CN1720649A - 激光器模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光器模块，包括：子支座；固定到子支座表面上的半导体激光器；以及通过粘结层连接于子支座表面的光波导，使得该光波导器件与半导体激光器光耦合。第一凹槽形成在子支座表面上对应于光波导器件入射端面的区域上，第一凹槽平行于半导体激光器的出射端面形成，并且与其具有预定间隔。形成粘结层使得光波导器件入射端面上的粘结层的末端位于从邻接第一凹槽远离半导体激光器的远边缘的位置到第一凹槽的内部的范围内，并且其不会与半导体激光器的出射端面接触。因为粘结层可以位于优选范围内，所以可以抑制由于温度变化引起的变形造成的耦合错位。

Description

激光器模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光器模块及其制造方法，该激光器模块具有半导体激光器和安装在子支座(sub-mount)上的光波导器件。
技术背景
近年来，依靠光源的波长变短、透镜的NA变大等原因，使得光盘设备的容量增大。为了使光源的波长较短，数字通用盘(DVD)采用了基于AlGaInP的650nm红色半导体激光器，以用于实现更高密度的信息再现，而压缩光盘设备采用了780nm的近红外光。为了实现具有更高密度的下一代光盘设备，就必须开发切实可用的蓝色光源。
作为一种用于实现蓝色激光器的方法，可以采用准相位匹配的第二谐波生成(下文中缩写为QPM-SHG)技术，这是利用波长转换器件的光波导准相位匹配系统。与近来引人关注的直接发射型基于GaN的蓝色半导体激光器相比，采用QPM-SHG技术的SHG蓝色激光器的优点有低噪声(-145dB/Hz)、波长和发散角变化小、以及作为基波的基于AlGaAs的半导体激光器的驱动电压小(2V)。为了使SHG蓝色激光器可以用作光盘的光源，必须减小该激光器的尺寸和重量。在这方面，因为平面型直接耦合SHG蓝色激光器不需要用于耦合系统的透镜，所以可以实现足够的小型化(例如参见JP3156444B，第4-6页，图7)。
图13示出了平面型直接耦合SHG蓝色激光器模块的结构。在Si子支座1上，安装了光波导QPM-SHG器件2和波长可调DBR半导体激光器3。SHG器件2包括形成在X切口掺杂MgO的LiNbO3基底4上的脊形光波导5和周期性畴反转区域6。该LiNbO3基底4通过由紫外固化粘结剂制成的粘结层7连接于子支座1。该子支座1通过Ag膏8连接于盒状外壳9。在外壳9的壁上，提供了用于使SHG器件2输出的光射出的孔9a。
将该SHG器件2配置成利用周期性畴反转区域6可以补偿基波光与半导体激光器3生成的第二谐波光之间的传播速度差，从而满足准相位匹配条件。因为基波和谐波通过脊形光波导5作为波导波传播，所以可以确保长互作用长度，从而实现高转换效率。
为了使这样的SHG蓝色激光器模块更小、更轻并且成本更低，就要求各种组件小型化。因此，已经试图使SHG蓝色激光器模块小型化，其中构成SHG器件2的LiNbO3基底4的器件宽度从3mm减小到0.85mm，并且Si子支座1的宽度和厚度分别从5mm减小到2mm、从0.8mm减小到0.3mm。
作为小型化的结果，SHG器件2、子支座1和外壳9容易受到温度升高时膨胀的影响。因为SHG器件2的器件宽度窄，粘结层7在宽度方向上的粘结区域减小了，从而导致粘结强度的降低。而且，作为子支座1的厚度减小的结果，即使在小应力下，该子支座1也易于弯曲，从而与常规器件尺寸时的情况相比，在温度变化过程中，更加容易产生SHG器件2与半导体激光器3之间的耦合错位(couplingmisalignment)。温度变化过程中的耦合错位不仅出现在固定到子支座1上时，还出现在对于模块的各种可靠性测试时，例如热循环测试、高温保持测试和高温、高湿度测试。
在光波导波长转换型SHG器件中，作为谐波功率的蓝光功率与作为基波的红外光的耦合功率的平方成比例，因此由于耦合错位造成的红外光耦合功率的降低造成相当大的蓝光输出的劣化。工作环境下的温度变化造成的耦合错位也变得很容易发生，以致影响了SHG蓝色激光器的温度特性。也就是说，在高温工作过程中，例如在60℃下的工作过程中，由于半导体激光器和SHG器件之间耦合效率的降低造成蓝光输出的劣化更加显著。
由于耦合错位造成的耦合效率降低的问题不仅限于SHG器件，对于将半导体激光器和光波导器件(例如光纤)固定到子支座上以进行光耦合的情况也是严重的。
发明内容
本发明的一个目的是为了避免在激光器模块制造过程中由于温度升高引起的激光器模块的半导体激光器与光波导器件之间的耦合错位，其中该半导体激光器和光波导器件固定子支座上以进行光学耦合，从而提高激光器模块的制造产量。本发明的另一目的是为了抑制由于在所制造的模块的存储环境下或者工作环境下的温度变化造成的耦合错位引起的红外光的耦合功率和蓝光输出的降低。
本发明的激光器模块包括：子支座；固定到子支座表面上的半导体激光器；以及通过粘结层连接于子支座表面的光波导器件，使得该光波导器件与半导体激光器光耦合。第一凹槽形成在子支座表面上对应于光波导器件入射端一侧的区域上，该第一凹槽形成为平行于半导体激光器的出射端面，并且离该出射端面具有预定间隔。形成粘结层使得光波导器件入射端一侧的粘结层的末端位于从邻接第一凹槽远离半导体激光器的远边缘的位置到第一凹槽的内部的范围内，并且其不会与半导体激光器的出射端面接触。
本发明的激光器模块的制造方法用于制造激光器模块，该模块包括：子支座；固定到子支座表面上的半导体激光器；通过粘结层连接于子支座表面的光波导器件，使得该光波导器件与半导体激光器光耦合，以及子支座固定到其上的外壳。
第一种制造方法包括按照以下所述顺序执行的步骤：在子支座表面上对应于光波导器件入射端面的区域上形成凹槽，并且在接近该凹槽的预定位置固定半导体激光器，使得该半导体激光器的出射端面平行于凹槽；提供粘结层，使得光波导器件入射端一侧上的粘结层末端位于从邻接第一凹槽远离半导体激光器的远边缘的位置到第一凹槽的内部的范围内，且其不会与半导体激光器的出射端面接触，并通过粘结层将光波导器件与子支座的表面结合；以及将子支座固定到外壳上。
第二种制造方法包括按照以下所述顺序执行的步骤：在子支座表面上对应于光波导器件入射端面的区域上形成凹槽，并且在接近该凹槽的预定位置固定半导体激光器，使得该半导体激光器的出射端面平行于凹槽；将该子支座固定到外壳上；提供粘结层，使得光波导器件入射端一侧上的粘结层末端位于从邻接第一凹槽远离半导体激光器的远边缘的位置到第一凹槽的内部的范围内，并且其不会与半导体激光器的出射端面接触，并通过粘结层将光波导器件与子支座的表面连接。
附图说明
图1A是本发明实施例1的SHG蓝色激光器模块的横截面图，图1B是其平面图；
图2示出了红外光耦合输出相对于在一个位置上固定的粘结层与半导体激光器之间的距离的关系；
图3A示出了常规SHG蓝色激光器模块的温度特性，图3B示出了实施例1的SHG蓝色激光器模块的温度特性；
图4A是本发明实施例2的SHG蓝色激光器模块的横截面图，图4B是其平面图；
图5示出了耦合功率相对于在两个位置上固定的粘结层与半导体激光器之间的距离的关系；
图6A是本发明实施例2的另一示例性SHG蓝色激光器模块的横截面图，图6B是其平面图；
图7示出了实施例3的SHG蓝色激光器模块的制造步骤；
图8示出了实施例4的SHG蓝色激光器模块的制造步骤；
图9A是本发明实施例5的SHG蓝色激光器模块的横截面图，图9B是其平面图；
图10A是本发明实施例6的SHG蓝色激光器模块的横截面图，图10B是其平面图；
图11是本发明实施例7的SHG蓝色激光器模块的平面图；
图12A是本发明实施例8的SHG蓝色激光器模块的横截面图，图12B是其平面图；
图13是常规SHG蓝色激光器模块的横截面图。
具体实施方式
根据本发明的激光器模块，第一凹槽形成在子支座的表面上位于接近半导体激光器的出射端面的位置。利用这种结构，可以将用于固定光波导器件的粘结层的位置控制在优选范围内。因此，能够抑制由于热变化引起的变形造成的半导体激光器与光波导器件之间的耦合错位，因此可以确保在存储环境和工作环境下红外光耦合输出和蓝光输出的可靠性。
而且，所形成的凹槽可以在安装光波导器件时防止粘结剂流到半导体激光器的出射端面，从而提高制造模块过程中的装配产量。
在本发明的激光器模块中，优选的是，半导体激光器的出射端面与粘结层近端之间的距离D满足0mm＜D＜0.2mm。而且，可以在接近光波导器件入射端面的一个位置上部分地提供粘结层。
可选择的是，可以在接近光波导器件的入射端面和接近光波导器件的出射端面的至少两个位置上部分地提供粘结层。在这种情况下，优选的是，在子支座表面上对应于光波导器件出射端面的区域上形成第二凹槽，所形成的第二凹槽平行于光波导器件的出射端面，并且沿着第二凹槽提供接近出射端面的粘结层。优选的是，接近入射端面的粘结层区域大于接近出射端面的粘结层区域。
优选的是，在子支座表面上对应于光波导器件入射端面的区域上形成第三凹槽，所形成的第三凹槽平行于第一凹槽并且位于第一凹槽与光波导器件的出射端面之间。在这种情况下，优选的是，第一凹槽与第三凹槽之间的距离L1满足1mm＜L1＜L/2，其中L表示光波导器件的长度。
优选的是，在子支座表面上对应于光波导器件出射端面的区域上形成第四凹槽，所形成的第四凹槽平行于第二凹槽并且位于第二凹槽与光波导器件的入射端面之间。在这种情况下，优选的是，第二凹槽与第四凹槽之间的距离L2满足1mm＜L2＜L/2，其中L表示光波导器件的长度。
优选的是，光波导器件的厚度T1满足T1＜1mm。优选的是，光波导器件的宽度W满足W＜0.85mm。优选的是，光波导器件的长度L满足L＞10mm。优选的是，子支座的厚度T2满足T2＜0.3mm。
可以使用准相位匹配第二谐波生成(QPM-SHG)器件作为光波导器件。而且，可以使用光纤作为光波导器件。
根据本发明的第一种激光器模块制造方法，当在两个位置固定一个光波导器件时，在入射端一侧进行粘结和固定，随后将子支座固定到外壳上，继而在出射端一侧进行粘结和固定。因此，可以避免在将子支座固定到外壳上的过程中由于热变化引起的变形造成的耦合错位，从而可以确保红外光和蓝光的耦合输出的可靠性。
根据第二种制造方法，在将子支座固定到外壳上之后，将光波导器件粘结并固定到子支座上。因此，避免在将子支座固定到外壳上的过程中由于热变化引起的变形造成的耦合错位的效果好于第一种制造方法的效果。
在第一种和第二种制造方法中，优选的是，在完成了全部步骤之后，将粘结剂注入接近光波导器件出射端面的位置与子支座之间的间隙中，由此将接近光波导器件出射端面的位置固定到子支座上。
以下参照附图更加具体地描述了本发明的实施例。
实施例1
参照图1A和1B，以下将描述实施例1的SHG蓝色激光器模块。图1A是横截面图，图1B是平面图。这种激光器模块的基本结构与图13所示的常规实例的结构相似，因此用相同的附图标记表示相似的元件来对其进行说明。
在Si子支座10上，安装了光波导QPM-SHG器件2和波长可调DBR半导体激光器3。作为光波导转换器件的SHG器件2包括形成在X切口掺杂MgO的LiNbO3基底4上的脊形光波导5和周期性畴反转区域6。LiNbO3基底4通过由紫外固化粘结剂制成的粘结层11结合到子支座10。子支座10通过Ag膏8粘结于盒状外壳9。在外壳9的壁上，提供了用于使SHG器件2输出的光出射的孔9a。
在本实施例中，在子支座10的表面上形成第一凹槽12。当通过粘结层11将SHG器件2固定到子支座10上的一个位置时，第一凹槽12起到用于控制接近半导体激光器3的出射端的粘结层11的位置的结构的作用。通过按照这种方式控制粘结层11的位置，当该模块的温度变化时，可以确保基波的耦合功率和蓝光输出的稳定性。该效果将在后面描述。
垂直于光轴方向形成第一凹槽12，例如其宽度为0.2mm，深度为50μm，并且通过刻蚀形成字母V的形状。因此，第一凹槽12平行于半导体激光器3的出射端面。第一凹槽12一般可以设置在邻接半导体激光器3的出射端面的位置上，即与半导体激光器3的出射端面之间的间隔为0的位置上。通常，可以通过如何涂敷用于形成粘结层11的粘结剂来设定第一凹槽12的位置，使其与半导体激光器3的出射端面的距离可以为预定间隔。这种第一凹槽12导致了以下两个效果。
第一个效果是参照第一凹槽12对准粘结层11，从而有助于将粘结层11的末端与半导体激光器3的出射端面之间的距离D(参见图1A)控制在预定范围内。距离D是指半导体激光器3的出射端面与粘结层11的近端之间的间隔，该近端即面对半导体激光器3一侧的末端。此处要注意，因为结合到SHG器件2的粘结层11的一部分用于固定SHG器件2，所以将所述末端定义为与SHG器件2相接触的粘结层11部分的末端。
提供粘结层11，使其末端与第一凹槽12远离半导体激光器3的边缘相接触。在这里，粘结层11的末端通常形成了曲线，而不是直线，因而“接触”表示该末端的至少一部分与第一凹槽12相接触的状态。而且，“接触”可以是“实质上接触”的状态。也就是说，这不限于第一凹槽12的边缘的平面位置与粘结层11的末端相互一致的状态，而且也包括粘结层11的末端进入第一凹槽12中的状态。粘结层11的末端略微远离第一凹槽12的边缘的状态也包含在内。也就是说，“实质上接触”包括粘结层11的末端足够接近第一凹槽12，这可以包括一定程度的误差范围，在该范围内可以获得根据第一凹槽12来对准的效果。因此，实际上，粘结层11的末端可以位于从邻接第一凹槽12的远离半导体激光器3的边缘的位置到第一凹槽12内部的范围内。应当注意，需要设置粘结层11，使其不会与半导体激光器3的出射端面相接触。
优选的是，控制粘结层11的位置，使得上述距离D在0.2mm内。提供第一凹槽12有助于这种控制对准。距离D在0.2mm内的效果将在以下参照图2描述。图2的水平轴表示半导体激光器3与粘结层11之间的距离D。圆形标记·表示距离D在本发明的模块中的分布。已经发现可以将距离D控制为大约0.2mm。
图2的垂直轴表示红外光耦合输出相对于距离D的关系。为了研究这个关系，在外壳中放置其上安装了SHG器件2的子支座，随后在80℃下热处理2小时(Ag膏固化条件)。如图2所示，如果距离D不超过0.2mm，则在固定到外壳上之后红外光耦合输出与在固定到外壳上之前的输出相同。这表示可以在没有耦合错位的情况下将该子支座固定在外壳中。如上所述，本实施例的模块可以使距离D控制在大约0.2mm，因而可以充分地抑制耦合错位。顺便提及，如果距离D不超过0.2mm，则可以如图2所示保持红外光耦合输出。因此，可以进行控制使得距离D不超过0.2mm。
另一方面，图2的方形标记■表示了在所制造的具有使用常规子支座的模块结构(图13)的模块中的距离D的分布。因为没有形成第一凹槽12，所以不能够控制粘结剂的涂敷位置，因此距离D的变化超过0.2mm。如果距离D超过0.2mm，则在固定到外壳上之后SHG器件2的耦合错位将很大，从而增加了红外光耦合输出的劣化。
构成SHG器件的LiNbO3基底、Si子支座和作为外壳材料的Cu具有不同的线性膨胀系数。因此，在用于固定到外壳上的热处理过程中，因为温度从室温25℃上升到80℃，所以每种材料具有不同的膨胀量，因此出现变形，其中用粘结剂固定的点起到基点的作用。如果粘结层更接近半导体激光器的出射端面，则即使在温度升高过程中出现变形时，也可以保持SHG器件的固定位置，因此不会出现耦合错位。然而，如果该粘结层远离半导体激光器的出射端面，则在温度升高过程中，与红外光耦合输出的劣化相一致地，由于变形造成的耦合错位增大。
由于变形造成的耦合错位的趋向增大的主要因素包括以下情况：
1)由于较窄的SHG器件宽度(例如0.85mm)引起的粘结区域的减小造成的粘结强度降低；
2)由于较长的SHG器件长度(10到12mm)造成的SHG器件在光轴方向上的弯折；
3)由于较薄的Si子支座(例如0.3mm)造成的Si子支座的变形。
为了实现该模块的小型化，如1)和3)所示使SHG器件宽度变窄以及使Si子支座变薄是必须的。而且，为了实现该模块的更高输出，高转换效率是必要的，因而按照2)所述确保SHG元件的长度以加长互作用长度也是必要的。如本实施例所述，第一凹槽12形成在Si子支座10中以控制粘结层11的位置，由此可以避免在固定到外壳上之后SHG器件2的耦合错位，同时确保如1)和3)所示的器件结构。
考虑到以上问题，本实施例的结构对于应用到以下模块特别有效。
光波导器件的厚度T1是T1＜1mm。这种薄光波导器件具有小基底厚度，因此其在模块成本和小型化方面十分有效。
光波导器件的宽度W是W＜0.85mm。因为一个晶片可以生产更多数量的器件，所以这种结构使成本降低，并且对于模块的小型化十分有效。
光波导器件的长度L是L＞10mm。光波导器件的长度更长可以提高转换效率并且对于获得更高输出十分有效。
子支座的厚度T2是T2＜0.3mm。因为子支座基底可以做得更薄，所以这在模块的成本和小型化方面十分有效。
提供第一凹槽12的第二个效果是具有在向SHG器件2涂敷了粘结剂之后对其进行安装的过程中防止用于形成粘结层11的紫外固化粘结剂流入半导体激光器3的端面中的功能。这将在以下进行描述。
对于使用如图13所示的不具有凹槽的子支座1的情况而言，试图使粘结层7更加接近半导体激光器3的出射端面，以在0.2mm内，这样就可以在温度变化过程中避免耦合错位。在这种情况下，当更接近半导体激光器3出射端面涂敷粘结剂时，在对准SHG器件2过程中粘结剂向半导体激光器3移动，并且通常移动到半导体激光器3的端面。当粘结剂移动到半导体激光器3的端面时，在半导体激光器3发光过程中，该出射端面劣化，从而使功率劣化。另一方面，如果按照本实施例形成凹槽，则可以避免粘结剂向半导体激光器3端面附近的移动，由此提高装配SHG器件2的产量。
第一凹槽12的位置优选地设为与半导体激光器3的出射端面的距离在0到0.2mm范围内。该范围使得参照第一凹槽12易于将粘结层11的末端与半导体激光器3的出射端面之间的距离D控制在0.2mm内。而且，第一凹槽12的宽度优选地小于0.2mm。超过该值的凹槽宽度使得难以将粘结层11与半导体激光器3之间的距离D控制为小于0.2mm，从而当温度变化时造成错位。凹槽宽度越窄，就更加容易将粘结层11的位置控制在需要的位置上，但是粘结剂更易于移动到半导体激光器3一侧或者SHG器件2的波导部分。在这种情况下，通过提供溢出凹槽或者通过加深凹槽，就可以阻止粘结剂移动。此处注意，根据粘结剂层的厚度，流入第一凹槽12中的粘结剂也起到连接SHG器件2的作用，因此设定粘结层11的位置时应当考虑到这点。
此外，根据本实施例，粘结层11也定位于接近SHG器件2的入射端面(与入射端相距0.2mm的位置)。这是因为半导体激光器3的出射端面与SHG器件2的入射端面通常直接耦合，并且二者之间的间隔大约为0μm。因为粘结层11位于接近SHG器件2的入射端面，所以，如下所述，可以减轻温度升高过程中SHG器件2在光轴方向上的膨胀的影响。
位于入射端一侧的SHG器件2的一部分相对于粘结剂固定位置随着该固定位置距离SHG器件2的入射端面越远而膨胀得越长。SHG器件2的线性膨胀系数为14×10-6。因此，如果该固定位置距离SHG器件2的入射端面为0.5mm，则在温度从25℃上升到80℃过程中，SHG器件2在光轴方向上膨胀了大约0.4μm，即朝半导体激光器3的出射端面膨胀。因为SHG器件2的入射端面与半导体激光器3的出射端面之间的间隔大约为0μm，所以在温度升高过程中随着SHG器件2向半导体激光器3的膨胀距离的增加，半导体激光器3和SHG器件2的损坏的可能性以及出现耦合错位的可能性增加。根据本实施例，因为可以将粘结层11的位置控制在距离SHG器件2的入射端面为0.2mm的位置上，所以在温度从25℃上升到80℃过程中在光轴方向上的膨胀量仅为0.1μm。因此，由于SHG器件2与半导体激光器3的接触造成耦合错位和损坏的可能性显著减小。
以下描述了根据本实施例制造的SHG蓝色激光器模块的各种可靠性。为了使SHG蓝色激光器模块安装到光盘设备上，应当确保在存储环境和工作环境下的各种可靠性。
首先，以下描述了在存储环境下耦合功率和蓝光输出的可靠性。对于根据本实施例制造的SHG蓝色激光器模块，进行耦合功率的可靠性测试，包括高温连续测试(100℃×500H)和热循环测试(-45℃到80℃(1循环)×200循环)和在高温和高湿度环境下(60℃，90％×500H)的测试。结果，确定在经过上述可靠性测试之后的耦合功率是稳定的，没有变化。因此，通过测试表明本实施例的模块结构具有足够的可靠性。
当安装到光盘设备上时，SHG激光器模块的温度特性也是重要的。当SHG激光器模块的工作温度从10℃变化到60℃时，测量红外光的耦合功率特性。图3A和图3B示出了从10℃到60℃SHG器件的发射效率的温度特性。图3A示出了这样的模块中的SHG器件的温度特性，其中粘结层的位置，即图1的距离D是0.5mm。该发射效率的值是通过将完成的模块的红外耦合输出除以单独从半导体激光器发出的红外光的输出获得的。发射效率的劣化表示模块的温度特性的降低。
从图3A发现随着温度相对于室温的改变量的增加，发射效率的劣化增加。由于在温度变化过程中光波导内的传播损失增加，或者由于激光光点尺寸以及光波导光导模式尺寸变化造成的耦合劣化小到可以将其忽略。因此，可以认为由于温度变化过程中SHG器件、粘结层和Si子支座的热膨胀和收缩造成的SHG器件2的固定位置变化而引起的耦合效率的劣化，导致了发射效率的劣化。
另一方面，本实施例的模块从10℃到60℃不存在SHG蓝色激光器模块的发射效率的温度特性的降低，并且可以获得与温度无关的稳定发射效率，本实施例的模块中的粘结层的位置接近半导体激光器3的出射端。也就是说，确定了即使在模块工作环境(本文中为10℃到60℃)下耦合功率也是稳定的，并且表明了本实施例的模块结构具有有利的温度特性。
在本实施例中，描述了短波长激光器模块的实例，其中波长可调DBR半导体激光器3和光波导QPM-SHG器件2直接耦合。然而，这不是限定性实例，本发明的思想相似地可用于其它实施例，只要该实施例涉及其中半导体激光器和光波导器件直接耦合的激光器模块。例如，本实施例可以用于所有类型的半导体激光器，而与半导体激光器的类型和波长无关。同样，至于光波导器件，本实施例不限于脊形光波导，也可以用于使用各种光波导器件的情况，包括质子交换光波导和光纤。而且，对于光波导器件的基底的材料而言，本实施例不限于LiNbO3，也可以用于使用其它光波导材料的情况，例如基于石英的光波导。
此外，本实施例的激光器模块不限于用于光盘设备，也可以用于光通信等领域中的各种直接耦合类型光波导激光器模块。
尽管以上实施例示出了其中将具有良好热导率的Si和Cu用作子支座10和外壳9的材料的实例，但材料并不限于这些。为了使由于热造成的模块变形最小，更希望选择其线性膨胀系数更接近光波导器件材料的线性膨胀系数的子支座材料和外壳材料。
用于在子支座10上形成第一凹槽12的方法不限于上述刻蚀法，也可以应用使用切削刀具等的成型方法。
此外，在上述实施例中，形成宽度为0.2mm的第一凹槽12，使得可以在距离半导体激光器3出射端面0.2mm的位置上与半导体激光器3对准的放置接近SHG器件2的入射端的粘结层11。关于这一点，通过减少第一凹槽12的宽度，从而更加接近半导体激光器3，就可以确保在更高的温度上升时(100℃或更高)耦合功率的可靠性。而且，优化粘结剂的涂敷量，使得粘结层11在SHG器件2的宽度方向上的长度等于SHG器件2的宽度，该宽度方向即垂直于光轴的方向，所述优化粘结剂的涂敷量可以使粘结强度最大化，从而有效地确保了耦合功率的可靠性。
实施例2
以下将参照图4A和4B描述根据实施例2的SHG蓝色激光器模块。这种激光器模块具有与图1A和1B所示的实施例1的激光器模块相似的基本结构。因此，用相同的附图标记表示相似的元件，以简化其说明。同样在本实施例中，与实施例1相似，光波导器件是利用掺杂MgO的LiNbO3基底4制造的光波导QPM-SHG器件2，半导体激光器3是具有波长可调功能的DBR半导体激光器，以下将其作为一个实例进行描述。
在本实施例中，在粘结层11和粘结层13两个位置处将SHG器件2固定到子支座10上，该粘结层是由紫外固化粘结剂制成的。然后，与实施例1相似，本实施例具有以下结构，其中通过设置在子支座10中的第一凹槽12控制在一侧上的粘结层11的位置，使其接近半导体激光器3的出射端。利用这种结构，可以确保在模块温度变化过程中基波的耦合功率和蓝光输出的稳定性。在另一侧的粘结层13设置在接近SHG器件2的出射端。
如上所述，在常规模块结构中，因为不能控制在入射端的粘结层11的位置，所以由于模块温度变化或者在固定到外壳上时施加的热而导致的材料变形，造成耦合功率和蓝光输出劣化。特别是，如果按照本实施例在两个位置固定SHG器件2，则没有位置来释放由于模块材料变形造成的应力，其中两个固定点用作基点。出于该原因，与在一个位置固定的情况相比，粘结层的位置显著影响了耦合的劣化。图5示出了红外光耦合输出相对于半导体激光器3的出射端面与粘结层11的末端之间的距离D的关系。如图5所示，与图2所示的在一个位置固定的情况相比，在固定到外壳上之后出现的耦合错位更加显著地取决于粘结层11与半导体激光器3之间的距离。
因此，在Si子支座10上平行于半导体激光器3的出射端面构成的第一凹槽12(宽0.2mm×深50μm)的结构，在避免耦合错位的效果方面比实施例1更加有效，该结构用于避免耦合错位以及避免粘结剂到处移动。
当SHG激光器安装到光盘设备上时，将SHG器件在两个位置处固定的结构对于具有两个记录层的光盘的记录/再现特别有效。就是说，即使当驱动器的温度变化时，光学拾波器也必需具有良好的信号。在光盘设备中的应用的情况下，要求发光点具有抵抗模块温度变化的稳定性。在具有两个记录层和大NA透镜(例如NA＝0.85，波长：410nm)的光盘系统中，应将发光点相对于-10℃到70℃(±40℃)的温度变化在水平方向和垂直方向上的位移量均控制在±1μm内。发光点的大位移量造成光盘跟踪伺服系统的失效，从而使再现/记录操作不稳定。
然而，通常光学拾波器容易受到温度变化引起的发光点位移的影响。特别的是，对于SHG蓝色激光器，在接近其入射端的一个位置固定SHG器件2的情况下，由于双金属效应，发光点的位移量趋向于增长。例如，当温度变化了±40℃时，就获得了测量结果为1μm或更大的发光点位移量。结果，在一些情况下，发光点的位移超过蓝光双层盘的容许量，从而导致伺服系统的无效。
另一方面，当SHG器件2也固定在接近出射端面的位置时，可以抑制双金属效应，从而抑制发光点的位移，由此可以获得出色的信号。例如，当温度变化了±40℃时，获得了测量结果为1μm或更小的发光点位移量。因此，对于准备使用双层盘的光盘设备中的蓝色激光器模块来说，在包括接近入射和出射端面的位置的至少两个位置固定SHG器件2是十分重要的。
不仅在光盘领域中，而且在打印机和曝光的其它领域中，同样需要确保一个接近发光点的位置。这是因为，由于参照激光光源的发光点进行设备的设计和组件的定位，所以由热造成的发光点的位移有很大的可能性会导致全部产品出现操作问题。因此，具有两个固定位置的模块相当有用，因为发光点随着温度变化的位移量小。
如上所述，根据本实施例，可以确保温度变化时耦合功率和蓝光功率的可靠性，而同时可以将发光点的位移量抑制在需要的范围内。因此，本实施例比实施例1更加实用。
为了增强在两个位置固定的结构的可靠性，使入射端一侧的粘结层11的面积大于出射端一侧的粘结层13的面积是有效的。因为耦合错位可主要归因于SHG器件2在入射端一侧的移动，所以通过增加入射端一侧的粘结层11的面积来提高粘结强度是十分有效的。
此外，为了减轻由热膨胀造成的变形，除了在两个位置固定外，还可以在三个位置固定，其中另一个位置设置在SHG器件2的中心部分，也可以由SHG器件2的整个表面来固定等等。然而，如果增加固定位置，将会出现问题，使得循环时间增大或者粘结剂量增大，这可能会导致SHG器件2的有次序地排列的失效。因此，在多个位置的固定的情况中，在两个位置的固定是最佳情况。
此外，当固定SHG器件2时，在出射端一侧固化粘结层13之前，在入射端一侧固化粘结层11对于提高SHG器件2的装配产量是十分有效的。这是因为，这个步骤可以避免利用紫外射线照射出射端一侧的粘结层11时产生的热造成的光学耦合移动。
在此，用图6A和6B所示的Si子支座14来替代图4A和4B所示的Si子支座10是有效的。Si子支座14具有形成在对应于出射端一侧的粘结层13的位置处的第二凹槽15。因此，可以准确地在光轴方向上排列用于在出射端一侧将SHG器件2固定的粘结层13。粘结层13距离SHG器件2的出射端面越近，发光点的位移量越小。因此，可以根据发光点的位移容许量确定第二凹槽15的位置，从而控制粘结层13的位置。
实施例3
以下将参照图7A和7B描述根据实施例3的制造SHG蓝色激光器模块的方法。这种制造方法的目的在于制造一种具有这样的结构的激光器模块，其中在如图4A和4B所示的两个位置固定SHG器件2。根据本实施例，当将SHG器件2在两个位置固定到Si子支座10时，首先，利用粘结剂在接近SHG器件2的入射端的一个位置固定SHG器件2。接着，在将子支座10固定到金属外壳9之后，利用粘合剂固定出射端一侧的SHG器件2。利用这个过程，可以充分发挥形成在子支座10中的第一凹槽12的功能，并且可以减少由于在制造过程中施加的热造成的变形的影响。
首先，如图7A所示，在Si子支座10的表面形成第一凹槽12。接着，参照第一凹槽12，安装波长可调半导体激光器3。
接着，如图7B所示，相对于半导体激光器3准确地将SHG器件2安装到Si子支座10上。这时，利用以第一凹槽12为基准形成的由紫外固化树脂制成的粘结层11，在入射端面一侧的一个位置固定SHG器件2。因为利用第一凹槽12使粘结层11对准，所以可以固定SHG器件2，同时与半导体激光器3的出射端面保持0.2mm的距离。
接着，如图7C所示，通过在80℃下使Ag膏8热固化2小时，将其上已经安装了半导体激光器3和SHG器件2的子支座10固定到外壳9的预定位置。
接着，如图7D所示，在室温下将紫外固化树脂注入子支座10与SHG器件2之间的间隙，随后通过紫外射线的照射使注入的粘结剂固化，由此利用粘结层13在接近出射端面的位置固定SHG器件2。
与在两个位置将SHG器件2固定到Si子支座10、随后将子支座10固定到金属外壳9的方法相比，本制造方法所制造的SHG蓝色激光器模块实现了在室温下的更高稳定性。也就是说，当把Si子支座10加热到80℃以固定到外壳9、随后使其达到室温时，SHG器件2、子支座10和金属外壳9中的每一个均变形，这是因为它们的线性膨胀系数存在差异。这时，如果在两个位置固定SHG器件2，则不能解除这种变形，因此可能导致施加偏应力(partial stress)的趋向，从而造成耦合错位。另一方面，根据本实施例的制造方法，对在入射端部分的一个位置固定的SHG器件2实施以上步骤，因而可以降低施加偏应力的趋向。因此，能够抑制耦合错位。
实施例4
以下将参照图8A和8B描述根据实施例4的制造SHG蓝色激光器模块的方法。这种制造方法的目的也在于制造一种具有这样结构的激光器模块，其中在如图4A和4B所示的两个位置固定SHG器件2。根据本实施例，首先将Si子支座2固定到外壳9，然后在两个位置将SHG器件2固定到Si子支座。因此，与实施例3的制造方法相比，该模块更能抵抗由热造成的变形的影响，由此可以确保耦合功率的高可靠性。
首先，如图8A所示，在Si子支座10的表面形成第一凹槽12。接着，参照第一凹槽12安装波长可调半导体激光器3。
接着，如图8B所示，通过在80℃下使Ag膏8热固化2小时，将子支座10固定到外壳9的预定位置。
接着，如图8C所示，在室温下，相对于半导体激光器3准确地将SHG器件2安装到固定在外壳9中的子支座10上。这时，利用以第一凹槽12为基准由紫外固化树脂制成的粘结层11，在入射端一侧的一个位置固定SHG器件2。因为利用第一凹槽12使粘结层11对准，所以可以固定SHG器件2，同时与半导体激光器3的出射端面保持0.2mm的距离。
接着，如图8D所示，将紫外固化树脂注入子支座10与SHG器件2之间的间隙，随后通过紫外射线的照射使注入的粘结剂固化，由此利用粘结层13在接近出射端面的位置将SHG器件2固定。
在室温下，利用本实施例的方法制造的SHG蓝色激光器的模块比利用实施例3的方法制造的模块具有更高可靠性的原因如下：即，在实施例3中，当在80℃下进行热处理以便将子支座10固定到外壳9时，SHG器件2在接近入射端面的一个位置处被固定。在SHG器件2、Si子支座和金属外壳达到室温时，由于它们的线性膨胀系数的差异，使得即使是一个固定位置也可能会造成在SHG器件2中留下微小的变形。
另一方面，根据本实施例的制造方法，因为在固定SHG器件2之前施加了热处理，所以该SHG器件2可以不存在由于元件之间线性膨胀系数的差别引起的变形造成的应力。因此，对于在接近入射和出射端的两个位置固定SHG器件2、而后封装而获得的激光器模块，可以实现在室温下的高可靠性。
此处，在本实施例中，也可以使用利用紫外固化树脂将SHG器件2同时固定在接近其入射端和出射端的两个位置的方法。
实施例5
以下将参照图9A和9B描述根据实施例5的激光器模块。该激光器模块与图1A和1B中所示的激光器模块相比具有改进的结构。改进点在于，在Si子支座16中平行于第一凹槽12形成了第三凹槽17。第三凹槽17位于对应于SHG器件2的入射端一侧的区域，并且在第一凹槽12与SHG器件2的出射端面之间。通过刻蚀形成的第一凹槽12和第三凹槽17的宽度为0.2mm、深度为50μm。将第三凹槽与第一凹槽12之间的距离L1设定在1mm＜L1＜L/2的范围内，其中L表示SHG器件2的长度。
如实施例1所述，提供第一凹槽12可以固定SHG器件2，同时将半导体激光器3和粘结层11之间的距离保持在0.2mm。而且，提供第三凹槽17可以控制粘结区域。也就是说，通过适当的距离设计L1可以准确地获得希望得到的粘结层的尺寸和该粘结区域。
作为根据本实施例的一个实例，制造L1＝2mm的模块。因此，可以将粘结层11在SHG器件2纵向上的尺寸控制为不变的，因此可以获得稳定的粘结强度。而且，通过形成一对对称凹槽，可以使粘结层11的厚度分布均匀，并且可以获得更加稳定的粘结强度。为了实现足够的粘结强度，L1＞1mm是有效的。
实施例6
以下将参照图10A和10B描述根据实施例6的激光器模块。该激光器模块具有对具有图6A和6B所示的两个固定点的结构的一种改进结构。改进点在于，在Si子支座18中，平行于第一凹槽12形成第三凹槽17，平行于第二凹槽15形成第四凹槽19。第三凹槽17与实施例5中的相似。第四凹槽19位于对应于SHG器件2的出射端一侧的区域，并且在第二凹槽15与SHG器件2的入射端面之间。
与第三凹槽17相似，提供第四凹槽19是用于控制粘结区域。也就是说，在本实施例中，提供第二凹槽15和第四凹槽19可以按照需要来控制粘结区域和粘结的形状。为此，将第二凹槽15与第四凹槽19之间的距离L2设定在1mm＜L2＜L/2的范围内，其中L表示SHG器件2的长度。
作为根据本实施例的一个实例，制造了按照L1＝3mm、L2＝2mm设计L1和L2的模块。因此，可以将入射端一侧和出射端一侧的粘结层11和13在SHG器件2的纵向上的尺寸控制为不变的。这样制造的激光器模块可以具有稳定的粘结层尺寸以及粘结强度。而且，通过形成一对对称的凹槽，可以使粘结层的厚度分布均匀，因此可以获得更加稳定的粘结强度。
根据本实施例所述的模块结构，能够减少由于温度变化造成的变形的影响，并且可以更加增强在入射端一侧和出射端一侧的粘结剂强度。为了实现在SHG器件2的出射端一侧足够的粘结强度，L2＞1mm是有效的。
实施例7
以下将参照图11描述根据实施例7的激光器模块。该激光器模块与图10A和10B所示的激光器模块相比具有改进的结构。改进点在于，在Si子支座20上形成第一到第四凹槽21到24，它们具有在两个端部变宽的形状，而不具有均匀的宽度。
利用这种凹槽形状，宽度增加的两个端部起到粘结剂储存器的作用。因此，即使在施加了过多的粘结剂量时，这种结构也可以避免粘结剂流入半导体激光器3的端面。
实施例8
以下将参照图12A和12B描述根据实施例8的激光器模块。该激光器模块具有以下结构，其中将光纤25代替上述实施例中的SHG器件用作光波导器件。其基本结构与图4A和4B所示的相同，其中通过在子支座10中形成第一凹槽12可以控制粘结层11的位置。粘结层11可以使光纤25的入射端面固定到子支座10并且相对于半导体激光器3的出射端面对准。光纤25的出射端一侧也通过粘结层13固定到子支座10。
工业实用性
根据本发明，用于固定光波导器件的粘结层可以位于优选区域内，由此可以抑制由于温度变化造成的变形而产生的耦合错位。结果，可以确保在存储环境和工作环境下红外光耦合输出和蓝光输出的高可靠性，并且可以以良好的产量制造适用于光学拾波器等的激光器模块。

Claims (19)

1、一种激光器模块，包括：
子支座；
半导体激光器，该半导体激光器固定到所述子支座表面上；以及
光波导器件，该光波导器件通过粘结层结合到所述子支座表面，使得该光波导器件与所述半导体激光器光耦合，
其中第一凹槽形成在所述子支座表面上对应于所述光波导器件入射端一侧的区域上，该第一凹槽平行于所述半导体激光器的出射端面形成，并且与其具有预定间隔，以及
形成所述粘结层，使得所述光波导器件入射端一侧的所述粘结层的末端位于从邻接所述第一凹槽远离所述半导体激光器的远边缘的位置到所述第一凹槽的内部的范围内，并且不与所述半导体激光器的出射端面接触。
2、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述半导体激光器的出射端面与所述粘结层近端之间的距离D满足0mm＜D＜0.2mm。
3、根据权利要求1所述的激光器模块，其中在接近所述光波导器件入射端面的一个位置上部分地提供所述粘结层。
4、根据权利要求1所述的激光器模块，其中在接近所述光波导器件的入射端面和接近所述光波导器件的所述出射端面的至少两个位置上部分地提供所述粘结层。
5、根据权利要求4所述的激光器模块，
其中在所述子支座表面上对应于所述光波导器件出射端一侧的区域上形成第二凹槽，该第二凹槽平行于所述光波导器件的出射端面形成，并且
沿着该第二凹槽提供接近所述出射端面的所述粘结层。
6、根据权利要求4所述的激光器模块，其中接近所述入射端面的所述粘结层区域大于接近所述出射端面的所述粘结层区域。
7、根据权利要求1所述的激光器模块，其中在所述子支座表面上对应于所述光波导器件入射端一侧的区域上形成第三凹槽，该第三凹槽平行于所述第一凹槽形成并且位于所述第一凹槽与所述光波导器件的出射端面之间。
8、根据权利要求7所述的激光器模块，其中所述第一凹槽与所述第三凹槽之间的距离L1满足1mm＜L1＜L/2，其中L表示所述光波导器件的长度。
9、根据权利要求5所述的激光器模块，其中在所述子支座表面上对应于所述光波导器件出射端一侧的区域上形成第四凹槽，该第四凹槽平行于所述第二凹槽形成并且位于所述第二凹槽与所述光波导器件的入射端面之间。
10、根据权利要求9所述的激光器模块，其中所述第二凹槽与所述第四凹槽之间的距离L2满足1mm＜L2＜L/2，其中L表示所述光波导器件的长度。
11、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述光波导器件的厚度T1满足T1＜1mm。
12、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述光波导器件的宽度W满足W＜0.85mm。
13、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述光波导器件的长度L满足L＞10mm。
14、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述子支座的厚度T2满足T2＜0.3mm。
15、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述光波导器件是准相位匹配二次谐波生成(QPM-SHG)器件。
16、根据权利要求1所述的激光器模块，其中所述光波导器件是光纤。
17、一种用于制造激光器模块的方法，该模块包括：子支座；固定到子支座表面上的半导体激光器；通过粘结层结合到子支座表面的光波导器件，使得该光波导器件与该半导体激光器光耦合，以及子支座固定到其上的外壳，该方法包括按照以下所述顺序执行的步骤：
在所述子支座表面上对应于所述光波导器件入射端一侧的区域上形成凹槽，并且在接近该凹槽的预定位置固定所述半导体激光器，使得所述半导体激光器的出射端面平行于该凹槽；
提供所述粘结层，使得所述光波导器件入射端一侧的所述粘结层末端位于从邻接所述第一凹槽远离所述半导体激光器的远边缘的位置到所述第一凹槽的内部的范围内，并且其不与所述半导体激光器的出射端面接触，以及通过所述粘结层将所述光波导器件结合到所述子支座的表面；
将所述子支座固定到所述外壳上。
18、一种用于制造激光器模块的方法，该模块包括：子支座；固定到子支座表面上的半导体激光器；通过粘结层结合到子支座表面的光波导器件，使得该光波导器件与该半导体激光器光耦合，以及子支座固定到其上的外壳，该方法包括按照以下所述顺序执行的步骤：
在所述子支座表面上对应于所述光波导器件入射端一侧的区域上形成凹槽，并且在接近该凹槽的预定位置固定所述半导体激光器，使得所述半导体激光器的出射端面平行于该凹槽；
将所述子支座固定到所述外壳上；并且
提供所述粘结层，使得所述光波导器件入射端一侧的所述粘结层末端位于从邻接所述第一凹槽远离所述半导体激光器的远边缘的位置到所述第一凹槽的内部的范围内，并且其不与所述半导体激光器的出射端面接触，以及通过所述粘结层将所述光波导器件结合到所述子支座的表面。
19、根据权利要求17或18所述的用于制造激光器模块的方法，进一步包括：在完成了全部步骤之后，将粘结剂注入接近所述光波导器件出射端面的位置与所述子支座之间的间隙中，由此将接近所述光波导器件出射端面的位置固定到所述子支座上。
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