JP2003163407A - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JP2003163407A JP2001363351A JP2001363351A JP2003163407A JP 2003163407 A JP2003163407 A JP 2003163407A JP 2001363351 A JP2001363351 A JP 2001363351A JP 2001363351 A JP2001363351 A JP 2001363351A JP 2003163407 A JP2003163407 A JP 2003163407A
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laser
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徹 渡部
Toshio Azuma
敏生 東
Manabu Komiyama
学 小宮山
Takashi Yamane
隆志 山根
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Quantum Devices Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッケージ内に気密封止された半導体レーザ
の発振波長の経時変動を抑制する。 【解決手段】出力光波長が１．１μｍ以上の半導体レー
ザを気密封止するパッケージ内に、酸化性気体を含有す
る封入気体を充填する。パッケージ内に放出される水素
が電極材料を脆化し、半導体レーザにストレスが加わる
ため発振波長の経時変動を引き起こす。封入気体に酸化
性気体、例えば酸素、オゾン等を添加することでパッケ
ージ内に放出された水素を酸化し、発振波長の変動を阻
止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信等に使用され
る経時波長変動が少ないレーザ光を出力する光半導体装
置に関し、とくに出力波長が１．１μｍ以上の半導体レ
ーザ装置のパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】波長１．１μｍ以上の光を出力する半導
体レーザは、光ファイバを伝送媒体とする光通信、ある
いは自由空間を伝送媒体とする光通信の光源として、あ
るいは分析若しくは測定用の光源として、広く光通信分
野及び分析・測定分野で使用されている。かかる半導体
レーザは、環境汚染又は異物の混入・付着による劣化を
防止するため、パッケージ内に気密封止して使用され
る。
【０００３】従来、半導体レーザをパッケージ内に気密
封止した光半導体装置では、パッケージ内に封入する封
入気体として、半導体レーザとの反応性が小さい不活性
ガス、例えば窒素又はヘリウムが選択されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】光通信では、光源の僅
かな波長変動によって光通信の通信品質が劣化する。こ
のため、光通信用として使用される光半導体装置では、
半導体レーザの出力波長変動は極力抑制されなければな
らない。また、波長が１．１μｍ以上の光は、光通信以
外にも、各種分析や測定にも使用される。このような用
途に半導体レーザを使用する場合、その波長変動を抑制
することは、分析あるいは測定の精度を向上する観点か
ら重要である。
【０００５】本発明は、経時的な波長変動が少ないレー
ザ光を出力する光半導体装置を提供することを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の発明者が調査し
たところ、パッケージ内に不活性気体が封入された従来
の光半導体装置では、半導体レーザの出力波長が経時変
動を起こす場合があることを発見した。この経時変動は
非可逆的である。そして鋭意実験による検討を行った結
果、パッケージ内に酸化性気体を導入すると、出力波長
の経時変動が抑制されることを見出した。
【０００７】このような波長の経時変動が生じる理由、
及び酸化性気体の導入により波長の経時変動が抑制され
る理由は未だ明確にされていない。しかし、本発明の発
明者が行った以下に述べる実験結果から、本発明の発明
者は、水素が関与した現象であり、とくに半導体レーザ
の電極の水素脆化が関係していると推測している。本発
明の発明者は、電極材料が異なる半導体レーザについ
て、出力光の波長の経時変動を観察し比較した。この実
験では、半導体レーザを光半導体装置のパッケージ内に
封止した。不活性気体を封入気体とする従来の光半導体
装置では、半導体レーザの電極の構成要素として、チタ
ン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）あるいはバナジウム
（Ｖｄ）の中から選ばれた少なくとも一つの元素を含む
単体または合金を採用した場合に、とくに大きな波長の
経時変動が観測された。他方、封入気体に酸素を添加す
ると、これらＴｉ、Ｍｇ又はＶを含む電極を用いた半導
体レーザであっても波長の経時変動は僅かなものであっ
た。
【０００８】これらＴｉ、Ｍｇ、Ｖは、いずれも水素を
吸着しやすい金属である。上記実験を含めたこれらの事
実は、波長の経時変動に水素が関与していることを示唆
している。即ち、水素は光半導体装置のパッケージの構
成材料中に貯蔵されることがあるので、光半導体装置を
使用している間にパッケージ内部に水素が放出され、こ
の水素が電極の構成金属に吸収されて水素脆化を生ずる
可能性がある。水素脆化した電極は半導体にストレスを
加えるため、波長の経時変動を引き起こす。他方、酸化
性気体、例えば酸素を封入気体に含有させた場合は、パ
ッケージ内に放出された水素が封入気体により酸化され
て消費されるため、電極金属の水素脆化が阻止される。
従って、波長の経時変動が抑制される。本発明の発明者
は、経時変動の理由及び経時変動が酸素添加により抑制
される理由をこのように推測している。ただし、本発明
は上述した実験事実に基づくもので、この推測により本
発明の技術的範囲が制限されることはない。
【０００９】図１は本発明の実施形態例断面図であり、
光半導体装置の構造を表している。上記考察に基づき考
案された本発明の第一の構成の光半導体装置は、図１を
参照して、出力光波長が１．１μｍ以上の半導体レーザ
１と、前記半導体レーザ１を気密封止するパッケージ１
１と、酸化性気体を含有し、前記パッケージ１１内に充
填された封入気体９とを有する。
【００１０】この第一の構成では、封入気体９として酸
化性気体が用いられる。従って、上述の実験結果と同様
に、半導体レーザ１の出力光の波長の経時変動が抑制さ
れる。さらに、本構成では、出力波長は１．１μｍ以上
とする。かかる波長の半導体レーザ１は、光通信あるい
は分析・測定用として波長の経時変動が小さいことが要
望される用途が多い。本構成の光半導体装置は、かかる
用途に適切な光源を提供することができる。
【００１１】なお、パッケージ内に酸素を導入する技術
は、たとえば、平成７年特許出願公開第１４７４５７号
に開示されている。この公知技術は、半導体レーザ端面
に付着する炭素系付着物の生成を酸素導入により阻害す
ることで、この付着物により生ずるレーザ光出力の低下
を防止する。しかし、酸素の封入が波長の経時変動を抑
制するという本明細書に開示した事実は、上記公報には
開示、示唆されていない。
【００１２】さらに、波長が１．１μｍ以上の半導体レ
ーザでは、上記公知技術にいう炭素系付着物による光吸
収は小さい。このため、光通信等で使用される通常の出
力範囲の半導体レーザでは、レーザ光の光出力の低下は
起こらない。従って、波長が１．１μｍ以上の半導体レ
ーザを使用する本発明の第一の構成に係る光半導体装置
に対し、出力光強度の低下の観点からは、上記公知技術
のように不活性な封入気体の中にあえて活性な酸素を導
入する必要はない。
【００１３】本発明は、パッケージ内に気密封止された
半導体レーザの出力波長の経時変動を抑制するために、
出力光強度の低下のおそれがない長波長の半導体レーザ
に対しても、あえて酸化性気体を封入気体中に導入する
ものである。かかる本発明は、封入気体を不活性気体と
する光半導体装置では経時的な波長変動が生じるという
事実の発見と、酸素の封入によってこの経時的波長変動
を防止できるという事実の発見とに基づいて独自に想起
された発明である。
【００１４】本発明の第二の構成の光半導体装置は、チ
タン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びバナジウム
（Ｖ）の中から選ばれた少なくとも一つの元素を含む単
体または合金をその構成要素として有する電極を備えた
半導体レーザ１と、前記半導体レーザ１を気密封止する
パッケージ１１と、前記パッケージ１１内に充填された
酸化性気体を含有する封入気体９とを有する。
【００１５】本第二の構成では、半導体レーザ１の電極
の構成要素にＴｉ、Ｍｇ又はＶを含む金属が使用され
る。既述のように、これらの金属を含む電極が設けられ
た半導体レーザ１は、不活性な気体中では大きな経時変
動を引き起こすことがある。本構成では、封入気体９に
酸化性気体、例えば酸素を含有することで、第一の構成
と同様に出力光波長の経時変動を抑制する。
【００１６】本発明の第一の構成に係る半導体レーザ１
の電極の構成要素に、Ｔｉ、Ｍｇ及びＶの中から選ばれ
た少なくとも一つの元素を含む単体または合金を用いる
ことができる。この半導体レーザ１に本発明を適用する
ことで、第二の構成と同様に出力波長の経時変動を著し
く抑制することができる。本発明の第一又は第二の構成
において、封入気体９を、乾燥空気とすることができ
る。また、酸素又はオゾンを含む気体、例えば窒素、ア
ルゴン若しくはヘリウム等の不活性ガス中に酸素又はオ
ゾンを含有させた気体を、封入気体９とすることもでき
る。さらに、光半導体装置のパッケージ１１内部に、水
素の酸化触媒、例えば白金（Ｐｔ）を含む触媒を配置す
ることができる。この構成では、パッケージ内に放出さ
れた水素が迅速に酸化されるので電極の水素脆化が回避
され、半導体レーザ１の波長の経時変動がより効果的に
抑制される。この触媒は、半導体レーザ１を搭載するレ
ーザキャリア２、或いはレーザキャリア２及び他の光学
部品を搭載するサブマウント１０に配置してもよく、さ
らには、パッケージ１１のキャップ１１ｂに配置するこ
ともできる。
【００１７】また、半導体レーザ１が、光半導体装置の
パッケージ１１内に設けられた温度制御装置３、例えば
ペルチェクーラに搭載されていてもよい。さらに、本発
明の光半導体装置は、両端面の反射鏡を利用したファブ
リペローレーザのほか、ＤＦＢレーザ（分布帰還型レー
ザ）、又はＷＤＭ方式（波長分割多重方式）の光通信に
使用される半導体レーザを収容する場合にとくに適して
いる。
【００１８】ＤＦＢレーザは、内部にコルゲーションを
設けることで出力光のスペクトル幅を非常に狭くするこ
とができる。この狭いスペクトル幅を有効に活用するに
は、十分な波長安定性が要求される。本発明の光半導体
装置では波長の経時変動が抑制されるので、中心波長が
安定しかつ非常に鋭いスペクトルを有するレーザ光を、
常に安定して出力することができる。
【００１９】ＷＤＭ方式では、異なる波長の光源を利用
して１本の光ファイバで多数の信号を取り扱うことを可
能とする。この光源に本発明の半導体装置を採用すれ
ば、波長の経時変動が抑制されるため、隣接する信号光
との波長間隔を適正に保持でき、波長間のクロストーク
を抑制することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、半導体レーザを光源とする
光通信用の光半導体装置に係る本発明の実施形態例を参
照しつつ本発明を説明する。図１を参照して、本実施形
態例の光半導体装置のパッケージ１１は、内部に部品を
収容するパッケージ基体１１ａと、パッケージ基体１１
ａの内部を気密に封止するキャップ１１ｂから構成され
る。そして、本実施形態例ではパッケージ１１内に封入
気体９として乾燥空気が封入されている。
【００２１】パッケージ１１内のパッケージ基体１１ａ
上面には、ペルチェクーラからなる温度制御装置３が設
けられ、その上面にサブマウント１０が設置される。サ
ブマウント１０は、レーザ光の光軸上に配置される光部
品、例えば半導体レーザ１、半導体レーザ１の出力を測
定する受光素子４及び半導体レーザ１の出力光をコリメ
ートするレンズ（図示せず。）を保持したレンズホルダ
８を、一体として光学系を形成するように搭載するため
の基板である。サブマウント１０上面には、受光素子４
を固定した受光素子キャリア５、半導体レーザ１を固定
したレーザキャリア２及びレンズホルダ８が光軸に沿っ
て配置、固定される。さらに、パッケージ基体１１ａの
側壁には、光ファイバ６とパッケージ１１内部の光学系
とを光学的に結合する結合部７が設けられる。
【００２２】次に、本実施形態例の光半導体装置の製造
工程について説明する。まず、コバール等から構成され
るパッケージ基体１１ａに、光ファイバ６が接続された
結合部７および温度制御装置３を設ける。次に、レーザ
キャリア２に搭載された半導体レーザ１、受光素子キャ
リア５に搭載された受光素子４、レンズが装着されたレ
ンズホルダ８をサブマウント１０上に搭載する。なお、
サブマウント１０に搭載される各部品は、光学的に位置
合わせがなされる。
【００２３】次に、サブマウント１０を温度制御装置３
上に搭載する。その後、半導体レーザ１、受光素子４及
び温度制御装置３などの電極とパッケージ基体１００に
設けられたリード（図示せず。）との間をボンディング
ワイヤにより接続する。次に、前記工程を終了したパッ
ケージ基体１１ａを乾燥空気によって置換された容器内
に載置し、キャップ１１ｂをシーム溶接などによって固
着しパッケージ１１を気密封止する。これにより、パッ
ケージ１１ａ内部に乾燥空気（封入気体９）が封入され
た光半導体装置が完成する。
【００２４】上記工程を経て製作された本実施形態例の
光半導体装置の出力光の経時波長変動を、パッケージ内
に窒素を封入した従来の光半導体装置と比較した。図２
は本発明の実施形態例光半導体装置の経時波長変動を表
す図である。ここで、従来の窒素を封入した光半導体装
置の経時波長変動を比較例として表示している。図２
中、乾燥空気品は本発明の実施形態例に係る光半導体装
置を表し、窒素封止品は比較例となる従来の半導体装置
を表している。図２を参照して、乾燥空気を封入した本
発明の光半導体装置では、１３００時間後の波長変動量
Δλは２０ｐｍ以内に留まった。これに対して、窒素を
封入した従来の光半導体装置では、１０００時間後に波
長変動量は５０ｐｍに達している。図２から明らかな通
り、比較例における従来の光半導体装置に比べて、本実
施例による光半導体装置では波長の経時変動が著しく小
さく波長が安定している。
【００２５】なお、本発明では酸化性気体を含有する気
体がパッケージ１１内に封入されるため、パッケージ１
１内に水素が混入した場合、あるいはパッケージ材料か
ら水素がパッケージ１１内に放出された場合、水素が酸
化されてパッケージ１１の内部に水を生成するので、低
温になった場合に微量の結露が生じることが懸念され
る。しかし、本実施形態例では温度制御装置３によって
半導体レーザ１が動作温度（通常は室温と同程度）に保
持されるため、半導体レーザ１への結露は起こらず、結
露による半導体レーザの特性劣化を回避することができ
る。
【００２６】以上説明した実施形態例ではパッケージ内
に封入される気体が乾燥空気であったが、その他、酸化
性気体を含有する気体であればよく、好ましいものとし
ては以下のものが挙げられる。 ・乾燥空気 ・酸素１％＋窒素９９％の混合気体 ・酸素に代えてオゾンガスを用いた混合気体。
【００２７】なお、上述したように、半導体レーザ１の
電極を構成する材料としてＴｉ、Ｍｇ又はＶｄの中から
選ばれた少なくとも一つの元素を含む単体または合金が
採用されている場合、従来技術では波長変動が大きかっ
たが、本発明によってこれが抑制されるので、これら元
素を電極に使用する場合に本発明を採用することは有用
である。
【００２８】さらに、パッケージ内に水素が存在するこ
とにより引き起こされる電極の水素脆化による変質を防
止するために、パッケージ内に白金（Ｐｔ）等の触媒を
設けることが有効である。既述したように、本発明では
パッケージ内に酸化性気体が導入されているので、触媒
によって、酸化性気体と水素との反応を促進することに
よりパッケージ内部の水素濃度を低下させ、水素脆化を
抑制することができるからである。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体レーザをパッケージ内部に封止する光半導体装置に
おいて出力光の経時的な波長変動が抑制されるため、波
長の安定性に優れた信頼性の高い光半導体装置が実現さ
れるので、多波長通信等の光通信における通信品質、あ
るいは分析、測定の精度の向上に寄与するところが大き
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例断面図
【図２】本発明の実施形態例光半導体装置の経時波長変
動を表す図
【符号の説明】
１ 半導体レーザ ２ レーザキャリア ３ 温度制御装置 ４ 受光素子 ５ 受光素子キャリア ６ 光ファイバ ７ 結合部 ８ レンズホルダ ９ 封入気体 １０ サブマウント １１ パッケージ １１ａ パッケージ基体 １１ｂ キャップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 徹 山梨県中巨摩郡昭和町大字紙漉阿原1000番 地 富士通カンタムデバイス株式会社内 (72)発明者 東 敏生 山梨県中巨摩郡昭和町大字紙漉阿原1000番 地 富士通カンタムデバイス株式会社内 (72)発明者 小宮山 学 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 山根 隆志 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA64 BA02 CB22 FA07 FA08 FA25 FA29 FA30

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】出力光波長が１．１μｍ以上の半導体レー
    ザと、 前記半導体レーザを気密封止するパッケージと、 酸化性気体を含有し、前記パッケージ内に充填された封
    入気体とを有することを特徴とする光半導体装置。
  2. 【請求項２】前記封入気体は、乾燥空気であることを特
    徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  3. 【請求項３】前記酸化性気体は、酸素またはオゾンであ
    ることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
  4. 【請求項４】前記封入気体は、さらに窒素、アルゴン及
    びヘリウムの中から選ばれた少なくとも一つの気体を含
    有することを特徴とする請求項３記載の光半導体装置。
  5. 【請求項５】前記半導体レーザに設けられる電極は、チ
    タン、マグネシウム及びバナジウムの中から選ばれた少
    なくとも一つの元素を含む単体または合金をその構成要
    素として有することを特徴とする請求項１記載の光半導
    体装置。
  6. 【請求項６】前記パッケージ内部に、水素と酸素の結合
    を促進する触媒を配置したことを特徴とする請求項１記
    載の光半導体装置。
  7. 【請求項７】前記触媒は、白金を含有することを特徴と
    する請求項６記載の光半導体装置。
  8. 【請求項８】前記半導体レーザは、レーザキャリアに搭
    載され、 前記触媒は、前記レーザキャリアに設けられることを特
    徴とする請求項６記載の光半導体装置。
  9. 【請求項９】前記半導体レーザは、サブマウント上に配
    置され、 前記触媒は、前記サブマウントに設けられることを特徴
    とする請求項６記載の光半導体装置。
  10. 【請求項１０】前記触媒は、前記パッケージのキャップ
    に設けられることを特徴とする請求項６記載の光半導体
    装置。
  11. 【請求項１１】前記パッケージは、前記半導体レーザの
    温度を制御する温度制御装置を収容することを特徴とす
    る請求項１記載の光半導体装置。
  12. 【請求項１２】前記温度制御装置は、ペルチェ素子であ
    ることを特徴とする請求項１１記載の光半導体装置。
  13. 【請求項１３】前記半導体レーザは、ＤＦＢ（分布帰還
    型）レーザであることを特徴とする請求項１記載の光半
    導体装置。
  14. 【請求項１４】波長分割多重（ＷＤＭ）方式光通信の光
    源として使用されることを特徴とする請求項１記載の光
    半導体装置。
  15. 【請求項１５】チタン、マグネシウム及びバナジウムの
    中から選ばれた少なくとも一つの元素を含む単体または
    合金をその構成要素として有する電極を備えた半導体レ
    ーザと、 前記半導体レーザを気密封止するパッケージと、 酸化性気体を含有し、前記パッケージ内に充填された封
    入気体とを有することを特徴とする光半導体装置。
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