JP2011096957A

JP2011096957A - Ｖｃｓｅｌの故障検出方法および故障検出装置

Info

Publication number: JP2011096957A
Application number: JP2009251731A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakada; 敦中田; Chiemi Yamagata; 智枝美山形; Satoshi Tanaka; 聡田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US20120242990A1; CN102598438A; CN102598438B; WO2011052785A1; US8681327B2; EP2498349A1

Abstract

【課題】ダメージを受けたＶＣＳＥＬを、短時間に且つ安価に検出する技術を提案する。
【解決手段】図３（ａ）は、ＥＳＤダメージを受ける前のマルチモードＶＣＳＥＬの発光スペクトラムを示しており、活性層（ＭＱＷ）及び上下の反射鏡（ＤＢＲ）の構造に対応した数分のピークを示す発光スペクトラムが得られる。一方、図３（ｂ）に示すように、ＥＳＤダメージを受けたＶＣＳＥＬは、活性層にダメージがある場合、当初のピーク数よりも少ないピークを示す発光スペクトラムが得られる。したがって、光スペクトラムアナライザで発光スペクトラムを解析し、ピーク数が所定数、例えば、２以下となったときに、ＥＳＤダメージが発生したと判断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＶＣＳＥＬの故障検出方法および故障検出装置に関する。

半導体レーザには、基板面と平行方向に光を共振させその方向に光を出射させるタイプの他に、基板面に対して垂直方向に光を共振させ基板面と垂直方向に出射させるＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）がある。このＶＣＳＥＬは、システムの消費電力が小さい、低電流でも高速変調が可能、温度変化に対する特性変化の幅が少なく温度制御装置が簡易化できる等の利点が多く、ギガビットイーサネット（登録商標）やファイバチャンネルの光源、レーザプリンタ、光インターコネクトなどに応用分野が広がっている。

一方で、ＶＣＳＥＬは、ＥＳＤ（静電気放電；Electrostatic Discharge）によりダメージを受け、電気光学特性が劣化する故障が起こりやすいという課題がある。そこで、ＥＳＤによる損傷や故障の発生を検出する様々な技術が提案されている。たとえば、ＶＣＳＥＬがＥＳＤダメージを受けているかを判断する手段として、逆バイアスのリーク電流試験を行う技術が提案されている。

特表２００８−５２０１１３号公報

ところで、ＶＣＳＥＬは通常、図５に示すような、電流−発光パワー特性、電流−電圧特性や、図６に示すようなエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）測定等の各種の電気光学評価を行い、ＥＳＤによるダメージを受けているか否かを判断する。しかし、これらの測定は以下の様な理由から故障したＶＣＳＥＬの検出が難しいという課題がある。
（１）評価には、半導体パラメータシステムや光パワーメータ、赤外線カメラ、顕微鏡等の複数の設備が必要となる。
（２）ＶＣＳＥＬを設備に取り付けてから、測定完了するまでの測定時間が長い。
（３）レンズやパッケージで封止されたモジュール状態では、評価ができない。
（４）上記特許文献１に開示の技術においては、上述の通り、ＶＣＳＥＬがＥＳＤダメージを受けているかを判断する手段として、逆バイアスのリーク電流試験を行う。しかし、逆バイアスをＶＣＳＥＬへ印加する為には、電圧源、電流計や配線都合上の追加のパッドが必要となり、大がかりなシステムになってしまったり高コストになるという課題があった。
これらの理由から、ＶＣＳＥＬにおけるＥＳＤダメージを検知する別の技術が求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決することができ、ダメージを受けたＶＣＳＥＬを、短時間に且つ安価に検出する技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、ＶＣＳＥＬの故障検出方法に関する。この方法は、ＶＣＳＥＬの出力光を取得する工程と、前記出力光の発光スペクトラムを解析して、発光スペクトラムのピーク数を特定する工程と、前記ピーク数が、所定数より小さいときに、前記ＶＣＳＥＬに故障が発生していると判断する工程と、を備える。
また、前記所定数は、前記ＶＣＳＥＬの活性層及び当該活性層の上下に形成される反射鏡の構造に対応してもよい。
本発明の別の態様は、ＶＣＳＥＬの故障検出装置に関する。この故障検出装置は、検査対象のＶＣＳＥＬの出力光を取得し、前記出力光の発光スペクトラムを解析して、発光スペクトラムのピーク数を特定し、前記ピーク数が、故障が発生していない状態の前記ＶＣＳＥＬのピーク数である基準閾値より小さいときに、前記ＶＣＳＥＬに故障が発生していると判断する。

本発明によれば、ダメージを受けたＶＣＳＥＬを、短時間に且つ安価に検出する技術を提案することができる。

発明の実施形態に係る、一般的な酸化型マルチモードＶＣＳＥＬの構造を示した図である。発明の実施形態に係る、活性層と発振スペクトルの一般的な関係を示した概念図である。発明の実施形態に係る、ＥＳＤダメージが無いＶＣＳＥＬとＥＳＤダメージを受けたＥＳＤの発光スペクトルを示した図である。発明の実施形態に係る、ＥＳＤダメージを検出するシステムを示した図である。従来技術に係る、ＶＣＳＥＬの一般的な発光パワー特性を示した図である。従来技術に係る、ＥＬの画像を示した図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。ＶＣＳＥＬにフォワード及びリバース方向でのＥＳＤが印加され、ＶＣＳＥＬ内部にダメージが与えられた場合に、従来の各種電気光学評価を行う事なく、ＶＣＳＥＬの発光スペクトラムを測定するだけで、故障したＶＣＳＥＬを検出できる技術を提案する。

図１に、一般的な酸化型マルチモードＶＣＳＥＬの構造を示す。ＶＣＳＥＬは、活性層の上部に、選択酸化された電流狭窄径があり、上下に半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）が配置される構造となっている。また、活性層は、多重量子井戸（ＭＱＷ）の構造を有している。図２に、活性層と発振スペクトルの関係を示した概念図を示す。図示のように、ＭＱＷが中心波長とそのサイドモードの光を発振する重要な部分となっている。

ＥＳＤを印加させた場合、従来より、電気光学特性が劣化することが知られていた。さらに、種々の実験を行った結果、出力される光の中心波長とサイドモードに変化が表れるという知見が得られた。

図３に、ＥＳＤダメージが無いＶＣＳＥＬとＥＳＤダメージを受けたＶＣＳＥＬの発光スペクトル（「発振スペクトラム」ともいう）を示す。図３（ａ）は、ＥＳＤダメージを受ける前のマルチモードＶＣＳＥＬの発光スペクトラムを示しており、活性層（ＭＱＷ）及び上下の反射鏡（ＤＢＲ）の構造に対応した数分のピークを示す発光スペクトラムが得られる。ここでは、３つのピークとなっている。一方、図３（ｂ）に示すように、ＥＳＤダメージを受けたＶＣＳＥＬは、活性層にダメージがある場合、当初のピーク数より少ないピークを示す発光スペクトラムが得られる。ここでは、二つのピークとなっている。

そこで、発光スペクトラムを検知できるシステムがあれば、ＥＳＤのダメージの有無が判別できる。図４に、上記の現象を検出するシステムを示す。検出システムとしては、複雑な測定は不要であり、図示のように、公知の光スペクトラムアナライザ５０を使用することで発光スペクトラムの変化を検知することが可能である。具体的には、ＶＣＳＥＬ２０を備える通信モジュール１０からの光出力を、光ファイバ３０を用いて光スペクトラムアナライザ５０に接続する。そして光スペクトラムアナライザ５０は、発光スペクトラムの解析を行い、図３に示したような表示態様で、解析結果を出力する。解析の結果、発光スペクトラムのピークが所定数より少ない場合、ＥＳＤによるダメージがＶＣＳＥＬ２０に発生していると判断される。そして、閾値となる所定数は、予め測定しておいたピーク数より少ない数に設定される。つまり、あらかじめ使用するＶＣＳＥＬ２０の出力光の発光スペクトラムを取得しピーク数を調べておく。つぎに、検査するＶＣＳＥＬ２０の出力光を取得し、発光スペクトラムを取得し得たピーク数が、先に取得しておいたピーク数より小さいときに、故障と判断する。

通信モジュール１０を作製する実装プロセスにおいて、ＥＳＤがどのプロセスで発生しＶＣＳＥＬ２０ヘダメージを与えるかを特定することは非常に難しい。従って、モジュール化した完成品の状態で、故障したＶＣＳＥＬ２０のスクリーニングを行うことが最も効果的である。

モジュール化したときに、ＩＶ（電流−電圧）特性等の電気特性でスクリーニングする場合は、モジュール内を複雑にしてしまう。また、ＩＬ（電流−光出力）特性をもとにスクリーニングする場合、モジュール化した状態だとモジュールの結合損失が含まれる為に、ＶＣＳＥＬ２０単体の発光強度は測定できない。

しかし、上述のように発光スペクトラムのピーク数を検出する手法によると、発光スペクトラムを測定するだけで、ＶＣＳＥＬ２０のＥＳＤダメージを検知することができる。従って、非常に簡単に安価な検査でスクリーニングが可能となる。つまり、電流−発光パワー特性、電流−電圧特性、ＥＬ測定をすることなく、発光スペクトラムだけを測定するだけで、故障したＶＣＳＥＬ２０を検出することができる。これにより、１台の故障検出設備（例えば、光スペクトラムアナライザ５０）で短時間に測定できることができる。さらに、封止されたモジュールであっても測定可能となり、非常に有効な出荷検査が可能となる。

以上、本発明を実施形態を基に説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、光スペクトラムアナライザ５０に、発光スペクトルの解析結果からピーク数を算出する手段を設け、ユーザが設定する閾値以下となったときに、故障である旨の警告等を行うようにしてもよい。より具体的には、ＦＥＴ入力のオペアンプ（又はコンパレータ）を用いた公知のピーク検出回路をシミュレートする機能を用いることで実現できる。また、通信モジュール１０を出荷した後に、ＥＳＤによる故障も想定できるので、通信モジュール１０の出荷時に、ピーク数を検査結果表等に記載しておくことで、通信モジュール設置後の故障診断に使用することができる。また、検出履歴を記録する手段を設け、ピーク数の変化をもとに、故障の重度が判断されるようにしてもよい。また、ピーク数の変化が、活性層（ＭＱＷ）の数に大きく依存する場合もあり、そのような特性が予め分かっている場合は、閾値として設定する所定数を、活性層の数に依存させてもよい。

１０通信モジュール
２０ＶＣＳＥＬ
３０光ファイバ
５０光スペクトラムアナライザ

Claims

ＶＣＳＥＬの出力光を取得する工程と、
前記出力光の発光スペクトラムを解析して、発光スペクトラムのピーク数を特定する工程と、
前記ピーク数が、所定数より小さいときに、前記ＶＣＳＥＬに故障が発生していると判断する工程と、
を備えることを特徴とするＶＣＳＥＬの故障検出方法。
前記所定数は、前記ＶＣＳＥＬの活性層及び当該活性層の上下に形成される反射鏡の構造に対応していることを特徴とする請求項１に記載のＶＣＳＥＬの故障検出方法。
検査対象のＶＣＳＥＬの出力光を取得し、前記出力光の発光スペクトラムを解析して、発光スペクトラムのピーク数を特定し、前記ピーク数が、故障が発生していない状態の前記ＶＣＳＥＬのピーク数である基準閾値より小さいときに、前記ＶＣＳＥＬに故障が発生していると判断することを特徴とするＶＣＳＥＬの故障検出装置。