JP2004055692A - Semiconductor optical apparatus, semiconductor laser module, and optical fiber amplifier - Google Patents

Semiconductor optical apparatus, semiconductor laser module, and optical fiber amplifier Download PDF

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JP2004055692A JP2002208844A JP2002208844A JP2004055692A JP 2004055692 A JP2004055692 A JP 2004055692A JP 2002208844 A JP2002208844 A JP 2002208844A JP 2002208844 A JP2002208844 A JP 2002208844A JP 2004055692 A JP2004055692 A JP 2004055692A
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Koichi Mizuma
水間 浩一
Yoshikazu Yamada
山田 義和
Norio Okubo
大久保 典雄
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Furukawa Electric Co Ltd
Mitsui Chemicals Inc
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Furukawa Electric Co Ltd
Mitsui Chemicals Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a highly reliable semiconductor optical apparatus where light output does not stop suddenly. <P>SOLUTION: The semiconductor optical apparatus comprises a submount 1; a semiconductor laser element 2; and an alloy layer arranged between the submount 1 and a semiconductor laser element 2. The alloy layer 3 is formed by one portion of the electrode of the semiconductor laser element 2 and a solder layer provided on the submount 1, in advance, and the content of Sn contained in the alloy layer 3 is to be 26 wt.% or lower. By reducing the content of Sn, the concentration of Sn to a laser light-emitting region in operation can be restrained, thus preventing laser oscillation from stopping. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブマウント上に固着された半導体光学素子を備えた半導体光学装置に関し、特に、レーザ発振が突然停止することがない、高い信頼性を有する半導体光学装置、半導体レーザモジュール及び光ファイバ増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体レーザ素子等の半導体光学素子は、光出射時に発生する熱を効率よく外部に放出するために、サブマウント上に固着した状態で使用される。かかるサブマウントは、熱伝導性に優れた材料によって形成され、半導体光学素子との接触面を介して光出射時に発生する熱を受け取り、外部に放出する機能を有する。
【0003】
半導体光学素子をサブマウントに固着するためには、通常、あらかじめサブマウント上面上に半田材料からなる半田層を配置しておき、かかる半田層によってサブマウント上に半導体光学素子を固定する手法がとられる。具体的には、サブマウント上面上に半導体光学素子を配置した状態で、半導体光学素子に対して圧力を印加し、ヒータによって全体を加熱して半田層を流動状態にする。その後、温度を下げて半田層を再び硬化させることで半導体光学素子をサブマウント上に固着する。
【0004】
半田層を介して半導体光学素子をサブマウントに固着する構造としたことで、半導体光学素子とサブマウントとの密着性が高まり、より効率的に熱を外部に放出することが可能となる。また、半導体光学素子は、通常サブマウントとの固着面上に電極が形成された構造を有するため、導電性を有する半田層を使用することで、電極が取り出しやすくなるという利点も有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半田層を介してサブマウント上に半導体光学素子を固着した状態で使用することによって、新たな問題が生じる。かかる状態で半導体光学素子を使用した場合、例えば、半導体レーザ素子において、稀にではあるがレーザ発振が突然停止することが知られている。
【0006】
図13は、一般的な半田層を介在させて半導体レーザ素子をサブマウント上に固着した構造の半導体レーザ装置について加速試験を行った結果、発振停止した半導体レーザ素子の注入電流値の変化を示す模式的なグラフである。かかる加速試験では、70℃の温度条件下で、光出力を500mWに維持した状態における注入電流値の変化を調べている。図13に示すように、レーザ発振が停止するパターンは、発振停止直前まで良好な電流特性を示すにも関わらず、突然レーザ発振が停止するパターン(以下、「突然劣化」と言う)と、急速に電流値が増大する傾向を示した後にレーザ発振が停止するパターン(以下、「急速劣化」と言う)の2通りが存在する。
【0007】
かかる発振停止のパターンのうち、突然劣化によるレーザ発振の停止は、主にCOMD(Catastrophic Optical Mirror Damage:共振器端面破壊)に起因する。COMDは、半導体レーザ素子の端面近傍において発生する熱に起因した現象であって、かかる突然劣化は半導体レーザ素子単体を使用した場合にも起こりうる現象である。
【0008】
一方、急速劣化によるレーザ発振の停止は、半導体レーザ素子単体を加速試験した場合には再現されず、また、半田層を使用せずにサブマウント上に半導体レーザ素子を固着した場合にも再現されることはない。このため、急速劣化による発振停止は、半田層の存在によって起こることが推測され、急速劣化によるレーザ発振の停止を防止するためには、半田層の材料等について最適化を行う必要がある。
【0009】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、レーザ発振が突然停止する事のない、高い信頼性を有する半導体光学装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1にかかる半導体光学装置は、基台と、該基台上に固定された半導体光学素子とを備えた半導体光学装置であって、前記基台と前記半導体光学素子との間に配置され、Snの含有率が26重量%以下である合金層を備えたことを特徴とする。
【0011】
この請求項1の発明によれば、合金層におけるSnの含有率が26重量%以下となることとしたため、半導体光学素子の光出射領域においてSnが凝集することを抑制でき、急速劣化によるレーザ発振の停止を防止した半導体光学装置を実現することができる。
【0012】
また、請求項2にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記合金層は、前記基台上に配置された半田層と、前記半導体光学素子下面に配置され、前記半田層と接触する金属電極の少なくとも一部とによって形成されることを特徴とする。
【0013】
また、請求項3にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記金属電極は、複数の金属材料を順次配置した多層構造を有し、前記合金層は、前記半田層と、前記多層構造において前記半田層と接触する層とを含むことを特徴とする。
【0014】
また、請求項4にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記多層構造において半田層と接触する層は、Auを含有することを特徴とする。
【0015】
また、請求項5にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、AuおよびSnを含有することを特徴とする。
【0016】
また、請求項6にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、Pb、CdおよびAgから選択した2種類の金属と、Snとを含有することを特徴とする。
【0017】
また、請求項7にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、GeまたはSiと、Auと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0018】
また、請求項8にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、AgまたはInと、Pbと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0019】
また、請求項9にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、AgまたはZnと、Cdと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0020】
また、請求項10にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、AlまたはAgと、Znと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0021】
また、請求項11にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、CuまたはTeと、Znと、Alと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0022】
また、請求項12にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半田層は、Inと、Agと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする。
【0023】
また、請求項13にかかる半導体光学装置は、上記の発明において、前記半導体光学素子は、半導体レーザ素子であることを特徴とする。
【0024】
また、請求項14にかかる半導体レーザモジュールは、請求項13に記載の半導体光学装置と、前記半導体光学装置から出射されたレーザ光を外部に導波する伝送路と、前記半導体光学装置と前記伝送路とを光結合する光結合レンズ系とを備えたことを特徴とする。
【0025】
また、請求項15にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体光学装置の光出力を測定する光検出器と、前記半導体光学装置の温度を制御する温調モジュールと、アイソレータとをさらに備えたことを特徴とする。
【0026】
また、請求項16にかかる光ファイバ増幅器は、請求項13に記載の半導体光学装置または請求項14若しくは15に記載の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、増幅用光ファイバと、前記励起光源と前記増幅用光ファイバとを光結合させるためのカプラとを備えたことを特徴とする。
【0027】
また、請求項17にかかる光ファイバ増幅器は、上記の発明において、前記増幅用光ファイバは、エルビウムが添加されていることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかる半導体光学装置、半導体レーザモジュール及び光ファイバ増幅器の好適な実施の形態について説明する。図面の記載において同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0029】
(実施の形態1)
まず、本実施の形態1にかかる半導体レーザ装置について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体レーザ装置の構造を示す図である。実施の形態1にかかる半導体レーザ装置は、サブマウント1と、半導体レーザ素子2と、サブマウント1および半導体レーザ素子2の間に配置された合金層3とを備えた構造を有する。
【0030】
サブマウント1は、半導体レーザ素子2がレーザ発振する際に発生する熱を外部に放出するためのものである。具体的には、サブマウント1は、CuW等の熱伝導性に優れた材料によって形成されることで、半導体レーザ素子2から生じる熱を外部に放出する機能を備える。
【0031】
半導体レーザ素子2は、下面に第1電極4を配置し、上面に第2電極5を配置した構造を有する。また、半導体レーザ素子2は、内部に活性層6を少なくとも備え、第1電極4および第2電極5の間に電流注入を行うことで、レーザ発振する構造を有する。なお、本実施の形態1に用いる半導体レーザ素子2は、例えば、ホモ接合レーザ、ダブルへテロ接合レーザ(DHレーザ)、DHストライプレーザ、埋め込みヘテロ型レーザ(BHレーザ)、リッジ型レーザ、SAS(SelfAlignment Structure: 自己整合構造)型レーザ、DCH(Decoupled Confinement Heterostructure: 完全分離閉じこめ構造)型レーザ等の構造をとることが可能である。また、半導体レーザ素子2を形成する半導体材料についても、GaAs系、InP系、AlGaAs系、GaN系等を用いることが可能である。
【0032】
第1電極4は、複数の金属層による多層構造を有する。具体的には、図2(a)に示すように、それぞれ異なる金属を主成分とする第1金属層8、第2金属層9、第3金属層10とを備えた構造を有する。なお、本実施の形態1において、第3金属層10はAuを主成分とする。
【0033】
合金層3は、図2(a)および図2(b)に示すように、第1電極4の一部である第3金属層10と、サブマウント1上に配置された半田層11とが合金化することによって形成される。なお、半田層11は、SnとAuを主成分とする半田材料によって形成されており、また、上記したように第3金属層10はAuを主成分とすることから、合金層3は、Sn、Auを主成分とした合金によって形成される。合金層3におけるSnの含有率は26重量%以下である。
【0034】
合金層3が形成される態様について説明する。半導体レーザ素子2は、半導体基板上に所望の半導体層をCVD(Chemical Vapor Deposition)装置等によって積層した後、半導体基板裏面およびこれに対向する表面上にそれぞれ多層構造を有する第2電極5および第1電極4とを配置した状態で完成する。一方、サブマウント1上面上には、半田層11が塗布されている。
【0035】
そして、半田層11と、第2電極5を構成する第3金属層10とが接触するよう半導体レーザ素子2をサブマウント1上に配置し、所定の圧力を印加した状態で全体をヒータ等によって加熱する。かかる加熱によって半田層11が溶融し、接触する第3金属層10との間で合金化が生じ、図2(b)に示すようにサブマウント1と半導体レーザ素子2との間に合金層3が形成される。
【0036】
本実施の形態1にかかる半導体レーザ素子において、合金層3におけるSnの含有率は26重量%以下とした理由を以下に説明する。既に説明したように、半導体レーザ素子をサブマウント上に固着してレーザ発振を行う際に、従来構造の半導体レーザ装置では、一部において図13の曲線に示すような急速劣化による発振停止が問題となっていた。急速劣化によってレーザ発振を停止した半導体レーザ装置の出射側端面のSEM像を観察したところ、図3に示すように、レーザ光出射領域近傍において粒子の凝集がみられた。かかる現象は、急速劣化した半導体レーザ装置に特徴的に観測されるため、粒子の凝集が急速劣化の原因をなすと推測される。
【0037】
凝集した粒子について調べるため、急速劣化した半導体レーザ素子の出射側端面上であって、図4に示す各領域に存在する元素の組成についてオージェ分析によって調べた。ここで、第1領域12は、粒子が凝集したレーザ光出射領域の一部であり、第2領域13は、半導体レーザ素子の出射側端面上であって合金層の近傍の領域である。また、第3領域14は、合金層表面の領域であって、第2領域13近傍の領域であり、第4領域15は、SEM像において特に変化が見られない合金層表面の領域である。かかるオージェ分析の結果について、図5〜図8にグラフを示す。図5は、第1領域12のオージェ分析の結果を示すグラフであって、以下、図6、図7、図8は、順次第2領域13、第3領域14、第4領域15のオージェ分析の結果を示すグラフである。
【0038】
図5に示すように、レーザ光出射領域の一部である第1領域12において、Cが8.9mol%、Snが29.0mol%、Oが52.0mol%であった。また、図6に示すように、第2領域13においては、Cが12.2mol%、Snが26.1mol%、Oが43.9mol%、Gaが2.8mol%、Siが14.9mol%で、Auが微量だけ観測された。さらに、図7に示すように、第3領域14において、Cが11.2mol%、Snが24.8mol%、Oが44.9mol%、Geが7.3mol%、Auが11.8mol%であった。また、図8に示すように、SEM像で特に変化が見られない第4領域15において、Cが11.8mol%、Snが20.0mol%、Oが42.2mol%、Gaが10.9mol%、Auが15.2mol%であった。
【0039】
半導体レーザ素子はSnを含まない構造を備えるため、本来Snは合金層にのみ含まれるはずである。しかし、図5および図6に示すオージェ分析の結果から、第1領域12および第2領域13におけるSnの割合は、それぞれ29.1mol%、26.1mol%と非常に高い値を示している。また、同じ合金層に属する第3領域14、第4領域15についても、特に変化が観察されない第4領域15に比べ、第2領域13近傍の第3領域14では、Snの割合が高くなっていることが示される。かかる事実に鑑みるに、急速劣化した半導体レーザ装置は、合金層に含まれるSnが何らかの原因によってマイグレーションを生じていることが推測できる。そして、光出射領域に多量のSn粒子が凝集することによって急速劣化を引き起こし、レーザ発振を停止するものと思われる。
【0040】
この事実を確認するため、図4と異なる半導体レーザ装置について、急速劣化した後のレーザ光出射領域を含む積層方向の元素分析を行った。かかる半導体レーザ装置では、SEMによる観測では合金層近傍において特に変わった点は観測されなかったが、図4の場合と同様に、レーザ光出射領域において粒子の凝集が観察されている。図9は、かかる半導体レーザ装置の出射側端面について、積層方向に関するAuの分布を示すグラフであり、図10は、積層方向に関するSnの分布を示すグラフである。図9に示すように、合金層に含まれるAuは、レーザ光出射領域を含む半導体レーザ素子の端面上ではほとんど存在しないのに対し、図10に示すように、Auと同様に合金層に含まれるSnについては、レーザ光出射領域に対応した位置において一定量存在していることが示されている。半田層を形成する金属材料のうち、Auについてはレーザ光出射領域に凝集することはなく、Snのみがレーザ光出射領域に凝集することから、急速劣化は、半導体レーザ装置が、Snを多量に含んだ合金層を有する場合に発生すると結論づけることができる。
【0041】
かかる結論より、本実施の形態1にかかる半導体レーザ装置では、合金層3におけるSnの含有率を一定量以下としている。特に、合金層3におけるSnの含有率を26重量%以下となるよう図2(a)に示す半田層11および第3金属層10を形成することで、レーザ光出射領域にSnが凝集することを効果的に抑制することができ、ひいては急速劣化によるレーザ発振の停止を抑制することが可能となる。
【0042】
なお、半田層11について、本実施の形態1ではSnとAuとを主成分としたが、この他にも、Sn−Pb−Cd、Sn−Pb−Ag、Sn−Cd−Ag等の3元系半田材料と不可避不純物等を含有することとしても良い。このような半田材料を用いた場合でも、金属電極の一部と形成される合金層において、Snの含有率を26重量%以下に抑制する構造とすることで、急速劣化による発振停止を防止することができる。
【0043】
また、Snを全く含まない半田材料によって半田層11を形成することも有効である。Snを含まない半田材料の例としては、Au−Ge、Au−Si、Pb−Ag、Pb−In、Cd−Ag、Cd−Zn、Zn−Al、Zn−Ag、Zn−Al−Cu、Zn−Al−Te、In−Ag等が挙げられる。Snを全く含まない半田材料と不可避不純物等によって半田層11を形成した場合、合金層3におけるSnの含有率は0重量%となるため、Snがレーザ光出射領域上に凝集することはなく、急速劣化によるレーザ発振停止を抑制することができる。なお、不可避不純物等を完全に除去する事が可能であれば、不可避不純物等を半田層11中に含む必要が無いことは言うまでもない。
【0044】
さらに、第1電極4を形成する第3金属層10について、Au以外の金属材料を用いても良い。さらに、第1電極4について、第1金属層8、第2金属層9、第3金属層10の3層構造以外の多層構造としても良く、単一の金属層によって第1電極を形成しても良い。また、合金層3についても、半田層11と第1電極4の一部とによって形成されるのみならず、例えば、半田層11と第1電極4の全部が合金化されることで形成されても良いし、半田層11のみで形成されても良い。これらの場合であっても、形成された合金層3においてSnの含有率が26重量%以下であれば、レーザ光出射領域におけるSnの凝集を抑制することが可能である。従って、急速劣化によるレーザ発振の停止を防止することができ、高い信頼性を有する半導体レーザ装置を実現することができる。
【0045】
また、本実施の形態1では対象を半導体レーザ装置としたが、その他の一般的な半導体光学素子をサブマウント1上に配置した半導体光学装置についても本発明は有効性を有する。例えば、発光ダイオード素子(LED)についても、介在する合金層におけるSnの含有率を26重量%以下とすることで、光出射領域にSnが凝集することを防止することができ、急速劣化による発光の停止を防止することができ、高い信頼性を有する半導体光学装置を実現することができる。
【0046】
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態2では、実施の形態1にかかる半導体レーザ装置を用いて半導体レーザモジュールを構成している。
【0047】
図11は、この発明の実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。本実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールは、上述した実施の形態1で示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ素子21およびサブマウント28を有する。半導体レーザモジュールの筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ31の内部底面上に、温度制御装置としての温調モジュール30が配置される。温調モジュール30上にはベース27が配置され、ベース27上にはサブマウント28が配置され、サブマウント28上には半導体レーザ素子21が図示しない合金層を介して固着される。温調モジュール30には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ素子21の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、温調モジュール30は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、サブマウント28上であって、半導体レーザ素子21の近傍に配置されたサーミスタ29の検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、サブマウント28の温度が一定に保たれるように温調モジュール30を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ素子21の駆動電流を上昇させるに従って、サブマウント28の温度が下がるように温調モジュール30を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ素子21の出力安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。
【0048】
ベース27上には、半導体レーザ素子21およびサーミスタ29を配置したサブマウント28、第1レンズ32、および電流モニタ26が配置される。半導体レーザ素子21から出射されたレーザ光は、第1レンズ32、アイソレータ33、および第2レンズ24を介し、光ファイバ25上に導波される。第2レンズ24は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ31上に設けられ、外部接続される光ファイバ25に光結合される。なお、電流モニタ26は、半導体レーザ素子21の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【0049】
ここで、この半導体レーザモジュールでは、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ素子21と光ファイバ25との間にアイソレータ33を介在させている。
【0050】
また、半導体レーザ素子21の発振波長を規定するために、必要に応じて光ファイバ25内部にはファイバグレーティングを配置し、半導体レーザ素子21の反射側端面と共振器を形成する構造とする。この場合、アイソレータ33は半導体レーザモジュール内に配置するのではなく、インライン式にする必要がある。
【0051】
本実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子21をサブマウント28上に固着する際に形成される合金層におけるSnの含有率を26重量%以下としている。そのため、レーザ光出射領域上にSnが凝集することもなく、急速劣化によってレーザ発振が停止することのない、高い信頼性を有する半導体レーザモジュールを実現することができる。
【0052】
(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる光ファイバ増幅器について説明する。図12は、実施の形態3にかかる光ファイバ増幅器の構造を示す模式図である。実施の形態3にかかる光ファイバ増幅器は、励起光源として機能し、その構造が実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールに対応する半導体レーザモジュール35を有する。また、信号光36を増幅する増幅用光ファイバ39と、半導体レーザモジュール35から出射された励起光を増幅用光ファイバ39に入射させるためのWDMカプラ38とを有する。また、信号光36がWDMカプラ38に入射する手前にはアイソレータ37が配置され、増幅用光ファイバ39の後にはアイソレータ40が配置されている。
【0053】
信号光36は、信号光源から出射されて光ファイバ中を伝送してきた光であって、その波長は1550nmとする。また、WDMカプラ38は、半導体レーザモジュール35から出射された励起光を増幅用光ファイバ39に出力する。また、アイソレータ37は、WDMカプラ38の方から反射してくる光を遮り、雑音等を抑える働きをする。また、アイソレータ40は、増幅用光ファイバ39を反射光から遮るためのものである。
【0054】
増幅用光ファイバ39は、本実施の形態3においてはエルビウム添加光ファイバ(EDF)を用いている。EDFは、光ファイバに対してエルビウムイオン(Er3+)を添加したもので、980nm程度もしくは1480nm程度の波長の光を吸収してエルビウムイオン中の電子が励起される性質を有する。かかる励起された電子によって、1550nmの波長を有する信号光36は増幅される。
【0055】
次に、本実施の形態3にかかる光ファイバ増幅器による光増幅のメカニズムについて概説する。励起光源である半導体レーザモジュール35から出射されたレーザ光は、WDMカプラ38を通過して増幅用光ファイバ39に前方から入射する。入射したレーザ光の波長を980nmとした場合、レーザ光は、増幅用光ファイバ39中にドープされたエルビウムイオンに吸収されて、エルビウムイオン中の電子が励起される。
【0056】
また、信号光36は、アイソレータ37を通過して増幅用光ファイバ39に入射する。上述したように、増幅用光ファイバ39にドープされたエルビウムイオンの電子は励起されており、励起された電子が有するエネルギーによって信号光36は増幅される。
【0057】
ここで、半導体レーザモジュール35内部に備えられた半導体レーザ装置は、内部に備えるサブマウントと半導体レーザ素子との間に存在する合金層におけるSnの含有率を26重量%以下としている。そのため、レーザ発振時にレーザ光出射領域上にSnが凝集することを抑制でき、急速劣化によるレーザ発振が停止することを防止できる。
【0058】
なお、本実施の形態3においては、励起光を増幅用光ファイバ39の前方から励起する、いわゆる前方励起方式を採用しているが、励起方式はこれらに限定されるものではない。たとえば、増幅する前の信号光と励起光とをあらかじめ合波した上で増幅用光ファイバ39に入射させる、いわゆる後方励起方式からなる光ファイバ増幅器であっても、本発明を適用することが可能である。後方励起方式の場合であっても、信号光の一部は励起光源を構成する半導体レーザモジュールに入射するため、反射して励起光源から信号光の一部が再び出射することを抑制する必要があるためである。また、前方励起方式と後方励起方式を併用した双方向励起方式としても良い。
【0059】
また、本実施の形態3ではEDFAを用いて信号光の増幅をおこなっているが、本発明は、EDFA以外の励起方式を採用する光ファイバ増幅器にも適用することが可能である。たとえば、ラマン増幅器に適用することが可能である。なお、ラマン増幅器に適用する場合には、波長シフトを考慮して励起光源に含まれる半導体レーザ装置の出射波長を決定する必要がある。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1〜6の発明によれば、半導体光学素子とサブマウントとの間に位置する合金層において、Snの含有率を26重量%以下とする構成としたため、光出射領域上にSnが凝集することを抑制でき、半導体光学素子の光出力が停止することを防止できるという効果を奏する。
【0061】
また、請求項7〜13の発明によれば、サブマウント上に半導体光学素子を固着する際に使用する半田層が、Snを含まない半田材料によって形成される構成としたため、光出射領域上にSnが凝集することを防止し、半導体光学素子の光出力が停止することを防止できるという効果を奏する。
【0062】
また、請求項14または請求項15の発明によれば、請求項13に記載の半導体レーザ装置を用いる構成としたため、レーザ光出射領域にSnが凝集することを防止し、レーザ発振が停止することが防止された半導体レーザモジュールを実現できるという効果を奏する。
【0063】
また、請求項16または請求項17の発明によれば、請求項13に記載の半導体レーザ装置または請求項14若しくは請求項15に記載の半導体レーザモジュールを用いて励起光源を形成する構成としたため、Snの凝集によるレーザ発振の停止を防止された光ファイバ増幅器を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1にかかる半導体レーザ装置の構造を示す側面図である。
【図2】(a)は、半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子とサブマウントとを分離した構造を示す図であり、(b)は、半導体レーザ素子をサブマウント上に固着した状態を示す図である。
【図3】急速劣化によってレーザ発振を停止した半導体レーザ装置のレーザ光出射領域近傍におけるSEM画像を表わす写真である。
【図4】オージェ分析を行った第1領域〜第4領域の位置を示す図である。
【図5】第1領域のオージェ分析の結果を示すグラフである。
【図6】第2領域のオージェ分析の結果を示すグラフである。
【図7】第3領域のオージェ分析の結果を示すグラフである。
【図8】第4領域のオージェ分析の結果を示すグラフである。
【図9】急速劣化によってレーザ発振を停止した半導体レーザ装置について、レーザ光出射領域を含む積層方向に関するAuの分布を示すグラフである。
【図10】急速劣化によってレーザ発振を停止した半導体レーザ装置について、レーザ光出射領域を含む積層方向に関するSnの分布を示すグラフである。
【図11】実施の形態2にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。
【図12】実施の形態3にかかる光ファイバ増幅器の構造を示す模式図である。
【図13】従来技術にかかる半導体レーザ装置において、加速試験によってレーザ発振が停止するパターンを示す模式的なグラフである。
【符号の説明】
1     サブマウント
2     半導体レーザ素子
3     合金層
4     第1電極
5     第2電極
6     活性層
8     第1金属層
9     第2金属層
10   第3金属層
11   半田層
12   第1領域
13   第2領域
14   第3領域
15   第4領域
21   半導体レーザ素子
24   レンズ
25   光ファイバ
26   電流モニタ
27   ベース
28   サブマウント
29   サーミスタ
30   温調モジュール
31   パッケージ
32   レンズ
33   アイソレータ
35   半導体レーザモジュール
36   信号光
37   アイソレータ
38   カプラ
39   増幅用光ファイバ
40   アイソレータ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical device having a semiconductor optical element fixed on a submount, and particularly to a semiconductor optical device, a semiconductor laser module, and an optical fiber amplifier having high reliability, in which laser oscillation does not suddenly stop. About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor optical element such as a semiconductor laser element is used in a state of being fixed on a submount in order to efficiently release heat generated at the time of light emission to the outside. The submount is formed of a material having excellent heat conductivity, and has a function of receiving heat generated at the time of light emission through a contact surface with the semiconductor optical element and releasing the heat to the outside.
[0003]
In order to fix the semiconductor optical element to the submount, usually, a method of arranging a solder layer made of a solder material on the upper surface of the submount in advance and fixing the semiconductor optical element on the submount by such a solder layer is used. Can be Specifically, in a state where the semiconductor optical element is arranged on the upper surface of the submount, pressure is applied to the semiconductor optical element, and the whole is heated by a heater to bring the solder layer into a flowing state. Thereafter, the semiconductor optical element is fixed on the submount by lowering the temperature and curing the solder layer again.
[0004]
With the structure in which the semiconductor optical element is fixed to the submount via the solder layer, the adhesion between the semiconductor optical element and the submount is enhanced, and heat can be more efficiently released to the outside. Further, since the semiconductor optical element usually has a structure in which an electrode is formed on a surface fixed to a submount, using a conductive solder layer also has an advantage that the electrode can be easily taken out.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a new problem arises when the semiconductor optical element is used while being fixed on the submount via the solder layer. When a semiconductor optical element is used in such a state, for example, in a semiconductor laser element, it is known that, although rare, laser oscillation suddenly stops.
[0006]
FIG. 13 shows a change in an injection current value of a semiconductor laser device in which oscillation is stopped as a result of performing an acceleration test on a semiconductor laser device having a structure in which a semiconductor laser device is fixed on a submount with a general solder layer interposed. It is a schematic graph. In such an acceleration test, a change in the injection current value while maintaining the light output at 500 mW under a temperature condition of 70 ° C. is examined. As shown in FIG. 13, the pattern in which laser oscillation stops is a pattern in which laser oscillation stops suddenly (hereinafter referred to as “sudden deterioration”) despite good current characteristics until immediately before the oscillation stops. There are two patterns (hereinafter, referred to as “rapid deterioration”) in which laser oscillation stops after the current value tends to increase.
[0007]
Of the oscillation stop patterns, the stop of laser oscillation due to sudden deterioration is mainly caused by COMD (Catastrophic Optical Mirror Damage: cavity facet destruction). COMD is a phenomenon caused by heat generated in the vicinity of an end face of a semiconductor laser element. Such sudden deterioration is a phenomenon that can occur even when a single semiconductor laser element is used.
[0008]
On the other hand, the stoppage of laser oscillation due to rapid deterioration is not reproduced when the semiconductor laser device alone is subjected to an acceleration test, and is also reproduced when the semiconductor laser device is fixed on the submount without using a solder layer. Never. Therefore, it is presumed that the oscillation stop due to the rapid deterioration is caused by the presence of the solder layer. To prevent the laser oscillation from stopping due to the rapid deterioration, it is necessary to optimize the material of the solder layer.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the related art, and has as its object to provide a highly reliable semiconductor optical device in which laser oscillation does not suddenly stop.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a semiconductor optical device according to claim 1, comprising a base and a semiconductor optical element fixed on the base, wherein the base and the semiconductor optical device are provided. An alloy layer having a Sn content of 26% by weight or less is provided between the device and the element.
[0011]
According to the first aspect of the present invention, since the Sn content in the alloy layer is set to 26% by weight or less, it is possible to suppress Sn from aggregating in the light emitting region of the semiconductor optical element, and to cause laser oscillation due to rapid deterioration. Semiconductor optical device in which the stoppage of the semiconductor optical device is prevented can be realized.
[0012]
Further, in the semiconductor optical device according to claim 2, in the above invention, the alloy layer is a solder layer disposed on the base and a metal disposed on the lower surface of the semiconductor optical element and in contact with the solder layer. It is characterized by being formed by at least a part of an electrode.
[0013]
Further, in the semiconductor optical device according to claim 3, in the above invention, the metal electrode has a multilayer structure in which a plurality of metal materials are sequentially arranged, and the alloy layer includes the solder layer and the multilayer structure. And a layer in contact with the solder layer.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the above-mentioned invention, the layer in contact with the solder layer in the multilayer structure contains Au.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the above-mentioned semiconductor optical device, the solder layer contains Au and Sn.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, in the above-described semiconductor optical device, the solder layer contains two kinds of metals selected from Pb, Cd, and Ag, and Sn.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor optical device described above, the solder layer is formed of Ge or Si, Au, and unavoidable impurities.
[0018]
The semiconductor optical device according to claim 8 is characterized in that, in the above invention, the solder layer is formed of Ag or In, Pb, and unavoidable impurities.
[0019]
According to a ninth aspect of the present invention, in the above-mentioned invention, the solder layer is formed of Ag or Zn, Cd, and unavoidable impurities.
[0020]
According to a tenth aspect of the present invention, in the above-mentioned invention, the solder layer is formed of Al or Ag, Zn, and unavoidable impurities.
[0021]
The semiconductor optical device according to claim 11 is characterized in that, in the above invention, the solder layer is formed of Cu or Te, Zn, Al, and unavoidable impurities.
[0022]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the above-mentioned invention, the solder layer is formed of In, Ag, and unavoidable impurities.
[0023]
A semiconductor optical device according to a thirteenth aspect is characterized in that, in the above invention, the semiconductor optical element is a semiconductor laser element.
[0024]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser module, the semiconductor optical device according to the thirteenth aspect, a transmission path for guiding laser light emitted from the semiconductor optical device to the outside, the semiconductor optical device, and the transmission device. And an optical coupling lens system for optically coupling the optical path with the path.
[0025]
The semiconductor laser module according to claim 15 is the semiconductor laser module according to the above invention, further comprising: a photodetector that measures an optical output of the semiconductor optical device; a temperature control module that controls a temperature of the semiconductor optical device; and an isolator. It is characterized by having.
[0026]
Further, an optical fiber amplifier according to claim 16 is a pump light source provided with the semiconductor optical device according to claim 13 or the semiconductor laser module according to claim 14 or 15, an amplification optical fiber, and the pump light source. And a coupler for optically coupling the amplification optical fiber.
[0027]
The optical fiber amplifier according to claim 17 is characterized in that, in the above invention, the amplification optical fiber is doped with erbium.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor optical device, a semiconductor laser module, and an optical fiber amplifier according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and are different from actual ones. In addition, it is needless to say that dimensional relationships and ratios are different between the drawings.
[0029]
(Embodiment 1)
First, a semiconductor laser device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating the structure of the semiconductor laser device according to the first embodiment. The semiconductor laser device according to the first embodiment has a structure including a submount 1, a semiconductor laser element 2, and an alloy layer 3 disposed between the submount 1 and the semiconductor laser element 2.
[0030]
The submount 1 emits heat generated when the semiconductor laser element 2 performs laser oscillation to the outside. Specifically, the submount 1 is formed of a material having excellent thermal conductivity such as CuW, and has a function of releasing heat generated from the semiconductor laser element 2 to the outside.
[0031]
The semiconductor laser device 2 has a structure in which a first electrode 4 is disposed on a lower surface and a second electrode 5 is disposed on an upper surface. Further, the semiconductor laser element 2 has at least an active layer 6 inside, and has a structure in which a laser is oscillated by injecting a current between the first electrode 4 and the second electrode 5. The semiconductor laser device 2 used in the first embodiment includes, for example, a homojunction laser, a double heterojunction laser (DH laser), a DH stripe laser, a buried hetero laser (BH laser), a ridge laser, and a SAS ( It is possible to adopt a structure such as a Self Alignment Structure (self-aligned structure) type laser, a DCH (Decoupled Configuration Heterostructure) type laser, or the like. Also, as the semiconductor material forming the semiconductor laser element 2, it is possible to use GaAs-based, InP-based, AlGaAs-based, GaN-based, and the like.
[0032]
The first electrode 4 has a multilayer structure including a plurality of metal layers. More specifically, as shown in FIG. 2A, the structure has a first metal layer 8, a second metal layer 9, and a third metal layer 10 each containing a different metal as a main component. In the first embodiment, the third metal layer 10 contains Au as a main component.
[0033]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the alloy layer 3 includes a third metal layer 10 that is a part of the first electrode 4 and a solder layer 11 that is disposed on the submount 1. It is formed by alloying. The solder layer 11 is formed of a solder material containing Sn and Au as main components. Since the third metal layer 10 contains Au as a main component as described above, the alloy layer 3 is made of Sn. , Au as a main component. The Sn content in the alloy layer 3 is 26% by weight or less.
[0034]
The manner in which the alloy layer 3 is formed will be described. The semiconductor laser device 2 is configured such that a desired semiconductor layer is laminated on a semiconductor substrate by a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus or the like, and then the second electrode 5 and the second electrode 5 each having a multilayer structure are formed on the back surface of the semiconductor substrate and the surface opposed thereto. It is completed with one electrode 4 arranged. On the other hand, a solder layer 11 is applied on the upper surface of the submount 1.
[0035]
Then, the semiconductor laser element 2 is arranged on the submount 1 so that the solder layer 11 and the third metal layer 10 constituting the second electrode 5 are in contact with each other, and the whole is heated by a heater or the like under a predetermined pressure. Heat. Such heating causes the solder layer 11 to melt, causing alloying with the third metal layer 10 in contact with the solder layer 11, and as shown in FIG. 2B, the alloy layer 3 between the submount 1 and the semiconductor laser element 2. Is formed.
[0036]
The reason why the content of Sn in the alloy layer 3 is set to 26% by weight or less in the semiconductor laser device according to the first embodiment will be described below. As described above, when a semiconductor laser device is fixed on a submount to perform laser oscillation, in a semiconductor laser device having a conventional structure, oscillation stop due to rapid deterioration as shown by a curve in FIG. It was. Observation of the SEM image of the emission side end face of the semiconductor laser device in which laser oscillation was stopped due to rapid deterioration showed that particles were aggregated in the vicinity of the laser light emission region as shown in FIG. Since such a phenomenon is characteristically observed in a rapidly deteriorated semiconductor laser device, it is presumed that aggregation of particles causes rapid deterioration.
[0037]
In order to examine the agglomerated particles, the composition of elements present in the respective regions shown in FIG. 4 on the emission-side end face of the rapidly deteriorated semiconductor laser device was examined by Auger analysis. Here, the first region 12 is a part of the laser light emission region where the particles are aggregated, and the second region 13 is a region on the emission side end face of the semiconductor laser element and near the alloy layer. Further, the third region 14 is a region on the surface of the alloy layer and is a region near the second region 13, and the fourth region 15 is a region on the surface of the alloy layer that is not particularly changed in the SEM image. FIGS. 5 to 8 show graphs of the results of the Auger analysis. FIG. 5 is a graph showing the result of the Auger analysis of the first region 12. FIGS. 6, 7, and 8 show the Auger analysis of the second region 13, the third region 14, and the fourth region 15 in this order. 6 is a graph showing the results of the above.
[0038]
As shown in FIG. 5, in the first region 12 which is a part of the laser light emission region, C was 8.9 mol%, Sn was 29.0 mol%, and O was 52.0 mol%. As shown in FIG. 6, in the second region 13, C is 12.2 mol%, Sn is 26.1 mol%, O is 43.9 mol%, Ga is 2.8 mol%, and Si is 14.9 mol%. Thus, only a trace amount of Au was observed. Further, as shown in FIG. 7, in the third region 14, C is 11.2 mol%, Sn is 24.8 mol%, O is 44.9 mol%, Ge is 7.3 mol%, and Au is 11.8 mol%. there were. Further, as shown in FIG. 8, in the fourth region 15 where no change is particularly observed in the SEM image, C is 11.8 mol%, Sn is 20.0 mol%, O is 42.2 mol%, and Ga is 10.9 mol%. % And Au were 15.2 mol%.
[0039]
Since the semiconductor laser device has a structure that does not contain Sn, Sn should originally be contained only in the alloy layer. However, the results of Auger analysis shown in FIGS. 5 and 6 show that the ratios of Sn in the first region 12 and the second region 13 are very high, 29.1 mol% and 26.1 mol%, respectively. In addition, the third region 14 and the fourth region 15 belonging to the same alloy layer also have a higher Sn ratio in the third region 14 near the second region 13 than in the fourth region 15 where no change is observed. Is shown. In view of this fact, it can be inferred that in the rapidly deteriorated semiconductor laser device, Sn contained in the alloy layer causes migration for some reason. Then, it is considered that a large amount of Sn particles aggregate in the light emission region, causing rapid deterioration and stopping laser oscillation.
[0040]
In order to confirm this fact, element analysis in the stacking direction including the laser light emitting region after rapid deterioration was performed on a semiconductor laser device different from that in FIG. In such a semiconductor laser device, no particular change was observed in the vicinity of the alloy layer in observation by SEM, but aggregation of particles was observed in the laser light emission region, as in the case of FIG. FIG. 9 is a graph showing the distribution of Au in the stacking direction with respect to the emission-side end face of the semiconductor laser device, and FIG. 10 is a graph showing the distribution of Sn in the stacking direction. As shown in FIG. 9, Au contained in the alloy layer hardly exists on the end face of the semiconductor laser device including the laser beam emission region, but as shown in FIG. 10, it is contained in the alloy layer similarly to Au. It is shown that a certain amount of Sn exists at a position corresponding to the laser beam emission region. Of the metal materials forming the solder layer, Au does not agglomerate in the laser light emission region, and only Sn agglomerates in the laser light emission region. It can be concluded that this occurs when having an alloy layer containing.
[0041]
From this conclusion, in the semiconductor laser device according to the first embodiment, the Sn content in the alloy layer 3 is set to a certain amount or less. In particular, by forming the solder layer 11 and the third metal layer 10 shown in FIG. 2A so that the Sn content in the alloy layer 3 is 26% by weight or less, Sn is aggregated in the laser light emitting region. Can be effectively suppressed, and the stoppage of laser oscillation due to rapid deterioration can be suppressed.
[0042]
In the first embodiment, the solder layer 11 is mainly composed of Sn and Au. However, the solder layer 11 may be formed of a ternary element such as Sn-Pb-Cd, Sn-Pb-Ag, or Sn-Cd-Ag. It may contain a system solder material and unavoidable impurities. Even when such a solder material is used, in the alloy layer formed with a part of the metal electrode, the structure in which the Sn content is suppressed to 26% by weight or less prevents oscillation stoppage due to rapid deterioration. be able to.
[0043]
It is also effective to form the solder layer 11 with a solder material containing no Sn. Examples of the solder material not containing Sn include Au-Ge, Au-Si, Pb-Ag, Pb-In, Cd-Ag, Cd-Zn, Zn-Al, Zn-Ag, Zn-Al-Cu, Zn -Al-Te, In-Ag and the like. When the solder layer 11 is formed of a solder material containing no Sn and unavoidable impurities, the Sn content in the alloy layer 3 is 0% by weight, so that Sn does not aggregate on the laser light emitting region. Laser oscillation stoppage due to rapid deterioration can be suppressed. It is needless to say that if the inevitable impurities and the like can be completely removed, it is not necessary to include the inevitable impurities and the like in the solder layer 11.
[0044]
Further, for the third metal layer 10 forming the first electrode 4, a metal material other than Au may be used. Further, the first electrode 4 may have a multilayer structure other than the three-layer structure of the first metal layer 8, the second metal layer 9, and the third metal layer 10, and the first electrode may be formed by a single metal layer. Is also good. Also, the alloy layer 3 is formed not only by the solder layer 11 and a part of the first electrode 4 but also by, for example, alloying the entire solder layer 11 and the first electrode 4. Alternatively, it may be formed only by the solder layer 11. Even in these cases, if the content of Sn in the formed alloy layer 3 is 26% by weight or less, it is possible to suppress the aggregation of Sn in the laser light emission region. Therefore, laser oscillation stoppage due to rapid deterioration can be prevented, and a highly reliable semiconductor laser device can be realized.
[0045]
In the first embodiment, the target is a semiconductor laser device. However, the present invention is also effective for a semiconductor optical device in which other general semiconductor optical elements are arranged on the submount 1. For example, for a light emitting diode element (LED) as well, by setting the Sn content in the intervening alloy layer to 26% by weight or less, it is possible to prevent Sn from aggregating in the light emitting region, and to cause light emission due to rapid deterioration. Can be prevented, and a highly reliable semiconductor optical device can be realized.
[0046]
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor laser module according to a second embodiment will be described. In the second embodiment, a semiconductor laser module is configured using the semiconductor laser device according to the first embodiment.
[0047]
FIG. 11 is a side sectional view showing the structure of the semiconductor laser module according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor laser module according to the second embodiment includes a semiconductor laser element 21 and a submount 28 corresponding to the semiconductor laser device described in the first embodiment. As a housing of the semiconductor laser module, a temperature control module 30 as a temperature control device is disposed on an inner bottom surface of a package 31 formed of ceramic or the like. A base 27 is arranged on the temperature control module 30, a submount 28 is arranged on the base 27, and the semiconductor laser element 21 is fixed on the submount 28 via an alloy layer (not shown). The temperature control module 30 is supplied with a current (not shown) and performs cooling and heating depending on the polarity. That is, when the laser light has a longer wavelength than the desired wavelength, the temperature control module 30 cools and controls the temperature to a lower temperature, and when the laser light has a shorter wavelength than the desired wavelength. Is controlled by heating to a high temperature. This temperature control is specifically controlled based on a detection value of a thermistor 29 disposed on the submount 28 and in the vicinity of the semiconductor laser device 21. The temperature control module 30 is controlled such that the temperature is maintained constant. Further, a control device (not shown) controls the temperature control module 30 so that the temperature of the submount 28 decreases as the drive current of the semiconductor laser element 21 increases. By performing such a temperature control, the output stability of the semiconductor laser device 21 can be improved, which is also effective for improving the yield.
[0048]
On the base 27, a submount 28 on which the semiconductor laser element 21 and the thermistor 29 are arranged, a first lens 32, and a current monitor 26 are arranged. The laser light emitted from the semiconductor laser element 21 is guided to the optical fiber 25 via the first lens 32, the isolator 33, and the second lens 24. The second lens 24 is provided on the package 31 on the optical axis of the laser light, and is optically coupled to an optical fiber 25 connected externally. The current monitor 26 monitors and detects light leaked from the highly reflective film side of the semiconductor laser device 21.
[0049]
Here, in this semiconductor laser module, an isolator 33 is interposed between the semiconductor laser element 21 and the optical fiber 25 so that return light reflected by other optical components does not return into the resonator.
[0050]
In addition, in order to regulate the oscillation wavelength of the semiconductor laser element 21, a fiber grating is disposed inside the optical fiber 25 as necessary, and a structure is formed in which the cavity on the reflection side end face of the semiconductor laser element 21 is formed. In this case, the isolators 33 need to be in-line instead of being arranged in the semiconductor laser module.
[0051]
In the semiconductor laser module according to the second embodiment, the Sn content in the alloy layer formed when the semiconductor laser element 21 is fixed on the submount 28 is set to 26% by weight or less. Therefore, it is possible to realize a highly reliable semiconductor laser module in which Sn does not aggregate on the laser light emission region and laser oscillation does not stop due to rapid deterioration.
[0052]
(Embodiment 3)
Next, an optical fiber amplifier according to a third embodiment will be described. FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the structure of the optical fiber amplifier according to the third embodiment. The optical fiber amplifier according to the third embodiment has a semiconductor laser module 35 that functions as an excitation light source and has a structure corresponding to the semiconductor laser module according to the second embodiment. Further, it has an amplifying optical fiber 39 for amplifying the signal light 36 and a WDM coupler 38 for causing the pumping light emitted from the semiconductor laser module 35 to enter the amplifying optical fiber 39. An isolator 37 is arranged before the signal light 36 enters the WDM coupler 38, and an isolator 40 is arranged after the amplification optical fiber 39.
[0053]
The signal light 36 is light emitted from the signal light source and transmitted through the optical fiber, and has a wavelength of 1550 nm. Further, the WDM coupler 38 outputs the pump light emitted from the semiconductor laser module 35 to the amplification optical fiber 39. Further, the isolator 37 has a function of blocking light reflected from the WDM coupler 38 and suppressing noise and the like. The isolator 40 is for blocking the amplification optical fiber 39 from reflected light.
[0054]
In the third embodiment, the amplifying optical fiber 39 uses an erbium-doped optical fiber (EDF). EDF uses erbium ions (Er 3+ ) Is added, and has a property of absorbing light having a wavelength of about 980 nm or about 1480 nm to excite electrons in erbium ions. The signal light 36 having a wavelength of 1550 nm is amplified by the excited electrons.
[0055]
Next, the mechanism of optical amplification by the optical fiber amplifier according to the third embodiment will be outlined. The laser light emitted from the semiconductor laser module 35, which is an excitation light source, passes through the WDM coupler 38 and enters the amplification optical fiber 39 from the front. When the wavelength of the incident laser light is 980 nm, the laser light is absorbed by erbium ions doped in the amplification optical fiber 39, and the electrons in the erbium ions are excited.
[0056]
The signal light 36 passes through the isolator 37 and enters the amplification optical fiber 39. As described above, the electrons of the erbium ions doped in the amplification optical fiber 39 are excited, and the signal light 36 is amplified by the energy of the excited electrons.
[0057]
Here, in the semiconductor laser device provided inside the semiconductor laser module 35, the content of Sn in the alloy layer existing between the submount provided therein and the semiconductor laser element is 26% by weight or less. Therefore, it is possible to prevent Sn from aggregating on the laser light emission region during laser oscillation, and to prevent the laser oscillation from being stopped due to rapid deterioration.
[0058]
In the third embodiment, a so-called forward pumping method in which pumping light is pumped from the front of the amplification optical fiber 39 is employed, but the pumping method is not limited to these. For example, the present invention can be applied to an optical fiber amplifier of a so-called backward pumping system, in which signal light and pumping light before amplification are multiplexed in advance and then input to the amplification optical fiber 39. It is. Even in the case of the backward pumping method, since a part of the signal light enters the semiconductor laser module constituting the pump light source, it is necessary to suppress the reflection and the re-emission of a part of the signal light from the pump light source. Because there is. Further, a bidirectional pumping method using both the forward pumping method and the backward pumping method may be used.
[0059]
In the third embodiment, the signal light is amplified by using the EDFA. However, the present invention can be applied to an optical fiber amplifier using an excitation method other than the EDFA. For example, it can be applied to a Raman amplifier. When applied to a Raman amplifier, it is necessary to determine the emission wavelength of the semiconductor laser device included in the pump light source in consideration of the wavelength shift.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to sixth aspects of the present invention, the alloy layer located between the semiconductor optical element and the submount is configured to have a Sn content of 26% by weight or less, so that light emission is achieved. Aggregation of Sn on the region can be suppressed, and it is possible to prevent the optical output of the semiconductor optical element from stopping.
[0061]
According to the inventions of claims 7 to 13, the solder layer used for fixing the semiconductor optical element on the submount is formed of a solder material not containing Sn. This has the effect of preventing Sn from aggregating and preventing the optical output of the semiconductor optical element from stopping.
[0062]
According to the fourteenth or fifteenth aspect of the present invention, since the semiconductor laser device according to the thirteenth aspect is used, it is possible to prevent Sn from aggregating in the laser light emitting region and stop laser oscillation. This has the effect of realizing a semiconductor laser module in which is prevented.
[0063]
According to the invention of claim 16 or claim 17, since the pumping light source is formed by using the semiconductor laser device of claim 13 or the semiconductor laser module of claim 14 or claim 15, This has the effect of realizing an optical fiber amplifier in which laser oscillation stoppage due to Sn aggregation is prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view illustrating a structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment;
FIG. 2A is a diagram showing a structure in which a semiconductor laser device and a submount constituting a semiconductor laser device are separated from each other, and FIG. 2B shows a state where the semiconductor laser device is fixed on the submount. FIG.
FIG. 3 is a photograph showing an SEM image in the vicinity of a laser light emission region of a semiconductor laser device in which laser oscillation has been stopped due to rapid deterioration.
FIG. 4 is a diagram showing positions of first to fourth regions on which Auger analysis has been performed.
FIG. 5 is a graph showing the result of Auger analysis of a first area.
FIG. 6 is a graph showing a result of Auger analysis of a second area.
FIG. 7 is a graph showing a result of Auger analysis of a third region.
FIG. 8 is a graph showing a result of Auger analysis of a fourth area.
FIG. 9 is a graph showing a distribution of Au in a stacking direction including a laser beam emission region in a semiconductor laser device in which laser oscillation is stopped due to rapid deterioration.
FIG. 10 is a graph showing a distribution of Sn in a stacking direction including a laser beam emission region in a semiconductor laser device in which laser oscillation is stopped due to rapid deterioration.
FIG. 11 is a side sectional view showing the structure of the semiconductor laser module according to the second embodiment;
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a structure of an optical fiber amplifier according to a third embodiment;
FIG. 13 is a schematic graph showing a pattern in which laser oscillation stops in an acceleration test in a semiconductor laser device according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
1 submount
2 Semiconductor laser device
3 Alloy layer
4 First electrode
5 Second electrode
6 Active layer
8 First metal layer
9 Second metal layer
10 Third metal layer
11 Solder layer
12 First area
13 Second area
14 Third area
15 Fourth area
21 Semiconductor laser device
24 lenses
25 Optical fiber
26 Current monitor
27 base
28 Submount
29 Thermistor
30 Temperature control module
31 Package
32 lenses
33 Isolator
35 Semiconductor laser module
36 signal light
37 Isolator
38 coupler
39 Amplifying optical fiber
40 Isolator

Claims (17)

基台と、該基台上に固定された半導体光学素子とを備えた半導体光学装置であって、
前記基台と前記半導体光学素子との間に配置され、Snの含有率が26重量%以下である合金層を備えたことを特徴とする半導体光学装置。
A semiconductor optical device including a base and a semiconductor optical element fixed on the base,
A semiconductor optical device, comprising: an alloy layer disposed between the base and the semiconductor optical element, the alloy layer having a Sn content of 26% by weight or less.
前記合金層は、前記基台上に配置された半田層と、前記半導体光学素子下面に配置され、前記半田層と接触する金属電極の少なくとも一部とによって形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体光学装置。The alloy layer is formed by a solder layer disposed on the base and at least a part of a metal electrode disposed on a lower surface of the semiconductor optical element and in contact with the solder layer. 2. The semiconductor optical device according to 1. 前記金属電極は、複数の金属材料を順次配置した多層構造を有し、
前記合金層は、前記半田層と、前記多層構造において前記半田層と接触する層とを含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体光学装置。
The metal electrode has a multilayer structure in which a plurality of metal materials are sequentially arranged,
The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the alloy layer includes the solder layer and a layer that contacts the solder layer in the multilayer structure.
前記多層構造において半田層と接触する層は、Auを含有することを特徴とする請求項3に記載の半導体光学装置。4. The semiconductor optical device according to claim 3, wherein a layer in contact with the solder layer in the multilayer structure contains Au. 前記半田層は、AuおよびSnを含有することを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer contains Au and Sn. 前記半田層は、Pb、CdおよびAgから選択した2種類の金属と、Snとを含有することを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to any one of claims 2 to 4, wherein the solder layer contains Sn and two kinds of metals selected from Pb, Cd, and Ag. 前記半田層は、GeまたはSiと、Auと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of Ge or Si, Au, and unavoidable impurities. 前記半田層は、AgまたはInと、Pbと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of Ag or In, Pb, and unavoidable impurities. 前記半田層は、AgまたはZnと、Cdと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of Ag or Zn, Cd, and unavoidable impurities. 前記半田層は、AlまたはAgと、Znと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of Al or Ag, Zn, and unavoidable impurities. 前記半田層は、CuまたはTeと、Znと、Alと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of Cu or Te, Zn, Al, and unavoidable impurities. 前記半田層は、Inと、Agと、不可避不純物とによって形成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の半導体光学装置。The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the solder layer is formed of In, Ag, and unavoidable impurities. 前記半導体光学素子は、半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の半導体光学装置。13. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical element is a semiconductor laser element. 請求項13に記載の半導体光学装置と、
前記半導体光学装置から出射されたレーザ光を外部に導波する伝送路と、
前記半導体光学装置と前記伝送路とを光結合する光結合レンズ系と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
A semiconductor optical device according to claim 13,
A transmission path for guiding the laser light emitted from the semiconductor optical device to the outside,
An optical coupling lens system for optically coupling the semiconductor optical device and the transmission path,
A semiconductor laser module comprising:
前記半導体光学装置の光出力を測定する光検出器と、
前記半導体光学装置の温度を制御する温調モジュールと、
アイソレータと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項14に記載の半導体レーザモジュール。
A light detector for measuring the light output of the semiconductor optical device,
A temperature control module for controlling the temperature of the semiconductor optical device;
An isolator,
The semiconductor laser module according to claim 14, further comprising:
請求項13に記載の半導体光学装置または請求項14若しくは15に記載の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、
増幅用光ファイバと、
前記励起光源と前記増幅用光ファイバとを光結合させるためのカプラと、
を備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
An excitation light source comprising the semiconductor optical device according to claim 13 or the semiconductor laser module according to claim 14 or 15;
An amplification optical fiber;
A coupler for optically coupling the excitation light source and the amplification optical fiber,
An optical fiber amplifier comprising:
前記増幅用光ファイバは、エルビウムが添加されていることを特徴とする請求項16に記載の光ファイバ増幅器。17. The optical fiber amplifier according to claim 16, wherein the amplification optical fiber is doped with erbium.
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