DE69409586T2

DE69409586T2 - Verpacken von Hochleistungshalbleiterlasern

Info

Publication number: DE69409586T2
Application number: DE69409586T
Authority: DE
Inventors: Roger Frank Cornin Bartholomew; Douglas Warren Hall; Paul Anthony Jakobson; Julia Alyson Sharps
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1994-07-14
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2014-07-15
Also published as: US5629952A; TW291471B; KR960016028A; JP3452214B2; KR100298149B1; US5513198A; CN1103373A; CA2128068A1; US5770473A; CA2128068C; DE69409586D1; AU672705B2; CN1063587C; AU6744094A; JPH07147457A; EP0634822B1; EP0634822A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft umhüllte Hochleistungs - Halbleiterlaser, ein Verfahren und eine Umhüllung dafür.
Die Aufrechterhaltung der Laserstabilität und Verlängerung der Laserlebensdauer erfordert eine Kontrolle der Arbeitsumgebung des Lasers, speziell der Temperatur, Feuchtigkeit und Atmosphäre, die hinsichtlich der Halbleiterlasermaterialien relativ inert ist, wobei der Stand der Technik lehrt, daß eine sauerstofffreie Atmosphäre die Lebensdauer des Lasers verlängert. Außerdem wird eine trockene Atmosphäre bevorzugt, um eine Reaktion mit den Lasermaterialien zu verhindern, und um die Unversertheit der mit dem Arbeitslaser verbundenen Mikro-Schaltelektroniktechnik zu erhalten. Für eine weitergehende Diskussion diebezüglich siehe (Considerations in the Hermetic Packaging of Hybrid Microcircuits", Byrnes et al., Solid State Technology, 1984). Beispielsweise gibt eine Atmosphäre aus trockenem Stickstoff mit einem Heliumtracer eine hervorragende Laserbetriebsatmosphäre. Der Begriff "trocken", wie hier verwendet, bezeichnet generell ein gasförmiges Medium mit einem Wassergehalt von weniger als ungefähr 5000 ppm. Gegenüber Halbleiterlasern, deren Flächenleistung auf 50 mW oder darüber angestiegen ist, haben sich jedoch die üblicherweise akzeptierten Strategien für stabile Laser mit hohen Betriebszeiten als unzureichend erwiesen. Für einen Laser mit einer Flächengröße von ungefähr 2 um mal 1 mu und einem Leistungsausgang von 50 mW bedeutet dies eine durchschnittliche Flächenleistungsdichte in einer Höhe von 1 MW/cm². Bei Laserendflächen (Laser ends facets), die im wesentlichen die Lasernaushöhlung begrenzen, kann das Reflektionsvermögen verändert und sogar zerstört werden, wenn ein Hochleistungslaser in einer trockenen Helium/Stickstoffatmosphäre betrieben wird. Materialien die den Behälter kontaminieren können, schließen Flußmittel, Öle, Epoxide und Reinigungsmittel ein, die bei dem Herstellungsverfahren von Hochleistungshalbleiterlaservorrichtungen verwendet werden, wobei diese zu einer teilchenförmigen oder gasförmigen Kontamination beim Erreichen der Oberfläche der Flächenbeschichtungen führen und sich so in Form von Verunreinigungen darauf absetzen. Solche Niederschläge können die Flächenreflektion verändern, die übermittelte Leistung reduzieren und die Absorptionsfähigkeit an der Fläche erhöhen, was zu einer Flächenaufheizung führt und gegebenenfalls zu einem Ausfall des Lasers. Daher besteht der Bedarf nach neuen Strategien um solche Laseranwendungen zur Verfügung zu stellen, was zu einer hohen Leistungsfähigkeit, in Kombination mit der Garantie einer Stabilität und Langlebigkeit des Laser führen würde.
In der JP-A-60186076 wird bereits offenbart, daß in Gegenwart von Sauerstoff in hermetisch geschlossenen Umhüllungen enthaltend InGaAsP/InP Laser, mit einer optischen Betriebsleistung von 3-5 mW, den Stromverlust reduziert.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 6 und 7 offenbart. Weitere verschiedene Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die vorliegende Erfindung erfüllt die Anforderungen an einen stabilen, langlebigen, kontinuierlich arbeitenden Hochleistungs-Halbleiterlaser, wobei eine Atmosphäre zur Verfügung gestellt wird, die das Lasermaterial schützt. Die Bezeichnung "Hochleistungs-Halbleiterlaser" bezieht sich auf Halbleiterlaser mit einer Frontflächenleistung von wenigstens 50 mW. Da die Frontfläche des Laser sehr schmal ist, läßt sich äquivalent hierzu die Hochleistung definieren, als Frontflächenleistungsdichte in der Größenordnung von 1 MW/cm² oder darüber.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt der umhüllte Hochleistungs-Halbleiterlaser einen Laser mit einer aktiven Schicht InGaAs und wahlweise einen Getter, umhüllt mit einem hermetisch verschlossenen Behälter, der mit einem gasförmigen Medium gefüllt ist, enthaltend wenigstens 100 ppm Sauerstoff. Weiter vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen angegeben. Überraschenderweise verringert der Einschluß von Sauerstoff in dem gasförmiges Medium enthaltenen Behälter signifikant das Gefahrenpotential einer Schädigung der Laserflächen verursacht durch organische Verunreinigungen, die in dem Behälter zum Zeitpunkt der Versiegelung enthalten sind.
Obwohl eine solche Atmosphäre die Lebensdauer eines Hochleistungs-Halbleiterlasers wesentlich verlängert, wird diese durch die kombinierte Verwendung einer Sauerstoff-enthaltenen Atmosphäre und einem Gettermaterial, das zur Adsorption oder Absortion organischer Materialien geeignet ist, noch zusätzlich gesteigert. Eine derartige Steigerung der Lebensdauer ist insbesondere für Hochleistungs-Halbleiterlaser wichtig, die in der Telekommunikation verwendet werden, weil dort eine Lebens- bzw. Abrbeitsdauer von zehn oder mehr Jahren erforderlich ist. Aufgabe des Sauerstoffs ist es im wesentlichen, Niederschläge auf der Laser-Flächenstruktur zu entfernen oder mit Verunreinigungen zu reagieren, bevor diese sich auf der Fläche der Struktur (facet structure) niederschlagen, um so die Bildung von Niederschlägen darauf und um eine Schädigung der Laser-Flächenstruktur zu verhindern. Angesichts des nachteiligen Effekts von Wasser auf Mikroschaltungen ist ein sehr geringer Wassergehalt, von weniger als 1000 ppm, bevorzugt.
Die Verwendung von Materialien zur Bildung der Wände des Laserbehälters, wie Metallen, die einen geringen Wasserstoffgehalt aufweisen, haben den wichtigen Vorteil einer Minimierung der Wasserbildung innerhalb des Behälters, in Folge einer Reaktion des zwischen den Wänden freigesetzten Wasserstoffs und dem in dem Behälter, zur Regulierung des Verunreinigungsgrades, eingeschlossenem Sauerstoff. Ein bevorzugtes Verfahren zur Erreichung des gewünschten niedrigen Wasserstoffgehaltes beinhaltet die Wärmebehandlung des Behältermaterials bei erhöhter Temperatur, z.B. bei ungefähr 150ºC, über einen verlängerten Zeitraum, z.B. ungefähr 200 Stunden, vor dem Zusammenbauen des Behälters.
Fig.1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Halbleiterlasers.
Fig.1 & 2 zeigen Diagramme der rückseitigen Flächenleistung, gemessen über die Zeit eines umhüllten Halbleiterlasers in einer trockenen, inerten Umgebung im Vergleich zu einem Luft enthaltenen umhüllten Laser .
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht in Schnittperspektive einer in einem Behälter angeordneten Laservorrichtung.
Fig.1 zeigt die Struktur eines Halbleiterlasers, die denen im Stand der Technik bekannten ähnlich ist. Die Front und Rückflächen, 10 und 12, in dieser Reihenfolge, des Laserkörpers 3 sind teilbare Oberflächen die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Diese Flächen sind durch Passivierungsschichten 5, wobei diese Schichten aus Silikon sein können, geschützt. Die Passivierungsschichten dienen zum Schutz der Laserfläche hinsichtlich Kontamination und Erosion. Die Passivierungsschichten schützen die Laserfläche außerdem vor einer Oxidation. Der Frontflächenspiegel 9 weist eine Beschichtungsdicke von ungefähr einem Viertel der Laserwellenlänge auf. Der rückwärtige Flächenspiegel 7 umfaßt aufeinanderfolgende Schichten reflektierenden Materials, wobei die angrenzenden Schichten aus unterschiedlichen Materialien sind. Die Anzahl, Zusammensetzung und Dicke der den Spiegel 7 bildenden Schichten werden so gewählt, daß ein bestimmtes Verhältnis, bezüglich der Energieweiterleitung, zwischen der Front- und Rückfläche erhalten wird. Ein typisches Front/Rückflächen-Energieverhältnis ist ungefähr 40:1.
Ein möglicher Mechanismus für eine Funktionsstörung eines Halbleiterlasers der in Fig. 1 gezeigten allgemeinen Art wird nachfolgend beschrieben.
Die emittierende Fläche der Laserfläche liegt in der Größenordnung von 10 um² oder darunter. Folglich ist die Photonenanzahl, wenn der Energielevel erreicht oder überschritten wird, die die Einheitsfläche der Fläche (facet) queren (Photonenfluß), vergleichsweise groß. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Photon mit Spuren von Verunreinigungen, eingeschlossen in dem Laser, reagieren, steigt im Verhältnis zum Photonenfluß. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit eines Photons, Molekülverunreinigungen auf oder nahe an der Spiegelfläche abzusondem. Alternativ kann der Photonenfluß die Labilität oder Volatilität von Molekülverunreinigungen auf oder nahe an der Spiegelfläche anregen, unter Steigerung der Reaktivität der Verunreinigungen, was möglicherweise zu einem Niederschlag auf der Spiegelfläche führt. Außerdem, da Hochleistungs-Halbleiterlaser üblicherweise kontinuierlich arbeiten, speziell bei Telekommunikationsanwendungen, eskaliert das Problem rasch sobald sich erst einmal Molekülverunreinigungen auf den Spiegelflächen abgesetzt haben, aufgrund lokaler Erwärmung als Ergebnis des kontinuierlich einfallenden Laserlichtes am Ort der Verunreinigung.
Die Molekülverunreinigungen stammen von Rückständen wie Lötfluß, Epoxiden, oder Reinigungsmitteln, etc., Isopropylalkohol oder OPTICLEAR (Markenname für ein Reinigungsmittel für optische Materialien), die bei der Herstellung verwendet werden. Bei Epoxiden führt ausgedehntes Vernetzen des Materials zu einer Verringerung der Entstehung von Verunreinigungen, aber nicht zu einer Beseitigung. Beispiele für organische Chemikalien, die in diesen Materialien gefunden werden, sind Propan, Terpen und Abietinsäure. Die Wirkung dieser im Infrarotbereich liegenden Photonen auf Kohlenstoffketten besteht darin, daß Wasser eliminiert wird, Zurücklassung eines reaktiven Kohlenstoffkettenfrakments, das an ein Atom in dem Material binden kann, aus dem der Flächenspiegel besteht. Ein weiterer Mechanismus ist der, daß Photonen Wasserstoff von der Kohlenwasserstoffkette entfernen können unter Bildung eines reaktiven Kohlenstoffkettenfragments. Beispiele für Spiegelmaterialien sind Aluminium und Siliciumnitrid. Die Anwesenheit von freiem Sauerstoff in dem Laserbehälter kann die Spiegelfläche schützen, mittels Bindung der reaktiven Fragmente, bevor diese sich an die Spiegelfläche binden. Der Sauerstoff kann außerdem zum Quenschen angeregter Zustände von reaktiven Spezien dienen, wodurch die Spiegelflächen geschützt werden. Eine weitere alternative Möglichkeit ist es, daß die freien Sauerstoffmoleküle die "Spiegel- Atom"-"Kohlenstoff-Ketten-Fragment" Bindung brechen und so reaktive Fragmente von der Spiegelfläche lösen. Der Sauerstoff wirkt so als effektiver Getter gegenüber Molekühlverunreinigungen.
Gemäß dem oben Beschriebenem hängt die Menge an Sauerstoff, die erforderlich ist um die Spiegelfläche oder Flächenstruktur zu schützen, ab von der Anzahl von Molekülverunreinigungen, sowie von der Anzahl anderer reaktiver Stellen in dem Behälter, die in der Lage sind Sauerstoff zu binden. Außerdem hängt die erforderliche Sauerstoffmenge von der Art der Molekülverunreinigungen ab. Folglich ist die genaue, erforderliche Menge Sauerstoff, die zu dem gasförmigen Medium, das den Behälter füllt, hinzugegeben werden muß, experimentell zu bestimmen. Aufgrund der bekannten nachteiligen Effekte von Sauerstoff, d.h. bei der Reaktion mit Wasserstoff wird Wasser gebildet, das die Intaktheit der mikroelektronischen Schalung interminiert, muß der bevorzugte Sauerstoffgehalt der dem gasförmigen Medium innerhalb des Behälters zugesetzt wird, genau so eingestellt werden, daß es gerade ausreicht, die Eigenschaften der Flächenstruktur konstant aufrecht zu erhalten. Das Absetzungsphänomen von niedergeschlagenen Verunreinigungen durch Photonen tritt am wahrscheinlichsten an der Hochleistungsfrontfläche auf (hoher Photonenfluß). In Abwesenheit von freiem Sauerstoff können die Photo-Reaktionsprodukte an die Flächenstruktur binden oder Niederschläge darauf bilden, wobei speziell die Frontspiegelfläche davon betroffen ist. Der Niederschlag kann die Reflektions- oder Absorptionseigenschaften der Spiegelfläche verändern. Eine erhöhte Absorption kann die Temperatur der Fläche auf die Schmelzpunkttemperatur der Flächenmaterialien erhöhen, wobei die Fläche zerstört wird. Außerdem kann ein Ansteigen der Temperatur an der Fläche dazu führen, daß eine Anschlußmigration in der Lasermaterialmasse auftritt, was zu einer Zerstörung des Lasers führt. Folglich bekommen Spuren von Verunreinigungen, die im wesentlichen bei niedrigeren Energiezuständen praktisch keine Rolle spielen, eine enorme Bedeutung in dem Maße wie der Energiezustand und der damit verbundene Photonenfluß ansteigt. Eine erfolgreiche Strategie zur Erhaltung einer maximalen Laserlebensdauer für Laser mit geringen Photonfluß kann sich ins Gegenteil kehren bei Lasern mit hohem Photonenfluß. Unter der Annahme, daß eine Photo-Reaktion stattfindet, wird angenommen, daß ein reaktives Gas, wie Sauerstoff, nahe an einer Fläche, die reaktiven Produkte der Photoreaktion bindet, wie oben beschrieben, und dadurch diese reaktiven Produkte an einem Niederschlag auf die Spiegelfläche hindert oder die bereits an die Spiegelfläche gebundenen reaktiven Produkte entfernt. Der Sauerstoff wird so zu einem Schutzelement in der Laseratmosphäre, gegensätzlich zu seiner im Stand der Technik bisher bekannten Funktion als ein potentieller Faktor der zur Verkürzung der Lebensdauer der Mikroelektronikschaltung beiträgt.
Zu betonen ist, daß die Gültigkeit des oben beschriebenen Mechanismus nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, noch ist der vorgeschlagene Mechanismus erheblich für die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung. Es wurde nunmehr gefunden, wie anhand der nachfolgenden Beispiele erläutert, daß ein Standardverfahren, beispielweise MIL-STD-1772A, für Laserumhüllungen, daß das Reinigen von Innen des Behälters mit einer Substanz wie Isopropylalkohol, Füllen des Behälters mit trockenem, inerten Gas und hermetisches Verschließen des Laserbehälters einschließt, zu einer unzureichend kurzen Lebensdauer der Laserarbeitszeit führt, in der Größenordnung von einigen zehn Stunden, für Hochleistungslaser, d.h. Laser eine Frontflächenleistung von wenigstens 50 mW leisten.
Laserumhüllungen, nach dem Standardverfahren, ausgenommen wenn trockene Luft in die abgeschlossene Laseratmosphäre eingeführt worden war, wiesen eine annehmbare Lebensdauer auf. Darüberhinaus wurde gefunden, daß bei bestimmten Laser die mit einer trocken Inertgasatmosphäre betrieben wurden, wobei deren Leistung beginnend war abzusinken, eine Leistungssteigerung beobachtet werden konnte, wenn dieser Atmosphäre Luft zugeführt wurde.
Wie oben beschrieben, enthält die Atmosphäre, die zur Füllung der Laserumhüllung verwendet wird, vorzugsweise wenigstens 100 ppm Sauerstoff und weniger als ungefähr 1000 ppm Wasser. Im Handel erhältliche "rekonstituierte Luft" ist eine geeignete Quelle für die Atmosphäre. Beispielsweise läßt sich Luft mit der Herstellnummer 00,1, erhältlich bei Airco Gas Inc., Portland, Oregon, in der Umhüllung des erfindungsgemäßen Lasers verwenden. Wie seitens des Herstellers angegeben, weist das Produkt die nachfolgende Zusammensetzung auf: -20% O&sub2; (üblicher Wert); -80% N&sub2; (üblicher Wert); 0,2 ppm CO (üblicher Wert); < 0,1 ppm CO&sub2; (üblicher Wert); < 0,1 ppm NOx (üblicher Wert); und < 3 ppm H&sub2;O (garantierter Wert).
Zusätzlich zur Umhüllung des Laser mit Sauerstoff ist es außerdem bevorzugt, einen adsorptionsfähigen oder absorptionsfähigen Getter innerhalb der Laserumhüllung einzuschließen. Verschiedene Gettermaterialien lassen sich für diese Zwecke verwenden. Das Material sollte folgende Eigenschaften aufweisen: 1) es sollte im wesentlichen Adsorptionsoder Absorptions-Kapazität für organische Verunreinigungen und vorzugsweise eine im wesentlichen spezifische Adsorptions- oder Absorptions-Kapazität aufweisen, so daß man lediglich eine begrenzte Menge des Materials zum Einschluß in den Laser benötigt; 2) seine Adsorptions- oder Absorptions-Kapazität sollte ausreichend sein, um den Laser und dessen Schaltung, über den Betriebstemperaturbereich des Einschlusses, zu schützen (z.B. von ungefähr -40ºC bis ungefähr 85ºC), so daß nennenswerte Menge adsorbierter oder absorbierter Verunreinigungen nicht freigesetzt werden, wenn die Temperatur des Getter während des Einsatzes sich ändert; 3) während des Transports, der Handhabung und Verwendung sollte es eine im wesentliche physikalische Integrität zeigen, d.h., das Material sollte nur minimale Mengen Staub oder Partikel freisetzen, die an den Spiegelflächen haften könnten; und 4) organische Verunreinigungen sollten sich von dem Material leicht entfernen lassen, bevor das Material in den Behälter eingebracht wird, d.h., das Material sollte vor der Verwendung reinigbar sein.
Die Menge Getter, die für einen bestimmten Lasereinschluß verwendet wird, hängt zumindest teilweise von einer empirischen Bestimmung ab, basierend auf den spezifischen Eigenschaften des Gettermaterials, das für die Laserumhüllung ausgewählt wird, der nominalen Menge organischer Verunreinigungen innerhalb des Einschlusses zum Zeitpunkt des Versiegelns und dem Einschlußvolumen. Allgemein ausgedrückt solte für ein Gettermaterial mit einer hohen spezifischen Oberfläche, z.B. einer Oberfläche in der Größenordnung von 100 m²/g und einer verbundenen Porengrößenverteilung, die geeignet ist, ein erhebliches Volumen organischer Verbindungen anzureichern, ungefähr 0,1 g Getter je cm³ Einschluß verwendet werden. Vorzugsweise wird der Getter in Blockform verwendet, um seinen Einschluß in den Laser zu vereinfachen. Beispielsweise kann ein Block aus Gettermaterial an der Innenfläche der Umhüllung des Einschlusses angebracht werden. Allgemein sollte zur Befestigung kein organisches Material verwendet werden, beispielsweise Epoxide oder Klebstoffe, sondern es sollten mechanische Mittel verwendet werden. Beispielsweise lassen sich Draht, Klammern oder Schrauben zur Befestigung verwenden. In ähnlicher Weise läßt sich Lot zur Befestigung verwenden, wobei beispielsweise durchgehende Löcher in dem Block aus Gettermaterial gebildet werden, und der Getter an der Innenseitenfläche der Einschlußwandung angeordnet wird, wobei der Getter an die Wandung durch Schmelzgießen des Lots durch die durchgehenden Löcher angelötet wird. Andere Mittel zur Befestigung sind natürlich gleichermaßen geeignet.
Beispiele für geeignete Gettermaterialien zur Verwendung gemäß der Erfindung schließen verschiedenartige Silikate, wie VYCOR gebranntes poröses Siliciumdioxid, erhältlich bei der Corning Incorporated (Corning, New York) unter der Produktnummer 7930, und verschiedenartige Zeolite, wie das Na-Al-Si Zeolit, erhältlich bei W.R. Grace & Company unter der Produktnummer 10A, ein. Außerdem lassen sich für die erfindungsgemäße Verwendung, falls erforderlich, auch Mischungen von Gettermaterialien einsetzen.
Wie oben beschrieben, hat der Sauerstoff innerhalb der Umhüllung die wichtige Funktion der Minimierung der Laserzerstörung durch organische Verunreinigungen. Es gibt natürlich einen Nachteil bei der Verwendung von Sauerstoff, nämlich den, daß er mit Wasserstoff unter Bildung von Wasser innerhalb des Einschlusses reagiert. Das Wasser kann gegebenenfalls einen nachteiligen Einfluß auf die gesamte Funktionsweise der elektronischen Komponenten innerhalb des Einschlusses, einschließlich des Halbleiterlasers, haben beispielsweise durch Verursachung eines Kurzschlusses zwischen dem Leiter, der die Komponenten verbindet. Die Verwendung eines Gettermaterials, welches zusätzlich zu den organischen Verunreinigungen Wasser adsorbiert oder absorbiert, wie das oben beschriebene VYCOR Material, kann dazu dienlich sein, das Problem zu verringern. Gemäß der Erfindung, wird dem Wasserproblem auch noch dadurch Beachtung geschenkt, indem man die Menge an in dem Einschluß zur Verfügung stehenden Wasserstoffs für die Reaktion mit dem in der Sauerstoff-Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff reduziert. Die Metalle, die zur Bildung der Wandungen des Behälters verwendet werden, stellen die Hauptquelle an Wasserstoff innerhalb des Einschlusses dar. Beispielsweise ist Kovar (Nickel/Cobalt Alloy) mit einem galvanischen Nickel und Gold Niederschlag, ein übliches Material zur Verwendung bei der Konstruktion elektronischer Einschlüsse. Während der Herstellung von Kovar steht dieses in Wasserstoff geglüht. In ähnlicher Weise wird Wasserstoff bei der Elektroplattierung generiert, der vom Metall absorbiert wird. Über die Zeit wird der Wasserstoff vom Metall wieder abgegeben und reagiert mit dem eingeschlossenen Sauerstoff unter Bildung von Wasser.
Das Wasserstoffproblem tritt üblicherweise selbst nicht anfänglich auf, es macht sich aber mit der Alterung der Halbleiterlaservorrichtung nach dem versiegeln in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bemerkbar.
Die Erfindung entgegnet dem Wasserstoffproblem durch Vorbehandlung des zur Verwendung für die Herstellung des Behälters vorgesehenen Materials. Diesbezüglich werden die Materialien wärmebehandelt bei einer erhöhten Temperatur und über einen verlängerten Zeitraum, um die Menge an darin adsorbierten oder absorbierten Wasserstoff zu verringern. Beispielsweise wird im Falle von Kovar, welches mit Nickel und Gold elektroplattiniert ist, eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC über einen Zeitraum von ungefähr 200 Stunden durchgeführt. Eine weitere Wasserstoffverringerung läßt sich durch Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur auf ungefähr 350ºC erreichen; obwohl üblicherweise höhere Prozeßtemperaturen nicht erforderlich sind. Die für plattiertes Kovar verwendeten Temperaturen und Zeiten lassen sich außerdem auch auf andere im Stand der Technik bekannte Materialien zur Herstellung versiegelter Einschließungen übertragen.

Vergleichsbeispiel 1

Ein 980 nm InGaAs Halbielterlaser wurde von der IBM Forschungsabteilung in Zürich, Schweiz, mit einer Struktur im wesentlichen wie die in Figur 1, erhalten. Die Laserspiegel wurden so konfiguriert, daß sie 90% der Gesamtleistung durch die Frontfläche und 10% der Leistung durch die rückwertige Fläche liefern. Der Laser wurde mit einem Steuerstrom von 195 mA, der eine Frontflächenleistung von 150 mW liefert, betrieben. Der Laser wurde in einem hermetisch versiegelten Behälter, gefüllt mit einer Mischung aus He/N in einem Verhältnis 1:9, eingeschlossen. Vor dem Versiegeln wurde der Behälter mit Isopropylalkohol und mit OPTICLEAR gereinigt. Der Wassergehalt der den Laser umgebenden Atmosphäre betrug < 1000 ppm.
Es wurde eine Halbleiterphotodiode, empfindlich im Wellenlängenbereich von 980 nm Wellenlänge, zur kontinuierlichen Überwachung der Leistung der rückwärtigen Fläche über die Zeit, verwendet. In Folge des für den Laser gewählten Front/Rückflächenleistungsverhältnisses führt ein geringer Anstieg in der Frontspiegelreflektion, was lediglich zu einem geringen Abfall in der Frontflächenleistung führt, zu einem proportional größeren Anstieg in der Rückflächenleistung. Daher ist die Rückflächenüberwachung empfindlich gegenüber geringenanderungen in der Frontflächenreflektion.
Die Figur 4 ist eine Schnittperspektive des Lasers 21 und der rückwärtig angeordneten Photodiode 23, befestigt an der Platform 25. Diese Anordnung ist innerhalb des Behälters 27 versiegelt.
Gemäß Fig. 2, Zeile 13 wird der Rückflächenleistungsanstieg der Vorrichtung des Vergleichsbeispiels 1 mit He/N angegeben, der ungefähr über einen Testzeitraum von 45 Stunden beobachtet wurde. Der scharfe Abwärtstrend ist ein Hinweis auf einen Anstieg der Frontflächenreflektion, folglich also auf einen frühzeitigen Laserfehler.

Vergleichsbeispiel 2

Die Fig. 2 gibt die für einen Laser gemessene Leistung der rückwärtigen Fläche an, die im wesentlichen der des Lasers des Vergleichsbeispiels 1 entspricht, wobei das zur Umhüllung verwendete Verfahren dem des Beispiels 1 entspricht, mit der Ausnahme das die trockene He/N - Mischung durch Luft ersetzt wurde. Nach 264 Stunden war die Leistungskurve der rückwärtigen Fläche normal, was ein Anzeichen für eine normale Lebenserwartung des Lasers ist.

Vergleichsbeispiel 3

Ein 980 nm InGaAs Laser in einer trockenen inerten Atmosphäre wurde, wie in Beispiel 1 beschrieben, umhüllt. Der Laser wurde ebenfalls mit einem Steuerstrom von ungefähr 195 mA betrieben und die anfängliche Frontflächenleistung betrug 150 mW. Nach Figur 3, Zeile 15 wird ein geleichförmiger Anstieg der Rückflächenleistung gezeigt. Diese Werte kündigen ein frühzeitig auftretendes Laserversagen an. Dieser Test wurde nach ungefähr 100 Stunden, vor dem Versagen des Lasers, beendet.

Vergleichsbeispiel 4

Der Laserbehälter gemäß Beispiel 3 wurde in Gegenwart von Umgebungsluft punktiert, wobei die hermetische Versiegelung des Behälters, um ein Eindringen von Umgebungsluft zu ermöglichen, zerstört wurde. Der Lasersteuerstrom wurde wieder angelegt und die Überwachung der Leistung der Rückfläche wieder aufgenommen. Gemäß der Zeile 17 nimmt die Leistung der Rückfläche auf einen Nennstand ab und setzt sich dann mit einem normalen alterungsbedingten Abfall fort. Der normale alterungsbedingte Abfall beinhaltet in 500 Stunden eine 5%ige Abnahme in der Leistung der Rückfläche. Das bedeutet das die Laserleistung der Rückfläche in 500 Betriebsstunden 5% abnimmt.
Wiederholte Tests von Lasern in trockener Luft haben gezeigt, daß diese Atmosphäre gegenüber der Atmosphäre einer trockenen He/N Mischung überlegen ist.
Es wird davon ausgegangen, daß Sauerstoffgehalte von weniger als 100 ppm ausreichen können, um die Integrität der Laserspiegelfläche aufrecht zu erhalten, da eine durchgehende Reinigung des Behälters die Verunreinigungen im Dampf auf einen sehr geringen Stand bringen kann. Allgemein lassen sich organische Verunreinigungen mittels Reinigung reduzieren. Umgekehrt sollte der Sauerstoffgehalt erhöht werden, wenn der Anteil an Verunreinigungen des Dampfes bzw. Gases relativ hoch ist, um mit den auftretenden Verunreinigungsmolekülen stöchiometrisch zu reagieren. Vorzugsweise ist die Sauerstoffkonzentration so gewählt, daß die Reaktion zur Bildung nicht-gefährlicher oxidierter Produkte aus den organischen Produkten thermodynamisch stark begünstigt ist. In diesem Fall ist die Menge an Sauerstoff größer als die stöchiometrische Menge.
Dagegen wird es nicht angenommen, daß die anderen Gaselemente und Komponenten, die zusammen mit Sauerstoff Luft ausmachen, vorrangig der Erhaltung der Integrität der Flächenstruktur des Hochleistungslasers dienlich sind. Folglich kann eine Mischung aus Sauerstoff mit einer Anzahl herkömmlicher bekannter Gase als geeignetes gasförmiges Medium für einen Hochleistungs -Halbleiterlaser dienen. Zum Beispiel ergibt eine Mischung aus Argon, Helium oder Stickstoff und Sauerstoff eine geeignete Atmosphäre für den Laser.
Nach Fig. 4 ist eine optische Wellenleiterverstärkerfaser an die Frontfläche des Lasers 21 gekoppelt und verläuft durch die Wand des Behälters 27. Solch eine Konfiguration ist typisch für einen Pumplaser der Energie an eine Verstärkerleiterfaser liefert.

Beispiel 5

Ein 980 nm InGaAs Halbleiterlaser entsprechend dem in Beispiel 1 beschrieben Typ, zusammen mit anderen Komponenten zur Verwendung des Lasers zur Lieferung von Energie an eine Verstärkerleiterfaser, sind gemeinsam mit einem VYCOR Glasgetter (Produktnummer 7930) in einem Kovarbehälter mit geringem Wasserstoffgehalt verpackt, der mit einer Sauerstoff enthaltenen Atmosphäre, wie nachfolgend angegeben, gefüllt ist.
Der Behälter für den Laser wird aus Kovar hergestellt, das mit Gold und Nickel in zwei Abschnitten plattiert ist - einen Gehäuseabschnitt zur Aufnahme des Lasers und anderer Komponenten und einer Abdeckung zur Halterung des VYCOR-Getters. Der Abschnitte werden in einem N&sub2; gespülten Ofen bei 150ºC für 200 Stunden wärmebehandelt. Das innere Volumen des Behälters beträgt ungefähr 5 cm³.
Der VYCOR Getter wird bei 650ºC für wenigstens 0,5 Stunden, zur Aktivierung des Metalls und zwecks Entfernung früherer adsorbierter oder absorbierter organischer Stoffe, wärmebehandelt. Ein Abschnitt des Materials mit einem Gewicht von etwa 0,75 g wird an dem vorher wärmebehandelten Abdeckung, mittels der durchgehenden Löcher die in dem Getter wie oben beschrieben ausgebildet sind, angebracht.
Der Halbleiterlaser und andere Komponenten sind in dem Gehäuseabschnitt des Behälters befestigt. Dieser Abschnitt zusammen mit dem Abdeckungsabschnitt, an dem der Getter angeordnet ist, werden dann für 12 Stunden bei 100ºC im Vakuum wärmebehandelt. Schließlich werden die beiden Abschnitte zusammen in einer Atmosphäre des 00,1 Luftproduktes, wie vorhergehend beschrieben, versiegelt. Die Versiegelung wird durch elektrowiderstandsfähiges Erhitzen und geringen Fluß (fluxless) durchgeführt.
Es wurde ein Halbleiterlaser erhalten, der erfolgreich über einen verlängerten Zeitraum, d.h. für über 5000 Stunden, mit minimalem Wassergehalt in der Umhüllung, d.h. einer Waserkonzentration in der Umhüllungsatmosphäre von weniger als 5000 ppm am Ende der Testperiode. Der umhüllte Hochleistungs- Halbleiterlaser ist demnach zur Verwendung als Energielieferant an eine Versärkerleiterfaser in einem Telekommunikationssystem geeignet.

Claims

1. Umhüllter Hochleistungs-Halbleiterlaser mit (A) einem Halbleiterlaser (21) mit einer aktiven Schicht mit InGaAs und einer optischen Betriebsleistung von zumindest 50 Milliwatt; und

(B) einen hermetisch verschlossenen Behälter (27), der den Halbleiterlaser umschließt und der mit einem gasformigen Medium mit einem Sauerstoffgehalt von wenigstens 100 Teilen pro Million gefüllt ist.

2. Umhüllter Laser nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen Getter zum Absorbieren oder Adsorbieren organischer Verunreinigungen, wobei der Getter im hermetisch verschlossenen Behälter (27) angeordnet ist.

3. Umhüllter Laser nach Anspruch 2, wobei der Getter poröse Silicamaterialien oder Zeolithe umfaßt.

4. Umhüllter Laser nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Behälter (27) eine Abdeckung aufweist und der Getter durch die Abdeckung getragen wird oder mechanisch an die Abdeckung angebracht ist.

5. Umhüllter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser eine Facettenstruktur (10,12) aufweist und das gasförmige Medium Bestandteile umfaßt, die in Bezug auf die Lasermaterialien relativ inert sind.

6. Verwendung des Hochleistungs-Halbleiterlasers nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Vorrichtung zum Pumpen einer optischen Wellenleiterverstärkungsfaser.

7. Verfahren zur Umhüllen eines Hochleistungs- Halbleiterlasers, gekennzeichnet durch:

(A) festes Anordnen eines Halbleiterlasers (21) mit einer aktiven Schicht mit InGaAs in einem Behälter (27), wobei der Laser eine optische Betriebsleistung von wenigstens 50 Milliwatt aufweist;

(B) Einführen eines gasförmigen Mediums in den Behälter (27), wobei das gasförmige Medium einen Sauerstoffgehalt von zumindest 100 Teilen pro Million aufweist und

(C) hermetisches Verschließen des Behälters (27).

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß der Behälter (27) einem Wasserstoffreduktionsprozeß unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wasserstoffreduktionsprozeß das Backen des Materials des Behälters (27) bei einer erhöhten Temperatur, bevorzugt bei etwa 150ºC für etwa 200 Stunden, umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei der Wassergehalt des gasförmigen Mediums unter 5000 ppm und bevorzugt bei 1000 ppm oder darunter liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Behälters 27 vor dem Verschließen ein Getter zum Absorbieren oder Adsorbieren organischer Moleküle angebracht wird.