JP4629843B2 - 半導体レーザモジュール及びその製造方法並びにシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザモジュール及びその製造方法に関し、特に、真空チャンバーや真空チャンバー内で使用する自動シーム溶接機等を用いる必要がなく、簡単な装置で製造することができ、かつコストを低減することができる半導体レーザモジュール及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体レーザモジュールは、内部に高純度の不活性ガスを注入しシーム溶接などで気密封止を行っている。これは、半導体レーザ素子のふれるパッケージ内部の雰囲気に水分や有機物が含まれていると、長期にわたる使用において、結露等によるショート、有機物の付着による半導体レーザ素子端面の焼け等が発生し、信頼性を著しく損なうためである。そのため、パッケージ内部の雰囲気は低水分の不活性ガスであるのが望ましく、価格などの関係から窒素が選択されることが多い。また、一部の波長帯、例えば980nm帯の半導体レーザ素子では、有機物の付着による焼けが酸素の封入により防止されることが知られているため、酸素を混入する場合もある。通常、上記のガスで満たした雰囲気中でパッケージの本体に蓋部をシーム溶接することにより、内部の雰囲気の管理を行っている。
【0003】
このようなシーム溶接を行う装置として、グローブボックス内でシーム溶接を行う方法が広く行われている。グローブボックスは、一般に箱型の気密容器からなり、その気密容器の側面に樹脂製のグローブパネルが設けられている。そして、グローブパネルの各所には、ゴム製のグローブが取り付けられて、グローブに手を挿入することにより、内部の装置や機器の操作等を気密状態で行うことができる。
【0004】
グローブボックス内には、常に窒素が流されていて、内部のガス成分、含有水分量が管理されている。窒素の導入を止めてしまうと、グローブボックス内の壁に付着した水分等により、内部の露点が上昇してしまう。これを防ぐため、窒素の流量は20L/min程度と大きく設定される。グローブボックスのグローブに手を挿入して、パッケージの本体及び蓋部をセットして、内部のシーム溶接機で封止を行う。また、ロード・アンロードを自動で行う装置も使用されることもある。
【0005】
ところで、半導体レーザモジュールに求められる特性として、例えば75℃程度までの高温環境下での動作保証がある。そのため、半導体レーザモジュールには、ペルチェ素子を用いた冷却装置を備えており、半導体レーザ素子(又はその付近)の温度をサーミスタで検知して、その検知した温度に応じて冷却装置を作動させ、一般には半導体レーザ素子付近の温度を25℃程度に保つようにしている。
【0006】
しかしながら、高温環境下では、パッケージ外部との温度差のために、パッケージ外部からの熱が半導体レーザ素子付近の低温部に流入する。この熱の流入は、パッケージ内部のガス、多くの場合は窒素による熱伝導によってもたらされている。本発明者の実験によれば、冷却すべき半導体レーザ素子の発熱量が1.0W〜6Wであるのに対し、流入熱は0.5W程度に達する。この流入した熱により冷却装置の負荷が増大し、半導体レーザモジュールの冷却特性を著しく劣化される。
【0007】
そこで、半導体レーザモジュールの冷却特性を高温環境下でも保持するため、パッケージ外部の高温部側から半導体レーザ素子付近の低温部側への熱を遮断する必要があり、従来から種々の技術が開発されている。
【0008】
例えば、特開平7−130922号公報には、半導体パッケージ内をキセノン等の低熱伝導性ガスで封止する冷却装置付半導体装置が提案されている(以下、この技術を従来例1という)。従来例1によれば、キセノン等は窒素に比べ熱伝導率が低いため、高温環境下でも外部の高温部から半導体レーザ素子付近の低温部への熱の導入を低減できるので、半導体レーザモジュールの冷却特性が改善され、より高出力高温環境下での動作が可能となる。
【0009】
また、特開昭58−43589号公報には、半導体レーザ素子を密閉する容器内を真空にすることにより、熱伝導による外気温の変化の影響を低減することができる半導体レーザが提案されている(以下、この技術を従来例2という)。従来例2によれば、低圧にすることにより低熱伝導性の効果はさらに良好となり、ほぼ完全に低温部と高温部の遮断が可能となり、一層の冷却特性の改善と高出力高温動作が可能となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例1では、キセノン等が非常に高価な気体であり、従来の方法のように大流量でグローブボックス内に流し込む場合、半導体レーザモジュールの製造コストが非常に高くなってしまうという課題がある。
【0011】
また、従来例2では、グローブボックス内で低圧状態にすることも、構造上グローブがあるため困難である。そのため、真空チャンバー内部にシーム溶接機を取り付け、パッケージの本体と蓋部とをセットして真空引きした後、外部からのリモート操作でシーム溶接を行う方法があるが、その都度真空引きを行うことは、非常に手間がかかる。また、これを解決するために、多数個のセットが可能なように自動で部材のロード・アンロードを行う自動シーム溶接機もあるが、高価となってしまうという課題がある。
【0012】
本発明は、上記課題を解決するために、真空チャンバーや自動シーム溶接機等を用いる必要がなく、簡単な装置で製造することができ、かつコストを低減することができる半導体レーザモジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザモジュールは、
内部を気密封止するパッケージと、
前記パッケージ内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の前方側から出力されたレーザ光が入射され、前記パッケージの頭部側に取り付けられた光ファイバと、
前記半導体レーザ素子の後方側から出力されたレーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子よりも後方側の前記パッケージの尾部に設けられたパイプ状の通気部とを有し、
前記通気部を介して前記パッケージ内に低熱伝導性ガスを導入した後に又は前記パッケージ内を排気した後に、前記通気部は、その先端部を圧潰し溶接することにより封止される、
ことを特徴とするものである。
【0018】
本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、
内部を気密封止するパッケージと、
前記パッケージ内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の前方側から出力されたレーザ光が入射され、前記パッケージの頭部側に取り付けられた光ファイバと、
前記半導体レーザ素子の後方側から出力されたレーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子よりも後方側の前記パッケージの尾部に設けられたパイプ状の通気部とを有する半導体レーザモジュールの製造方法において、
前記半導体レーザ素子、前記光ファイバ及び前記受光素子を前記パッケージに設置する工程と、
前記通気部を介して前記パッケージ内に低熱伝導性ガスを導入し又は前記パッケージ内を排気する工程と、
前記通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記通気部を封止する工程と、
を有することを特徴とするものである。
本発明の第1のシステムは、前記半導体レーザモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するシステムであって、
前記通気部に配管を介して接続される排気装置及び低熱伝導性ガス導入装置と、
前記排気装置及び前記低熱伝導性ガス導入装置と前記通気部との間の前記配管に設けられた切換バルブとを有し、
前記排気装置によって前記通気部を介して前記パッケージ内を排気した後、前記切換バルブを切り換えて、前記低熱伝導性ガス導入装置から低熱伝導性ガスを前記通気部を介して前記パッケージ内に導入する、
ことを特徴とするものである。
本発明の第2のシステムは、前記半導体レーザモジュール内を低圧にするためのシステムであって、
前記通気部に配管を介して接続される排気装置を有し、
前記排気装置によって前記通気部を介して前記パッケージ内を排気して低圧にする、
ことを特徴とするものである。
本発明の第3のシステムは、前記半導体レーザモジュールのパッケージ内に低熱伝導性ガスを導入するシステムであって、
前記通気部は、排気用の第1の通気部とガス導入用の第2の通気部とを備えており、
前記第1の通気部に第1の配管を介して接続される排気装置と、
前記第2の通気部に第2の配管を介して接続される低熱伝導性ガス導入装置と、
前記第2の配管に設けられた開閉バルブとを有し、
前記開閉バルブを閉状態にして、前記排気装置によって前記第1の通気部を介して前記パッケージ内を排気し、その後、前記第1の通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記第1の通気部を封止し、
前記開閉バルブを開状態にして、前記低熱伝導性ガス導入装置から低熱伝導性ガスを前記第2の通気部を介して前記パッケージ内に導入し、その後、前記第2の通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記第2の通気部を封止する、
ことを特徴とするものである。
【0019】
本発明によれば、低熱伝導性ガスの使用量は、パッケージ内部の容積程度に抑えることができる。また、パッケージ内を低圧にする場合でも、真空チャンバーや、自動シーム溶接機を用いることなく、簡易な装置で実施することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す側面断面図であり、(A)は通気部を封止する前の状態を示し、(B)は通気部を封止した後の状態を示す。
【0021】
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールは、内部を気密封止するパッケージ1と、そのパッケージ1内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子2と、その半導体レーザ素子2から出力されたレーザ光が入射される光ファイバ3と、半導体レーザ素子2の後方側(図1では左側)から出力されるモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード4と、半導体レーザ素子2を固定して取り付けたチップキャリア5と、フォトダイオード4を固定して取り付けたフォトダイオードキャリア6と、チップキャリア5及びフォトダイオードキャリア6を固定して取り付けた基台7とを有する。
【0022】
パッケージ1は、本体1aと、本体1aの上部を覆う蓋部1bとを有し、例えば本体1aの底部はCuW系の合金で作られ、その他の部分はコバールで作られている。パッケージ1の本体1aの前方側(図1では右側)の頭部にはフランジ部8が設けられ、パッケージ1の本体1aの後方側(図1では左側)の尾部にはキセノン等の低熱伝導性ガス導入用及び/又はパッケージ内ガス排気用の通気部9が設けられている。
【0023】
通気部9は、例えばパッケージ1の尾部においてパッケージ1外部及び内部に突出したパイプ状に形成されている(図1(A)参照)。例えば、このパイプ状の通気部9は、肉厚0.5mm、内径1mm、パッケージ1外部の長さ20mm、パッケージ1内部の長さ0.5mmとして設計されており、例えばコバール等の材質で作られている。通気部9はパッケージ1に銀ロウ付け等で取り付けられるか、パッケージ1と一体成形される。通気部9を介してパッケージ1内に低熱伝導性ガスを導入した後又はパッケージ1内のガスを排気後に、通気部9の先端部をかしめて潰すことにより仮封止して切断し、かしめ部又はその近傍を溶接することにより封止される(図1(B)参照)。溶接方法としては、超音波溶接法もしくはTIG(イナートガスタングステンアーク)溶接等が用いられる。
【0024】
通気部9をパッケージ1の尾部に設けることにより、パッケージ1の外観がすっきりし、プリント基板やヒートシンク上での設置効率が高くなる。通気部9のパッケージ1外部の長さは、かしめ溶接の作業性の観点から、5mm以上が好ましく、パッケージ1の小型化の観点から、25mm以下が好ましい。
【0025】
基台7上の半導体レーザ素子2の前方側には半導体レーザ素子2から出力されたレーザ光を平行にする第1レンズ10が設置されている。第1レンズ10は、ステンレス等の金属で作られ基台7上に設けられた第1のレンズホルダ11に保持されている。
【0026】
パッケージ1の前方側の頭部に設けられたフランジ部8の内部には、第1レンズ10を通過したレーザ光が入射する窓部12と、レーザ光を集光する第2レンズ13が設けられている。第2レンズ13は、第2のレンズホルダ14によって保持され、その第2のレンズホルダ14は、パッケージ1のフランジ部8の第2レンズ固定面にYAGレーザ溶接により固定される。
【0027】
第2のレンズホルダ14の端部には金属製のスライドリング15がYAGレーザ溶接により固定される。
【0028】
光ファイバ3の先端部は金属製のフェルール16によって保持され、そのフェルール16は、スライドリング15の内部にYAGレーザ溶接により固定される。
【0029】
基台7はパッケージ1の底部に固定された冷却装置17上に固定して取り付けられている。冷却装置17は、半導体レーザ素子2から発生した熱を冷却するものであり、ペルチェ素子が用いられる。半導体レーザ素子2からの発熱による温度上昇はチップキャリア5上に設けられたサーミスタ(図示せず)によって検出され、サーミスタにより検出された温度が一定温度になるように、冷却装置17が制御される。これによって、半導体レーザ素子2のレーザ出力を安定化させることができる。
【0030】
半導体レーザ素子2の前方側から出力されたレーザ光は、第1レンズ10によって平行になり、窓部12を介して第2レンズ13によって集光され、フェルール16によって保持された光ファイバ3に入射され外部に送出される。
【0031】
一方、半導体レーザ素子2の後方側から出力されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード4によって受光され、フォトダイオード4の受光量等を算出することにより半導体レーザ素子2の光出力強度や発光波長を調整する。
【0032】
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するためのシステムの構成を示す説明図であり、(A)はモジュール内を排気している状態を示し、(B)はモジュール内に低熱伝導性ガスを導入している状態を示す。
【0033】
図2に示すように、このシステムでは、ロータリポンプ等の排気装置18及び低熱伝導性ガス導入装置19が配管20を介して通気部9に接続されている。また、排気装置18及び低熱伝導性ガス導入装置19と通気部9との間の配管20には切換バルブ21が設けられている。
【0034】
まず、パッケージ1の本体1aに蓋部1bをシーム溶接で取り付けた後、排気装置18及び低熱伝導性ガス導入装置19が接続された配管20の先端部を通気部9に取り付ける。
【0035】
次いで、切換バルブ21を排気装置18側の管路に接続するように切り換え、排気装置18によって通気部9を介してパッケージ1内を排気する(図2(A)参照)。
【0036】
次いで、切換バルブ21を低熱伝導性ガス導入装置19側の管路に接続するように切り換え、低熱伝導性ガス導入装置19からキセノン等の低熱伝導性ガスを通気部9を介してパッケージ1内に導入する(図2(B)参照)。
【0037】
パッケージ1内が低熱伝導性ガスによって充填されると、通気部9の先端部をかしめて潰すことにより仮封止して切断し、かしめ部又はその近傍を溶接することにより通気部9を封止する。
【0038】
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内を低圧にするためのシステムの構成を示す説明図である。
【0039】
このシステムでは、排気装置18が配管20を介して通気部9に接続されている。
【0040】
まず、パッケージ1の本体1aに蓋部1bをシーム溶接で取り付けた後、排気装置18が接続された配管20の先端部を通気部9に取り付ける。
【0041】
次いで、排気装置18によって通気部9を介してパッケージ1内を排気して、例えば10-3Torr程度に低圧にする。
【0042】
パッケージ1内を所望の圧力まで低圧にすると、通気部9の先端部をかしめて潰すことにより仮封止して、かしめ部又はその近傍を溶接することにより通気部9を封止する。
【0043】
本発明の第1の実施の形態によれば、低熱伝導性ガスの使用量は、パッケージ1内部の容積程度に抑えることができる。その結果、半導体レーザモジュールの製造コストを低減することができる。
【0044】
また、パッケージ1内を低圧にする場合でも、真空チャンバーや、自動シーム溶接機を用いることなく、簡易な装置で実施することができる。
【0045】
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するためのシステムの構成を示す説明図であり、(A)はモジュール内を排気している状態を示し、(B)はモジュール内に低熱伝導性ガスを導入している状態を示す。
【0046】
図4に示すように、第2の実施の形態では、パッケージ1に取り付ける第1の通気部9a及び第2の通気部9bがそれぞれ平面から見て2列に平行に設けられ、第1の通気部9aが排気用に用いられ、第2の通気部9bがガス導入用に用いられる。
【0047】
排気装置18は第1の配管20aを介して第1の通気部9aに接続され、低熱伝導性ガス導入装置19は第2の配管20bを介して第2の通気部9bに接続されている。また、第2の配管20bには、開閉バルブ22が設けられている。
【0048】
まず、パッケージ1の本体1aに蓋部1bをシーム溶接で取り付けた後、排気装置18が接続された第1の配管20aの先端部を第1の通気部9aに取り付けるとともに、低熱伝導性ガス導入装置19が接続された第2の配管20bの先端部を第2の通気部9bに取り付ける。その際、開閉バルブ22は閉状態になっている(図4(A)参照)。
【0049】
次いで、排気装置18によって第1の通気部9aを介してパッケージ1内を排気する。
【0050】
次いで、第1の通気部9aの先端部をかしめて潰すことにより仮封止して切断し、かしめ部又はその近傍を溶接することにより第1の通気部9aを封止する。
【0051】
次いで、開閉バルブ22を開状態にして、低熱伝導性ガス導入装置19からキセノン等の低熱伝導性ガスを第2の通気部9bを介してパッケージ1内に導入する(図4(B)参照)。
【0052】
パッケージ1内が低熱伝導性ガスによって充填されると、第2の通気部9bの先端部をかしめて潰すことにより仮封止して切断し、かしめ部又はその近傍を溶接することにより第2の通気部9bを封止する。
【0053】
第2の実施の形態によれば、排気用の第1の通気部9aとガス導入用の第2の通気部9bの2つの通気部9に分かれており、排気用とガス導入用を兼ねていないので、切換バルブ21を設ける必要がなくなるとともに、排気工程及びガス導入工程の確実性が向上する。
【0054】
本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。
【0055】
【発明の効果】
本発明によれば、低熱伝導性ガスの使用量は、パッケージ内部の容積程度に抑えることができる。その結果、半導体レーザモジュールの製造コストを低減することができる。
【0056】
また、パッケージ内を低圧にする場合でも、真空チャンバーや、自動シーム溶接機を用いることなく、簡易な装置で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す側面断面図であり、(A)は通気部を封止する前の状態を示し、(B)は通気部を封止した後の状態を示す。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するためのシステムの構成を示す説明図であり、(A)はモジュール内を排気している状態を示し、(B)はモジュール内に低熱伝導性ガスを導入している状態を示す。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内を低圧にするためのシステムの構成を示す説明図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザモジュールのモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するためのシステムの構成を示す説明図であり、(A)はモジュール内を排気している状態を示し、(B)はモジュール内に低熱伝導性ガスを導入している状態を示す。
【符号の説明】
1:パッケージ
1a:本体
1b:蓋部
2:半導体レーザ素子
3:光ファイバ
4:フォトダイオード
5:チップキャリア
6:フォトダイオードキャリア
7:基台
8:フランジ部
9:通気部
9a:第1の通気部
9b:第2の通気部
10:第1レンズ
11:第1のレンズホルダ
12:窓部
13:第2レンズ
14:第2のレンズホルダ
15:スライドリング
16:フェルール
17:冷却装置
18:排気装置
19:低熱伝導性ガス導入装置
20:配管
20a:第1の配管
20b:第2の配管
21:切換バルブ
22:開閉バルブ
Claims (5)
- 内部を気密封止するパッケージと、
前記パッケージ内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の前方側から出力されたレーザ光が入射され、前記パッケージの頭部側に取り付けられた光ファイバと、
前記半導体レーザ素子の後方側から出力されたレーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子よりも後方側の前記パッケージの尾部に設けられたパイプ状の通気部とを有し、
前記通気部を介して前記パッケージ内に低熱伝導性ガスを導入した後に又は前記パッケージ内を排気した後に、前記通気部は、その先端部を圧潰し溶接することにより封止される、
ことを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 内部を気密封止するパッケージと、
前記パッケージ内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の前方側から出力されたレーザ光が入射され、前記パッケージの頭部側に取り付けられた光ファイバと、
前記半導体レーザ素子の後方側から出力されたレーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子よりも後方側の前記パッケージの尾部に設けられたパイプ状の通気部とを有する半導体レーザモジュールの製造方法において、
前記半導体レーザ素子、前記光ファイバ及び前記受光素子を前記パッケージに設置する工程と、
前記通気部を介して前記パッケージ内に低熱伝導性ガスを導入し又は前記パッケージ内を排気する工程と、
前記通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記通気部を封止する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。 - 前記請求項1に記載の半導体レーザモジュール内に低熱伝導性ガスを導入するシステムであって、
前記通気部に配管を介して接続される排気装置及び低熱伝導性ガス導入装置と、
前記排気装置及び前記低熱伝導性ガス導入装置と前記通気部との間の前記配管に設けられた切換バルブとを有し、
前記排気装置によって前記通気部を介して前記パッケージ内を排気した後、前記切換バルブを切り換えて、前記低熱伝導性ガス導入装置から低熱伝導性ガスを前記通気部を介して前記パッケージ内に導入する、
ことを特徴とするシステム。 - 前記請求項1に記載の半導体レーザモジュール内を低圧にするためのシステムであって、
前記通気部に配管を介して接続される排気装置を有し、
前記排気装置によって前記通気部を介して前記パッケージ内を排気して低圧にする、
ことを特徴とするシステム。 - 前記請求項1に記載の半導体レーザモジュールのパッケージ内に低熱伝導性ガスを導入するシステムであって、
前記通気部は、排気用の第1の通気部とガス導入用の第2の通気部とを備えており、
前記第1の通気部に第1の配管を介して接続される排気装置と、
前記第2の通気部に第2の配管を介して接続される低熱伝導性ガス導入装置と、
前記第2の配管に設けられた開閉バルブとを有し、
前記開閉バルブを閉状態にして、前記排気装置によって前記第1の通気部を介して前記パッケージ内を排気し、その後、前記第1の通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記第1の通気部を封止し、
前記開閉バルブを開状態にして、前記低熱伝導性ガス導入装置から低熱伝導性ガスを前記第2の通気部を介して前記パッケージ内に導入し、その後、前記第2の通気部の先端部を圧潰し溶接することにより前記第2の通気部を封止する、
ことを特徴とするシステム
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