JP2004233885A - レーザモジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】400nm帯の発振波長を有する半導体レーザ素子と、レーザビームを伝送する光ファイバを備えたレーザモジュールにおいて、低コストで高い出力と信頼性を得る。
【解決手段】ヒートブロック(放熱ブロック)10上に配列固定された8個のGaN系半導体レーザ素子LD1〜8と、コリメータレンズ11と、集光レンズ12とが、壁面に光導波路部材30が固定されてなるパッケージ40内に、半導体レーザ素子LD1〜8から出射されたレーザビームが、光導波路部材30の光導波路34の入射端34aに集光されるように配置固定された状態で、該パッケージ40の内部を脱気して気密封止した後、光出射窓15に光ファイバ13の入射端を押圧密着させて固定する。半導体レーザ素子LD1〜8、コリメータレンズ11、集光レンズ12および光導波路部材30の固定にフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤あるいは融着もしくは溶接を用いる。
【選択図】 図1
【解決手段】ヒートブロック(放熱ブロック)10上に配列固定された8個のGaN系半導体レーザ素子LD1〜8と、コリメータレンズ11と、集光レンズ12とが、壁面に光導波路部材30が固定されてなるパッケージ40内に、半導体レーザ素子LD1〜8から出射されたレーザビームが、光導波路部材30の光導波路34の入射端34aに集光されるように配置固定された状態で、該パッケージ40の内部を脱気して気密封止した後、光出射窓15に光ファイバ13の入射端を押圧密着させて固定する。半導体レーザ素子LD1〜8、コリメータレンズ11、集光レンズ12および光導波路部材30の固定にフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤あるいは融着もしくは溶接を用いる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザモジュールおよびその製造方法に関し、特に、400nm帯の発振波長の半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射したレーザビームを伝送するための光ファイバとを備えたレーザモジュールおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来より、気密封止されたパッケージ内に収容された半導体レーザ素子と、一端(光入射端)がこのパッケージの内部を臨む状態にして該パッケージに固定された光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを光ファイバの光入射端に結合させる集光光学系とを備えてなるレーザモジュールは、いわゆるピッグテール型レーザモジュールとして、光通信部品として一般的に知られている。
【0003】
レーザモジュール内部においては、半導体レーザと光ファイバの光入射端とが光学的に結合された状態をマイクロメートルオーダで安定的に維持するために、光ファイバおよび集光光学系等は、通常、半田もしくは接着剤等の接着手段を用いて固定されている。
【0004】
光ファイバは、その素線のままでは傷がつきやすく、その傷をきっかけに折れてしまうので被膜が施されている。市販の光ファイバでは、UV硬化樹脂による1次被膜、ポリマーによる2次被膜が施されている。レーザモジュール内部や固定時には有機被膜を取り除いた後に金属薄膜により素線を被膜する、いわゆるメタライズを施すことが一般的に行われている。これはファイバ素線の傷つき防止効果と、半田固定作業のための半田との親和性を向上させる目的を有しており、メタライズを施すの先端の25mm以下とするのが一般的である。
【0005】
ファイバの先端を保護し、研磨やハンドリングを容易にするために、ジルコニアセラミック、あるいはガラスで構成されるフェルールと呼ばれる部品がある。また、光ファイバを同士を接続する際には、SC型、FC型、MU型、LC型などのコネクタが市販されているが、これらはどれも2本のファイバの先端にフェルールを取り付けて研磨を行い、両者を押し当てることによって低損失かつ作業性の容易なファイバを実現している。
【0006】
特許文献1では、このフェルールをレーザモジュールのパッケージの壁面に固定し、半導体レーザと光学的に結合することで、コネクタの着脱により光ファイバをパッケージから着脱可能な構造が開示されている。また、特許文献2では、レセプタクル構造とすることで、パッケージから光ファイバを着脱可能な構造を開示している。
【0007】
さて、一方、レーザモジュールにおいて、気密封止されたパッケージ内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、集光光学系および光ファイバ等の光学部品に付着して、レーザ特性を劣化させるという問題が知られている。特に、光密度の高い部分において物質が付着する効果(集塵効果)が顕著である。さらに、GaN系半導体レーザ素子等の350〜450nm(400nm帯)の波長のレーザビームを出射する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールにおいては、光子エネルギーが高く、物質との光化学反応がより起きやすくなるために、集塵効果がより顕著に現れる。
【0008】
汚染物質の1つとしては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素化合物が挙げられ、この炭化水素が、レーザ光により重合あるいは分解されて分解物が付着し、出力の向上を妨げることが知られている。
【0009】
また、空中を浮遊している低分子シロキサンが紫外線による光化学反応で酸素と反応し、光学ガラス窓部品にSiOxの形で堆積、付着することが開示されており、このため、大気と接する「窓」部材の定期的な交換を推奨している(例えば、特許文献3参照)。
【0010】
そこで、この集塵効果を防止するために、種々の提案がなされている。例えば、炭化水素化合物等を分解することを目的とした酸素を100ppm以上封止ガスに混入させることが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
【0011】
また、400nm以下の紫外線を光学部品に照射する光学系において、光学部品の雰囲気を99.9%以上の窒素とすることが提案されている(例えば、特許文献5参照)。
【0012】
さらに、パッケージを封止する直前に、パッケージ内部の脱気処理を行うことが集塵効果の防止に効果があることも知られている。
【0013】
【特許文献1】
特開平8−43690号公報
【0014】
【特許文献2】
特開平8−334654号公報
【0015】
【特許文献3】
特開平11−54852号公報
【0016】
【特許文献4】
米国特許5392305号公報
【0017】
【特許文献5】
特開平11−167132号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1および2に記載のような、パッケージ内に被膜つき光ファイバが内包されていない構造とすることにより、パッケージ脱気時に光ファイバ被膜から発生する汚染物質、および光ファイバ固定に用いられる接着剤もしくは半田等からの汚染物質は低減されると考えられる。
【0019】
しかしながら、壁面に挿入されているフェルールにファイバを固定するレーザモジュールの場合、一般的にはファイバ被膜を一部剥いでフェルール細孔に挿入し、UV被膜樹脂を用いて光ファイバ素線をフェルールに固定する。光通信に使用する赤外線の場合は、これら接着剤の使用に問題はなかったが、上述のGaN系半導体レーザ素子のように400nm帯の高エネルギーのレーザビームを出射するレーザ素子を備えたモジュールを構成する場合、通常のUV硬化樹脂では上記集塵効果を引き起こす揮発ガス成分が含まれており、長期信頼性が減少する。
【0020】
本発明は上記事情に鑑み、汚染物質の付着を抑制した高出力および高信頼性が得られる、波長400nm帯のレーザビームを出射する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザモジュールは、一端が内部を臨み、他端が外部を臨む光導波路を有する光導波路部品を一壁面に備えた、気密封止されたパッケージと、
前記パッケージの内部に配置された、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを前記光導波路の前記一端に集光する、前記パッケージの内部に配置された集光光学系と、
前記パッケージの外部に配置された、前記光導波路の他端と光学的に結合される入射端を備えた光ファイバとからなり、
前記光導波路部品が、前記一壁面にフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定されていることを特徴とするものである。
【0022】
前記パッケージ内部の雰囲気が、1ppm以上の酸素と不活性ガスとの混合ガスであることが望ましい。
【0023】
前記光導波路部品の光導波路は、効率よい光伝送のために、そのコア径およびNAが、前記光ファイバのコア径およびNAと同等以下であることが望ましい。
【0024】
さらに、前記光導波路部品が、フェルールと該フェルールの内部に挿入された、前記光導波路を構成する光ファイバ素線とからなり、前記フェルールと前記光ファイバ素線とが半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは、融着もしくは溶接により固定されていることが望ましい。
【0025】
本発明のレーザモジュール製造方法は、光出射開口を有する気密封止可能なパッケージの一壁面に、光導波路を備えた光導波路部品を、該光導波路の一端が前記パッケージの内部を臨み、他端が前記パッケージの外部を臨むように配置して、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により、前記開口を封止するように固定するとともに、前記パッケージ内部に、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と集光光学系とを、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームが前記集光光学系により前記光導波路の前記一端に集光されるように配置固定し、
前記パッケージの内部を脱気処理し、
該脱気処理後、前記パッケージを気密封止し、
その後、前記パッケージの外部に配された光ファイバの入射端に前記レーザビームが光学的に結合するように、該光ファイバの入射端を前記光導波路の前記他端に密着させて固定するものであることを特徴とするものである。
【0026】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールによれば、光導波路を有する光導波路部品を一壁面に備えた1つのパッケージ内に半導体レーザ素子と集光光学系が備えられて密封され、光ファイバはパッケージ外部に固定されているので、パッケージ内の脱気処理を光ファイバ装着前に行うことができ、光ファイバの被覆からの脱ガスによるパッケージ内の汚染が生じない。光導波路部品を、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定しているので、Si系化合物が発生せず、該有機物ガスが光学部品に付着して、光学部品の透過率が変化したり、また、それによる光出力の低下あるいは光ノイズの発生を防止することができ、高出力まで信頼性の高い光出力を得ることができる。また、発振波長が350nm〜450nmである半導体レーザ素子を備えているため、半導体レーザ素子端面やレーザビームが集光される光導波路の一端においては特に光密度が高くなり、集塵効果が大きくなるが、光ファイバの被膜からの脱ガスによる汚染がなく、また、Si系有機物ガスが発生しない構成であるため、汚染防止の付着の防止効果が特に有効である。
【0027】
このように本発明のレーザモジュールによれば、パッケージ内における汚染物質の付着すなわち集塵効果を抑制することができるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0028】
パッケージ内部の雰囲気が1ppm以上の酸素と不活性ガスの混合ガスであれば、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。
【0029】
光導波路部品が、フェルールと該フェルールの内部に挿入された、前記光導波路を構成する光ファイバ素線とからなるものであれば、外部に配される光ファイバとの効率よい光伝送ができる。
【0030】
本発明のレーザモジュールの製造方法においては、光ファイバをパッケージに固着する前に、パッケージ内の脱気処理を行うので、光ファイバの被膜からのガスによる汚染を生じない。また、光ファイバをパッケージの外側に最後に固定するので、パッケージ封止までの工程で光ファイバを取り扱う必要がないためモジュールの製造が簡便なものとなる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0032】
本発明の第1の実施の形態によるレーザモジュールについて説明する。図1および図2は、そのレーザモジュールの概略形状を示す平面図および側断面図である。
【0033】
本実施の形態によるレーザモジュールは、図1および図2に示すように、銅または銅合金からなるヒートブロック(放熱ブロック)10上に配列固定された一例として8個のGaN系半導体レーザLD1〜8と、コリメータレンズアレイ11と、集光レンズ12とが、光導波路部品30が固着された開口16を有するパッケージ40内に収容され、1本の光ファイバ13がパッケージ40の外部で光導波路部品30にその入射端を押し付けるようにして密着固定されてなるものである。
【0034】
なおこの図1および2は、本実施の形態のレーザモジュールの基本構成を示すものであり、コリメータレンズアレイ11および集光レンズ12の形状は概略的に示してある。また図の煩雑化を避けるため、GaN系半導体レーザ素子のうち両端に配されている素子LD1およびLD8にのみ符号を付し、またレーザビームB1〜B8のうちB1およびB8にのみ符号を付してある。また、理解を容易にするために一部断面図で示している。なお、GaN系半導体レーザLD1〜8は、例えばAlNからなるサブマウント上に固設されたものをヒートブロック10に取付けてもよい。
【0035】
光導波路部品30は、フェルール32と該フェルール32の細孔に通されて封止固定されている光ファイバ素線34とからなり、フェルール32を保持する保持部36を介してパッケージの一壁面に固着されている。光ファイバ素線34が光導波路としてパッケージ40の内部からパッケージ外部にレーザビームBを導光するものである。
【0036】
フェルール32は、円柱状のジルコニアセラミックの中心に細孔が設けられたものである。フェルール32と光ファイバ素線34との封止固定は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により行う。光ファイバ素線34は、パッケージの外部に配される光ファイバ13と同じものを用いることが望ましい。フェルール32に光ファイバ素線34が封止固定された状態で両端面が研磨されており、少なくともパッケージ内部を臨む端面にARコーティングが施されている。なお、フェルール32のパッケージ内部を望む端面は、研磨により平面もしくは球面とされていることが望ましい。また、フェルールはガラス製でも金属製でもよい。なお、ガラス製フェルールの場合は、表面に金属コーティングが施されていることが望ましい。
【0037】
GaN系半導体レーザ素子LD1〜8から発散光状態で出射したレーザービームB1〜8は、それぞれレンズアレイ11によって平行光化される。
【0038】
半導体レーザ素子LD1〜8、レンズアレイ11、集光レンズ12および光導波路部品30は、平行光とされたレーザビームB1〜8が、集光レンズ12によって集光され、光導波路部品30の光ファイバ素線34の一端34aで収束するように調芯されている。
【0039】
光ファイバ13はその光入射端の被膜が剥がされた状態でフェルール20に挿入されており、光ファイバ13の素線13aの光入射端が光導波路である光ファイバ素線34の出射端に密着するように、フェルール20ごとフェルール34に密着される。本例ではレンズアレイ11および集光レンズ12によって集光光学系19が構成され、それと光ファイバ13とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ12によって上述のように集光されたレーザビームB1〜8がこの光ファイバ13のコアに入射して光ファイバ13内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されて光ファイバ13の図示しない出射端面から出射する。光ファイバ13は、フェルール20に挿入されている部分を除いて光ファイバ素線13aが樹脂層13bにより被覆されてなるものである。
【0040】
なお光ファイバ13としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【0041】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定され、このベース板42の上面にヒートブロック10が取り付けられ、そしてこのヒートブロック10にレンズアレイ11を保持するコリメータレンズホルダ44が固定されている。さらにベース板42の上面には、集光レンズ12を保持する集光レンズホルダ45が固定されている。パッケージ40の一壁面には光導波路部材を保持する、フェルールの外径よりわずかに大きな内径を有する円筒形の保持部が取り付けられている。フェルールは、この保持部に挿入され、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止固定されている。またGaN系半導体レーザ素子LD1〜8に駆動電流を供給する配線類47は、パッケージ40の光導波路部品が固定されている壁面と対向する壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。なお、パッケージ40には全面に金メッキが施されている。
【0042】
なお、レンズアレイ11および集光レンズ12は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着、溶接により固定されている。
【0043】
なお、図中斜線で示す部分は封止部もしくは固定部であり、上述の通り、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止もしくは固定されている。
【0044】
次に、本実施形態のレーザモジュールの製造方法について説明する。
【0045】
全面に金メッキが施されたパッケージ40の一壁面には導電用の端子が取り付けられており、パッケージ40の上面は開放されている。パッケージの内部には、複数の半導体レーザ素子がヒートブロックに半田固定されており、導電用端子とワイヤボンティングにより電気的に接続されている。光導波路部品30をパッケージ40の壁面の保持部に通し、レンズアレイ11および集光レンズ12を、複数の半導体レーザ素子から発せられた光を、光導波路部品の光ファイバ素線のコアと効率よく結合させるように調芯を行い、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤あるいは、融着もしくは溶接により固定する。
【0046】
その後、レーザの長期信頼性を低減させる原因となるパッケージ内部の揮発成分を除去するために、パッケージ40を脱気処理装置に入れて、1ppm以上の酸素を含有する不活性ガス雰囲気中で90℃に加熱して脱気処理を行う。脱気処理後、パッケージ40上面に蓋41を設け、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止する。
【0047】
その後、先端にフェルール20を備えた光ファイバ13の、該フェルール20を保持部36に挿入し、光導波路部品30であるフェルール32にフェルール20を押し当てて密着させて、光ファイバ素線34と光ファイバ13の素線13aを光学的に結合させる。フェルール20を備えた光ファイバ13の入射端は、フェルール球面研磨することが望ましい。これによりフェルールを押しつける際に入射端に空気を含まないようにすることができる。光ファイバ13の入射端を光導波路である光ファイバ素線34に結合させた状態で、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接によりフェルール20を保持部36に固定する。
【0048】
このように、本発明のレーザモジュールの製造方法によれば、樹脂被膜13bを有する光ファイバ13がパッケージ40に取り付けられる前にパッケージ内の脱気処理を行うことができるので、パッケージ内の脱気処理において光ファイバの樹脂皮膜からの脱ガスによりパッケージ内が汚染されるという虞がない。
【0049】
また、パッケージ40内におけるレンズアレイ11、集光レンズ12、光導波路部材であるフェルール等の各部材の固定には、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接によって行っているため、Si系有機ガスの発生がほとんどないので、光密度の高い部分へのSi系有機ガスの光分解による堆積物の付着を効果的に防止することができる。また、パッケージ内に酸素を含有するガスが封入されているため、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面等への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。すなわち、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0050】
Si系有機物を含まない接着剤としては、例えば、特開2001−177166号公報記載の脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および触媒量のオニウム塩光反応開始剤を含有する接着性組成物であって、シランカップリング剤を含まない接着性組成物からなるものが挙げられる。
【0051】
また、フラックスフリー半田としては、例えば、Sn−Pb、Sn−In、Sn−Pb−In、Au−Sn、Ag−Sn、Sn−Ag−In等が挙げられる。通常の半田材に含まれるフラックスは汚染の要因となるが、フラックスフリーの半田を用いれば汚染物質を発生させる虞がない。なお、環境に配慮して鉛フリー半田を使用することが望ましい。
【0052】
溶接は市販のシーム溶接機、例えば日本アビオニクス社製のシーム溶接機を利用して行うことができる。具体的には、パッケージに蓋を載せ、パッケージの蓋と筐体の境界部にシーム溶接機により高電圧を印加することでパッケージの溶接封止を行うことができる。また、融着は市販の融着機、例えば、FITEL S−2000を用いて行うことができる。
【0053】
なお、パッケージに充填するガスとしては、上述の通り1ppm以上の酸素と不活性ガスとの混合ガスが望ましいが、さらに、ハロゲン族ガスもしくはハロゲン化合物ガスの少なくともいずれか一方が混入されていてもよい。また、大気と同じ比率の窒素、酸素混合ガスであるクリーンエアを用いてもよい。
【0054】
封止雰囲気中に1ppm以上の濃度の酸素が含まれると、レーザモジュールの劣化を抑制することができる。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有される酸素が、炭化水素成分の光分解により発生した固形物を酸化分解するためである。一方、酸素濃度が1ppm未満であると、劣化抑制効果が得られない。
【0055】
ハロゲン族ガスとは、塩素ガス(Cl2)、フッ素ガス(F2)等のハロゲンガスであり、ハロゲン化合物ガスとは、塩素原子(Cl)、臭素原子(Br)、ヨウ素原子(I)、フッ素原子(F)等のハロゲン原子を含有するガス状の化合物である。
【0056】
ハロゲン化合物ガスとしては、CF3Cl、CF2Cl2、CFCl3、CF3Br、CCl4、CCl4−O2、C2F4Cl2、Cl−H2、CF3Br、PCl3、CF4、SF6、NF3、XeF2、C3F8、CHF3等が挙げられるが、フッ素又は塩素と炭素(C)、窒素(N)、硫黄(S)、キセノン(Xe)との化合物が好ましく、フッ素原子を含有するものが特に好ましい。
【0057】
ハロゲン系ガスは微量でも劣化抑制効果を発揮するが、顕著な劣化抑制効果を得るためには、ハロゲン系ガスの含有濃度を1ppm以上とするのが好ましい。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有されるハロゲン系ガスが有機珪素化合物ガスの光分解により発生した堆積物を分解するためである。
【0058】
なお、図3にレーザモジュールの他の実施形態の一部拡大側断面図を示すように、パッケージ40の光出射開口16に光導波路部材であるフェルール32を保持する保持部材としてフェルール32と嵌合する装着器(レセプタクル)50を備え、さらに、光ファイバ13の先端に備えられているフェルール20にレセプタクル40と嵌合するコネクタ56を備えるようにしてもよい。レセプタクル40およびコネクタ56を備えることにより、光ファイバ13のパッケージ40への装着をより簡便なものとすることができる。図3に示すように、光導波路部材のフェルール32は、レセプタクル40に嵌装され、パッケージ内部側でフェルール32を保持部50に封止固定されている。また、光ファイバ13の先端のフェルール32は、コネクタ56をレセプタクル40と嵌合させることにより、フェルール20をレセプタクル50に嵌装するとともに、フェルール同士を密着固定するものである。コネクタ56はバネ58を備えており、フェルール32の後端側からフェルール20を光導波路30側に押圧する。半田等の接着材料を用いないために、光ファイバ13の取り付けおよび取外しが非常に簡便なものとなる。
【0059】
上記実施形態においては、光導波路部材が、その光導波路と光学的に接続する光ファイバと同一仕様の光ファイバの素線とフェルールとからなるものを用いるものとしたが、接続される光ファイバとは異なる仕様の光ファイバを用いてもよい。また、LiNbO3基板上にTiを拡散して設けた光導波路、周期屈折率構造を構成したフォトニック結晶を光導波路部材として用いてもよい。しかしながら、パッケージ内の光学素子と外の光ファイバとをつなぐ光ファイバ、もしくは光導波路は、効率よい光伝送のために、接続する光ファイバと同一の光ファイバを使用することがより望ましい。異なる部材を用いる場合には、導波路のコア径もしくは有効径が接続する光ファイバのコア径もしくは有効径と同等もしくは小さいことが望ましく、導波路のNAは接続する光ファイバのNAと同等もしく小さいことが望ましい。
【0060】
次に、上記実施形態において用いられる半導体レーザ素子の一例としてGaN系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【0061】
図4(a)に示すように、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム(TMG)とアンモニアを成長用原料に用い、n型ドーパントガスとしてシランガスを用い、p型ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、(0001)C面サファイヤ基板121上に、温度500℃でGaNバッファ層122を20nm程度の膜厚で形成する。続いて、温度を1050℃にしてGaN層133を2μm程度成長させる。その上に、SiO2膜124を形成し、レジスト125を塗布後、通常のリソグラフィを用いて、
【数1】
方向に3μm幅のSiO2膜124を除去して、幅7μm程度のSiO2膜124のライン部を形成することにより、10μm程度の周期のラインアンドスペースのパターンを形成する。
【0062】
次に、図4(b)に示すように、レジスト125とSiO2膜124をマスクとして、塩素系のガスを用いてバッファ層122とGaN層123をドライエッチングによりサファイヤ基板121上面まで除去した後、レジスト125とSiO2膜124を除去する。このとき、サファイヤ基板121が少しエッチングされてもよい。
【0063】
次に、図4(c)に示すように、GaN層126を20μm程度選択成長させる。この時、横方向の成長により、最終的にストライプが合体して、表面が平坦化する。この時点で、バッファ層122とGaN層123からなる層のライン部上部には貫通転位が発生しているが、そのライン部間のGaN層126には貫通転位は発生していない。
【0064】
次いで、GaN層126上にSiO2膜127を形成し、図4(d)に示すように、前記バッファ層122とGaN層123が残ってできたライン部間のスペース部の中央に位置するSiO2膜127を3μm程除去する。
【0065】
次に、図4(e)に示すように、成長温度を1050℃にしてGaN層128を20μm程度選択成長させる。この時横方向の成長により、最終的にストライプが合体し、表面が平坦化する。
【0066】
次いで、GaN層128上にSiO2膜129を形成し、図4(f)に示すように、残ったSiO2膜127の中央に位置するSiO2膜129を幅3μm程度除去し、その上に、成長温度を1050℃にして、GaN層130を20μm程度選択成長させる。
【0067】
最後に、図4(g)に示すように、上記のように作成したGaN基板上に、n−GaN層131を100〜200μm程度成長させた後、サファイア基板からGaN層130までを除去し、n‐GaN層131を後述の図5に示すn型GaN基板141とする。
【0068】
次に、図5に示すように、上記のようにして作製されたn型GaN基板141上に、n−GaNバッファ層142、150ペアのn−Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層143、n−GaN光導波層144、n−In0.02Ga0.98N(10.5nm)/n−In0.15Ga0.85N(3.5nm)三重量子井戸活性層145、p−Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層146、p−GaN光導波層147、150ペアのp−Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層148、p−GaNコンタクト層149を積層する。ここでは、p型の不純物としてMgを使用する。このMgの活性化のために成長後窒素雰囲気中で熱処理するか、または窒素リッチ雰囲気で成長を実施するかのいずれかの方法を用いてもよい。
【0069】
次に、ストライプ領域に開口(開口幅4μm)を有するSiO2膜150を形成する。なお、ストライプ領域は100μmピッチで形成される。ストライプ領域の開口を覆うようにしてNi/Auよりなるストライプ状のp電極151を形成する。次に、基板141を研磨し、Ti/Auよりなるn電極152を形成し、劈開して形成した共振器面に高反射コート、低反射コートを行い、その後、さらにへき開して共振器長400μm、長さ約1cmの半導体レーザ素子LDを完成させる。
【0070】
図5に示すようにLDは、100μmピッチで形成された発光幅4μmのキャビティ155を有するマルチキャビティ半導体レーザ素子であり、素子としての発光幅は400μmであり、出力200〜1000mWに達する。
【0071】
なお、実施形態において使用される半導体レーザ素子としては、マルチキャビティのものに限らず、シングルキャビティの素子であってもよい。例えば、上記半導体レーザ素子の製造方法において、ストライプ領域の開口幅を50μmとし、へき開により1つのストライプ領域のみを有するチップとすれば、発光幅50μm、出力500〜2000mWに達するシングルキャビティの素子を得ることができる。
【0072】
但し、本発明はこのような高出力半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールに限るものではなく、発光幅数μm、出力20〜100mW程度のシングルモードレーザを備えたものであってもよい。
【0073】
また、本発明のレーザモジュールにおいては、シングルキャビティの半導体レーザを1つもしくは複数備える形態、マルチキャビティの半導体レーザを1つもしくは複数備える形態いずれであってもよい。
【0074】
図6は、本発明の第2の実施形態のレーザモジュールの平面図を示すものである。
【0075】
本実施の形態によるレーザモジュールは、ヒートブロック70上に配列固定された5個のチップ状態のシングルキャビティGaN系半導体レーザLD11〜15と、集光レンズアレイ72とが、5つの光導波路を有する光導波路部材60を一壁面に備えたパッケージ80内に収容され、5本の光ファイバ73の入射端がそれぞれマルチファイバフェルール90に挿入されて、光導波路部材60の光導波路に各光ファイバのコアが光学的に接続するように密着固定されてなるものである。このレーザモジュールは、ファイバアレイ型のレーザモジュールであり、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをそれぞれ異なる光ファイバに結合させるものである。
【0076】
光導波路部材60は、5つの細孔を有するマルチファイバフェルール62と、該5つの細孔にそれぞれ備えられた光ファイバ素線64とから構成されており、フェルール62と光ファイバ素線64とは、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接で封止固定されている。また、光導波路部材60は、パッケージ80に固着された筒状の保持部85に挿入されて、パッケージ内側でフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接で封止固定されている。
【0077】
GaN系半導体レーザ素子LD11〜15から発散光状態で出射したレーザービームB11〜15は、それぞれ集光レンズアレイ72を構成する各集光レンズによって集光されてそれぞれ光導波路部材60の各光導波路である光ファイバ素線64の入射端に収束される。5本の光ファイバ73はマルチファイバフェルール90にその先端が被膜を剥いだ状態で挿入され、マルチファイバフェルール90ごと光導波路部材のフェルール62に密着固定される。各レーザビームB11〜15はそれぞれ異なる光ファイバ素線64に結合して、光導波路を導波して各光ファイバ73の入射端に結合し、さらに該光ファイバを導波して図示しない出射端から出射される。
【0078】
本実施形態のレーザモジュールにおいても、パッケージ80は脱気処理後に気密封止されており、各部材の固定およびパッケージ封止は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤が用いられ、あるいは融着もしくは溶接によりなされている。したがって、パッケージ80内部において、Si系有機ガスの発生がほとんどないので、光密度の高い部分へのSi系有機ガスの光分解による堆積物の付着を効果的に防止することができる。また、パッケージ内に酸素を含有するガスが封入されているため、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面等への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。すなわち、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0079】
図7は、本発明の第3の実施形態のレーザモジュールの平面図を示すものである。
【0080】
本実施形態のレーザモジュールは、GaN系半導体レーザ素子LDを内部に備え気密封止されたCANパッケージ110と、集光レンズ12とが、光導波路部品30が固着された開口16を有するパッケージ40内に収容され、1本の光ファイバ13がパッケージ40の外部で光導波路部品30にその入射端を押し付けるようにして密着固定されてなるものである。ここでは、第1の実施形態のレーザモジュールと同等の要素には同符号を付し詳細な説明を省略する。
【0081】
CANパッケージ110、集光レンズ12はベース板105上の各固定部材に、半導体レーザ素子LDから出射されたレーザビームBが集光レンズ12により光導波路部品30のファイバ素線34の一端34aで収束するように配置固定されている。それぞれの固定には、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含まない接着剤が用いられている。なお、融着もしくは溶接により固定されてもよい。
【0082】
本実施形態においては、半導体レーザ素子LDが、CANパッケージ110中に備えられている。CANパッケージは、内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止されたものである。半導体レーザ素子LDは、脱気処理され気密封止されたCANパッケージ110内に備えられており、CANパッケージ110の脱気処理時には、光ファイバ13を脱気処理装置内に配することはないので、光ファイバ13の樹脂皮膜からの脱ガスによる影響を受けない。さらに、このCANパッケージ110は気密封止されたパッケージ40の内部に備えられているため、集塵効果をより抑制することができ、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。特に上述の製造方法により製造されるGaN系半導体レーザ素子のような発振波長400nm帯の高出力半導体レーザ素子を備えた場合には、集塵効果が顕著であるため、本実施形態のように半導体レーザ素子を2重にパッケージで内包した構造とする効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す平面図
【図2】第1の実施の形態によるレーザモジュールの側断面図
【図3】他の実施の形態によるレーザモジュールの一部拡大側断面図
【図4】GaN系半導体レーザ素子の基板作製方法を示す断面図
【図5】GaN系半導体レーザ素子の断面図
【図6】本発明の第2の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す平面図
【図7】本発明の第3の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す側断面図
【符号の説明】
LD,LD1〜8 半導体レーザ素子
B,B1〜8 レーザビーム
10 ヒートブロック
11 レンズアレイ
12 集光レンズ
13 光ファイバ
13a 光ファイバ素線
13b 樹脂被膜
20 フェルール
30 光導波路部品
32 フェルール
34 光ファイバ素線
36 レセプタクル(保持部)
40 パッケージ
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザモジュールおよびその製造方法に関し、特に、400nm帯の発振波長の半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射したレーザビームを伝送するための光ファイバとを備えたレーザモジュールおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来より、気密封止されたパッケージ内に収容された半導体レーザ素子と、一端(光入射端)がこのパッケージの内部を臨む状態にして該パッケージに固定された光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを光ファイバの光入射端に結合させる集光光学系とを備えてなるレーザモジュールは、いわゆるピッグテール型レーザモジュールとして、光通信部品として一般的に知られている。
【0003】
レーザモジュール内部においては、半導体レーザと光ファイバの光入射端とが光学的に結合された状態をマイクロメートルオーダで安定的に維持するために、光ファイバおよび集光光学系等は、通常、半田もしくは接着剤等の接着手段を用いて固定されている。
【0004】
光ファイバは、その素線のままでは傷がつきやすく、その傷をきっかけに折れてしまうので被膜が施されている。市販の光ファイバでは、UV硬化樹脂による1次被膜、ポリマーによる2次被膜が施されている。レーザモジュール内部や固定時には有機被膜を取り除いた後に金属薄膜により素線を被膜する、いわゆるメタライズを施すことが一般的に行われている。これはファイバ素線の傷つき防止効果と、半田固定作業のための半田との親和性を向上させる目的を有しており、メタライズを施すの先端の25mm以下とするのが一般的である。
【0005】
ファイバの先端を保護し、研磨やハンドリングを容易にするために、ジルコニアセラミック、あるいはガラスで構成されるフェルールと呼ばれる部品がある。また、光ファイバを同士を接続する際には、SC型、FC型、MU型、LC型などのコネクタが市販されているが、これらはどれも2本のファイバの先端にフェルールを取り付けて研磨を行い、両者を押し当てることによって低損失かつ作業性の容易なファイバを実現している。
【0006】
特許文献1では、このフェルールをレーザモジュールのパッケージの壁面に固定し、半導体レーザと光学的に結合することで、コネクタの着脱により光ファイバをパッケージから着脱可能な構造が開示されている。また、特許文献2では、レセプタクル構造とすることで、パッケージから光ファイバを着脱可能な構造を開示している。
【0007】
さて、一方、レーザモジュールにおいて、気密封止されたパッケージ内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、集光光学系および光ファイバ等の光学部品に付着して、レーザ特性を劣化させるという問題が知られている。特に、光密度の高い部分において物質が付着する効果(集塵効果)が顕著である。さらに、GaN系半導体レーザ素子等の350〜450nm(400nm帯)の波長のレーザビームを出射する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールにおいては、光子エネルギーが高く、物質との光化学反応がより起きやすくなるために、集塵効果がより顕著に現れる。
【0008】
汚染物質の1つとしては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素化合物が挙げられ、この炭化水素が、レーザ光により重合あるいは分解されて分解物が付着し、出力の向上を妨げることが知られている。
【0009】
また、空中を浮遊している低分子シロキサンが紫外線による光化学反応で酸素と反応し、光学ガラス窓部品にSiOxの形で堆積、付着することが開示されており、このため、大気と接する「窓」部材の定期的な交換を推奨している(例えば、特許文献3参照)。
【0010】
そこで、この集塵効果を防止するために、種々の提案がなされている。例えば、炭化水素化合物等を分解することを目的とした酸素を100ppm以上封止ガスに混入させることが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
【0011】
また、400nm以下の紫外線を光学部品に照射する光学系において、光学部品の雰囲気を99.9%以上の窒素とすることが提案されている(例えば、特許文献5参照)。
【0012】
さらに、パッケージを封止する直前に、パッケージ内部の脱気処理を行うことが集塵効果の防止に効果があることも知られている。
【0013】
【特許文献1】
特開平8−43690号公報
【0014】
【特許文献2】
特開平8−334654号公報
【0015】
【特許文献3】
特開平11−54852号公報
【0016】
【特許文献4】
米国特許5392305号公報
【0017】
【特許文献5】
特開平11−167132号公報
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1および2に記載のような、パッケージ内に被膜つき光ファイバが内包されていない構造とすることにより、パッケージ脱気時に光ファイバ被膜から発生する汚染物質、および光ファイバ固定に用いられる接着剤もしくは半田等からの汚染物質は低減されると考えられる。
【0019】
しかしながら、壁面に挿入されているフェルールにファイバを固定するレーザモジュールの場合、一般的にはファイバ被膜を一部剥いでフェルール細孔に挿入し、UV被膜樹脂を用いて光ファイバ素線をフェルールに固定する。光通信に使用する赤外線の場合は、これら接着剤の使用に問題はなかったが、上述のGaN系半導体レーザ素子のように400nm帯の高エネルギーのレーザビームを出射するレーザ素子を備えたモジュールを構成する場合、通常のUV硬化樹脂では上記集塵効果を引き起こす揮発ガス成分が含まれており、長期信頼性が減少する。
【0020】
本発明は上記事情に鑑み、汚染物質の付着を抑制した高出力および高信頼性が得られる、波長400nm帯のレーザビームを出射する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザモジュールは、一端が内部を臨み、他端が外部を臨む光導波路を有する光導波路部品を一壁面に備えた、気密封止されたパッケージと、
前記パッケージの内部に配置された、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを前記光導波路の前記一端に集光する、前記パッケージの内部に配置された集光光学系と、
前記パッケージの外部に配置された、前記光導波路の他端と光学的に結合される入射端を備えた光ファイバとからなり、
前記光導波路部品が、前記一壁面にフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定されていることを特徴とするものである。
【0022】
前記パッケージ内部の雰囲気が、1ppm以上の酸素と不活性ガスとの混合ガスであることが望ましい。
【0023】
前記光導波路部品の光導波路は、効率よい光伝送のために、そのコア径およびNAが、前記光ファイバのコア径およびNAと同等以下であることが望ましい。
【0024】
さらに、前記光導波路部品が、フェルールと該フェルールの内部に挿入された、前記光導波路を構成する光ファイバ素線とからなり、前記フェルールと前記光ファイバ素線とが半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは、融着もしくは溶接により固定されていることが望ましい。
【0025】
本発明のレーザモジュール製造方法は、光出射開口を有する気密封止可能なパッケージの一壁面に、光導波路を備えた光導波路部品を、該光導波路の一端が前記パッケージの内部を臨み、他端が前記パッケージの外部を臨むように配置して、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により、前記開口を封止するように固定するとともに、前記パッケージ内部に、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と集光光学系とを、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームが前記集光光学系により前記光導波路の前記一端に集光されるように配置固定し、
前記パッケージの内部を脱気処理し、
該脱気処理後、前記パッケージを気密封止し、
その後、前記パッケージの外部に配された光ファイバの入射端に前記レーザビームが光学的に結合するように、該光ファイバの入射端を前記光導波路の前記他端に密着させて固定するものであることを特徴とするものである。
【0026】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールによれば、光導波路を有する光導波路部品を一壁面に備えた1つのパッケージ内に半導体レーザ素子と集光光学系が備えられて密封され、光ファイバはパッケージ外部に固定されているので、パッケージ内の脱気処理を光ファイバ装着前に行うことができ、光ファイバの被覆からの脱ガスによるパッケージ内の汚染が生じない。光導波路部品を、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定しているので、Si系化合物が発生せず、該有機物ガスが光学部品に付着して、光学部品の透過率が変化したり、また、それによる光出力の低下あるいは光ノイズの発生を防止することができ、高出力まで信頼性の高い光出力を得ることができる。また、発振波長が350nm〜450nmである半導体レーザ素子を備えているため、半導体レーザ素子端面やレーザビームが集光される光導波路の一端においては特に光密度が高くなり、集塵効果が大きくなるが、光ファイバの被膜からの脱ガスによる汚染がなく、また、Si系有機物ガスが発生しない構成であるため、汚染防止の付着の防止効果が特に有効である。
【0027】
このように本発明のレーザモジュールによれば、パッケージ内における汚染物質の付着すなわち集塵効果を抑制することができるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0028】
パッケージ内部の雰囲気が1ppm以上の酸素と不活性ガスの混合ガスであれば、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。
【0029】
光導波路部品が、フェルールと該フェルールの内部に挿入された、前記光導波路を構成する光ファイバ素線とからなるものであれば、外部に配される光ファイバとの効率よい光伝送ができる。
【0030】
本発明のレーザモジュールの製造方法においては、光ファイバをパッケージに固着する前に、パッケージ内の脱気処理を行うので、光ファイバの被膜からのガスによる汚染を生じない。また、光ファイバをパッケージの外側に最後に固定するので、パッケージ封止までの工程で光ファイバを取り扱う必要がないためモジュールの製造が簡便なものとなる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0032】
本発明の第1の実施の形態によるレーザモジュールについて説明する。図1および図2は、そのレーザモジュールの概略形状を示す平面図および側断面図である。
【0033】
本実施の形態によるレーザモジュールは、図1および図2に示すように、銅または銅合金からなるヒートブロック(放熱ブロック)10上に配列固定された一例として8個のGaN系半導体レーザLD1〜8と、コリメータレンズアレイ11と、集光レンズ12とが、光導波路部品30が固着された開口16を有するパッケージ40内に収容され、1本の光ファイバ13がパッケージ40の外部で光導波路部品30にその入射端を押し付けるようにして密着固定されてなるものである。
【0034】
なおこの図1および2は、本実施の形態のレーザモジュールの基本構成を示すものであり、コリメータレンズアレイ11および集光レンズ12の形状は概略的に示してある。また図の煩雑化を避けるため、GaN系半導体レーザ素子のうち両端に配されている素子LD1およびLD8にのみ符号を付し、またレーザビームB1〜B8のうちB1およびB8にのみ符号を付してある。また、理解を容易にするために一部断面図で示している。なお、GaN系半導体レーザLD1〜8は、例えばAlNからなるサブマウント上に固設されたものをヒートブロック10に取付けてもよい。
【0035】
光導波路部品30は、フェルール32と該フェルール32の細孔に通されて封止固定されている光ファイバ素線34とからなり、フェルール32を保持する保持部36を介してパッケージの一壁面に固着されている。光ファイバ素線34が光導波路としてパッケージ40の内部からパッケージ外部にレーザビームBを導光するものである。
【0036】
フェルール32は、円柱状のジルコニアセラミックの中心に細孔が設けられたものである。フェルール32と光ファイバ素線34との封止固定は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により行う。光ファイバ素線34は、パッケージの外部に配される光ファイバ13と同じものを用いることが望ましい。フェルール32に光ファイバ素線34が封止固定された状態で両端面が研磨されており、少なくともパッケージ内部を臨む端面にARコーティングが施されている。なお、フェルール32のパッケージ内部を望む端面は、研磨により平面もしくは球面とされていることが望ましい。また、フェルールはガラス製でも金属製でもよい。なお、ガラス製フェルールの場合は、表面に金属コーティングが施されていることが望ましい。
【0037】
GaN系半導体レーザ素子LD1〜8から発散光状態で出射したレーザービームB1〜8は、それぞれレンズアレイ11によって平行光化される。
【0038】
半導体レーザ素子LD1〜8、レンズアレイ11、集光レンズ12および光導波路部品30は、平行光とされたレーザビームB1〜8が、集光レンズ12によって集光され、光導波路部品30の光ファイバ素線34の一端34aで収束するように調芯されている。
【0039】
光ファイバ13はその光入射端の被膜が剥がされた状態でフェルール20に挿入されており、光ファイバ13の素線13aの光入射端が光導波路である光ファイバ素線34の出射端に密着するように、フェルール20ごとフェルール34に密着される。本例ではレンズアレイ11および集光レンズ12によって集光光学系19が構成され、それと光ファイバ13とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ12によって上述のように集光されたレーザビームB1〜8がこの光ファイバ13のコアに入射して光ファイバ13内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されて光ファイバ13の図示しない出射端面から出射する。光ファイバ13は、フェルール20に挿入されている部分を除いて光ファイバ素線13aが樹脂層13bにより被覆されてなるものである。
【0040】
なお光ファイバ13としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【0041】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定され、このベース板42の上面にヒートブロック10が取り付けられ、そしてこのヒートブロック10にレンズアレイ11を保持するコリメータレンズホルダ44が固定されている。さらにベース板42の上面には、集光レンズ12を保持する集光レンズホルダ45が固定されている。パッケージ40の一壁面には光導波路部材を保持する、フェルールの外径よりわずかに大きな内径を有する円筒形の保持部が取り付けられている。フェルールは、この保持部に挿入され、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止固定されている。またGaN系半導体レーザ素子LD1〜8に駆動電流を供給する配線類47は、パッケージ40の光導波路部品が固定されている壁面と対向する壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。なお、パッケージ40には全面に金メッキが施されている。
【0042】
なお、レンズアレイ11および集光レンズ12は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着、溶接により固定されている。
【0043】
なお、図中斜線で示す部分は封止部もしくは固定部であり、上述の通り、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止もしくは固定されている。
【0044】
次に、本実施形態のレーザモジュールの製造方法について説明する。
【0045】
全面に金メッキが施されたパッケージ40の一壁面には導電用の端子が取り付けられており、パッケージ40の上面は開放されている。パッケージの内部には、複数の半導体レーザ素子がヒートブロックに半田固定されており、導電用端子とワイヤボンティングにより電気的に接続されている。光導波路部品30をパッケージ40の壁面の保持部に通し、レンズアレイ11および集光レンズ12を、複数の半導体レーザ素子から発せられた光を、光導波路部品の光ファイバ素線のコアと効率よく結合させるように調芯を行い、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤あるいは、融着もしくは溶接により固定する。
【0046】
その後、レーザの長期信頼性を低減させる原因となるパッケージ内部の揮発成分を除去するために、パッケージ40を脱気処理装置に入れて、1ppm以上の酸素を含有する不活性ガス雰囲気中で90℃に加熱して脱気処理を行う。脱気処理後、パッケージ40上面に蓋41を設け、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により封止する。
【0047】
その後、先端にフェルール20を備えた光ファイバ13の、該フェルール20を保持部36に挿入し、光導波路部品30であるフェルール32にフェルール20を押し当てて密着させて、光ファイバ素線34と光ファイバ13の素線13aを光学的に結合させる。フェルール20を備えた光ファイバ13の入射端は、フェルール球面研磨することが望ましい。これによりフェルールを押しつける際に入射端に空気を含まないようにすることができる。光ファイバ13の入射端を光導波路である光ファイバ素線34に結合させた状態で、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接によりフェルール20を保持部36に固定する。
【0048】
このように、本発明のレーザモジュールの製造方法によれば、樹脂被膜13bを有する光ファイバ13がパッケージ40に取り付けられる前にパッケージ内の脱気処理を行うことができるので、パッケージ内の脱気処理において光ファイバの樹脂皮膜からの脱ガスによりパッケージ内が汚染されるという虞がない。
【0049】
また、パッケージ40内におけるレンズアレイ11、集光レンズ12、光導波路部材であるフェルール等の各部材の固定には、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接によって行っているため、Si系有機ガスの発生がほとんどないので、光密度の高い部分へのSi系有機ガスの光分解による堆積物の付着を効果的に防止することができる。また、パッケージ内に酸素を含有するガスが封入されているため、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面等への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。すなわち、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0050】
Si系有機物を含まない接着剤としては、例えば、特開2001−177166号公報記載の脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および触媒量のオニウム塩光反応開始剤を含有する接着性組成物であって、シランカップリング剤を含まない接着性組成物からなるものが挙げられる。
【0051】
また、フラックスフリー半田としては、例えば、Sn−Pb、Sn−In、Sn−Pb−In、Au−Sn、Ag−Sn、Sn−Ag−In等が挙げられる。通常の半田材に含まれるフラックスは汚染の要因となるが、フラックスフリーの半田を用いれば汚染物質を発生させる虞がない。なお、環境に配慮して鉛フリー半田を使用することが望ましい。
【0052】
溶接は市販のシーム溶接機、例えば日本アビオニクス社製のシーム溶接機を利用して行うことができる。具体的には、パッケージに蓋を載せ、パッケージの蓋と筐体の境界部にシーム溶接機により高電圧を印加することでパッケージの溶接封止を行うことができる。また、融着は市販の融着機、例えば、FITEL S−2000を用いて行うことができる。
【0053】
なお、パッケージに充填するガスとしては、上述の通り1ppm以上の酸素と不活性ガスとの混合ガスが望ましいが、さらに、ハロゲン族ガスもしくはハロゲン化合物ガスの少なくともいずれか一方が混入されていてもよい。また、大気と同じ比率の窒素、酸素混合ガスであるクリーンエアを用いてもよい。
【0054】
封止雰囲気中に1ppm以上の濃度の酸素が含まれると、レーザモジュールの劣化を抑制することができる。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有される酸素が、炭化水素成分の光分解により発生した固形物を酸化分解するためである。一方、酸素濃度が1ppm未満であると、劣化抑制効果が得られない。
【0055】
ハロゲン族ガスとは、塩素ガス(Cl2)、フッ素ガス(F2)等のハロゲンガスであり、ハロゲン化合物ガスとは、塩素原子(Cl)、臭素原子(Br)、ヨウ素原子(I)、フッ素原子(F)等のハロゲン原子を含有するガス状の化合物である。
【0056】
ハロゲン化合物ガスとしては、CF3Cl、CF2Cl2、CFCl3、CF3Br、CCl4、CCl4−O2、C2F4Cl2、Cl−H2、CF3Br、PCl3、CF4、SF6、NF3、XeF2、C3F8、CHF3等が挙げられるが、フッ素又は塩素と炭素(C)、窒素(N)、硫黄(S)、キセノン(Xe)との化合物が好ましく、フッ素原子を含有するものが特に好ましい。
【0057】
ハロゲン系ガスは微量でも劣化抑制効果を発揮するが、顕著な劣化抑制効果を得るためには、ハロゲン系ガスの含有濃度を1ppm以上とするのが好ましい。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有されるハロゲン系ガスが有機珪素化合物ガスの光分解により発生した堆積物を分解するためである。
【0058】
なお、図3にレーザモジュールの他の実施形態の一部拡大側断面図を示すように、パッケージ40の光出射開口16に光導波路部材であるフェルール32を保持する保持部材としてフェルール32と嵌合する装着器(レセプタクル)50を備え、さらに、光ファイバ13の先端に備えられているフェルール20にレセプタクル40と嵌合するコネクタ56を備えるようにしてもよい。レセプタクル40およびコネクタ56を備えることにより、光ファイバ13のパッケージ40への装着をより簡便なものとすることができる。図3に示すように、光導波路部材のフェルール32は、レセプタクル40に嵌装され、パッケージ内部側でフェルール32を保持部50に封止固定されている。また、光ファイバ13の先端のフェルール32は、コネクタ56をレセプタクル40と嵌合させることにより、フェルール20をレセプタクル50に嵌装するとともに、フェルール同士を密着固定するものである。コネクタ56はバネ58を備えており、フェルール32の後端側からフェルール20を光導波路30側に押圧する。半田等の接着材料を用いないために、光ファイバ13の取り付けおよび取外しが非常に簡便なものとなる。
【0059】
上記実施形態においては、光導波路部材が、その光導波路と光学的に接続する光ファイバと同一仕様の光ファイバの素線とフェルールとからなるものを用いるものとしたが、接続される光ファイバとは異なる仕様の光ファイバを用いてもよい。また、LiNbO3基板上にTiを拡散して設けた光導波路、周期屈折率構造を構成したフォトニック結晶を光導波路部材として用いてもよい。しかしながら、パッケージ内の光学素子と外の光ファイバとをつなぐ光ファイバ、もしくは光導波路は、効率よい光伝送のために、接続する光ファイバと同一の光ファイバを使用することがより望ましい。異なる部材を用いる場合には、導波路のコア径もしくは有効径が接続する光ファイバのコア径もしくは有効径と同等もしくは小さいことが望ましく、導波路のNAは接続する光ファイバのNAと同等もしく小さいことが望ましい。
【0060】
次に、上記実施形態において用いられる半導体レーザ素子の一例としてGaN系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【0061】
図4(a)に示すように、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム(TMG)とアンモニアを成長用原料に用い、n型ドーパントガスとしてシランガスを用い、p型ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、(0001)C面サファイヤ基板121上に、温度500℃でGaNバッファ層122を20nm程度の膜厚で形成する。続いて、温度を1050℃にしてGaN層133を2μm程度成長させる。その上に、SiO2膜124を形成し、レジスト125を塗布後、通常のリソグラフィを用いて、
【数1】
方向に3μm幅のSiO2膜124を除去して、幅7μm程度のSiO2膜124のライン部を形成することにより、10μm程度の周期のラインアンドスペースのパターンを形成する。
【0062】
次に、図4(b)に示すように、レジスト125とSiO2膜124をマスクとして、塩素系のガスを用いてバッファ層122とGaN層123をドライエッチングによりサファイヤ基板121上面まで除去した後、レジスト125とSiO2膜124を除去する。このとき、サファイヤ基板121が少しエッチングされてもよい。
【0063】
次に、図4(c)に示すように、GaN層126を20μm程度選択成長させる。この時、横方向の成長により、最終的にストライプが合体して、表面が平坦化する。この時点で、バッファ層122とGaN層123からなる層のライン部上部には貫通転位が発生しているが、そのライン部間のGaN層126には貫通転位は発生していない。
【0064】
次いで、GaN層126上にSiO2膜127を形成し、図4(d)に示すように、前記バッファ層122とGaN層123が残ってできたライン部間のスペース部の中央に位置するSiO2膜127を3μm程除去する。
【0065】
次に、図4(e)に示すように、成長温度を1050℃にしてGaN層128を20μm程度選択成長させる。この時横方向の成長により、最終的にストライプが合体し、表面が平坦化する。
【0066】
次いで、GaN層128上にSiO2膜129を形成し、図4(f)に示すように、残ったSiO2膜127の中央に位置するSiO2膜129を幅3μm程度除去し、その上に、成長温度を1050℃にして、GaN層130を20μm程度選択成長させる。
【0067】
最後に、図4(g)に示すように、上記のように作成したGaN基板上に、n−GaN層131を100〜200μm程度成長させた後、サファイア基板からGaN層130までを除去し、n‐GaN層131を後述の図5に示すn型GaN基板141とする。
【0068】
次に、図5に示すように、上記のようにして作製されたn型GaN基板141上に、n−GaNバッファ層142、150ペアのn−Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層143、n−GaN光導波層144、n−In0.02Ga0.98N(10.5nm)/n−In0.15Ga0.85N(3.5nm)三重量子井戸活性層145、p−Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層146、p−GaN光導波層147、150ペアのp−Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子クラッド層148、p−GaNコンタクト層149を積層する。ここでは、p型の不純物としてMgを使用する。このMgの活性化のために成長後窒素雰囲気中で熱処理するか、または窒素リッチ雰囲気で成長を実施するかのいずれかの方法を用いてもよい。
【0069】
次に、ストライプ領域に開口(開口幅4μm)を有するSiO2膜150を形成する。なお、ストライプ領域は100μmピッチで形成される。ストライプ領域の開口を覆うようにしてNi/Auよりなるストライプ状のp電極151を形成する。次に、基板141を研磨し、Ti/Auよりなるn電極152を形成し、劈開して形成した共振器面に高反射コート、低反射コートを行い、その後、さらにへき開して共振器長400μm、長さ約1cmの半導体レーザ素子LDを完成させる。
【0070】
図5に示すようにLDは、100μmピッチで形成された発光幅4μmのキャビティ155を有するマルチキャビティ半導体レーザ素子であり、素子としての発光幅は400μmであり、出力200〜1000mWに達する。
【0071】
なお、実施形態において使用される半導体レーザ素子としては、マルチキャビティのものに限らず、シングルキャビティの素子であってもよい。例えば、上記半導体レーザ素子の製造方法において、ストライプ領域の開口幅を50μmとし、へき開により1つのストライプ領域のみを有するチップとすれば、発光幅50μm、出力500〜2000mWに達するシングルキャビティの素子を得ることができる。
【0072】
但し、本発明はこのような高出力半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールに限るものではなく、発光幅数μm、出力20〜100mW程度のシングルモードレーザを備えたものであってもよい。
【0073】
また、本発明のレーザモジュールにおいては、シングルキャビティの半導体レーザを1つもしくは複数備える形態、マルチキャビティの半導体レーザを1つもしくは複数備える形態いずれであってもよい。
【0074】
図6は、本発明の第2の実施形態のレーザモジュールの平面図を示すものである。
【0075】
本実施の形態によるレーザモジュールは、ヒートブロック70上に配列固定された5個のチップ状態のシングルキャビティGaN系半導体レーザLD11〜15と、集光レンズアレイ72とが、5つの光導波路を有する光導波路部材60を一壁面に備えたパッケージ80内に収容され、5本の光ファイバ73の入射端がそれぞれマルチファイバフェルール90に挿入されて、光導波路部材60の光導波路に各光ファイバのコアが光学的に接続するように密着固定されてなるものである。このレーザモジュールは、ファイバアレイ型のレーザモジュールであり、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをそれぞれ異なる光ファイバに結合させるものである。
【0076】
光導波路部材60は、5つの細孔を有するマルチファイバフェルール62と、該5つの細孔にそれぞれ備えられた光ファイバ素線64とから構成されており、フェルール62と光ファイバ素線64とは、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接で封止固定されている。また、光導波路部材60は、パッケージ80に固着された筒状の保持部85に挿入されて、パッケージ内側でフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接で封止固定されている。
【0077】
GaN系半導体レーザ素子LD11〜15から発散光状態で出射したレーザービームB11〜15は、それぞれ集光レンズアレイ72を構成する各集光レンズによって集光されてそれぞれ光導波路部材60の各光導波路である光ファイバ素線64の入射端に収束される。5本の光ファイバ73はマルチファイバフェルール90にその先端が被膜を剥いだ状態で挿入され、マルチファイバフェルール90ごと光導波路部材のフェルール62に密着固定される。各レーザビームB11〜15はそれぞれ異なる光ファイバ素線64に結合して、光導波路を導波して各光ファイバ73の入射端に結合し、さらに該光ファイバを導波して図示しない出射端から出射される。
【0078】
本実施形態のレーザモジュールにおいても、パッケージ80は脱気処理後に気密封止されており、各部材の固定およびパッケージ封止は、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤が用いられ、あるいは融着もしくは溶接によりなされている。したがって、パッケージ80内部において、Si系有機ガスの発生がほとんどないので、光密度の高い部分へのSi系有機ガスの光分解による堆積物の付着を効果的に防止することができる。また、パッケージ内に酸素を含有するガスが封入されているため、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面等への炭化水素化合物の付着を効果的に防止することができる。すなわち、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。
【0079】
図7は、本発明の第3の実施形態のレーザモジュールの平面図を示すものである。
【0080】
本実施形態のレーザモジュールは、GaN系半導体レーザ素子LDを内部に備え気密封止されたCANパッケージ110と、集光レンズ12とが、光導波路部品30が固着された開口16を有するパッケージ40内に収容され、1本の光ファイバ13がパッケージ40の外部で光導波路部品30にその入射端を押し付けるようにして密着固定されてなるものである。ここでは、第1の実施形態のレーザモジュールと同等の要素には同符号を付し詳細な説明を省略する。
【0081】
CANパッケージ110、集光レンズ12はベース板105上の各固定部材に、半導体レーザ素子LDから出射されたレーザビームBが集光レンズ12により光導波路部品30のファイバ素線34の一端34aで収束するように配置固定されている。それぞれの固定には、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含まない接着剤が用いられている。なお、融着もしくは溶接により固定されてもよい。
【0082】
本実施形態においては、半導体レーザ素子LDが、CANパッケージ110中に備えられている。CANパッケージは、内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止されたものである。半導体レーザ素子LDは、脱気処理され気密封止されたCANパッケージ110内に備えられており、CANパッケージ110の脱気処理時には、光ファイバ13を脱気処理装置内に配することはないので、光ファイバ13の樹脂皮膜からの脱ガスによる影響を受けない。さらに、このCANパッケージ110は気密封止されたパッケージ40の内部に備えられているため、集塵効果をより抑制することができ、レーザモジュール全体として集塵効果が抑制されるので光出力を向上させることができ、また高い信頼性を得ることができる。特に上述の製造方法により製造されるGaN系半導体レーザ素子のような発振波長400nm帯の高出力半導体レーザ素子を備えた場合には、集塵効果が顕著であるため、本実施形態のように半導体レーザ素子を2重にパッケージで内包した構造とする効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す平面図
【図2】第1の実施の形態によるレーザモジュールの側断面図
【図3】他の実施の形態によるレーザモジュールの一部拡大側断面図
【図4】GaN系半導体レーザ素子の基板作製方法を示す断面図
【図5】GaN系半導体レーザ素子の断面図
【図6】本発明の第2の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す平面図
【図7】本発明の第3の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す側断面図
【符号の説明】
LD,LD1〜8 半導体レーザ素子
B,B1〜8 レーザビーム
10 ヒートブロック
11 レンズアレイ
12 集光レンズ
13 光ファイバ
13a 光ファイバ素線
13b 樹脂被膜
20 フェルール
30 光導波路部品
32 フェルール
34 光ファイバ素線
36 レセプタクル(保持部)
40 パッケージ
Claims (4)
- 一端が内部を臨み、他端が外部を臨む光導波路を有する光導波路部品を一壁面に備えた、気密封止されたパッケージと、
前記パッケージの内部に配置された、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを前記光導波路の前記一端に集光する、前記パッケージの内部に配置された集光光学系と、
前記パッケージの外部に配置された、前記光導波路の他端と光学的に結合される入射端を備えた光ファイバとからなり、
前記光導波路部品が、前記一壁面にフラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定されていることを特徴とするレーザモジュール。 - 前記パッケージ内部の雰囲気が、1ppm以上の酸素と不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項1記載のレーザモジュール。
- 前記光導波路部品が、フェルールと該フェルールの内部に挿入された、前記光導波路を構成する光ファイバ素線とからなり、
前記フェルールと前記光ファイバ素線とが、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により固定されていることを特徴とする請求項1または2記載のレーザモジュール。 - 光出射開口を有する気密封止可能なパッケージの一壁面に、光導波路を備えた光導波路部品を、該光導波路の一端が前記パッケージの内部を臨み、他端が前記パッケージの外部を臨むように配置して、フラックスフリー半田もしくはSi系有機物を含有しない接着剤を用いて、あるいは融着もしくは溶接により、前記開口を封止するように固定するとともに、前記パッケージ内部に、発振波長が350nm〜450nmである1つもしくは複数の半導体レーザ素子と集光光学系とを、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームが前記集光光学系により前記光導波路の前記一端に集光されるように配置固定し、
前記パッケージの内部を脱気処理し、
該脱気処理後、前記パッケージを気密封止し、
その後、前記パッケージの外部に配された光ファイバの入射端に前記レーザビームが光学的に結合するように、該光ファイバの入射端を前記光導波路の前記他端に密着させて固定するものであることを特徴とするレーザモジュールの製造方法。
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