JP5400257B2 - 半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置および半導体レーザモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザモジュールを製造する際に、半導体レーザ素子搭載用基台を固定部に半田付けする装置、および、半導体レーザモジュールの製造方法に関するものである。

図６には半導体レーザモジュールの一例が断面図により模式的に示されている。この半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２と光ファイバ３を光学的に結合してモジュール化したものである。この半導体レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２と、光ファイバ３と、パッケージ４と、温度制御手段（例えばペルチェモジュール）５と、基台（ベース）６と、フォトダイオードキャリア７と、フォトダイオード８と、チップキャリア９と、第１レンズホルダー１０と、コリメートレンズ１１と、第２レンズホルダー１２と、集光レンズ１３と、スライドリング１４と、フェルール１５とを有して構成されている。

この半導体レーザモジュール１において、パッケージ４は箱形状になっている。このパッケージ４の内部の底面には温度制御手段５が固定されており、この温度制御手段５の上面には基台６が半田により固定されている。この基台６の上部にはフォトダイオードキャリア７とチップキャリア９と第１レンズホルダー１０が固定されている。フォトダイオードキャリア７にはフォトダイオード８が固定され、チップキャリア９には半導体レーザ素子２が固定され、第１レンズホルダー１０にはコリメートレンズ１１が固定されている。

パッケージ４の側壁には、半導体レーザ素子２がコリメートレンズ１１を介して対向する部位に、貫通孔１６が形成され、この貫通孔１６の周端縁にはパッケージ内部と外部のそれぞれに向けて筒状壁１７が突出形成されている。この筒状壁１７のパッケージ内部側には窓１８が嵌め込まれ、筒状壁１７のパッケージ外部側には第２レンズホルダー１２が例えばＹＡＧレーザ溶接により固定されている。この第２レンズホルダー１２の内部には集光レンズ１３が固定されている。第２レンズホルダー１２の外端部には金属製のスライドリング１４が固定されている。

フェルール１５は金属により構成されており、このフェルール１５の内部には一端側から他端側に貫通する貫通孔（図示せず）が形成されている。この貫通孔には光ファイバ３の先端部が挿通固定されている。フェルール１５はスライドリング１４の内部に挿通されて例えばＹＡＧレーザ溶接によりスライドリング１４に固定されている。

このような半導体レーザモジュール１では、半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光がレンズ１１，１３により光ファイバ３に入射するように、半導体レーザ素子２とレンズ１１，１３と光ファイバ３との配置位置が関係付けられている。

フォトダイオード８は半導体レーザ素子２の発光状態をモニタするものであり、温度制御手段５は半導体レーザ素子２の温度制御を行うものである。半導体レーザ素子２の近傍には半導体レーザ素子２の温度を検知するためのサーミスタ（図示せず）が設けられており、このサーミスタの検出温度に基づいて、半導体レーザ素子２が一定の温度となるように温度制御手段５が制御される。これにより、半導体レーザ素子２の温度変動に起因したレーザ光の強度変動および波長変動が抑制されて、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光の強度および波長がほぼ一定に維持される。

このような半導体レーザモジュール１を組み立てる場合には、例えば、まず、パッケージ４の内部に温度制御手段５を固定する。また、一方では、パッケージ４の外部で、基台６の上部にチップキャリア９を介して半導体レーザ素子２を搭載する。さらに、基台６上には、フォトダイオードキャリア７を介してフォトダイオード８を搭載し、また、コリメートレンズ１１が固定された第１レンズホルダー１０を基台６上に固定する。

然る後に、その基台６を温度制御手段５の上面に半田を介して適切に位置決めし、半田を溶融・凝固させて固定する。その後、筒状壁１７のパッケージ外部側に、集光レンズ１３が取り付けられた第２レンズホルダーや、スライドリング１４を固定する。さらに、光ファイバ３の先端部が固定されたフェルール１５をスライドリング１４に挿通し、半導体レーザ素子２のレーザ光が光ファイバ３の先端部に入射するように、フェルール１５の調芯を行った後に、フェルール１５をスライドリング１４に例えばＹＡＧレーザ溶接により固定する。その後、例えば真空中でパッケージ４を気密封止する。このようにして、半導体レーザモジュール１を組み立て作製することができる。

発明が解決しようとする課題

半導体レーザモジュール１では、半導体レーザ素子２から出射されたレーザ光を光ファイバ３に高い光結合効率で入射させることが重要である。しかし、従来の手法では、温度制御手段５上における基台６の固定状態（姿勢）が半導体レーザ素子２の光軸、即ち、レーザ光の光軸の傾きに基づいて考慮されておらず、所望の光結合効率を得られる半導体レーザモジュールを安定して製造することが困難であった。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、半導体レーザ素子と光ファイバの光結合効率の向上を容易とする半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置および半導体レーザモジュールの製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決する手段としている。すなわち、第１の発明は、パッケージ内の固定部に半導体レーザ素子搭載用の基台を半田付けする装置であって、
パッケージが収容配置されるチャンバと、
チャンバ内に固定されて設けられ前記パッケージが載置されるパッケージ載置部と、
前記基台を把持する基台把持手段と、
半導体レーザ素子を搭載した基台が基台把持手段に把持されて前記パッケージ載置部に載置されたパッケージ内の固定部の上部に配置されている状態で、前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出するＬＤ光軸傾き検出手段と、
このＬＤ光軸傾き検出手段の検出結果に基づいて基台把持手段とパッケージ載置部を相対的に変位させ半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整する光軸調整手段とを有し、当該光軸調整手段は、水平平面をＸＺ平面と成して、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、前記基台把持手段に把持されている基台と前記パッケージとの位置を、Ｘ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向に相対的に変位させて前記半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整可能な構成と成し、
前記パッケージ載置部は、加熱手段を有し、
前記チャンバは、前記パッケージ載置部に載置されて当該チャンバ内に収容配置されたパッケージを当該チャンバの外部から見るとともに、チャンバ内の前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をチャンバ外へ導光するための覗き窓を備えており、
前記基台は、前記半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向が前記覗き窓の方向となるように前記パッケージ内に配置され、
光軸調整手段による半導体レーザ素子の光軸調整が終了した後に、光軸調整状態を維持したまま前記加熱手段を加熱して基台を前記パッケージ内の前記固定部に半田固定する構成をもって前記課題を解決する手段としている。

第２の発明は、第１の発明の構成を備え、ＬＤ光軸傾き検出手段は、レーザ光が入射される受光部を基準光軸に沿って変位させ、互いに異なる複数の測定箇所での前記受光部におけるレーザ光の入射位置情報に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出する光学測定系を備えている構成と成していることを特徴として構成されている。

第３の発明は、第１の発明の構成を備え、ＬＤ光軸傾き検出手段は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を受け、この受けたレーザ光に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを角度情報として検出する光学測定系を備えていることを特徴として構成されている。

第４の発明は、第１又は第２又は第３の発明の構成を備え、パッケージ載置部に載置されたパッケージの向きを予め定めた基準の向きに調整するパッケージ調整手段が設けられ、このパッケージ調整手段によってパッケージの向きが基準の向きに調整された以降に、ＬＤ光軸傾き検出手段により半導体レーザ素子の光軸の傾き検出が行われることを特徴として構成されている。また、第５の発明は、前記第４の発明の構成を備え、水平平面をＸＺ平面と成し、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、パッケージ調整手段は、パッケージが載置されているパッケージ載置部をＸ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向との移動を制御指令によって移動させる構成と成したことを特徴として構成されている。

第６の発明は、第１〜第５の発明の何れか１つの発明の構成を備え、基台把持手段に把持された基台の底面が固定部の上面に面で当接するように傾動自在に基台把持手段を支持する支持手段と、この支持手段に対する基台把持手段の傾動状態を固定する傾動固定手段とを有し、基台の底面と固定部の上面が略平行な状態で、前記傾動固定手段によって前記支持手段に対する基台把持手段の傾動を固定した後に、基台を固定部に半田付けすることを特徴として構成されている。

第７の発明は、第１〜第６の発明の何れか１つの発明の構成を備え、固定部は半導体レーザ素子の温度を制御する温度制御手段であることを特徴として構成されている。

第８の発明は、半導体レーザ素子が光ファイバと光結合状態でパッケージに固定されている半導体レーザモジュールの製造方法において、
半導体レーザ素子を基台に固定し、
その後、半導体レーザ素子が固定された基台を、覗き窓を備えるチャンバ内に固定された前記パッケージ内に移動して、前記基台を前記半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向が前記覗き窓の方向となるように前記パッケージ内に配置し、然る後に半導体レーザ素子からレーザ光を出射させ、そのレーザ光を前記覗き窓を通してチャンバの外側で検出して前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出し、
水平平面をＸＺ平面と成して、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きの検出結果に基づいて、パッケージと基台との位置をＸ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向に相対的に変位させて半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整し、
然る後に、半導体レーザ素子の光軸と前記パッケージの基準光軸との調整状態を維持し、前記パッケージを載置するパッケージ載置部に備えられた加熱手段を加熱して基台を前記パッケージ内の固定部に半田固定することを特徴として構成されている。

この発明では、半導体レーザ素子を搭載した基台を、パッケージ内の固定部の上部に半田固定する前に、例えば光ファイバの受光光軸となるパッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出し、この検出結果に基づいて、半導体レーザ素子の光軸を基準光軸に略一致させる等、所定の傾きに調整する。そして、その状態を維持したまま、基台を固定部の上部に半田固定する。

このようにして基台を固定部の上部に固定することにより、半導体レーザ素子の光軸方向が安定するため、この後の工程において、レンズや光ファイバの調心が容易になると共に、それらの位置決め精度も向上する。これにより、光ファイバと半導体レーザ素子の光結合効率の向上を図ることができる。

以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する各実施形態例では、図６に示す半導体レーザモジュールを例にして、半導体レーザモジュールの製造手法の一例と、その製造の際に用いられる半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置の一構成例とを説明する。図６の半導体レーザモジュールの構成は前述したので、各実施形態例では、その重複説明は省略する。

第１実施形態例では、半導体レーザモジュール１の製造工程において、半導体レーザ素子２を搭載した基台６を、パッケージ４の内部の固定部である温度制御手段５の上面に半田付けする際には、光ファイバ３の受光光軸となる基準光軸と、半導体レーザ素子２の光軸とが略一致するように基台６の位置や向きを調整し、その後に、その調整後の状態を維持したまま、基台６と温度制御手段５を半田付けする。この半田付け工程以外の工程は従来とほぼ同様であり、ここでは、その説明は適宜省略する。

上記のように温度制御モジュール５と基台６を半田付けすることにより、その後の工程でパッケージ４に光ファイバ３を配置する際に、図２のモデル図に示されるように、光ファイバ３の受光光軸を半導体レーザ素子２の光軸にほぼ一致させて、光ファイバ３をパッケージ４に配設することが容易となる。つまり、半導体レーザ素子２と光ファイバ３の光結合効率を高めることが容易となる。なお、図２は、半導体レーザモジュール１の主要な構成部分を上部側から見て模式的に示した平面図である。また、図２中の符号２０は、パッケージ４の内部の温度制御手段５や半導体レーザ素子２等を外部の回路と導通接続させるためのリード端子を示している。

この第１実施形態例において特有な上記半田付け手法を実現するための半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置の一実施形態例が図１に模式的に示されている。

この半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置２５は、基台セット部２６と、チャンバ２７と、加熱手段２８と、チャンバ変位手段２９と、基台把持手段３０と、把持手段変位機構３１と、高さ変位計測手段３２と、パッケージ傾き検出手段３３と、ＬＤ光軸傾き検出手段３４とを有して構成されている。

この半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置２５において、チャンバ変位手段２９は、Ｘ方向変位手段２９ａと、Ｙ方向変位手段２９ｂと、Ｚ方向変位手段２９ｃと、α方向変位手段２９ｄと、θ方向変位手段２９ｅとを有して構成されている。このチャンバ変位手段２９の上部にチャンバ２７が載置され、上記各変位手段２９ａ〜２９ｅによって、チャンバ２７をＸ、Ｙ、Ｚ、α、θ方向のそれぞれに変位させることができる。

チャンバ２７の内部には加熱手段２８が固定されており、この加熱手段２８の上面には半導体レーザモジュール１のパッケージ４が載置される。その加熱手段２８に載置されるパッケージ４の内部には温度制御手段５が固定され、かつ、パッケージ４の上部は開口した状態となっている。この第１実施形態例では、加熱手段２８は、パッケージ４を加熱する機能と、パッケージ載置部としての機能とを備えたものである。

チャンバ２７には覗き窓３５が形成されており、この覗き窓３５には例えばガラス等の透明部材が嵌め込まれている。パッケージ４を加熱手段２８の上部に載置する際には、図６に示すパッケージ４の筒状壁１７を覗き窓３５に向けてパッケージ４を配置する。これにより、チャンバ２７の外部から覗き窓３５を通して、パッケージ４の筒状壁１７の先端面（以下、パッケージ端面と記す）１７ａを見ることができる。

パッケージ傾き検出手段３３は、パッケージ４のパッケージ端面１７ａが予め定めた基準の向きに対して、どの程度傾いているかを検出する構成を備えているものであり、この第１実施形態例では、フォーカス変位計を有している。このパッケージ傾き検出手段３３では、フォーカス変位計と、パッケージ４のパッケージ端面１７ａとがチャンバ２７の覗き窓３５を介して対峙可能である。そして、この対峙状態で、フォーカス変位計によって、当該フォーカス変位計と、図３に示すようなパッケージ端面１７ａの互いに異なる複数の測定点（図３に示す例では３点Ａ，Ｂ，Ｃ）との距離を順次計測し、それら測定点とフォーカス変位計との間の距離に基づいて、パッケージ４のパッケージ端面１７ａの傾きを検出する。

この第１実施形態例では、フォーカス変位計は位置決め固定されている。上記パッケージ４の基準の向きとは、そのフォーカス変位計と、パッケージ端面１７ａの複数の測定点との間の距離が全て等しくなった向きとしている。なお、フォーカス変位計を利用してパッケージ４の傾きを検出する際には、チャンバ変位手段２９のＸ方向変位手段２９ａやＹ方向変位手段２９ｂやＺ方向変位手段２９ｃ等により、チャンバ２７を移動させて、パッケージ４のパッケージ端面１７ａと、フォーカス変位計とをチャンバ２７内の覗き窓３５を介して対峙させることとなる。

この第１実施形態例では、基準の向きに対してパッケージ４のパッケージ端面１７ａが傾いていることが検知された場合（つまり、パッケージ傾き検出手段３３のフォーカス変位計と、パッケージ端面１７ａの複数の測定点との間の各距離が異なっている場合）には、パッケージ端面１７ａの各測定点とフォーカス変位計との間の距離が全て等しくなるように、チャンバ変位手段２９のα方向変位手段２９ｄやθ方向変位手段２９ｅ等によってチャンバ２７を変位させることで、パッケージ４の向きを調整する。つまり、この第１実施形態例では、チャンバ変位手段２９が、パッケージ４の向きを基準の向きに調整するパッケージ調整手段として機能する。

基台把持手段３０は基台６の把持と把持解除ができるものである。例えば、基台把持手段３０は、ハンド３７とハンド開閉手段３８を有して構成されている。この基台把持手段３０では、ハンド開閉手段３８によりハンド３７を閉方向に駆動させることによって基台６を把持し、ハンド開閉手段３８によりハンド３７を開方向に駆動させることによって基台６の把持解除を行うことができる。

このような基台把持手段３０は支持手段４３を介して把持手段変位機構３１に取り付けられている。この把持手段変位機構３１は、Ｘ方向変位手段３１ａと、Ｙ方向変位手段３１ｂと、θ方向変位手段３１ｃと、Ｚ方向変位手段３１ｄとを有して構成されており、基台把持手段３０をＸ、Ｙ、Ｚ、θの各方向にそれぞれ変位させることが可能なものである。

基台セット部２６の上面には、半導体レーザ素子２を搭載した基台６が載置される。この基台セット部２６に載置された基台６は基台把持手段３０により把持され、その後、把持手段変位機構３１による基台把持手段３０の移動動作によって、チャンバ２７の内部のパッケージ４に向けて搬送され、そのパッケージ４内部の温度制御手段５の上部に配置されることとなる。

この第１実施形態例では、基台把持手段３０は支持手段４３に傾動自在に支持されている。具体的には、例えば、基台把持手段３０の上面４０は球面状となっており、支持手段４３には、その球面４０に対向する部位に、球面４０が嵌まる凹曲面部４１が形成されている。これにより、基台把持手段３０を下方側に変位させて、当該基台把持手段３０に把持されている基台６の底面を温度制御手段５の上面に押し付けた際に、その基台６の底面が温度制御手段５の上面に倣う方向に、基台把持手段３０が支持手段４３に対して傾動することができる。

この第１実施形態例では、支持手段４３が傾動固定手段を兼ねており、この傾動固定手段によって、基台６の底面のほぼ全面が温度制御手段５の上面に当接した状態で、支持手段４３に対する基台把持手段３０の傾動を固定することができる。具体的には、例えば、支持手段４３の凹曲面部４１には吸気口が形成されており、その吸気口から凹曲面部４１と基台支持手段３０の球面４０との間の空気を排気することにより、基台支持手段３０の球面４０を支持手段４３の凹曲面部４１に真空吸着させて支持手段４３に対して基台把持手段３０の傾動を固定する。なお、もちろん、他の手法により支持手段４３に対して基台把持手段３０の傾動を固定してもよい。

高さ変位計測手段３２は、例えば、ゼロリセット動作により定められる基準位置に対する基台把持手段３０の高さ位置を計測する構成を備えている。

前記の如く、半導体レーザ素子２が搭載された基台６が基台把持手段３０によって把持されて、チャンバ２７内におけるパッケージ４内の温度制御手段５の上部に配置された後であり、かつ、光ファイバ３がパッケージ４に取り付けられる前の状態で、ＬＤ光軸傾き検出手段３４は、光ファイバ３の受光光軸となる基準光軸Ｓ（図４参照）に対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを検出するものである。この第１実施形態例では、基準光軸Ｓは筒状壁１７の中心軸に設定されている。なお、基準光軸Ｓは筒状壁１７の中心軸でなくともよく、適宜に設定できるものである。

具体的には、この第１実施形態例では、ＬＤ光軸傾き検出手段３４は受光部である赤外線カメラを有して構成されている。この赤外線カメラと、パッケージ４のパッケージ端面１７ａとがチャンバ２７の覗き窓３５を介して対峙している状態で、半導体レーザ素子２を発光させ、赤外線カメラを基準光軸Ｓに沿って変位させて、互いに異なる複数の測定箇所（例えば図４（ａ）に示されるような２箇所の測定位置Ｍ１，Ｍ２）で、赤外線カメラにおける半導体レーザ素子２のレーザ光の入射位置を検出する。

そして、それらレーザ光の入射位置情報に基づいて、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを検出する。例えば、測定位置Ｍ１では、赤外線カメラにおけるレーザ光の入射位置が図４（ｂ）に示される点Ｋ１の位置であり、測定位置Ｍ２では、赤外線カメラにおけるレーザ光の入射位置が図４（ｃ）に示される点Ｋ２の位置であったとする。この場合には、赤外線カメラにおけるレーザ光の入射位置が測定位置Ｍ１と測定位置Ｍ２とで、ずれている。赤外線カメラは基準光軸Ｓに沿って変位しているので、半導体レーザ素子２の光軸と基準光軸Ｓとが略一致あるいは平行である場合には、レーザ光の測定箇所が異なっても、赤外線カメラにおけるレーザ光の入射位置は、ずれない。これに対して、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるようにレーザ光の入射位置Ｋ１，Ｋ２が測定箇所によってずれる場合には、半導体レーザ素子２の光軸は基準光軸Ｓに対して傾いていると判断することができる。その傾きは、レーザ光の入射位置Ｋ１，Ｋ２のずれ量Δｐと、測定位置Ｍ１，Ｍ２間の間隔Ｈとに基づいて求めることができる。なお、この例では、レーザ光の測定箇所は２箇所であったが、もちろん、３箇所以上の測定箇所でレーザ光の入射位置を測定してもよい。

ＬＤ光軸傾き検出手段３４による半導体レーザ素子２の光軸傾きの検出結果に基づいて、把持手段変位機構３１を利用して基台把持手段３０を変位させ、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを無くす方向に基台６を変位させることができる。例えば、赤外線カメラの中心位置ｃを基準光軸Ｓに合わせて、複数の測定箇所における赤外線カメラのレーザ光の入射位置が何れの測定箇所においても赤外線カメラの中心位置ｃとなるように、赤外線カメラのレーザ光の入射位置を測定しながら、把持手段変位機構３１による基台把持手段３０の変位によって基台６を変位させて半導体レーザ素子２の配置位置や向きを調整する。このように、この第１実施形態例では、把持手段変位機構３１は光軸調整手段として機能する。

なお、上記のように、赤外線カメラの中心位置ｃを基準光軸Ｓ（つまり、この第１実施形態例ではパッケージ４の筒状壁１７の中心軸）に合わせ、赤外線カメラのレーザ光の入射位置が何れの測定箇所においても赤外線カメラの中心位置ｃとなるように半導体レーザ素子２の姿勢状態を調整することにより、その半導体レーザ素子２のレーザ光はパッケージ４の筒状壁１７の中心軸（基準光軸Ｓ）を通ってパッケージ４外に出射されることとなる。すなわち、そのような半導体レーザ素子２の姿勢状態の調整によって、光ファイバの受光光軸となる基準光軸Ｓに対するレーザ光の傾き調整だけでなく、基準光軸Ｓとレーザ光を一致させる光軸調整をも行っていることになり、好ましい。

ところで、赤外線カメラによる半導体レーザ素子２のレーザ光の測定箇所が唯１箇所のみで行われ、その測定されたレーザ光の入射位置が基準光軸Ｓ上にあるか否かによって、半導体レーザ素子２の配置位置の調整を行うことがある。しかし、この場合には、例えば、図５（ａ）に示されるように、半導体レーザ素子２の光軸Ｔが基準光軸Ｓに対して傾いているのにも拘わらず、半導体レーザ素子２の光軸Ｔと基準光軸Ｓが交差している箇所Ｍで、赤外線カメラによるレーザ光の入射位置の測定が行われると、測定箇所Ｍでの赤外線カメラにおけるレーザ光の入射位置は図５（ｂ）に示されるように中心位置ｃ、つまり、基準光軸Ｓ上となる。この場合には、半導体レーザ素子２の光軸Ｔと基準光軸Ｓは一致していると誤判断されて、半導体レーザ素子２の光軸調整は行われず、半導体レーザ素子２の光軸Ｔは基準光軸Ｓに対して傾いたままとなる。

これに対して、この第１実施形態例では、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸Ｔの傾きを検出する構成であることから、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸Ｔの傾きを確実に検知することができて、半導体レーザ素子２の光軸Ｔを基準光軸Ｓに一致させる光軸調整を行わせることができる。

また、チャンバ２７の内部にパッケージ４を載置する際に、常に、全く同一の向きにパッケージ４を載置することは難しく、チャンバ２７に対するパッケージ４の配置向きはばらついてしまう。このため、パッケージ４を載置したときの向きのまま、ＬＤ光軸傾き検出手段３４によって半導体レーザ素子２の光軸の傾きを検出しても、パッケージ４の配置向きのばらつきに起因して、正確な検出結果を得ることは難しい。

これに対して、この第１実施形態例では、パッケージ傾き検出手段３３によって、基準の向きに対するパッケージ４の傾きを検出し、この検出結果に基づいて、パッケージ４の向きを基準の向きに調整することが可能な構成とした。これにより、ＬＤ光軸傾き検出手段３４によって、常に、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを正確に検出することができることとなる。

上記のような半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置２５を利用した基台６と温度制御手段５の半田固定手法の一例を簡単に説明する。まず、半導体レーザ素子２をチップキャリア９を介して基台６に固定し、その基台６を基台セット部２６の上部に載置する。また一方では、パッケージ４の内部に温度制御手段５を固定し、そのパッケージ４をチャンバ２７内の加熱手段２８の上部に載置する。

そして、パッケージ傾き検出手段３３によってパッケージ４のパッケージ端面１７ａの傾きを検出し、パッケージ４の向きが基準の向きからずれている場合には、チャンバ変位手段２９を利用して、チャンバ２７を変位させて当該チャンバ２７内のパッケージ４の向きを基準の向きに調整する。その後、パッケージ４の向きを保持したまま、チャンバ変位手段２９によってチャンバ２７を移動させて、パッケージ４のパッケージ端面１７ａをＬＤ光軸傾き検出手段３４の赤外線カメラに対峙させる。

然る後に、基台セット部２６上の基台６を基台把持手段３０によって把持して、パッケージ４内の温度制御手段５の上方側に搬送する。そして、基台把持手段３０が支持手段４３に対して傾動自在な状態で、その基台把持手段３０を下方側に移動させて基台６の底面を温度制御手段５の上面に押し付ける。これにより、基台６の底面は温度制御手段５の上面に倣って、当該基台６の底面は温度制御手段５の上面に面でもって当接する。この状態で、傾動固定手段によって、支持手段４３に対する基台把持手段３０の傾動を固定する。このとき、高さ変位計測手段３２をゼロリセットする。

その後、この傾動固定状態を保ったまま、半田の設定の厚み分だけ基台６を温度制御手段５から浮かせる。この位置を基準に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明したように、半導体レーザ素子２を発光させ、ＬＤ光軸傾き検出手段３４によって、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾き・位置を検出する。その検出結果に基づき、把持手段変位機構３１によって基台６を変位させることで、半導体レーザ素子２の光軸を基準光軸Ｓに一致させる方向に半導体レーザ素子２を変位させる。

そして、その半導体レーザ素子２の姿勢調整後の状態を維持したまま、基台把持手段３０を一旦、上方側に退避させ、温度制御手段５の上面に半田を載置する。その後、加熱手段２８によりパッケージ４を加熱して、温度制御手段５上の半田を溶融し、この状態で、再び、基台把持手段３０を下方側に移動させ、高さ変位計測手段３２を利用して、基台６の底面を温度制御手段５の上面よりも半田の設定の厚み分だけ上側に配置させる。

然る後に、半導体レーザ素子２の光軸が基準光軸Ｓに略一致した状態を維持したまま、加熱手段２８による加熱を停止して、冷却風をチャンバ２７内に流して半田を冷却凝固させる。これにより、基台６を温度制御手段５に半田固定することができる。なお、この第１実施形態例では、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きが予め定めた許容範囲内である場合には、半導体レーザ素子２の光軸が基準光軸Ｓに一致した状態と見なす。

然る後に、基台把持手段３０による基台６の把持を解除して基台把持手段３０を上方側に退避させる。その後、チャンバ２７からパッケージ４が取り出され、そのパッケージ４は次の工程の作業箇所へと搬送されることとなる。

この第１実施形態例によれば、温度制御手段５の上面に基台６を半田固定する際に、基台６に搭載された半導体レーザ素子２の光軸と、光ファイバ３の受光光軸となる基準光軸Ｓとが一致するように、基台６の配置位置や向きを調整し、その調整後の状態を維持したまま、その基台６を温度制御手段５に半田固定する構成とした。これにより、その半田付け工程の後工程で、パッケージ４に光ファイバ３を配設する際に、半導体レーザ素子２の光軸と光ファイバ３の受光光軸とを一致させることが容易となり、半導体レーザ素子２と光ファイバ３の光結合効率の向上を図ることができる。

また、この第１実施形態例では、基台６の底面を温度制御手段５の上面に互いに略平行な状態で半田固定することができる構成とした。これにより、基台６と温度制御手段５間の半田の厚みを均一にすることができる。基台６と温度制御手段５間の半田の厚みが不均一であると、基台６から温度制御手段５への放熱効率が悪化してしまうが、この第１実施形態例では、基台６と温度制御手段５間の半田の厚みを均一にすることができるので、半田厚み不均一に起因した放熱効率悪化を防止することができる。

なお、各構成部２９〜３４の動作は、全部又は一部が自動制御される構成としてもよいし、手動制御される構成としてもよい。自動制御が行われる場合には、自動制御用の制御装置が設けられることとなる。その自動制御の手法には様々な手法があり、ここでは、何れの手法をも採り得るものであり、その説明は省略する。

また、半田溶融状態において、前述したような半導体レーザ素子２の光軸傾き検出とそれに基づく半導体レーザ素子２の光軸調整を行うこともできるが、高温状態では、半導体レーザ素子２における発光状態が不安定となり、光軸傾き検出の精度が若干低くなるので、この第１実施形態例のように、常温で（半田を溶融する前に）、上記光軸傾き検出と光軸調整を行うことが好ましい。

以下に、第２実施形態例を説明する。この第２実施形態例では、ＬＤ光軸傾き検出手段３４はＦＦＰ（Far Field Pattern）光学測定系（例えば、浜松フォトニクス株式会社製、型番Ａ３２６７−０５、−０６、−０７、−１１）を有して構成されている。それ以外の構成は第１実施形態例と同様であり、この第２実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

この第２実施形態例では、ＬＤ光軸傾き検出手段３４のＦＦＰ光学測定系は、半導体レーザ素子２から出射されたレーザ光を受け、その受光したレーザ光に基づいて、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを角度情報として検出することができるものである。

前記第１実施形態例では、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを検出するために赤外線カメラを移動させる必要があったが、この第２実施形態例では、ＬＤ光軸傾き検出手段３４はＦＦＰ光学測定系を有して構成されているので、カメラを移動させることなく、基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを検出することができることとなる。

なお、この発明は各実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、各実施形態例では、パッケージ傾き検出手段３３によって基準の向きに対するパッケージ４の傾きを検出し、この検出結果を利用して、パッケージ４の向きを調整していたが、他の手法によりパッケージ４の向きの調整を行ってもよい。例えば、基準面を有するパッケージ基準化用部材を用意し、パッケージ端面１７ａをそのパッケージ基準化用部材の基準面に押し付けて倣わせ、パッケージ端面１７ａの全面がその基準面に当接した状態とすることにより、パッケージ４の向きを調整してもよい。

また、例えば、チャンバ２７の内部にパッケージ４の配置位置を位置決めするための位置決め機構が設けられ、この位置決め機構により、パッケージ４をチャンバ２７の内部の基準位置に配置することができる場合には、パッケージ４の向き調整を行わなくともよい。

さらに、各実施形態例では、半導体レーザ素子２のレーザ光がレンズ１１，１３を介して光ファイバ３の先端部に入射するタイプの半導体レーザモジュール１を例にして説明したが、もちろん、この発明は、他のタイプの半導体レーザモジュール１にも適用することができるものである。例えば、光ファイバ３の先端部がレンズに加工されているレンズドファイバを利用した半導体レーザモジュールにも本発明は適用することができる。

さらに、各実施形態例では、半導体レーザ素子２の光軸を基準光軸Ｓに一致させる光軸調整を行う際には、把持手段変位機構３１によって基台把持手段３０を変位させて基台６を変位させることによって、半導体レーザ素子２の光軸調整を行っていたが、例えば、パッケージ４の向きを変化させても基準光軸Ｓに対する半導体レーザ素子２の光軸の傾きを正確に検出することができる場合には、基準光軸Ｓと、半導体レーザ素子２の光軸とを一致させる方向に、チャンバ変位手段２９によりチャンバ２７内のパッケージ４を変位させてもよい。また、パッケージ４と基台６の両方を変位させて、基準光軸Ｓと半導体レーザ素子２の光軸とを略一致させてもよい。

さらに、基台把持手段３０は支持手段４３に傾動自在に支持される構成であったが、基台把持手段３０の構成は各実施形態例に示した構成に限定されるものではなく、他の構成をも採り得る。例えば、基台把持手段３０に把持された基台６の底面と、パッケージ４内の温度制御モジュール５の上面とが略平行となるように、パッケージ４の向きを調整する場合には、基台把持手段３０が支持手段４３に固定されていてもよい。

発明の効果

この発明によれば、半導体レーザモジュールを製造する際に、パッケージを基準として半導体レーザ素子の光軸の傾きを測定し、その結果に基づいて半導体レーザ素子の光軸の傾きを調整した後に、半導体レーザ素子が固定された基台を固定部に半田固定するので、レンズや光ファイバの調心が容易となり、その位置決め精度が向上する。よって、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合効率の向上を図ることができる。

ＬＤ光軸傾き検出手段は、受光部を基準光軸に沿って変位させ、互いに異なる複数の測定箇所での受光部におけるレーザ光の入射位置情報に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出する光学測定系を備えたものにあっては、ＬＤ光軸傾き検出手段を簡単な構成とすることができる。

ＬＤ光軸傾き検出手段は、半導体レーザ素子のレーザ光に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを角度情報として検出する光学測定系を備えているものにあっては、例えば受光部を駆動させる等の手間無く、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出することができる。

パッケージ調整手段が設けられているものにあっては、パッケージをパッケージ載置部に載置する度に、そのパッケージの向きが異なる虞がある場合に、パッケージ調整手段によって、パッケージの向きを基準の向きに調整することができる。パッケージをパッケージ載置部に載置したときの向きのままで基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出すると、パッケージの傾きに起因して、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを正確に検出できない場合が考えられる。これに対して、この発明では、パッケージの向きを基準の向きに調整してから、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出することができるので、パッケージをパッケージ載置部に載置したときのパッケージの向きに関係なく、常に、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを正確に検出することができることとなる。

基台の底面と固定部の上面が略平行な状態で、基台を固定部に半田付けすることができるものにあっては、基台と固定部間の半田の厚みを均一にすることができるので、半田の厚み不均一に起因した問題を防止することができる。例えば、固定部が、半導体レーザ素子の温度を制御する温度制御手段である場合には、その温度制御手段と基台間の半田の厚みが不均一であると、半導体レーザ素子から基台と半田を介し温度制御手段への放熱の効率を悪化させてしまう。この発明では、このような問題を回避することができる。

半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置の一実施形態例を模式的に示したモデル図である。 半導体レーザモジュールの主要構成の一例を上部側から見て模式的に示したモデル図である。 パッケージの向きを基準の向きに調整する際にパッケージの傾きを検出する手法の一例を説明するための図である。 基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出する手法の一例を説明するための図である。 基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸のずれを検出する際に、受光部におけるレーザ光の入射位置の測定を１箇所のみで行った場合の問題を説明するための図である。 半導体レーザモジュールの一構造例を断面により示すモデル図である。

１ 半導体レーザモジュール
２ 半導体レーザ素子
３ 光ファイバ
４ パッケージ
５ 温度制御手段
６ 基台
２５ 半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置
２７ チャンバ
２９ チャンバ変位手段
３０ 基台把持手段
３１ 把持手段変位機構
３４ ＬＤ光軸傾き検出手段
４３ 支持手段

Claims (8)

1. パッケージ内の固定部に半導体レーザ素子搭載用の基台を半田付けする装置であって、
   パッケージが収容配置されるチャンバと、
   チャンバ内に固定されて設けられ前記パッケージが載置されるパッケージ載置部と、
   前記基台を把持する基台把持手段と、
   半導体レーザ素子を搭載した基台が基台把持手段に把持されて前記パッケージ載置部に載置されたパッケージ内の固定部の上部に配置されている状態で、前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出するＬＤ光軸傾き検出手段と、
   このＬＤ光軸傾き検出手段の検出結果に基づいて基台把持手段とパッケージ載置部を相対的に変位させ半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整する光軸調整手段とを有し、当該光軸調整手段は、水平平面をＸＺ平面と成して、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、前記基台把持手段に把持されている基台と前記パッケージとの位置を、Ｘ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向に相対的に変位させて前記半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整可能な構成と成し、
   前記パッケージ載置部は、加熱手段を有し、
   前記チャンバは、前記パッケージ載置部に載置されて当該チャンバ内に収容配置されたパッケージを当該チャンバの外部から見るとともに、チャンバ内の前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をチャンバ外へ導光するための覗き窓を備えており、
   前記基台は、前記半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向が前記覗き窓の方向となるように前記パッケージ内に配置され、
   光軸調整手段による半導体レーザ素子の光軸調整が終了した後に、光軸調整状態を維持したまま前記加熱手段を加熱して基台を前記パッケージ内の前記固定部に半田固定することを特徴とした半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
2. ＬＤ光軸傾き検出手段は、レーザ光が入射される受光部を基準光軸に沿って変位させ、互いに異なる複数の測定箇所での前記受光部におけるレーザ光の入射位置情報に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出する光学測定系を備えていることを特徴とした請求項１記載の半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
3. ＬＤ光軸傾き検出手段は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を受け、この受けたレーザ光に基づいて、基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを角度情報として検出する光学測定系を備えていることを特徴とした請求項１記載の半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
4. パッケージ載置部に載置されたパッケージの向きを予め定めた基準の向きに調整するパッケージ調整手段が設けられ、このパッケージ調整手段によってパッケージの向きが基準の向きに調整された以降に、ＬＤ光軸傾き検出手段により半導体レーザ素子の光軸の傾き検出が行われることを特徴とした請求項１又は請求項２又は請求項３記載の半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
5. 水平平面をＸＺ平面と成し、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、パッケージ調整手段は、パッケージが載置されているパッケージ載置部をＸ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向との移動を制御指令によって移動させる構成と成したことを特徴とする請求項４記載の半田付け装置。
   
6. 基台把持手段に把持された基台の底面が固定部の上面に面で当接するように傾動自在に基台把持手段を支持する支持手段と、この支持手段に対する基台把持手段の傾動状態を固定する傾動固定手段とを有し、基台の底面と固定部の上面が略平行な状態で、前記傾動固定手段によって前記支持手段に対する基台把持手段の傾動を固定した後に、基台を固定部に半田付けすることを特徴とした請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
7. 固定部は半導体レーザ素子の温度を制御する温度制御手段であることを特徴とした請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の半導体レーザ素子搭載用基台の半田付け装置。
   
8. 半導体レーザ素子が光ファイバと光結合状態でパッケージに固定されている半導体レーザモジュールの製造方法において、
   半導体レーザ素子を基台に固定し、
   その後、半導体レーザ素子が固定された基台を、覗き窓を備えるチャンバ内に固定された前記パッケージ内に移動して、前記基台を前記半導体レーザ素子のレーザ光の出射方向が前記覗き窓の方向となるように前記パッケージ内に配置し、然る後に半導体レーザ素子からレーザ光を出射させ、そのレーザ光を前記覗き窓を通してチャンバの外側で検出して前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きを検出し、
   水平平面をＸＺ平面と成して、ＸＺ平面に直交する上下方向をＹ方向としてＸ、Ｚ、Ｙの三軸直交座標を定義した場合に、前記パッケージの所定の基準光軸に対する半導体レーザ素子の光軸の傾きの検出結果に基づいて、パッケージと基台との位置をＸ、Ｚ、Ｙの三軸方向と、ＸＺ平面に沿う回転のθ方向と、Ｙ軸に対する傾きのα方向に相対的に変位させて半導体レーザ素子の光軸を前記パッケージの基準光軸に調整し、
   然る後に、半導体レーザ素子の光軸と前記パッケージの基準光軸との調整状態を維持し、前記パッケージを載置するパッケージ載置部に備えられた加熱手段を加熱して基台を前記パッケージ内の固定部に半田固定することを特徴とした半導体レーザモジュールの製造方法。

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