JP3884189B2 - 改良形レーザ・ダイオード及び基板 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ・ダイオードその他の光学的構成部材の分野に関し、特に光ファイバ用途用の光源の分野に関する。本発明は、ある用途に使用するための装置のユニットの外部の光源からの光を結合するために使用される、ピグテールまたは光ファイバの配列を改善する。固体レーザ・ダイオードの製造の際に本発明を使用すれば、コストを引き下げ、上記レーザ・ダイオードの性能が向上し、バラツキが少なくなる。
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
固体レーザ・ダイオードを製造の際には、レーザ・ダイオードのチップ上の光学的ポートを、光ファイバの研摩した端部とに関して整列させなければならない。レーザ・ダイオード製品は、アルミナ基板の所定の領域を金属化し、上記所定の領域にレーザ・ダイオード・チップを半田付けし、上記基板をＴＥＣまたはＴＥＣ冷却装置のスタックに半田付けすることにより製造される。光ファイバは金属化により製造される。
その後、光ファイバまたはピグテールは、基板に半田付けされる前に、光学的ポートから最大限度の光の供給が受けられるように整列される。上記組立体は、その後、整列のズレを引き起こす恐れがある基板上の応力を解放するために、温度サイクルに掛けられる。上記組立プロセスの最終段階は、確保される電力が、許容範囲内にあるかどうかを判断するための最終試験である。装着前には十分な確保される電力を持っていた装置が、装着され、温度サイクルに掛けられると、確保される電力が許容範囲以下になってしまう場合もある。場合によっては、装着プロセス中、またはリフロー・プロセス中の基板の湾曲により、出力電力がゼロになる場合がある。
基板の湾曲やひび割れは、基板に光ファイバを取り付けるために使用される、球状の半田を溶かすために、基板に加えなければならない熱により起こる場合がある。すべての構成部材を、冶金接合により基板またはＴＥＣに装着する場合には、基板は、レーザ・チップおよびＴＥＣに対して低い熱抵抗通路を形成するので、それにより球状の半田を溶かすために、球状の半田および基板に供給しなければならない熱の量が増大する。大量の熱の他に、この大量の熱を加える時間が長くなる。何故なら、熱がＴＥＣにより工作物から引き出されるからである。
【課題を解決するための手段】
本発明は、ヒートシンク上に装着された基板を使用する改良形レーザ・ダイオードを開示する。上記基板は、光ファイバが装着される棚領域または張り出し領域を形成するために、ヒートシンクまたはＴＥＣ上に設置される。光ファイバは、上記張り出し領域上のパッドに半田付けされる。張り出し領域は、その厚さを通してＴＥＣに直接熱を伝えない。何故なら、半田パッドの下には空洞の空間が存在するからである。断熱スロットは、半田パッドと、その下にＴＥＣが取り付けられているラインとの間の線に沿って、ミクロ機械加工により形成される。第二のスロットが、基板の縁部から、上記断熱スロットまでミクロ機械加工されるが、このスロットは応力解放スロットの働きをする。上記二つのスロットは、基板の厚さ全体にわたって形成される。
好適な実施形態の場合には、レーザ・ダイオードは、約４０Ｍｗの光学的電力を出力する。レンズ・システムは、望ましく結合された場合には、上記電力の中の５０％を受け取る。確保される結合電力は、ファイバを半田付けした後に確保される電力である。上記スロットは、ＹＡＧレーザによるミクロ機械加工により形成される。
【発明の実施の形態】
図１は、自動レーザ・ダイオード・ピグテール接続を行う改良形レーザ・ダイオード１０の簡単な斜視図である。本発明は、その目的を、棚部分または張り出し部分１４、およびパッド位置４６とＴＥＣとの間の、熱抵抗を増大する断熱スロット１６、６４を備える、アルミナ、Ａｌ₂Ｏ₃製の改良形基板１２を使用することにより達成する。増大した熱抵抗により、球状の半田４０を溶かすことができ、光学的チップ１８および基板１２へ遙かに小さな熱ショックを与えるだけで、光ファイバ６６を固定することができる。
この図の場合、レーザ・ダイオード・チップ１８は、基板１２上に装着されている。レーザ・ダイオード・チップは、電流源２２からの駆動電流２０に応答して、レーザ・ダイオード・チップ１８上の光学的ポート２６から、光学的電力２４を出力する。通常の駆動電流は、３００ミリアンペアであり、ダイオード上のＶｆ（順方向電圧降下）は、通常１．８ボルトである。
図２および図３について説明すると、レーザ・ダイオード・チップ１８は、その基部上にヒートシンク面２８を持ち、そこから熱が基板の頂面３０に伝えられる。熱は内部での電力の浪費により発生する。レーザ・ダイオード・チップ１８は、その光学的ポート２６から光学的電力を出力する。半田３１の第一の層は、レーザ・ダイオードのヒートシンク面２８と、基板の頂面３０との間に位置する。基板１２は、レーザ・ダイオード・ヒートシンク面３０から熱を受け取り、その熱を基板の底面３２に伝える。
基板の頂面３０は、レーザ・ダイオードのヒートシンク面２８が占める面積よりも広い面積を囲んでいる外辺部を持つ。光ファイバ６６は、光学的ポート２６からの光学的電力を、光ファイバの第二の端部（図示せず）に接続するように、位置している第一の端部６８を持つ。上記第一の端部６８に近い光ファイバ４２の一部は、金属被覆され、基板１２上のパッド位置４６のところの、パッド４４上の球状の半田４０内に埋設される。
断熱スロット１６は、パッド位置４６とレーザ・ダイオード・チップ１８上の光学的ポート２６との間の基板内に形成される。ヒートシンク４８（ＴＥＣ）は、熱を受け入れるためのヒートシンク頂面５０、および熱を伝え、または導くためのヒートシンク底面５２を持つ。ヒートシンク頂面は、ヒートシンク外辺部５４ａ、５４ｂ、５４ｃおよび５４ｄを持つ。基板の底面３２の一部は、ヒートシンク頂面５０上に装着されている。半田３３の第二の層は、基板の底面３２とヒートシンク頂面５０との間に位置する。
基板の底面３２は、ヒートシンクの外辺部５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを越えて延びる張り出し部分１４を持つ。張り出し部分１４は、パッド位置４６および断熱スロット１６を含む張り出し外辺部６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、および５４ｃを持つ。
図に示すように、基板の底面３２は、対応する領域に向き合う状態で、または上記領域に直接向き合う状態で、またはヒートシンク頂面５０上に位置する形で、レーザ・ダイオードのヒートシンク面２８を位置させるように、ヒートシンク頂面５０上に設置されている。レーザ・ダイオードのヒートシンク面２８からの熱は、直接基板１２を通り、ヒートシンク頂面５０上の対応する領域へ伝えられる。
応力解放スロット６４は、機械加工により、基板１２内に形成される。応力解放スロット６４は、半田パッド位置４６のところの熱が、パッド４４の下の部分的に断熱されている基板材料を膨張させ、基板材料内に応力を発生するのを防止する。
応力解放スロット６４は、断熱スロット１６から、基板１２の張り出し部分１４の縁部へ延びる。応力解放スロット６４は、基板１２内の熱による応力を少なくするために選択された方向に延びる。
光ファイバ６６は、レンズ面６８を持つ。好適な実施形態の場合には、光ファイバの端部は、レンズを形成するために研摩される。他のメーカーは、ＧＲＩＮレンズおよび種々の他の手段を使用する。図２および図３は、球状の半田４０により基板の頂面３０上のパッド位置４６に固定されている光ファイバ６６を示す。レンズ面６８は、光学的ポート２６からの光学的電力を受け取るために、上記光学的ポート２６の近くに位置する。
光ファイバのコアの直径は、僅か５〜６ミクロンである。光学的パッド位置４６に加えられた過度の熱による応力、または基板の湾曲により、光ファイバの位置が僅かでも変化すると、半田が再び固まった後の確保される電力が減少する。
基板１２の張り出し部分１４は、ヒートシンク頂面の外辺部５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを越えて延びる。基板１２の張り出し部分１４は、基板７０の棚部を形成する。断熱スロット１６は、基板張り出し部分１４のパッド位置４６と、ヒートシンク頂面の外辺部５４ａ−５４ｄとの間に形成される。図２および図３の実施形態の場合には、ヒートシンク４８は、ＴＥＣ（熱電気冷却装置）である。
レーザ・ダイオードのヒートシンク面２８は、基板の頂面３０に冶金接合され、基板の底部３２は、ヒートシンク頂面５０に冶金接合される。断熱スロット１６は、基板１２を貫通し、パッド位置４６から光学的ポート２６への通路に、垂直なライン上に位置するスロットとして形成される。さらに、応力解放スロット６４は、基板１２を貫通し、光学的ポート２６への通路に平行に、基板６０ｂの縁部から、パッド位置４６から断熱スロット１６の縁部まで延びるスロットとして形成される。
他の実施形態の場合には、改良形光学的構成部材の組合せは、基板１２を有するその他の装置すなわちフォトトランジスタ等である。上記基板は頂面３０および底面３２を持ち、断熱スロット１６および応力解放スロット６４の組合せにより、形成された 「Ｌ」字形のスロット７２を有する。上記「Ｌ」形のスロットは、応力解放スロット６４および断熱スロット１６を有する。応力解放スロット６４は、基板１２の縁部６０ｂからスタートし、断熱スロット１６の始端で終わる。このスロットは、基板全体を通して形成され、カンチレバー支持体の下に空洞の空間を持つ。
基板１２の張り出し部分１４の棚部は、外側の縁部を有する。溝が上記縁部内に、ＴＥＣの方向に、短い距離にわたって機械加工されるが、ＴＥＣに達する前に、上記溝は、９０度曲がって、張り出し部分１４の縁部６０ｂ、６０ｃに平行にもっと長い距離を延びる。それにより、溝は、ＴＥＣを含まない張り出し部分１４上に、アルミナのカンチレバー支持領域、またはカンチレバー・ファイバ支持セグメント７６を形成する。カンチレバー・ファイバ支持セグメント７６は、「Ｌ」字形のスロットにより形成されているが、パッド位置４６からＴＥＣの縁部への熱通路内に、任意の形の中断部を形成すれば、かなりの利点があることを理解することができるだろう。スロットの代わりに、間隔の狭い一列のドリルによる孔部を使用することができる。数本の波形のスロットまたは湾曲したスロットも、代わりに使用することができる。上記スロットを、基板全体にわたって形成しなくても、本発明は実施可能である。基板上の面を維持する必要がある場合には、貫通部の割合を増加させることにより、目的を達成することができる。張り出し部分または棚部は、必要不可欠なものである。
ファイバ支持セグメント７６の面３０は、レーザ・ダイオードの位置、およびカンチレバー・ファイバ支持セグメント７６上のパッド位置４６で、半田を受けるために用意される。レーザ・ダイオードは、基板に設置され、所定の位置に整列され、方向が決められ、アルミナ基板に半田付けされる。基板１２は、その後、ＴＥＣ４８上、またはＴＥＣ４８の複数のスタック上の半田の予備形成品により装着される。
「Ｌ」字形のスロットは、ファイバ支持セグメント７６、または先端部７８および根元の端部８０を有する基板１２の領域の周囲に、部分的な境界７４を形成する。球状の半田４０を受け入れるためのパッド４４は、ファイバ支持セグメント７６の頂面上に位置する。
半田の予備形成品は、カンチレバー・ファイバ支持セグメント７６上に位置する。光ファイバは、露出したクラッディングのむき出しの部分を供給するように、被覆材料が除去される事により供給される。ファイバのクラッディングは、半田付けのためにＮｉＡｇコーティングされる。ファイバの入力端部は、受光レンズ面を形成するために研摩される。ファイバの出力端部は、ファイバからの一連の測定電力を、各測定のためのＸ−Ｙ座標と関連づけることができる電力測定計測器に接続している。半田の予備形成品は、カンチレバー・ファイバ支持セグメント７６上のパッド位置４６に位置するパッド４４上に位置する。
光学的ポート２６を備える、フォトトランジスタまたはレーザ・ダイオード１８その他の光学的構成部材は、基板１２上に装着される。この別の実施形態の場合には、光ファイバ６６は、研摩した端部、またはレンズ面６８を持つ。好適な実施形態は、性能を最適化し、光学的ポート２６からの光を最もよく受け入れることができるように、ファイバの端部を円錐形（図示せず）に形成する。光ファイバ６６は、上記研摩端部またはレンズ面６８を光学的ポート２６に光学的に結合するために整列される。光ファイバ６６は、球状の半田４０内に埋設することにより、ファイバ支持セグメント７６上に装着される。
一つのプロセス中に、改良形光学的構成部材は、光源として形成される。レーザ・ダイオード・チップ１８は、光学的ポートを介して、光ファイバ６６の研摩端部またはレンズ面６８に光を送る。研摩端部またはレンズ面６８内への光の光学的結合は、ウィンドウ内の多数の位置で受け取った光学的電力をマッピングするように、光学的ポートに近接したウィンドウ内の研摩端部またはレンズ面の位置を走査するステップにより改善される。
溶けた球状の半田内の、最大の光学的電力を発生すると予想されるマッピングした位置まで光ファイバ６６が同時に設置される間に、半田の予備形成品または球状の半田４０が溶かされる。球状の半田の融解と、光ファイバの移動は同時に行われる。球状の半田を溶かすには最低のエネルギーですむ。何故なら、基板の張り出し部分は、ヒートシンクでななく、断熱スロット１６が、ファイバ支持セグメント７６からヒートシンク４８への熱の移動に対してバリヤとしての働きをするからである。
光学的整列は、予想される最大の確保される電力を求めて、ファイバを移動する位置を決定するために、基板上の球状の半田内に光ファイバが埋設される前に、座標により識別される位置の配列の各点で、光ファイバが受信した電力の測定のステップによりスタートする。
ファイバは、最初クランプまたはホールダ（図示せず）により固定される。その後、システムは、レーザ・ダイオードの光源に近いファイバの端部の位置を発見する。ファイバの入力端部の位置は、その後、エンコーダ制御のリニア・モータにより、コンピュータ制御の走査装置により走査される。弁理士整理番号９４−３３＝＞４０に対する、＿＿＿＿付の米国特許＿＿＿＿＿＿および＿＿＿＿＿Ｉｋｅ Ｓｏｎｇ他の関連分割出願が、このタイプの走査装置を開示している。
上記米国特許の譲受人は、ＭＩＯＣに対する自動ピグテール用システムの譲受人と同じである。上記米国特許は、引用によって本明細書の記載に援用する。このケースについては、特許許可通知書が最近発行された。ファイバは、固定位置に保持され、基板およびレーザ・チップを含むケースは、走査を行うために移動する。
走査は、ケース上の位置の配列を通して、リニア・モータにより駆動されるシーケンシャルな機械により、ケースに対して行われる。上記駆動装置は、高い解像度のエンコーダを有し、そのため、座標位置は高い精度で識別され、記録された各位置を再度発見することができる。半田の予備形成品または球状の半田は、半田の予備形成品に対して、レーザ・ビームを放射することにより溶かされる。
光ファイバの移動は、レーザ放射と同時にケースを所定の位置に移動し、半田の予備形成品が融解段階に入った時、それを溶かすことにより行われる。球状の半田を溶かすのに必要なエネルギーの量は、製造ユニットに対して実験的に決定される。上記の必要なエネルギーの量が決定すると、その量はユニットに変わっても変化しない。レーザ（図示せず）は、カンチレバー・ファイバ支持セグメント７６上の半田の予備形成品に所定の量の熱量を供給するようにプログラムされる。レーザは、約５ワットのパルスを出力するようにプログラムされる。
光ファイバの位置は、球状の半田がレーザ・ビームにより溶けたその瞬間に、新しい位置に移動する。本発明のプロセスのもう一つの利点は、球状の半田との物理的接点がないことである。融剤を使用しなくても、半田付けを行うことができる。球状の半田が溶け、冷却する間、球状の半田は不活性ガスで包まれる。必要な整列ができなかった場合には、もっとよい結果を得るために上記プロセスが反復して行われる。上記プロセスは、繰り返すことができる。
本発明を詳細に説明し、図示してきたが、上記説明および図面は例示としてのものであって、本発明を制限するものではないことを理解されたい。本発明の精神および範囲は、添付の特許請求の範囲のみによってだけ制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】改良形基板を使用するレーザ・ダイオード組立体の断面の簡単な斜視図である。
【図２】図２のレーザ・ダイオード組立体の断面の簡単な部分的平面図である。
【図３】４−４線にそって切断した、図２の簡単な断面図である。

Claims (8)

1. 改良形レーザ・ダイオード構造であって、
   光学的信号を出力する光学的ポートと少なくとも一つのレーザ・ダイオードのヒートシンク面とを有するレーザ・ダイオード・チップと、
   頂面と底面とを有する基板とを含み、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が前記頂面上に装着され、そして前記基板頂面は、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面の前記領域を越えて延びる外辺部を有しており、さらに、
   レンズ面を有する光ファイバを含み、前記光ファイバは球状の半田で前記基板の頂面上のパッド位置に固定されており、そして受光する前記レンズ面は、前記光学的ポートの近くに位置して前記光学的ポートからの光学的電力を受け取るものであり、さらに、
   外辺部を有する頂面を有するヒートシンクと、
   前記ヒートシンクの頂面上に装着されている前記基板の底面の一部であって、前記ヒートシンクの頂面外辺部を越えて延びている前記基板の張り出し部分を含み、前記基板の張り出し部分は前記基板の棚部を形成するものであり、さらに、
   前記パッド位置と前記ヒートシンクの頂面外辺部との間で、前記基板の張り出し部分内で前記基板を貫いて延びている断熱スロットと、
   前記張り出し部分内で前記基板を貫いて延びる応力解放スロットとを含み、前記応力開放スロットは前記基板の縁部から前記断熱スロットに延びている、ことを特徴とする改良形レーザ・ダイオード構造。
2. 請求項１に記載の改良形レーザ・ダイオード構造において、前記ヒートシンクがＴＥＣであることを特徴とする改良形レーザ・ダイオード構造。
3. 請求項１に記載の改良形レーザ・ダイオード構造において、前記ヒートシンクがＴＥＣであり、そして前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面上のすべての点において、前記ヒートシンクの頂面に向き合う形で設置されていることを特徴とする改良形レーザ・ダイオード構造。
4. 請求項１に記載の改良形レーザ・ダイオード構造において、前記ヒートシンクがＴＥＣであり、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面上のすべての点において、前記ヒートシンクの頂面に向き合う形で設置されており、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が、前記基板の頂面に冶金接合され、そして前記基板の底面が前記ヒートシンクの頂面に冶金接合されることを特徴とする改良形レーザ・ダイオード構造。
5. 請求項１に記載の改良形レーザ・ダイオード構造において、前記ヒートシンクがＴＥＣであり、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面上のすべての点において、前記ヒートシンクの頂面に向き合う形で設置されており、そして前記断熱スロットが、前記パッド位置から前記光学的ポートへの通路に垂直なライン上に前記基板を貫通するスロットとして形成されることを特徴とする改良形レーザ・ダイオード構造。
6. 請求項１に記載の改良形レーザ・ダイオード構造において、前記ヒートシンクがＴＥＣであり、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面が、前記レーザ・ダイオードのヒートシンク面上のすべての点において、前記ヒートシンクの頂面に向き合う形で設置されており、前記断熱スロットが、前記パッド位置から前記光学的ポートへの通路に垂直なライン上に前記基板を貫通するスロットとして形成され、そして前記応力解放スロットが、前記基板を貫通し、前記パッド位置から前記光学的ポートへの通路に平行に、前記基板の縁部から前記断熱スロットの一方の端部まで延びるスロットとして形成されることを特徴とす る改良形レーザ・ダイオード構造。
7. レーザ・ダイオード構造であって、
   頂面と底面とを有する基板を含み、前記基板は前記基板を貫いて延びるＬ字型スロットを有し、前記Ｌ字型スロットは応力開放部分と断熱部分とを有し、前記Ｌ字型スロットの前記応力開放部分は、前記基板の一方の縁部から始まり前記断熱部分の始端部で終わり、前記Ｌ字形スロットは前記基板の片持ち支持セグメントの周囲の境界を形成し、そして前記支持セグメントの表面には半田の予備形成品を収容するパッドが位置しており、さらに、
   前記基板上に装着された、光学的ポートを有するレーザ・ダイオードと、
   前記光学的ポートに配置された、レンズ面を有する光ファイバとを含み、前記光ファイバが前記半田の予備形成品の半田に埋め込まれることにより前記基板上に装着されている、ことを特徴とするレーザ・ダイオード構造。
8. 請求項７に記載のレーザダイオード構造において、前記レーザ・ダイオードは、前記ファイバの前記レンズ面から、その光学的ポートにおいて受光した光に応答する半導体チップであることを特徴とするレーザ・ダイオード構造。

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