JP3835608B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学システムに光を照射するための光学共振器を有するレーザダイオードと、レーザダイオードの光の量を測定するための光検出面を有するモニタダイオードとを備えたレーザ装置に関するものである。
【０００１】
従来、レーザ装置には、レーザダイオードおよびモニタダイオードが備えられている。モニタダイオードは、レーザダイオードの生成光の少なくとも一部を検出し、これによって、例えば、レーザダイオードを所定の動作条件にロックしたり、安全機能を実行したり（特に、過剰な放射パワーの生じた場合）、レーザダイオードの経年劣化を検出して調整を可能とするようになっている。
【０００２】
このような従来のレーザ装置が、図３に示されている。モニタダイオードは、この図では、シリコンチップ２’に組み込まれており、ベース基板３’に直接取り付けられたフォトダイオード２’である。
【０００３】
検知されたレーザ光５１’に関連する信号測定を評価することができるように、モニタダイオード２’は、ワイヤ８’をボンディングすることにより、その装置の端子ピンに接続されている。垂直放射レーザダイオード１’は、モニタダイオード２’に固定するために、半田付けされ、レーザダイオード１’はまた、ワイヤ’をボンディングすることで、レーザ装置の端子ピン９’に半田付けされる。
【０００４】
レーザダイオード１’により放射された光５’は、例えば、レーザ装置の窓４’あるいはレンズシステム４’を通過して、光学システムに入射する。このレンズシステム４’は、例えば、光ファイバや光学システムのその他の光学的あるいは光電的な要素に接続される。レーザダイオード１’により放射された光１’の一部５１’は、窓４’あるいはレンズシステム４’から反射したり、逆散乱したりして、モニタダイオード２’へ送られる。しかしながら、放射光５’の大部分は、例えば、光ファイバ等の光学システムに結合する。このビームパスとの衝突を防止し、（例えば、湿気や機械的ストレスに対して）構成部材を保護するために、レーザ装置は、密封してシールされたパッケージ３１’を有している。
【０００５】
この従来技術に基づいて、本発明の目的は、レーザ装置の容積が増加することなく、レーザ装置の簡易な構成を提供することにある。
【０００６】
この目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有するレーザ装置によって達成される。本発明の改良した点については、従属クレームにおいて明らかにされている。
【０００７】
よって、モニタダイオードの光検出面は、レーザダイオードの一方の側に光学的に結合される。光学的カップリングにより、レーザダイオードにより生成された光とモニタダイオードとの間に光学的な関係が生じる。特に、レーザダイオードの光学的特徴の変化に加えて、モニタダイオードやさらに組み込まれた構成部材が、例えば、温度等の更なるパラメータを検出するために使用されてもよい。
【０００８】
レーザダイオードは、レーザ光を受光する光学システムとモニタダイオードとの間に配置されるため、モニタダイオードの光検出面は、光学システム側に配置された共振器の出口面とは反対側の面に対して、レーザダイオードの裏面側で光学的に結合される。レーザダイオードは、モニタダイオードと光学的に結合するために、裏面からも光を放射する。
【０００９】
本発明のレーザ装置は、少なくとも、光学共振器を有する１つのレーザダイオードと、レーザダイオードの光量を測定するための光学的にアクティブな面を有するモニタダイオードとを備えている。上記共振器は、例えば、その構成によれば、本質的に反射的に動作するが、透過することや、光の一部を吸収することも可能な、いわゆるブラッグ共振器を備えている。モニタダイオードによってレーザダイオードの裏面側から光を検出しており、レーザダイオードの光学システム側からはレーザ光を検出しない。
【００１０】
本発明の有利な構成は、レーザダイオードの裏面が、直接的にモニタダイオードに隣接していることである。直接的な近接は、レーザダイオードとモニタダイオードとからなるユニットの組立て部品を可能にする。また、共振器１５とモニタダイオード２との間に、透明樹脂が設けられる構成でもよい。もし、レーザダイオードとモニタダイオードとの間の光学タイプ以外のカップリングが減らされることになれば、これは有利になるかもしれない。これらの他のカップリングは、例えば、モニタダイオードによって送られた測定信号を変化させる熱的あるいは電気的なカップリングである。
【００１１】
レーザダイオードとモニタダイオードとの光学的な関係を改良するためには、さらに有利な構成において、レーザダイオードは光学反射器を有している。モニタダイオードに光学的に結合するためのレーザダイオードの裏面に配置されたこの反射器は、該反射器がモニタダイオードによって検出されるレーザ光の一部を透過するように設計されている。例えば、ブラッグ反射器の分割反射器の数が減る場合や、いくつかの反射器がそれらの反射特性を基準として修正されている。有利なことに、透過のために、反射器は、モニタダイオードの光検出面に配置されている反射率を減らしたサブ領域を有している。レーザダイオードからのこのような抽出は、従来技術の中で与えられているように光学システムの反射を介するカップリングよりも、大きな工程信頼性をもつ。
【００１２】
本発明のより有利な変形では、モニタダイオードに面するレーザダイオードの裏面は、反射率を増加させる。その端部まで、例えば、裏面の表面は荒くされる。これは、レーザダイオードの動作に有害な、モニタダイオードからレーザダイオードへの逆反射を減らす。
【００１３】
モニタダイオードの端子は、好ましくはモニタダイオードの基板のヘビードープされた位置に配置されており、このため、好ましくは、それらはモニタダイオードの光検出面のために、ドナーとアクセプターとの混合が発生する同じ側に配置される。本発明の改良点では、レーザダイオードとは面していないモニタダイオードの表面が、電気的に接触するような構造となっている。このような構成の必要条件は、モニタダイオードの基板が、レーザダイオードのレーザ光の波長をほとんど吸収しないことである。この低吸収率は、モニタダイオードの基板を通じて、光学的なカップリングを許容する。
【００１４】
本発明の更なる改良点によれば、モニタダイオードとは面していないレーザダイオードの側面が、電気的に接触するように構成されているため、レーザダイオードとモニタダイオードとの間の光学的カップリングは、電気的接触およびレーザダイオードの機械的な結合とは独立している。有利なことに、レーザダイオードは、直接基板に固定されている。
【００１５】
本発明の有利な構成によれば、レーザダイオードは、基板の出口面で固定されており、該基板はレーザ光のビームパスと光学的な関係にある。有利なことに、光学システムは、基板に組み込まれている。それは、光学的なサブシステムとして、例えば、光ファイバに結合されるためにビームパスの透過部の一部に使用されてもよい。
【００１６】
本発明の有利な構成によれば、レーザダイオードの光照射側は電気的接続のために、構成されている。構成されている。レーザダイオードは、この場合、半田付けによりフリップチップ方式を用いて、基板に接触、固定される。
【００１７】
光学システム、特に、レンズ（６１）は、基板（６）に組み込まれており、レーザダイオード（１）は、裏面モニタダイオード（２）から独立して配置された光学システム（６１）に配置されるようにしてもよい。
【００１８】
本発明の別の改良点において、モニタダイオードが、モノリシックにレーザダイオードの裏面に組み込まれている。
【００１９】
本発明の好ましい構成では、共振器と基板との間に与えられた領域が、透明樹脂で満たされている。それは、共振器とモニタダイオードとの間に透明プログラムリスチックを充填することをも可能にする。
【００２０】
その構成は、好ましくは、瓶詰めにされたり、個々の構成部材を保護し、装置の機械的安定性を増加する非透明な樹脂で包まれている。
【００２１】
レーザダイオードは、好ましくは、フリップチップ方式を用いて、逆さまに基板に搭載されている。その基板は、レーザダイオードの波長を放射するために透明なサブマウントである。その基板は、例えば、シリコンあるいはＳｉＣである。この場合における非透明樹脂は、光の出口窓を除いて、レーザダイオード、モニタダイオードおよび基板を充分に包み込んでいるのが好ましい。光出口窓は、好ましくは、基板のサブ領域、特に基板に組み込まれたビーム型の面の外側表面、例えば、レンズの外側表面によって形成されている。
【００２２】
基板は、好ましくはリードフレーム上に配置されていることが好ましい。リードフレームは、光出口窓の空間に開口部を有している。非透明樹脂は、少なくとも部分的に両方のリードフレームを囲んでいてもよい。
【００２３】
さらに、非透明樹脂で満たされており、少なくとも、レーザダイオード、モニタダイオードおよび光出口面以外の基板を囲んでいるパッケージが与えられていてもよい。そのパッケージは、例えば、樹脂パッケージがある。
【００２４】
レーザダイオードは、垂直放射レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）であることが好ましい。モニタダイオードは、ＶＣＳＥＬレーザダイオードの裏面に配置されている。
【００２５】
本発明は、以下で、実施形態を説明するための図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。
【００２６】
［好ましい実施の形態の詳細な説明］
レーザ装置の構成は、概略的に図１に示されている。リードフレーム３０の一部である図示しない端子ピンは、ボンディングワイヤ８０，８１によって、金属導体、接続パッドに接続されたり、直接的に光電素子１，２に接続される。基板６は、リードフレーム３０の内部領域に固定されている。非透明ポッティングコンパウンド９は、その構成、特に、端子ピン、基板６および光電素子１，２を囲んでいる。ポッティングコンパウンドで任意に充分満たされており、その外形がパッケージ３１を形成している構成は、パッケージ３１によって囲まれている。ポッティングコンパウンド９は、この場合、上記構成部材の保護および遮蔽に加えて、特にリードフレーム３０およびその接続ピンの機械的な補助としても使用される。
【００２７】
図２には、このレーザ装置の概略的な詳細図を示している。金属インターコネクト６２は、基板６に形成される。垂直放射レーザダイオード１は、フリップチップ方式を用いて、これらのコネクト６２に接続される。垂直放射レーザダイオード１のコンタクト１６は、基板６に面するレーザダイオード１の側面１３に配置された端部にある。
【００２８】
コンタクト１６は、有利なことに、気化あるいはスパッタされて構成された半田（例えば、ＡｕＺｎ）からなる。その配列は、画像プロセスを介して受動的に実行されてもよいし、レーザダイオード１を能動的に動作することによって実行されてもよい。
【００２９】
半田後のレーザダイオード１と基板６のインターコネクト６２との間の金属接続を形成する半田ボール１６、いわゆるボールグリッドは、コンタクトとして使用されてもよい。
【００３０】
レーザダイオード１は、もともと共振器１５を有している。レーザダイオード１の共振器１５の出口面では、基板６およびレーザダイオード基板１２において、吸収されない放射波長を持つレーザ光５が放射されているため、ビームパス５は、相当の大きさの光学的な損失無しで、基板６およびレーザダイオード基板１２を通過することができる。このような放射波長は、例えば、１μｍ〜１．８μｍの間の範囲、例えば、１．３μｍ、１．５５μｍである。
【００３１】
基板６と共振器１５あるいはレーザダイオード基板１２との間の領域は、所望の放射波長のために透明な樹脂１７で満たされている。
【００３２】
レーザ装置のパッケージ３１は、例えば、瓶詰めにされたり、カプセルに包み込むように、完全に樹脂で覆ってしまう。さらに、ビーム５は、空気よりも光学的に密な媒体を通して伝搬するため、ビームパス５は、有利なことに短くなる。
【００３３】
上述した模範的な実施形態では、必要ないが、基板６は、組み込まれた形の中に、例えば、透過システム等の光学システムの一部を有している。この場合シリコンからなる基板は、放射しているレーザ放射５を集めたり、分岐したりするため、あるいはそれを光波ガイドに接続するために、組み込まれたレンズ６１等を有するように、図２で示されている。
【００３４】
レンズ６１を通した照射による光スポットを配置のマークとして用いることにより、レンズ６１は、レーザダイオード１のアセンブリにも使用される。
【００３５】
さらに、レーザダイオード１は、便利なように、斜めに搭載されるので、基板６からレーザダイオード１への逆反射を、かなり減らすことができる。結局、レーザダイオード１は、フリップチップコンタクトの層厚に意図的に差をつけたり、レーザダイオード１や基板６上におけるコンタクトに相殺の差をつけることにより、基板６の表面に対してわずかに斜めにされる。
【００３６】
レンズ６１の表面は、レーザダイオード１の光出口窓を構成する。他の全ての領域は、非透明な樹脂性のポッティングコンパウンド９によって包まれる。リードフレーム３０は、レンズ６１の近傍に穴３０ａを有している（図１参照）。
【００３７】
インターコネクト６２の使用の使用により、電気容量やインダクタンスを非常に低くするレイアウトが可能になる。さらに、高周波域における電気的接続の特性は、相当改善される。マイクロストリップや同一平面状のラインは、基板上で集積される。レーザダイオード１は、基板６に近接して配置されるので、レーザダイオード１は、より容易に、より小さな熱抵抗を用いた操作中に生じた熱を、基板６、リードフレーム３０および結果として隣接する媒体に対して分散することができる。
【００３８】
図示しないある配置では、例えば、ドライバにより構成される、レーザダイオード１の高周波制御のための制御電子回路が、基板中に追加配置される。これにより、ドライバから、フリップチップコンタクト１６を介してレーザダイオード１までの特に短い電気的ラインを製造できる。
【００３９】
モニタダイオード２は、接着性のボンディングによって、レーザダイオード１に直接的に固定される。接着性のボンディングは、組み立て中のモニタダイオード２上におけ全ての熱的負荷を減らす。モニタダイオードの光検出面は、光学システム側に配置された共振器の出口面とは反対側の面に対して、レーザダイオードの裏面側で光学的に結合される。この裏側１１も、光５１を放射し、このレーザ光５１のパワーは、モニタダイオード２によって検出されるように、光学システムに照射される光５の一部でしかない。その結果、モニタダイオード２は、図２には示していないが、裏側放射光５１の光路５１に配置され、都合よくこのレーザ光５１を吸収する光検出面を有する。
【００４０】
レーザダイオード１とは面していない側面２０においては、モニタダイオード２は、図１に示すように、ボンディングワイヤ８２によって、接続するための接続パッド２１を有する。
【００４１】
モニタダイオードの光検出面は、平明な方法で光検出面の接触を許すために、接続パッド２１も含んでいるモニタダイオード２の上面２０に置かれることが好ましい。
【００４２】
上述した模範的な実施形態における構成では、レーザダイオード１の裏側１１が粗くされているため、モニタダイオード２からレーザダイオード１への逆反射が、最小化される。
【００４３】
上述したレーザダイオードの単純な構成によれば、パッケージサイズを小さくできる。その設計は、特に、表面実装（ＳＭＤ技術）を行うためのものである。さらに、単純な設計は、あるいは２次元マトリクス配置（アレイ）として、複数の垂直放射レーザダイオード１〜４の密集した配置を許す。
【００４４】
本発明の改良点は、単純な設計が、セルフアラインメントをも許すことである。この場合、レーザダイオードにおける半田パッドは、それらの幾何学を基準として、基板の半田表面に適合させているので、半田パッドをラインに持ってくる機械的なテンションは、半田付けの間に生まれる。セルフアライメントは、この場合、半田の表面テンションは最小限になるようにしようとする物理的な原理に基づいている。
【００４５】
レーザダイオード１の裏側は構成される必要が無いので、本発明の有利な点は、レーザ装置が、例えば、４インチテクノロジーでのボリュームに関して最適に造られることができることである。同様に、モニタダイオード２にも応用できる。レーザダイオード１のボードアセンブリも可能である。反射された放射を使用する必要は無いので、モニタ機能は好適に達成される。
【００４６】
レーザダイオード１とモニタダイオード２との両方の電気的コンタクトが一方の側にそれぞれ配置されるため、垂直放射レーザダイオード１とモニタダイオード２の両方の電気的コンタクトを一方の側でのみ構成することができるように、レイアウトが設計される。レイアウトは、モニタダイオード２が長いボンディングワイヤ８２によって接続されることができるように設計され、同時に、レーザダイオード１は、フリップチップコンタクト１６およびただ短いボンディングワイヤ８１だけを用いて、高周波テクノロジーについて好適に接続されることができる。
【００４７】
本発明は、光学システムに対して放射する光用の出口面を持つ光学共振器を有するレーザダイオードと、上記レーザダイオードから照射される光の量を測定するための光検出面を有するモニタダイオードとを備え、上記モニタダイオード（２）の光検出面は、光が放射されるレーザダイオード（１）の裏面（１１）に光学的にカップリングされていることを特徴とするレーザ装置と表現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザ装置の概略的な全体図である。
【図２】 図１のレーザ装置の概略的な詳細図である。
【図３】 従来のレーザ装置を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザダイオード
２ モニタダイオード
６ 基板
９ 非透明樹脂
１１ レーザダイオードの裏側
１３ レーザダイオードの側面
１５ 共振器
１７ 透明樹脂
２０ モニタダイオードの表面
２１ モニタダイオード
３０ リードフレーム
３０ａ 開口部
３１ 光出口窓
５１ レーザ光の一部
６１ 光学システム（レンズ）

Claims (18)

1. 光学システムに放射する光用の出口面を持つ光学共振器を有するレーザダイオードと、
   上記レーザダイオードの光量を測定するための少なくとも１つの光検出面を有するモニタダイオードと、
   上記レーザダイオードの上記光学システム側に配置されるとともに、上記レーザダイオード（２）が放射した光の波長に対して透過性である基板（６）とを備え、
   上記モニタダイオード（２）の光検出面は、光学共振器（１５）の光出口面とは反対側の面に対して、レーザダイオード（１）の裏面（１１）側で光学的にカップリングされており、レーザダイオード（１）の裏面（１１）も光を放射し、
   上記レーザダイオード（１）は、上記光学システムへの光照射側の面（１３）が、半田によるフリップチップ方式を用いて、上記基板（６）に電気的に接続されるように直接固定されていることを特徴とするレーザ装置。
2. 上記レーザダイオード（１）の裏面（１１）は、直接的に上記モニタダイオード（２）に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 上記レーザダイオードが光学的反射器を備えており、
   この反射器は、モニタダイオード（２）との光学的カップリングのためにレーザダイオード（１）の裏面（１１）に配置されており、モニタダイオード（２）によって検出可能なレーザ光の一部（５１）を透過するように設計されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 上記レーザダイオード（１）の裏面（１１）は、増大した反射率を有していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のレーザ装置。
5. 上記レーザダイオード（１）に面していない上記モニタダイオード（２）の表面（２０）は、電気的接続のために形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のレーザ装置。
6. 上記モニタダイオード（２）と面していない上記レーザダイオード（１）の側面（１３）は、電気的接続のために形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザ装置。
7. 光学システム、特に、レンズ（６１）は、上記基板（６）に組み込まれており、上記レーザダイオード（１）は、上記裏面モニタダイオード（２）から独立して配置された上記光学システム（６１）に配置されることができることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
8. 上記モニタダイオード（２１）は、上記レーザダイオード（１）の裏面（１１）に接着剤で接着されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のレーザ装置。
9. 上記モニタダイオードは、上記レーザダイオードの裏面にモノリシックに組み込まれていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のレーザ装置。
10. 上記光学共振器（１５）と上記基板（６）との間に形成された領域は、透明樹脂（１７）で満たされていることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のレーザ装置。
11. 上記光学共振器（１５）と上記モニタダイオード（２）との間には、透明樹脂が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のレーザ装置。
12. 上記レーザ装置の構成部品は、瓶詰めにされているか、あるいは非透明樹脂（９）で包まれていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のレーザ装置。
13. 上記基板（６）は、上記レーザダイオード（１）の放射波長用の透明なサブマウントであることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置。
14. 上記非透明樹脂（９）は、上記レーザダイオード（１）、上記モニタダイオード（２）および上記基板（６）を、光出口窓（３１）を除いて、充分に包み込んでいることを特徴とする請求項１２または１３に記載のレーザ装置。
15. 上記光出口窓は、上記基板（６）のサブ領域、特に、上記基板に組み込まれたレンズ（６１）の集積されたビーム形の面の外側表面によって形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ装置。
16. 上記基板（６）は、上記光出口窓の近傍に開口部（３０ａ）を有するリードフレーム（３０）上に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ装置。
17. 上記非透明樹脂（９）で満たされており、少なくとも上記レーザダイオード（１）、上記モニタダイオード（２）および上記基板（６）を、上記光出口窓（３１）を除いて包み込んでいるパッケージが与えられていることを特徴とする請求項１４〜１６の何れか１項に記載のレーザ装置。
18. 上記レーザダイオード（１）は、垂直放射レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載のレーザ装置。

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