JP3723249B2 - 半導体レーザ装置およびその製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はステム上に半導体レーザ素子がマウントされ、その周囲を透過窓を有するキャップで覆われた半導体レーザ装置およびその製法に関する。さらに詳しくは、半導体レーザ素子の発光面から凸レンズなどの光学素子までの光学的距離を一定にすることができる半導体レーザ装置およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ピックアップや光通信などに用いられる半導体レーザ（以下、ＬＤという）装置は、たとえば図４（ａ）、（ｂ）にキャップを除去した状態の平面説明図およびそのＡ−Ａ線断面説明図がそれぞれ示されるように、ステム２１のマウント部２１ａに、サブマウント２２ｂにチップ２２ａが固着され、ＬＤチップ２２ａとサブマウント２２ｂ間でワイヤボンディングされたＬＤ素子２２をメタル半田２３などにより固着し、各リード２５、２６とＬＤ素子２２間をワイヤボンディングし、その表面全体をレーザ光２８の透過窓２７ａを有するキャップ２７で被覆し、外気による信頼性の低下を防止するように構成されている。なお、リード２４にはＬＤチップ２２ａの一方の電極がサブマウント２２ｂを介してボンディングされている。
【０００３】
この種のＬＤ装置はステム面Ｓを基準として光ピックアップやレーザ通信システムなどに取りつけられる。このＬＤ装置の前面には凸レンズなどの図示しない光学素子が設けられ、その焦点位置に光ディスクの表面や、光ファイバの中心が位置するように、図示しない光学素子やＬＤ装置の取付面が設定されている。そこで、ＬＤチップ２２ａの発光面Ｌと図示しない光学素子とのあいだの距離が異なると焦点位置が変わり、光ディスクの表面や光ファイバの中心部に集光しなくなる。そのため、ＬＤ装置としての基準面ＳとＬＤチップの発光面Ｌとの距離Ｚが非常に重要な寸法となり、一般的にセットメーカ側の調整代である±８０μｍ以下の公差内に納めなければならない。しかもこの公差内に入っていてもさらにそのバラツキが小さい程好ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、この種のＬＤ装置を製造するばあい、ステムの表面である基準面ＳとＬＤチップ２２ａの発光面Ｌとの距離Ｚが非常に正確な寸法になるように組立てられることが要求されている。しかし、ステム２１のマウント部２１ａとＬＤ素子２２との固着はインジウムなどのメタル半田２３により固着されるため、約２００℃程度の高温状態でマウントされる。そのため、熱膨張差などの影響により正確な寸法を出しにくい。しかもＬＤ素子２２をダイボンディングする際ＬＤ素子２２をコレットで保持して所定の位置にセッティングするため、カメラなどによりＬＤチップ２２ａの発光面Ｌを観察することもできず、寸法を測定しながら位置合わせをすることもできない。さらにメタル半田２３の硬化時にＬＤ素子２２が動き易く、正確なＺ寸法の位置出しをすることができず、±６０μｍ程度以下のばらつきに抑えることができないという問題がある。
【０００５】
一方、たとえば特開平６−３０２９１２号公報には図５に示されるように、ステム２１に設けられた貫通孔２１ｂにＬＤ素子２２がマウントされた金属製ヒートシンク２８を挿入して固着する構造が開示されている。この構成によれば、あらかじめＬＤ素子２２が固着された金属製ヒートシンク２８をステム２１と固定すればよいため、ＬＤ素子２２の周囲にコレットなどはなく発光面とステムの基準面Ｓを測定しながら両者を固着することが可能である。しかし縦方向の寸法調整は困難であるとともに、この固着を溶接などで行うと貫通孔２１ｂと金属製ヒートシンク２８との隙間を完全に埋めることができず気密シールをすることができない。また、ロウ材などの接着剤で固定しようとすると加熱しなければならず、寸法を測定しながら固定することができない。その結果気密シールがえられて基準面から発光面までの光学的距離を一定にすることができるＬＤ装置がえられないという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決し、半導体レーザ素子の発光面から凸レンズなどの光学素子までの光学的距離を一定にすることができ、かつ、ＬＤチップをステムとキャップにより気密にシールすることができるＬＤ装置およびその製法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のＬＤ装置は、ステム上に半導体レーザ素子がマウントされ、円筒状のキャップが該ステムに溶接されることにより前記半導体レーザ素子が気密シールされながら、前記ステムの面と直角方向に前記半導体レーザ素子からの光を放射する半導体レーザ装置であって、
前記ステムが第１のステムと第２のステムとからなり、第１のステムに前記半導体レーザ素子がマウントされ、第２のステムに前記半導体レーザ素子からの光を前記ステムの面と直角方向に反射させる反射面が設けられ、前記第１のステムおよび第２のステムの一方のステムに貫通孔が設けられ、他方のステムが該貫通孔に挿入され、該他方のステムの底面に設けられた鍔部により前記第１のステムおよび第２のステムが気密に固着されている。
【０００９】
前記第１のステムと第２のステムとのあいだに、該第１のステムに設けられた前記半導体レーザ素子の発光面と該第２のステムに設けられた前記反射面との距離を調整することができる間隙が設けられていることが、ＬＤ素子が設けられた第１のステムを横方向に移動することにより、ステムの基準面とＬＤチップの発光面との間の光学的距離を寸法出しすることができるため好ましい。
【００１０】
本発明のＬＤ装置の製法は、（ａ）第１のステムに半導体レーザ素子のダイボンディングおよびワイヤボンディングをし、
（ｂ）前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光をステムの面と直角方向に反射させる反射面と、前記第１のステムを余裕をもって挿入し得る貫通孔とを有する第２のステムを該反射面と前記半導体レーザ素子の発光面とが対向するように前記第１のステムを前記貫通孔に挿入して並置し、
（ｃ）前記発光面と前記反射面との距離が一定になるように第１のステムと第２のステムとの間隔を調整してから該第１のステムの底面に設けられた鍔部を前記第２のステムに気密に溶接することにより両ステムを相互に固着し、
（ｄ）前記半導体レーザ素子を被覆するように円筒状のキャップを前記第２のステムに溶接することにより、前記半導体レーザ素子を気密にシールする
ことを特徴とする。
【００１１】
前記発光面の位置をカメラで認識し、前記発光面と前記反射面とのあいだの距離を一定に調整することにより、または前記半導体レーザ素子を発光させ、前記反射面で反射するレーザ光のビーム径および／またはビーム形状をカメラで認識しながら前記発光面と前記反射面とのあいだの距離を一定に調整することにより、ステムの基準面とＬＤチップの発光面とのあいだの光学的距離を一定にすることができ、セットに組み込んだとき対象物に精度よく焦点を合わせることができる。
【００１２】
【作用】
本発明のＬＤ装置は、ＬＤチップを固着する第１のステムとＬＤチップから放射されるレーザ光をステム面と直角方向に反射する反射面が設けられた第２のステムとに分割された２つのステムが固着されることにより形成されている。そのため、ＬＤチップをマウントするばあい、ステム面と平行方向にレーザ光を放射する向きにマウントすることができるとともに、ステムの基準面とＬＤチップの発光面との距離である縦方向のＺ寸法をＬＤチップがマウントされた第１のステムを横方向に調整することにより前述の縦方向のＺ寸法と等価な光学的距離として正確に調整することができる。
【００１３】
本発明のＬＤ装置の製法によれば、ＬＤチップの発光面とステムの基準面とのあいだの距離を第２のステムの前記反射面と第１のステムのＬＤチップの発光面とのあいだの距離を調整することにより、光学的距離として規定される距離と等しくなるように正確に位置合わせをすることができる。そのため、横方向の寸法調整をすることにより、縦方向の必要とされるＺ寸法を容易に正確にうることができる。
【００１４】
【実施例】
つぎに、図面を参照しながら本発明のＬＤ装置およびその製法について説明する。
【００１５】
図１は本発明のＬＤ装置の一実施例を示す説明図で、（ａ）はキャップを取り除いた状態の平面説明図、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）のＢ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線の断面説明図、（ｄ）は底面説明図、図２は第１のステムと第２のステムとの溶接をする際の説明図、図３は第１のステムと第２のステムの溶接の他の実施例の説明図である。
【００１６】
図１（ａ）〜（ｄ）において、１は冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）などからなる第１のステムで、一体に形成されたリード６およびガラスなどの絶縁材料９で気密シールされたリード７、８を有するとともに、その底部には鍔部１ａを有している。第１のステム１の上面にはＬＤ素子３がボンディングされ、リード７、８とワイヤ１０により接続されている。ＬＤ素子３はシリコン基板などからなるサブマウント３ｂ上にＬＤチップ３ａがボンディングされ、ＬＤチップ３ａとサブマウントとのあいだはワイヤ３ｃにより接続されている。
【００１７】
２は第１のステム１と同じ材料で形成された第２のステムで、ＬＤチップ３ａの発光面Ｌから照射されるレーザビームをステムの基準面Ｓと直角方向に反射させる傾斜面２ａが形成されるとともに、その傾斜面２ａに反射板４が設けられ、反射面Ｒが形成されている。第１のステム１は第２のステム２に設けられた貫通孔２ｂに挿入され、第１のステム１の底面に設けられた鍔部１ａが第２のステム２の底面に突き当てられることにより、第１のステム１と第２のステム２の上面は一定の関係に保たれている。第１のステム１を挿入するため設けられられた第２のステムの貫通孔２ｂは第１のステム１の外周より大きく形成され、水平方向（ステムの基準面と平行方向）の位置調整をすることができるようにされ、位置調整後第１のステム１の鍔部１ａの外周Ｗを、たとえばＹＡＧ溶接により溶接することにより固着されている。この鍔部１ａと第２のステム２との溶接部は密着した状態のところで溶接されているため、周囲全周を溶接することにより気密シールをすることができる。このステムの上面側には反射面Ｒで反射されたレーザ光を透過させる透過窓５ａを有するキャップ５が抵抗溶接で気密シールされ、ＬＤチップ３ａが完全に外気から遮断され保護されている。
【００１８】
本発明のＬＤ装置は、ステムが第１のステム１と第２のステム２とに分割され、第１のステム１にＬＤ素子３がほぼステムの基準面Ｓと平行方向に光を照射するように設けられ、第２のステム２に設けられた反射面Ｒにより基準面Ｓと直角方向に反射される構造とし、第１のステム１と第２のステム２とのあいだにＬＤ素子３の発光面Ｌと反射面Ｒとの距離を調整することができる調整代が設けられ、調整後に第１のステム１と第２のステム２とが固着されていることに特徴がある。すなわち、第１のステム１の横方向の位置調整をすることにより、ＬＤ素子３の発光面ＬとＬＤ装置の前方に配設される図示されていない凸レンズなどとの距離を一定とするため要求される基準面Ｓと発光面Ｌとの光学的距離を一定にしている。そのため、カメラなどでＬＤ素子３の発光面Ｌの位置を観察しながら位置調整をし、位置調整がされた状態で第１のステム１と第２のステム２とを固着することができる。なお、ＬＤ素子３から放射するレーザ光の方向は基準面Ｓと平行方向でなくても、要は反射面Ｒによる反射後に基準面Ｓと直角方向に放射されればよい。
【００１９】
つぎに、本発明のＬＤ装置の製法について説明する。
【００２０】
まず、サブマウント３ｂにＬＤチップ３ａを固着しワイヤボンディングしたＬＤ素子３を第１のステム１上にインジウムなどのメタル半田によりマウントし、各リード７、８とワイヤボンディングをする。
【００２１】
つぎに、図２（ａ）に示されるように、反射板４が傾斜面２ａに設けられた第２のステム２の貫通孔２ｂにＬＤ素子３がマウントされた第１のステム１を挿入し、調整コレット１１により第１のステム１をくわえた状態で第１のステム１の底面の鍔部１ａを第２のステム２の底面に突きあてる。
【００２２】
つぎに、あらかじめ第２のステム２の反射面Ｒの特定場所を基準位置とした座標系を有するカメラ１２によりＬＤ素子３の発光面Ｌを観測しながら調整コレット１１を図２のＺ調整の方向に移動させ反射面Ｒの特定場所と発光面Ｌとの距離が一定になるように位置調整をする。正確な位置調整がえられた状態で調整コレット１１を固定し、鍔部１ａの外周を、たとえばＹＡＧレーザ光Ｙにより溶接固着する。そののち調整コレット１１を除去し、全周にＹＡＧ溶接を施すことにより、第１のステム１と第２のステム２とが気密シールされる。ＹＡＧ溶接された溶接部の状態は、図２（ｃ）の斜線部に示されるように、第１のステム１および第２のステム２の両方に喰い込む形で溶接されるため、全周にこの溶接を行うことにより気密シールがえられる。すなわち、鍔部１ａを第２のステム２に突き当てて溶接するため、寸法調整のための空隙部とは関係ない密着部で溶接をすることができるため気密シールをうることができる。
【００２３】
発光面Ｌと反射面Ｒの特定位置との寸法調整を前述の例では発光面Ｌの位置をカメラで認識しながら行ったが、ＬＤ素子３側から反射面Ｒに照射されて反射することにより形成されるビームのスポット径を観測することによっても位置調整をすることができる。すなわち、ＬＤチップ３ａから照射されるレーザビームは遠くなるにつれて広がって大きくなったり、変形するため、ビーム径が一定の大きさや形状になるように調整することにより、発光面Ｌと反射面Ｒとのあいだの一定の距離がえられる。
【００２４】
図３は第１のステム１と第２のステム２との固着方法の他の実施例を示す説明図である。この例ではＹＡＧレーザ溶接ではなく、抵抗溶接を用いた例である。そのため、電流を一部に集中させるため、第１のステムの鍔部１ａの第２のステム２の底面との接触側に溶接用リブ１ｂが設けられ、前述と同様に位置調整がされたのち、図３（ａ）に示されるように、上部電極１３ａと下部電極１３ｂとで挟みつけて電流を流すことにより加熱されて周囲全周が同時に一度で溶着される。なお、図３（ｂ）は第１のステム１の鍔部に設けられた溶接用リブ１ｂの拡大説明図である。他の製造工程は、図１の説明と同様であり、位置調整の方法なども同様に行える。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の装置およびその製法によればステム基準面とのあいだで位置調整をしにくいＬＤ素子の位置を該ＬＤ素子が設けられた第１のステムを横方向に移動させて調整しているため、非常に位置合わせ作業が容易であるとともに正確に位置合わせをすることができる。そのため、セットメーカ側での位置調整がほとんど不要となり、さらに正確な組立が短時間で行える。その結果、高性能の電子機器が安価にえられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＬＤ装置の一実施例の説明図である。
【図２】図１のＬＤ装置の溶接工程の説明図である。
【図３】第１のステムと第２のステムを固着する他の例の説明図である。
【図４】従来のＬＤ装置の一例の説明図である。
【図５】従来のＬＤ装置の他の例の説明図である。
【符号の説明】
１ 第１のステム
１ａ 鍔部
２ 第２のステム
３ ＬＤ素子
３ａ ＬＤチップ
４ 反射板

Claims (5)

1. ステム上に半導体レーザ素子がマウントされ、円筒状のキャップが該ステムに溶接されることにより前記半導体レーザ素子が気密シールされながら、前記ステムの面と直角方向に前記半導体レーザ素子からの光を放射する半導体レーザ装置であって、
   前記ステムが第１のステムと第２のステムとからなり、第１のステムに前記半導体レーザ素子がマウントされ、第２のステムに前記半導体レーザ素子からの光を前記ステムの面と直角方向に反射させる反射面が設けられ、前記第１のステムおよび第２のステムの一方のステムに貫通孔が設けられ、他方のステムが該貫通孔に挿入され、該他方のステムの底面に設けられた鍔部により前記第１のステムおよび第２のステムが気密に固着されてなる半導体レーザ装置。
2. 前記第１のステムと第２のステムとのあいだに、該第１のステムに設けられた前記半導体レーザ素子の発光面と該第２のステムに設けられた前記反射面との距離を調整することができる間隙が設けられてなる請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. （ａ）第１のステムに半導体レーザ素子のダイボンディングおよびワイヤボンディングをし、
   （ｂ）前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光をステムの面と直角方向に反射させる反射面と、前記第１のステムを余裕をもって挿入し得る貫通孔とを有する第２のステムを該反射面と前記半導体レーザ素子の発光面とが対向するように前記第１のステムを前記貫通孔に挿入して並置し、
   （ｃ）前記発光面と前記反射面との距離が一定になるように第１のステムと第２のステムとの間隔を調整してから該第１のステムの底面に設けられた鍔部を前記第２のステムに気密に溶接することにより両ステムを相互に固着し、
   （ｄ）前記半導体レーザ素子を被覆するように円筒状のキャップを前記第２のステムに溶接することにより、前記半導体レーザ素子を気密にシールする
   半導体レーザ装置の製法。
4. 前記発光面の位置をカメラで認識し、前記発光面と前記反射面とのあいだの距離を一定に調整する請求項３記載の半導体レーザ装置の製法。
5. 前記半導体レーザ素子を発光させ、前記反射面で反射するレーザ光のビーム径および／またはビーム形状をカメラで認識しながら前記発光面と前記反射面とのあいだの距離を一定に調整する請求項３記載の半導体レーザ装置の製法。

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