光设备的方法。
背景技术：
半导体激光器被广泛用于各种波长频段，但近来，对530nm频段的绿色激光的需求随着微投影仪和高亮度因子激光指示器而增长。输出绿光的半导体激光器被以两种模式研发，这两种模式为:530nm频段的激光束被直接振荡，以及在1060nm频段振荡的红外激光束通过二次谐波生成(SHG)被变为530nm频段的激光束。特别是在操作电压和插接效率(WPE)方面，采用SHG的后一种模式被认为更有利。使用SHG的设备要求单一纵向模式振荡的激光源作为1060nm频段的主光源，例如提出了分布反馈(DFB)激光器+SHG元件、分布布拉格反射(DBR)激光器+SHG元件等。在这些结构的任意一个结构中，半导体激光器的振荡波长和SHG元件的准相位匹配(QPM)波长需精确匹配，并且针对波长控制，通常使用诸如帕尔贴(Peltier)元件之类的热电冷却器(TEC)0但是，取决于所采用的环境温度，TEC的功耗会达到大约几瓦，这已成为WPE改进的障碍。通过调制半导体激光器的输出，即通过调制驱动电流，来进行输出强度的调制，这经常使振荡波长偏尚SHG兀件的QPM波长。提出了 SHG元件与包括DFB激光器或DBR激光器以及半导体光放大器(SOA)在内的主振荡功率放大器(MOPA)结构组合的结构，以对抗振荡波长和QPM波长之间的差异。在MOPA结构中，半导体激光器被以恒定电流操作，且SOA调制和调节强度，由此可通过抑制从SHG元件的QPM波长的偏离来抑制半导体激光器的振荡波长的波动。下面是相关的示例:日本特许公开N0.2000-228556 ;和日本特许公开N0.2009-164443。但是，由于SHG元件的QPM的波长频谱非常窄，即使由DFB激光器和SOA之间轻微的热干扰带来的影响也不能被忽略。例如，一种类型的模式(pattern)效应,即半导体激光器的振荡波长偏离且由SOA的驱动信号引起功率变化，经常引起SHG元件输出中的波形失真。即使在MOPA结构中，在没有TEC的情况下，半导体激光器的振荡波长和SHG元件的QPM波长之间的差异也由环境温度变化引起。这是由SHG元件的QPM波长与决定DFB激光器或DBR激光器振荡波长的衍射光栅的布拉格波长之间的温度依赖性差异引起的。此外，在MOPA结构中，半导体激光器的振荡波长与SOA的增益频谱之间的温度依赖性差异大是一个问题。在没有TEC来提高WPE的操作中，优选地设计在输出特性极大降低的较高温度条件下的半导体激光器的振荡波长和增益峰值波长之间的失谐。但是，由于上述的半导体激光器振荡波长和SOA增益峰值波长之间的不同的温度依赖性，在较低温度下失谐变得过大。结果，法布里-珀罗(Fabry-Perot)模式经常在较低温度时振荡，即使在MOPA结构中，这也已经成为在没有TEC的情况下实现低功耗的绿色激光器模块时的问题。因此，实施例的一个方面中的目的是提供一种发光设备和控制发光设备的方法，通过采用半导体激光器和谐波生成元件输出多频率的激光束，这可以抑制输出特性的降级。
发明内容
根据实施例的一个方面，提供一种发光设备，该发光设备包括:半导体激光器，该半导体激光器形成在半导体衬底之上，以单一纵向模式振荡；第一加热器，该第一加热器提供在该半导体激光器附近，控制半导体激光器的温度；增益单元，该增益单元形成在半导体衬底之上，放大从半导体激光器输出的束并输出放大的束；第二加热器，该第二加热器提供在增益单元附近，控制增益单元的温度；以及二次谐波生成元件，该二次谐波生成元件将从增益单元输出的放大的束转变为二次谐波光并输出该二次谐波光。根据实施例的另一方面，提供一种控制发光设备的方法，该发光设备包括以单一纵向模式振荡的半导体激光器、控制该半导体激光器的温度的第一加热器、放大从该半导体激光器输出的束并输出放大束的增益单元、控制增益单元的温度的第二加热器、将从增益单元输出的放大束转变成二次谐波光并输出该二次谐波光的二次谐波生成元件以及测量环境温度的温度监视器，该方法包括:由温度监视器测量环境温度；基于由温度监视器测量的环境温度，生成第一加热器的第一驱动信号，该第一驱动信号用于在该环境温度下将半导体激光器的振荡波长与二次谐波生成元件的准相位匹配波长匹配；基于用于驱动增益单元的输入信号，生成第一加热器的第二驱动信号，该第二驱动信号用于依据至增益单兀的输入信号补偿半导体激光器的温度升高；以及基于第一驱动信号和第二驱动信号来驱动第一加热器，并控制半导体激光器的温度。
图1为图示根据第一实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图；图2为图示根据第一实施例的发光设备的半导体光源单元的结构的平面图；图3和图4为图示根据第一实施例的发光设备的半导体光源单元的结构的图解剖面图；图5为图示根据第一实施例的发光设备的驱动单元的结构的框图；图6为解释由DFB激光器的振荡波长的波动引起的输出波形失真的时序图；图7为图示SHG元件的QPM波长、DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长的温度依赖性的曲线图；图8为图示由环境温度变化引起的DFB激光器振荡波长和SOA增益频谱的变化的一个例子的曲线图；图9为图示根据第一实施例的发光设备的操作的时序图；图10、图11、图12、图13、图14、图16、图17、图18、图20、图21、图22、图23和图24为图示根据第一实施例的发光设备的半导体光源单元的制造方法的剖面图；图15、图19、图25和图26为图不根据第一实施例的发光设备的半导体光源单兀的制造方法的平面图27为图示根据第二实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图；以及图28为图示根据第三实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图。
具体实施例方式第一实施例将参考图1至图26描述根据第一实施例的发光设备和控制该发光设备的方法。图1为图示根据本实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图。图2为图示根据本实施例的发光设备的半导体光源单元的结构的平面图。图3和图4为图示根据本实施例的发光设备的半导体光源单元的结构的图解剖面图。图5为图示根据本实施例的发光设备的驱动单元的结构的框图。图6为解释由DFB激光器的振荡波长的波动引起的输出波形失真的时序图。图7为图示SHG元件的QPM波长、DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长的温度依赖性的曲线图。图8为图示由环境温度变化引起的DFB激光器振荡波长和SOA增益频谱的变化的一个例子的曲线图。图9为图示根据本实施例的发光设备的操作的时序图。图10至图26为图示根据本实施例的发光设备的半导体光源单元的制造方法的视图。首先，将参照图1至图5描述根据本实施例的发光设备的结构。根据本实施例的发光设备包括发光元件100以及控制发光元件100的控制单元200。如图1所示，发光元件100包括作为主光源的半导体光源单元110以及从半导体光源单元110的输出光生成二次谐波的SHG单元120。半导体光源单元110和SHG单元120通过透镜130相互光耦合。半导体光源单元110被安装在壳体140中提供的散热器142上，并且包括集成在半导体衬底上的SOA (增益单元)114和DFB激光器(半导体激光器)112。DFB激光器112和SOA 114附近分别提供薄膜加热器116、118。SHG元件单元120被安装在壳体140中提供的散热器144上，且包括SHG (二次谐波生成)元件122。将参考图2至图4更清楚地描述半导体光源单元110的结构。图3是图2的A_A’线剖面图，图4是图2的B-B’线剖面图。n-GaAs 缓冲层 12、n_AlGaAs 覆层 14、有源层 26、p_AlGaAs 覆层 28、p_GaAs 衍射光栅层30、p-1nGaP上覆层34和p-GaAs接触层36依次形成于n_GaAs衬底10之上。在DFB激光器单元的P-GaAs衍射层30内，形成衍射光栅32。p-1nGaP上覆层34和p-GaAs接触层36被处理为脊形形状，形成脊形波导结构42。保护膜44和有机绝缘层46在脊形波导结构42的侧壁之上形成。DFB激光器控制电极50提供在DFB激光器单元的p_GaAs接触层36之上。电极焊盘50P连接到DFB激光器控制电极50，并通过形成在保护膜54内的焊盘开口 70露出。DFB激光器控制加热器66形成于DFB激光器控制电极50之上，其中保护膜54形成于它们之间。电极焊盘66P连接到DFB激光器控制加热器66。SOA控制电极52提供在SOA单元的p-GaAs接触层36之上。电极焊盘52P连接到SOA控制电极52，并通过在保护膜54内形成的焊盘开口 70露出。SOA控制加热器68形成于SOA控制电极52之上，其中保护膜54形成于它们之间。电极焊盘68P连接到SOA控制加热器68。作为反射膜的涂层(未示出)形成于DFB激光器单元侧的脊形波导结构42的解理面上；作为抗反射膜的涂层(未示出)形成于SOA单元侧的脊形波导结构42的解理面上。DFB激光器112和SHG元件122被设计为使得，在高温(比如80° C)下的SHG元件122的QPM波长与DFB激光器112的振荡波长相互匹配。SOA 114被设计为使得，在高温(比如80° C)下的增益峰值波长比DFB激光器112的振荡波长更靠近较短波长侧一个预设值(比如7nm)而定位。高温为例如在操作中假设的环境温度的最大值。SOA 114的增益峰值波长和DFB激光器112的振荡波长之间的失谐是维持输出特性所需的合适预设值。DFB激光器112的电极焊盘50P和薄膜加热器116 (DFB激光器控制加热器66)的一个电极焊盘66P通过导线分别连接到外部连接端子150、152。SOA 114的电极焊盘52P和薄膜加热器118 (S0A控制加热器68)的一个电极焊盘68P通过导线分别连接到外部连接端子154、156。薄膜加热器116、118的其他电极焊盘66P、68P由图中未示出的导线连接到参考电位(例如接地电位)。用于监视壳体的温度信息的热敏电阻146提供在壳体140之上。热敏电阻146通过导线连接到外部连接端子158。发光元件100的外部连接端子150、152、154、156和158连接到控制单元200。如图5中所示，控制单元200包括用于信号处理的处理器202。控制单元200还包括查找表(LUTl) 204,查找表204存储DFB激光器控制加热器116对于环境温度的驱动信号(直流分量)。控制单元200还包括查找表(LUT2) 206，查找表206存储DFB激光器控制加热器116对于至SOA 114的输入信号的驱动信号(射频分量)。控制单兀200还包括查找表(LUT3) 208，查找表208存储SOA控制加热器118对于环境温度的驱动信号。控制单元200还包括存储器(存储器I) 210，存储器210存储用于向DFB激光器控制加热器116的驱动信号添加延迟的信息。控制单元200还包括存储器(存储器2) 212，存储器212存储DFB激光器112的驱动条件等。控制单元200还包括驱动器214，驱动器214对应于从处理器202输出的信号而驱动DFB激光器112、S0A 114,DFB激光器控制加热器116和SOA控制加热器118。接着，在描述根据本实施例的发光设备的操作之前，将参考图6至图8再次描述MOPA结构的发光设备的问题。如上所述，在MOPA结构中，半导体激光器进行恒定电流操作，SOA调制并调节强度，从而抑制半导体激光器单元中的振荡波长偏离，由此从SHG元件的QPM波长的偏离可被抑制。但是，由于SHG元件的QPM波长的波长频谱非常窄，所以即使由DFB激光器和SOA之间轻微的热干扰引起的影响也不能被忽略。例如，由于一种类型的模式效应，即DFB激光器的振荡波长偏离且由SOA的驱动信号引起功率变化，所以在SHG元件输出中经常发生波
形失真。如图6中所例示，当驱动信号输入SOA中时，通过SOA操作引起的温度升高，DFB激光器的温度被带有时滞(图中的延迟时间)地提升。当DFB激光器单元的温度升高时，波导中的折射率变化，且振荡波长移位到更长波长侧。这降低了延迟时间后的SHG输出，并且在SHG元件的输出中发生波形失真。因此，由于带有一定延迟时间的热干涉(thermal interference ),发生波形失真。即使在MOPA结构中，在没有TEC的情况下，DFB激光器的振荡波长和SHG元件的QPM波长之差也是由环境温度变化引起。这是由SHG元件的QPM波长和决定DFB激光器振荡波长的衍射光栅的布拉格波长之间的温度依赖性差异引起的。此外，在MOPA结构中，DFB激光器的振荡波长和SOA的增益频谱之间的大的温度依赖性也是一个原因。如图7中所例示，DFB激光器112的温度依赖性为大约0.10nm/deg (纳米/度)。另一方面，SHG元件122的QPM波长的温度依赖性为大约0.08nm/deg。SOA 114的增益峰值波长的温度依赖性为大约0.40nm/deg。对于没有TEC用于提高WPE的目的的操作，优选地设计在输出特性极大降低的较高温度条件下的半导体激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长之间的失谐。但是，由于上述的DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长之间的不同温度依赖性，在较低温度下该失谐相反地变得过大(参见图8)。因此，在较低温度下振荡法布里-珀罗模式(FP振荡)，并且即使MOPA结构也存在在没有TEC的情况下实现低功耗的绿色激光器模块的问题。接下来将参考图1、图2和图5描述根据本实施例的发光设备的操作。视频信号以及热敏电阻146测量的壳体140的温度信息被输入到控制单元200的处理器202中。视频信号是发光设备的驱动信号且包含显示的接通/关断、发光强度信息以及其他信息。壳体140的温度信息被用作环境温度，以用在半导体光源单元110的反馈控制中。例如每100毫秒就对壳体140的温度信息进行获取和更新，但不是特别地进行限制。这与通过对SOA驱动信号进行时间平均所给定的信号相比是相当慢的，其中SOA驱动信号将在后面描述且可为加热器驱动信号的直流分量。优选地，考虑SHG元件122的QPM波长频谱来决定温度信息的分辨率，比如为0.1度，但不是特别地进行限制。处理器202基于输入的壳体140的温度信息并参考查找表(LUT1 )204，获取DFB激光器控制加热器116的驱动信号的直流分量。查找表(LUT1)204针对相应壳体温度存储对于使DFB激光器112的振荡波长与SHG元件122的QPM波长匹配所需的、DFB激光器控制加热器116的驱动信号的值(施加到DFB激光器控制加热器116的电功率的信息)。如上所述，SHG元件112的QPM波长的温度依赖性为大约0.08nm/deg,且DFB激光器112的温度依赖性为大约0.lOnm/deg。由于安装在DFB激光器112上的DFB激光器控制加热器116只在升高温度的方向上作用，因此DFB激光器112的振荡波长被预先设置使得DFB激光器112的振荡波长和SHG元件的QPM波长在较高温度下相互匹配。即，在较低温度下,DFB激光器控制加热器116被驱动以将DFB激光器112的振荡波长移位到较长波长侧，以与SHG元件122的QPM波长匹配。如，SHG元件122的QPM波长被设置为在25。C为1061.0nm和在80° C为1065.4nm，以及DFB激光器112的振荡波长被设置为在25° C为1059.9nm 和在 80。C 为 1065.4nm。例如，当壳体温度为25。C时，DFB激光器控制加热器116被驱动使得DFB激光器112的振荡波长从1059.9nm移位到1061.0nm,以与SHG元件122的QPM波长匹配。查找表(LUTl) 204存储此时所需要的DFB激光器控制加热器116的驱动信号的值(要施加到DFB激光器控制加热器116的电功率的信息)。参考查找表(LUT1)204获取的DFB激光器控制加热器116的驱动信号的值是驱动DFB激光器控制加热器116的驱动信号的直流分量值。与此同时，处理器202基于输入的视频信号进行时间平均处理，基于由平均处理得到的值参考查找表(LUT2) 206，并且获得DFB激光器控制加热器116的驱动信号。如上所述，DFB激光器112的输出被输入SOA 114内的强度调制信号生成的热量所扰动，并有波形失真(见图6)。查找表(LUT2) 206存储抵消这种热干涉的DFB激光器控制加热器116的驱动信号信息。即，查找表(LUT2)存储DFB激光器控制加热器116对于至SOA 114的输入信号的驱动信号值，该驱动信号值是补偿由至SOA 114的输入信号带来的DFB激光器112的温度升高所必需的值。为了参考查找表(LUT2)206，优选地使用SOA强度调制信号即视频信号的时间平均数据。输入处理器202中的视频信号经由处理器202和驱动器214被发送到SOA 114，但与此同时，由处理器202对其进行时间平均。SOA驱动信号平均处理的最佳平均时间宽度可为例如大约100毫秒，但是这依赖于元件结构、模块部件和安装模式而不同。处理器202基于时间平均处理给出的数据来参考查找表(LUT2)206，并获取DFB激光器控制加热器116的驱动信号。该信号为与约IOOMHz的视频信号同频的信号，且其频率远远高于DFB激光器控制加热器116的驱动信号。参考查找表(LUT2)206获取的DFB激光器控制加热器116的驱动信号的值为驱动DFB激光器控制加热器116的驱动信号的射频分量值。由强度调制在SOA 114中产生的热量时间延迟地向上传导给DFB激光器112。因此，优选地对DFB激光器控制加热器116的驱动信号的射频分量的输入延迟一个时间段,该时间段是由SOA 114向DFB激光器112热量传导所需的时间段。为此，这样获取的DFB激光器控制加热器116的驱动信号被暂时存储在存储器210中，在预设的时间段后从存储器210读出，并被用来驱动DFB激光器控制加热器116。SOA114和DFB激光器112之间的热干涉的延迟时间为比如大约5毫秒，但是这依赖于元件结构、模块部件和安装模式而不同。这样，处理器202获取从查找表(LUTl) 204处获取的DFB激光器控制加热器116的驱动信号的直流分量，并获取从查找表(LUT2) 206处获取的DFB激光器控制加热器116的驱动信号的射频分量。然后，处理器202叠加DFB激光器控制加热器116的驱动信号的该直流分量和射频分量，产生DFB激光器控制加热器116的驱动信号。与此同时，处理器202基于输入的壳体140的温度信息，参考查找表(LUT3) 208，并获取SOA控制加热器118的驱动信号。查找表(LUT3)208针对相应壳体温度存储SOA控制加热器118的驱动信号的值(被施加到SOA控制加热器118的电功率的信息)，该驱动信号值是使SHG元件122的QPM波长和SOA 114的增益峰值波长之间的失谐小于预设值所需要的值。该失谐的预设值为用于抑制SOA 114的FP振荡的、在SHG元件122的QPM波长和SOA 114的增益峰值波长之间的失谐。如上所述，DFB激光器112的振荡波长被控制以与SHG元件122的QPM波长匹配。相应地，基于DFB激光器112的调节的振荡波长，SOA 114的增益峰值波长和DFB激光器112的振荡波长之间的失谐也被考虑。该DFB激光器112的调节的振荡波长意为，即SHG元件122的QPM波长。在失谐调节中要考虑的是，在较高温度下保持输出特性，并抑制过度失谐使得在较低温度下不发生FP振荡。安装在SOA 114上的SOA控制加热器118也在升高温度的方向上作用，且失谐被设置为使得输出特性在较高温度下是有利的，并且在较低温度下，SOA控制加热器118被驱动以将SOA增益峰值波长移位到更长波长侧，从而抑制FP振荡。由本申请发明人的研究已确认，对于在较高温度下的失谐，SOA增益峰值波长被设置使得对于DFB激光器振荡波长的失谐变为在80° C为-7nm，由此可以抑制输出特性的下降。然后，SOA 114的增益峰值波长被预先设置使得在较高温度下SOA 114的增益峰值波长对于DFB激光器的振荡波长的失谐变为例如_7nm。在SHG元件122的QPM波长和DFB激光器112的振荡波长如上所述在80° C被设置为1065.4nm的情况下，对于_7nm的失谐，SOA114在80° C的增益峰值波长为1058.4nm。如上所述，SOA 114的增益峰值波长的温度依赖性为大约0.40nm/deg，且在这种情况下，SOA 114的增益峰值波长变为在25° C为1036.4nm且在0° C为1026.4nm。在0° C的SOA 114的增益峰值波长与SHG元件的QPM波长和调节的DFB激光器112的振荡波长的失谐变为-32.6nm。作为FP振荡准则的失谐依赖于诸如元件的增益特性和损耗特性、元件的两端表面上的反射率等的各种参数变化，但本申请的发明人的研究已确认，当失谐变为大约_30nm时，FP振荡的风险提升。FP振荡的可能性取决于元件的制造差异，这里失谐的准则被设置在具有余量的_28nm。在这种情况下，SOA控制加热器118被驱动以使得在较低温度下非FP模式不振荡，从而将SOA 114的增益峰值波长移位到更长波长侧，由此失谐被调节成变为小于28nm。查找表(LUT3) 208存储此时需要的要被施加到SOA控制加热器118的功率的信息。参照查找表(LUT3)208获取的SOA控制加热器118的驱动信号的值变为驱动SOA控制加热器118的驱动信号的值。处理器202向驱动器214发送这样产生的DFB激光器控制加热器116的驱动信号和SOA控制加热器118的驱动信号。处理器202从控制单元中的存储器212处获取DFB激光器112的驱动条件并将驱动条件发送给驱动器214。处理器202向驱动器214发送从外部输入的视频信号以产生SOA驱动信号。驱动器214根据从处理器202处输入的各种驱动信号控制发光兀件100,发光兀件100对应于该视频信号而发光。通过进行上述的控制，即使当环境温度即壳体温度变化时，SHG元件122的QPM波长、DFB激光器112的振荡波长和SOA 114的增益峰值波长也被保持以适合的关系，由此输出特性的降级可被抑制。由伴随SOA 114的强度偏离的热干扰引起的波形失真可被抑制。图9为当对应于SOA 114的驱动信号的DFB激光器控制加热器116的驱动信号被施加时在SOA 114的驱动信号、DFB激光器112的温度变化、DFB激光器112的振荡波长、SHG元件122的输出功率和DFB激光器控制加热器116的驱动信号之间的时序图的图解视图。如图9中所示，在将从SOA 114到DFB激光器112的热传导时间考虑到延迟时间中的情况下，对应于SOA 114的驱动信号的DFB激光器控制加热器116的驱动信号被施加，由此DFB激光器112的温度可保持恒定。这样，DFB激光器112的振荡波长可保持恒定，且SHG输出的波形失真可被抑制。在根据本实施例的发光设备中，SOA 114和DFB激光器112的温度控制是通过薄膜加热器进行的，由此与通过釆用TEC的温度控制相比，功耗可被降低，且插接效率可被改
口 O半导体光源单元110和SHG元件单元120被形成在不同的散热器142、144上，由此DFB激光器112和SOA 114的加热对SHG元件122的影响可被抑制。接下来，将参照图10至图26描述根据本实施例的发光元件100的制造方法。图10至图12为制造步骤中发光元件沿图2的A-A’线的剖面图。图13、图14、图16至图18、图20至图24为在制造步骤中发光元件沿图2的B-B’线的剖面图。图15、图19、图25和图26为在制造步骤中发光元件的表面状态的平面图。首先，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法，在例如n-GaAs衬底10之上外延生长例如300nm厚的n-GaAs，以形成n-GaAs缓冲层12。然后，通过例如MOCVD方法，在n-GaAs缓冲层12之上外延生长例如2000nm厚的n-AlGaAs,以形成 n-AlGaAs 覆层 14。然后，通过例如MOCVD方法，在n-AlGaAs覆层14之上依次外延生长40nm厚的i_GaAs、7nm 厚的 i_InGaAs、20nm 厚的 i_GaAs、7nm 膜厚的 1-1nGaAs 和 40nm 厚的 1-GaAs。这样，在n-AlGaAs覆层14之上形成有源层26，该有源层26包括夹在i_GaAs SCH层16、24之间的两个1-1nGaAs阱层18、22，而这两个1-1nGaAs阱层18、22与形成于它们之间的1-GaAs阻挡层20堆叠。这里形成包括1-1nGaAs阱层18、22的多量子阱(MQW)层，这两个1-1nGaAs阱层18、22与形成于它们之间的i_GaAs阻挡层20堆叠，但该阱层的层数不限于两层。 然后，通过例如MOCVD方法，在有源层26之上外延生长比如150nm厚的p-AlGaAs，以形成p-AlGaAs覆层28。接下来，通过例如MOCVD方法，在p-AlGaAs覆层28之上外延生长ρ-GaAs，以形成P-GaAs衍射光栅层30 (图10)。然后，将衍射光栅图案32形成在p-GaAs衍射光栅层30的表面上(图11)。例如，将抗蚀剂膜施加到P-GaAs衍射光栅层30上。然后，通过电子束曝光或干涉曝光，使衍射光栅图案曝光于该抗蚀剂膜。接下来，使抗蚀剂膜显影，以将衍射光栅图案转印到抗蚀剂膜。然后，利用显影的抗蚀剂膜作为掩膜，将P-GaAs衍射光栅层30的表面刻蚀例如约25nm，以形成衍射光栅图案32。对于p-GaAs衍射光栅层30的刻蚀,可以使用氨水、过氧化氢水和水的混合溶液。仅在DFB激光器单元内，而不在SOA单元内形成衍射光栅图案32。在衍射光栅图案32的周期设定为155.6nm的情况下，可以获得约1060nm周围的布拉格波长。然后，通过例如MOCVD方法，在p-GaAs衍射光栅层30之上外延生长例如IOOOnm厚的P-1nGaP，填充衍射光栅图案32，以形成p-1nGaP上覆层34。接下来，通过例如MOCVD方法，在p-1nGaP上覆层34之上外延生长例如300nm厚的p-GaAs,以形成p-GaAs接触层36 (图12)。接着，通过例如CVD方法，在p-GaAs接触层36之上形成氧化硅膜38。然后，通过光刻，在氧化硅膜38之上形成具有DFB激光器和SOA的波导图案的光致抗蚀剂膜40 (图13)。接着，以光致抗蚀剂膜40作为掩膜，通过使用例如缓冲氢氟酸水溶液的湿刻蚀，刻蚀氧化硅膜38，以将波导图案转印到氧化硅膜38。
接下来，去除光致抗蚀剂膜40。然后，通过以图案化的氧化硅膜38作为掩膜进行刻蚀，来对P-GaAs接触层36和P-1nGaP上覆层34进行图案化，以在DFB激光器单元和SOA单元内形成脊形波导结构42(图14和图15)。脊宽被设置为比如大约2.0μπι，由此可以抑制高阶横向模式的激发，且基本横向模式单独为波导模式。p-GaAs接触层36可用例如氨水、过氧化氢水和水的混合溶液刻蚀。p_InGaP上覆层34可用例如盐酸、乙酸的混合溶液刻蚀。刻蚀停止在P-GaAs衍射光栅层30上，该层不被盐酸和乙酸的刻蚀剂刻蚀。在这样形成脊形波导结构42后，通过使用例如缓冲氢氟酸水溶液的湿刻蚀去除保留在p-GaAs接触层36之上的氧化硅膜38。然后，通过例如CVD方法沉积氧化硅膜，覆盖整个脊形波导结构42，以形成氧化硅膜的保护膜44。接下来，将例如BCB (苯并环丁烯(Benzocyclobutene))的有机绝缘材料通过例如旋涂方法施加到保护膜44以填充脊形波导结构，并通过热处理固化以形成有机绝缘层46(图 16)。接着，通过反应离子刻蚀(RIE)或其他刻蚀来刻蚀整个有机绝缘层46，以将覆盖脊形波导结构42顶部的保护膜44暴露(图17)。然后，通过光刻，形成具有DFB激光器驱动电极50及其电极焊盘50P和SOA驱动电极52及其电极焊盘52P的图案的光致抗蚀剂膜(未示出)。接下来，以光致抗蚀剂膜作为掩膜，通过使用例如缓冲(buffer)氢氟酸水溶液的湿刻蚀，去除所暴露的保护膜44，以将脊形波导结构42顶部上的p-GaAs接触层36暴露。然后，通过例如电子束蒸发方法，在整个表面之上形成钛/钼/金膜48。接下来，将光致抗蚀剂膜上的该钛/钼/金膜与该光致抗蚀剂膜一并去除，以选择性地在P-GaAs接触层36之上留下钛/钼/金膜48 (图18)。接着，进行热处理，以形成钛/钼/金膜48的DFB激光器驱动电极50、电极焊盘50P、S0A驱动电极52和电极焊盘52P (图19)。接着，通过例如CVD方法，在整个表面之上沉积氧化硅膜，以形成氧化硅膜的保护膜54 (图20)。保护膜54用于将DFB激光器驱动电极50和SOA驱动电极52绝缘并且将DFB激光器控制加热器66和SOA控制加热器68绝缘。接下来，通过例如电子束蒸发方法，将钛/钼/金膜56形成于保护膜54之上。接着，通过光刻，形成具有开口 60的光致抗蚀剂膜58，其中开口 60用于DFB激光器控制加热器66及其电极焊盘66P和SOA控制加热器68及其电极焊盘68P的图案(图21)。接着，在光致抗蚀剂58的开口 60内，形成金镀膜62，以钛/钼/金膜56作为电极(图 22)。然后，去除光致抗蚀剂膜58。接着，以金镀膜62作为掩膜，对整个表面进行干刻蚀，以去除在没有金镀膜62的区域内的过多的钛/钼/金膜56 (图23)。接下来，通过光刻，形成在用于钛/钼结构的薄膜加热器的部分处具有开口的光致抗蚀剂膜。在该开口中，暴露金镀膜62和形成于保护膜54之上的钛/钼/金膜56的层结构。通过光致抗蚀剂膜覆盖针对DFB激光器控制加热器66的电极焊盘66P的部分及将DFB激光器控制加热器66的电极焊盘66P和薄膜加热器部分互连的引线、以及针对SOA控制加热器68的电极焊盘68P的部分及将SOA控制加热器68的电极焊盘68P和薄膜加热器部分互连的引线。然后，以光致抗蚀剂膜作为掩膜，通过使用例如氰化物基团溶液的湿刻蚀，来刻蚀开口内的钛/钼/金膜56的金膜和金镀膜62，以在脊形波导结构42上形成钛/钼膜64(图 24)。这样，形成由钛/钼膜64形成的DFB激光器控制加热器66和由钛/钼/金膜56和金镀膜62形成的电极焊盘66P。形成由钛/钼膜64形成的SOA控制加热器68和由钛/钼/金膜56和金镀膜62形成的电极焊盘68P (图25)。然后，通过光刻，形成在针对DFB激光器的电极焊盘50P的部分和针对SOA的电极焊盘52P的部分中具有开口的光致抗蚀剂膜。接着，以光致抗蚀剂膜作为掩膜，通过使用例如缓冲氢氟酸水溶液的湿刻蚀，来刻蚀在光致抗蚀剂膜的开口内的保护膜54，以在保护膜内形成焊盘开口 70 (图26)。然后，从n-GaAs衬底10的下侧进行抛光，以使得元件的厚度变为大约150 μ m，然后形成AuGe-Au的下电极(未示出)并进一步使该下电极镀覆有金。然后，对衬底进行解理，以使元件成为适合的长度。在DFB激光器侧部上的端表面上形成反射率为例如95%的反射膜(HR膜)的涂层，并且在SOA侧部上的端表面上形成反射率为例如1%的抗反射膜(AR膜)的涂层。该AR膜在输出侧上。这样，形成了包括集成在同一衬底上的DFB激光器和SOA以及安装在DFB激光器和SOA上的薄膜加热器在内的半导体光源单元110。SHG元件122的结构和制造方法与普通的SHG元件相同，其描述将被省略。如上所述，根据本实施例，即使当环境温度变化时，SHG元件的QPM波长、DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长也可保持适合的关系，且可以抑制输出特性的降级。由伴随SOA的强度调制的热干扰引起的输出波形失真可被抑制。第二实施例将参照图27描述根据第二实施例的发光设备和控制该发光设备的方法。本实施例的与根据图1至图26中所图示的第一实施例的发光设备和控制发光设备的方法的相同构件用相同的参考标号表示，以便不重复描述或以便简化描述。图27是图示根据本实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图。如图27所图示的，根据本实施例的发光设备包括DFB激光器112和SOA 114之间的隔离区域124。隔离区域124被提供在DFB激光器112和SOA 114之间，由此DFB激光器112和SOA 114之间的电干扰和热干扰可被缓冲。在隔离区域124中，脊形波导结构42的p-GaAs接触层36可被去除。这样，DFB激光器112和SOA 114之间的电干扰可被进一步抑制。根据本实施例的控制发光设备的方法与根据第一实施例的控制发光设备的方法相同。如上所述，根据本实施例，即使当环境温度变化时，SHG元件的QPM波长、DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长也可保持适合的关系，且可以抑制输出特性的降级。由伴随SOA的强度偏离的热干扰引起的输出波形失真可被抑制。第三实施例将参照图28描述根据第三实施例的发光设备和控制该发光设备的方法。本实施例的与根据图1至图27中所图示的第一实施例和第二实施例的发光设备和控制发光设备的方法的相同构件用相同的参考标号表示，以便不重复描述或以便简化描述。图28是图示根据本实施例的发光设备的发光元件的结构的图解视图。如图28中所图示的，在根据本实施例的发光设备中，SOA 114的出口端面是成角度的面(出口端面被布置为相对于解理面倾斜)。SOA 114具有成角度的面，由此SOA 114前端的反射率可被降低。此时，如图28中所图示的，半导体光源单元110可被定位成相对于SHG元件122倾斜。根据本实施例的控制发光设备的方法与根据第一实施例的控制发光设备的方法相同。如上所述，根据本实施例，即使当环境温度变化时，SHG元件的QPM波长、DFB激光器的振荡波长和SOA的增益峰值波长也可保持适合的关系，且可以抑制输出特性的降级。由伴随SOA的强度调制的热干扰引起的输出波形失真可被抑制。变型实施例上述描述的实施例可覆盖其他各种变型。例如，在上述实施例中，基于查找表204、208进行DFB激光器的温度控制以及基于查找表206进行SOA的温度控制。但是，可进行只对DFB激光器的控制。在上面的实施例中描述的发光设备的结构、组成材料和制造条件等只是一个例子，且可对应于本领域技术人员的一般的技术理解被适当地变型或改变。例如，在上述实施例中，使用n-GaAs衬底作为衬底10，但可以使用p-GaAs衬底。衬底材料不限于GaAs并且可为InP或其他材料。各层的组成不限于上面实施例所描述的那样。只要晶体生长是可能的，就可以使用其他材料。在上面的实施例中，衍射光栅层32提供在有源层26之上，但衍射光栅层32可提供在有源层26之下。在上面的实施例中，DFB激光器被用作半导体激光器，但DFB激光器并不是必不可少的，只要激光器可进行单一纵向模式振荡即可。比如，可以使用DBR激光器代替DFB激光器。在上面的实施例中，DFB激光器控制加热器和SOA控制加热器被分别布置在脊形波导结构之上，但该布置不是必不可少的，只要DFB激光器控制加热器和SOA控制加热器可分离加热即可。在上面的实施例中，描述了通过采用1060nm波长频段的主光源和SHG元件输出530nm波长频段的激光束的模块。相同的技术和控制可被应用到其他波长频段。图5中图示的控制单元200的每一个查找表可被存储在一个存储器中。存储器210、212可被形成在同一个存储器中。控制单元200的电路结构不限于图5所图示的结构。上面的实施例中描述的控制方法是关于主要点进行描述的。在实际控制中，控制方法可根据需要进行变化且不限于上面的方法。这里记载的所有例子和条件语言是为了教示的目的，以帮助读者理解发明人为促进本领域所贡献的概念和发明，且被认为是不对这样特别地引用的例子和条件作任何限制，说明书中这样例子的组织也与显示本发明的优点和缺点无关。虽然本发明的实施例已被详细描述，但应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对此进行各种改变、替代和变更。
权利要求
1.一种发光设备，包括: 半导体激光器，所述半导体激光器形成于半导体衬底之上，以单一纵向模式振荡； 第一加热器，所述第一加热器提供在所述半导体激光器附近，控制所述半导体激光器的温度； 增益单元，所述增益单元形成于所述半导体衬底之上，放大从所述半导体激光器输出的束并输出放大的束； 第二加热器，所述第二加热器提供在所述增益单元附近，控制所述增益单元的温度；以及 二次谐波生成元件，所述二次谐波生成元件将从所述增益单元输出的所述放大的束转变为二次谐波光并输出所述二次谐波光。
2.根据权利要求1所述的发光设备，还包括: 温度监视器，所述温度监视器测量环境温度；以及 控制单元，所述控制单元基于由所述温度监视器测量的所述环境温度和用于驱动所述增益单元的输入信号来控制所述第一加热器。
3.根据权利要求2所述的发光设备，其中 所述控制单元基于第一驱动信号和第二驱动信号来控制所述第一加热器，所述第一驱动信号用于在所述环境温度下将所述半导体激光器的振荡波长与所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长进行匹配；所述第二驱动信号用于基于至所述增益单元的所述输入信号来补偿所述半导体激光器的温 度升高。
4.根据权利要求3所述的发光设备，还包括: 存储器，所述存储器存储第一查找表和第二查找表，所述第一查找表描述在所述环境温度和用于匹配所述半导体激光器的振荡波长与所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长的所述第一加热器的驱动信号之间的关系；所述第二查找表描述在至所述增益单元的所述输入信号和用于依据至所述增益单元的所述输入信号补偿所述半导体激光器的温度升高的所述第一加热器的驱动信号之间的关系，其中 所述控制单元基于所述第一查找表生成所述第一驱动信号，并基于所述第二查找表生成所述第二驱动信号。
5.根据权利要求4所述的发光设备，其中 所述控制单元对至所述增益单元的所述输入信号进行时间平均处理，并基于平均的输入信号值生成所述第二驱动信号。
6.根据权利要求4或5所述的发光设备，其中 所述控制单元生成添加有延迟时间的所述第二驱动信号，其中所添加的延迟时间对应于在所述增益单元中的输入信号的变化和所述半导体激光器的温度变化之间的时延。
7.根据权利要求2至5的任意一个所述的发光设备，其中 所述控制单元基于由所述温度监视器测量的所述环境温度来控制所述第二加热器。
8.根据权利要求7所述的发光设备，其中 所述控制单元基于第三驱动信号控制所述第二加热器，其中所述第三驱动信号用于使得在所述环境温度下的所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长和所述增益单元的增益峰值波长之间的失谐低于预设值。
9.根据权利要求7所述的发光设备，还包括: 存储器，所述存储器存储第三查找表，所述第三查找表描述在所述环境温度和用于使得所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长和所述增益单元的增益峰值波长之间的失谐低于所述预设值的所述第二加热器的驱动信号之间的关系， 所述控制单元根据所述第三查找表生成所述第三驱动信号。
10.根据权利要求1至5的任意一个所述的发光设备，其中 所述半导体激光器和所述二次谐波生成元件被设计使得在操作中假定的环境温度的最大值下的所述半导体激光器的振荡波长与所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长匹配。
11.根据权利要求1至5的任意一个所述的发光设备，其中 所述增益元件被设计使得在操作中假定的环境温度的最大值下的增益峰值波长和所述半导体激光器的振荡波长之间的失谐变为预设值。
12.根据权利要求1至5的任意一个所述的发光设备，其中 所述半导体衬底形成于第一散热器之上，且 所述二次谐波生成元件形成于与所述第一散热器不同的第二散热器之上。
13.根据权利要求1至5的任意一个所述的发光设备，其中 在所述半导体激光器和所述增益单元之间提供隔离区域。
14.根据权利要求1至5的任意一个所述的发光设备，其中 所述半导体激光器和所述增益单元被布置成相对于所述二次谐波生成元件倾斜。
15.一种控制发光设备的方法，其中所述发光设备包括:以单一纵向模式振荡的半导体激光器；控制所述半导体激光器的温度的第一加热器；放大从所述半导体激光器输出的束并输出放大的束的增益单元；控制所述增益单元的温度的第二加热器；将从所述增益单元输出的所述放大的束转变为二次谐波光并输出所述二次谐波光的二次谐波生成元件；以及测量环境温度的温度监视器，所述方法包括: 由所述温度监视器测量所述环境温度； 基于由所述温度监视器测量的所述环境温度，生成所述第一加热器的第一驱动信号，所述第一驱动信号用于匹配在所述环境温度下的所述半导体激光器的振荡波长与所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长； 基于用于驱动所述增益单元的输入信号，生成所述第一加热器的第二驱动信号，所述第二驱动信号用于依据至所述增益单元的所述输入信号补偿所述半导体激光器的温度升闻;以及 基于所述第一驱动信号和所述第二驱动信号来驱动所述第一加热器，并控制所述半导体激光器的温度。
16.根据权利要求15所述的控制发光设备的方法，还包括: 基于由所述温度监视器测量的所述环境温度来生成第三驱动信号，所述第三驱动信号用于使得在所述环境温度下的所述二次谐波生成元件的准相位匹配波长和所述增益单元的增益峰值波长之间的失谐低于预设值；以及 通过由所述第三驱动信号驱动所述第二加热器来控制所述增益单元的温度。
17.根据权利要求15或16所述的控制发光设备的方法,其中:对所述增益单元中的所述输入信号进行时间平均，且基于平均的输入信号值生成所述第二驱动信号。
18.根据权利要求15或16所述的控制发光设备的方法,其中: 将与至所述增益单元的所述输入信号的变化和所述半导体激光器的温度变化之间的时延对应的延迟时间添加到 所述第二驱动信号。
全文摘要
本发明涉及发光设备和控制发光设备的方法。该发光设备包括半导体激光器，该半导体激光器以单一纵向模式振荡，形成于半导体衬底之上；第一加热器，该第一加热器控制半导体激光器的温度，提供在半导体激光器附近；增益单元，该增益单元放大从半导体激光器输出的束并输出放大的束，形成于半导体衬底之上；第二加热器，该第二加热器控制增益单元的温度，提供在增益单元附近；以及二次谐波生成元件，该二次谐波生成元件将从增益单元输出的放大的束转变为二次谐波光并输出该二次谐波光。
文档编号H01S5/34GK103094831SQ20121042959
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月31日 优先权日2011年11月1日
发明者早川明宪 申请人:富士通株式会社