JP6667307B2 - 光ファイバと半導体レーザとの光結合構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザモジュールにおける光ファイバと半導体レーザとの光結合構造に関するものである。

従来から、半導体レーザから出力された光を、光ファイバに結合する半導体レーザモジュールが使用されている。半導体レーザは、サブマウント上に固定され、半導体レーザから出射した光が光ファイバに光結合される（例えば特許文献１）。

特開２０１３−４７５２号公報

図４（ａ）は、従来使用されているサブマウント素材１００を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸ部拡大図である。サブマウント素材は、例えばＡｌＮ等で構成され、表面の一部にはめっき層１０１が形成される。めっき層１０１は、ＡｕＳｎめっきやＡｕＮｉ等であり、上部に配置される半導体レーザと接続するための半田として利用される。

このようなサブマウント素材１００は、複数に切断して使用される。図５（ａ）は、サブマウント素材１００を切断した状態を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＹ部拡大図である。サブマウント素材１００は極めて硬質であるため、バリなどが生じにくいが、めっき層１０１は軟質な金属層であるため、切断時にバリ１０３が生じやすい。

このようなバリ１０３が生じると、半導体レーザからの出射光の一部をふさぐ問題が発生する可能性がある。また、バリがじゃまになり、半導体レーザの設置精度が悪くなり、更に、バリが脱落するなどの問題が生じる恐れもある。したがって、サブマウント素材１００の切断時に、バリが生じない方法が望まれる。

これに対し、図６（ａ）に示すように、切断部分にめっき層１０１が形成されない非めっき部１０５を形成する方法がある。このように、切断部に非めっき部１０５を形成する、いわゆるプルバックを形成することで、図６（ｂ）に示すように、切断部にめっき層１０１によるバリが生じることを抑制することができる。

図７は、このようなプルバックを形成したサブマウント１０９上に半導体レーザ１１１を固定し、半導体レーザ１１１と光ファイバ１０７とを光結合させた状態を示す図である。前述したように、サブマウント１０９の端部から所定の範囲に非めっき部１０５が形成される。すなわち、めっき層１０１は、非めっき部１０５以外の部位であって、サブマウント１０９の端部から所定の距離だけ離れた位置に配置される。

半導体レーザ１１１の電極層１１１ａは、サブマウント１０９上のめっき層１０１と略同一の位置に固定される。すなわち、サブマウント１０９の端部から、所定の距離だけ離れた位置に、半導体レーザ１１１が固定される。このように、半導体レーザ１１１の下面の略全面にわたってサブマウント１０９（めっき層１０１）と接合することで、半導体レーザ１１１の熱をサブマウント１０９に効率良く伝達させて、高い冷却効果を得ることができる。

一方、半導体レーザ１１１と光ファイバ１０７とを直接光結合させる場合には、光ファイバ１０７の先端を半導体レーザ１１１に近づける必要がある。しかし、前述したように、サブマウント１０９の端部から、半導体レーザ１１１が引っ込んでいるため、光ファイバ１０７がサブマウント１０９と干渉する恐れがある（図中Ｚ）。

しかし、前述したように、半導体レーザ１１１の電極層１１１ａをめっき層１０１からはみ出すように固定すると、半導体レーザ１１１からの熱をサブマウント１０９へうまく伝えることができない。したがって、半導体レーザ１１１の電極層１１１ａの位置を、めっき層１０１の位置に合わせる必要がある。また、非めっき部１０５を形成しなければ、前述したようにバリの発生の恐れがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、プルバックを有するサブマウント上に配置された半導体レーザと光ファイバとを効率良く光結合することが可能な光ファイバと半導体レーザとの光結合構造を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために本発明は、ベース上に設けられるサブマウントと、前記サブマウントの端部から所定の範囲に形成される非めっき部と、前記非めっき部以外の部位に形成されるめっき層と、前記めっき層の上部に形成され、前記サブマウントの端部から所定量引込むように配置される中間層と、前記中間層上に配置される半導体レーザと、前記ベース上に設けられる台座に固定され、前記半導体レーザと光結合されるレンズドファイバと、を具備し、前記半導体レーザと前記レンズドファイバの距離が、前記サブマウントの端面からの前記中間層の引き込み量よりも小さいことを特徴とする光ファイバと半導体レーザとの光結合構造である。

前記半導体レーザの発光面が前記中間層側に配置されるジャンクションダウン型であってもよい。

前記中間層は、前記サブマウントと、前記半導体レーザよりも軟質の部材であってもよい。

この場合、前記中間層は、銅製であってもよい。

前記中間層の厚みが、前記レンズドファイバの外径の１０μｍ以上としてもよい。

本発明によれば、サブマウント上に中間層を配置し、半導体レーザをかさ上げすることで、レンズドファイバとサブマウントとの干渉を抑制することができる。

このような効果は、半導体レーザの発光面が中間層側に配置されるジャンクションダウン型である場合に特に有効である。

また、中間層がサブマウントおよび半導体レーザよりも軟質の材質であれば、各部材の線膨張係数の違いによって半導体レーザに大きな応力がかかることを抑制することができる。すなわち、中間層を緩衝層として機能させることができる。

また、中間層が銅製であれば、熱伝導率が高いため、高い冷却効果を得ることができる。

また、中間層の厚みが、１０μｍ以上であれば、より確実にレンズドファイバとサブマウントとの干渉を抑制することができる。

本発明によれば、プルバックを有するサブマウント上に配置された半導体レーザと光ファイバとを効率良く光結合することが可能な光ファイバと半導体レーザとの光結合構造を提供することができる。

半導体レーザモジュール１を示す斜視図。 光ファイバ７と半導体レーザ１１との光結合構造２０を示す図。 光ファイバとサブマウントとの距離の計算結果を示す図。 （ａ）はサブマウント素材１００を示す図、（ｂ）は（ａ）のＸ部拡大図。 （ａ）はサブマウント素材１００を切断した状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＹ部拡大図。 （ａ）は非めっき部１０５を有するサブマウント素材１００を示す図、（ｂ）は（ａ）のサブマウント素材１００を切断した状態を示す図。 光ファイバ１０７と半導体レーザ１１１との光結合構造を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、半導体レーザモジュール１を示す斜視図である。なお、各構成に形成される回路等については、図示を省略する。半導体レーザモジュール１は、主に、ベース３、サブマウント５、光ファイバ７、半導体レーザ１１等から構成される。

ベース３は、図示を省略したパッケージ内に配置される。ベース３の下面には、ペルチェ素子などの冷却器が配置されるか、または、パッケージ底板との接触によって、放熱可能である。なお、ベース３は、例えばセラミック、金属、樹脂、ガラス等いずれの材質でも良い。

ベース３上には、サブマウント５およびファイバ固定台座９が設けられる。ファイバ固定台座９は、光ファイバ７を固定する台座である。また、サブマウント５上には半導体レーザ１１が固定される。なお、ベース３上の各構成は、ベース３と一体で形成されてもよい。

光ファイバ７は、先端が楔形のいわゆるレンズドファイバである。すなわち、光ファイバ７と半導体レーザ１１とは、他のレンズ等を介さずに直接光結合される。

半導体レーザ１１の後方には、受光部１５が配置される。受光部１５は、半導体レーザ１１の光出力を受光して、半導体レーザ１１の光出力をモニタする。受光部１５は、例えばフォトダイオードである。

なお、半導体レーザモジュール１の構成は、図示した例には限られない。例えば、図示した構成の一部を含まなくてもよく、他の構成をさらに含んでもよい。また、各部のサイズや配置は図示した例には限られない。

本発明では、サブマウント５の上面の所定の範囲に、中間層１３が形成される。すなわち、半導体レーザ１１は、中間層１３を介して、サブマウント５上に固定される。

図２は、光ファイバ７と半導体レーザ１１との光結合構造２０を示す断面拡大図である。

サブマウント５の端部から所定の範囲には、プルバックと呼ばれる非めっき部２１が形成される。非めっき部２１は、めっき層１７が設けられず、サブマウント５の母材が露出する部位である。ここで、非めっき部２１以外の部位がめっき層１７となる。すなわち、サブマウント５の端部近傍にはめっき層１７が形成されず、めっき層１７は、サブマウント５の端部から所定距離（図中Ａ）離れた位置に形成される。このため、前述したサブマウント素材の切断部（サブマウント５の端部）近傍に、めっき層１７の大きなバリが形成されることがない。

めっき層１７は、例えばＡｕめっき、Ｎｉめっき、ＡｕＮｉめっきまたはＡｕＳｎめっき等であり、上部の中間層１３との接合部となる。すなわち、中間層１３は、めっき層１７上に形成される。また、中間層１３上には、めっき層１９が形成される。めっき層１９は、例えば金めっきまたはＡｕＳｎめっきであり、上部の半導体レーザ１１との接合部となる。すなわち、半導体レーザ１１は、めっき層１９（中間層１３）上に形成される。

ここで、中間層１３は、めっき層１７上にめっきで形成してもよく、他の部材を貼り付けてもよい。なお、めっき層１７、中間層１３、めっき層１９の端部位置（光ファイバ７側の端部位置）は、略同一の位置で形成される。すなわち、非めっき部２１上に、中間層１３およびめっき層１９がはみ出さず、中間層１３およびめっき層１９は、サブマウント５の端部から所定量引込むように配置される。

また、前述した様に、半導体レーザ１１の電極層１１ａの端部位置は、めっき層１９（中間層１３）の端部位置と略一致する。すなわち、中間層１３の端面と半導体レーザ１１の端面とにずれがある場合でも、このずれ量は、サブマウント５の端面からの中間層１３の引き込み量（図中Ａ）よりも十分に小さい。このようにすることで、半導体レーザ１１からの熱を効率よく中間層１３に伝導させることができる。

前述した様に、光ファイバ７と半導体レーザ１１とは、直接光結合するため、光ファイバ７は半導体レーザ１１と所定以上近づける必要がある。例えば、光ファイバ７と半導体レーザ１１との距離（図中Ｂ）は、５μｍ程度である。なお、光ファイバ７と半導体レーザ１１との距離（図中Ｂ）は、サブマウント５の端面からの中間層１３の引き込み量（図中Ａ）またはめっき層１７引き込み量よりも小さい。

なお、本発明は、半導体レーザ１１のレイアウトとして、ジャンクションダウン型であることが望ましい。すなわち、半導体レーザ１１の発光部が、下側（サブマウント側）になるように配置される。このようにすることで、半導体レーザ１１からの熱を効率よく下方に伝達させて放熱することができる。

このように、半導体レーザ１１の発光部が下側である場合には、図示したように、半導体レーザ１１と光結合する光ファイバ７は、その中心が半導体レーザ１１の下部側にくるように配置される。

ここで、中間層１３の材質は特に限定されないが、半導体レーザ１１およびサブマウント５に対して軟質の材質であることが望ましい。例えば、半導体レーザ１１がＧａＡｓであり、サブマウントがＡｌＮやＣｕＷである場合に、中間層１３を軟質な金属、例えば銅製（純銅または銅合金）とすることが望ましい。

このように、中間層１３を軟質の材質とすることで、半導体レーザ１１、中間層１３、サブマウント５の線膨張係数の差による応力に対し、中間層１３が緩衝層として機能し、半導体レーザ１１に付与される熱応力を抑制することができる。特に、中間層１３が銅製であれば、半導体レーザ１１の熱を効率よく下方のサブマウント５へ伝導することができる。

次に、中間層１３の厚み（図中Ｃ）について説明する。中間層１３の厚みは、光ファイバ７とサブマウント５との距離（図中Ｅ）を確保できるように設定される。すなわち、中間層１３によって、光ファイバ７とサブマウント５との干渉を防止することができる。

図３は、縦軸に光ファイバ７とサブマウント５との距離（図２のＥ）をとり、横軸に中間層１３の厚み（図２のＣ）をとった際の計算結果を示す図である。なお、光ファイバ７の先端の開き角（図２のθ）は９０°とした。また、光ファイバ７と半導体レーザ１１との距離（図２のＢ）は、５μｍとし、めっき層１７の厚みを５μｍとした。

図中Ｆは、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が１０μｍの場合、図中Ｇは、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が２０μｍの場合、図中Ｈは、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が３０μｍの場合、図中Ｉは、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が４０μｍの場合、図中Ｊは、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が５０μｍの場合の計算結果である。

縦軸の光ファイバ７とサブマウント５との距離（図２のＥ）が０以下となる条件では、光ファイバ７とサブマウント５とが接触する（それ以上光ファイバ７を半導体レーザ１１側に近づけることができない）。このため、縦軸に光ファイバ７とサブマウント５との距離（図２のＥ）が０を超えるように、中間層１３の厚みを設定する必要がある。

例えば、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）が、一般的な２０μｍ程度で設定される場合には、中間層１３の厚みは約１０μｍ以上必要である。すなわち、中間層の厚み（図２のＣ）を１０μｍ以上とすれば、光ファイバ７とサブマウント５との接触を防止することができる。

なお、中間層１３の厚み（図２のＣ）を、光ファイバ７の外径（図２のＤ）の１／２以上とすれば、中間層１３の引き込み量（図２のＡ）によらず、光ファイバ７とサブマウント５との接触を防止することができる。

このように、図２に示す光ファイバ７、サブマウント５、中間層１３、半導体レーザ１１、めっき層１７、１９等の位置関係に基づいて、光ファイバ７とサブマウント５との距離を例えば１０μｍ程度離れるように、中間層１３の厚みを設定することで、光ファイバ７の調芯時においても、光ファイバ７とサブマウント５との接触を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、サブマウント５上に中間層１３を配置し、中間層１３上に半導体レーザ１１を固定することで、半導体レーザ１１をかさ上げし、光ファイバ７とサブマウント５との干渉を防止することができる。

特に、半導体レーザ１１の発光面が下部（中間層１３側）となるジャンクションダウン型の場合には、光ファイバ７がサブマウント５に近づくため、より効果的に光ファイバ７とサブマウント５との干渉を防止することができる。

また、中間層１３をサブマウント５等と比較して軟質の材質で構成することで、各部材の線膨張係数の違いに伴い生じる熱応力に対して、中間層１３を緩衝層として機能させることができる。このため、半導体レーザ１１に過剰な応力が付与されることを抑制することができる。

特に、中間層１３を銅製とすることで、半導体レーザ１１の熱を効率よくサブマウント５へ伝導させることができる。

また、中間層１３の厚みは、光ファイバ７とサブマウント５との干渉を避けるように適宜設定されるが、少なくとも、１０μｍ以上とすることで、一般的な場合に、光ファイバ７とサブマウント５との接触を防止することができる。さらに、光ファイバ７の外径の１／２以上とすることで、確実に光ファイバ７とサブマウント５との接触を防止することができる。

以上、添付図を参照しながら、典型的なサイズを基に、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、光ファイバ７の形状は図示した例には限られない。例えば、光ファイバ７の先端形状を球面状、非球面状、平面状などいずれであってもよい。また、中間層１３は、１層構造のみではなく複数層構造であってもよい。

１………半導体レーザモジュール
３………ベース
５………サブマウント
７………光ファイバ
９………ファイバ固定台座
１１………半導体レーザ
１１ａ………電極層
１３………中間層
１５………受光部
１７、１９………めっき層
２０………光結合構造
２１………非めっき部
１００………サブマウント素材
１０１………めっき層
１０３………バリ
１０５………非めっき部
１０７………光ファイバ
１０９………サブマウント
１１１………半導体レーザ
１１１ａ………電極層

Claims (5)

1. ベース上に設けられるサブマウントと、
   前記サブマウントの端部から所定の範囲に形成される非めっき部と、
   前記非めっき部以外の部位に形成されるめっき層と、
   前記めっき層の上部に形成され、前記サブマウントの端部から所定量引込むように配置される中間層と、
   前記中間層上に配置される半導体レーザと、
   前記ベース上に設けられる台座に固定され、前記半導体レーザと光結合されるレンズドファイバと、
   を具備し、
   前記半導体レーザと前記レンズドファイバの距離が、前記サブマウントの端面からの前記中間層の引き込み量よりも小さいことを特徴とする光ファイバと半導体レーザとの光結合構造。
2. 前記半導体レーザの発光面が前記中間層側に配置されるジャンクションダウン型であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバと半導体レーザとの光結合構造。
3. 前記中間層は、前記サブマウントと、前記半導体レーザよりも軟質の部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ファイバと半導体レーザとの光結合構造。
4. 前記中間層は、銅製であることを特徴とする請求項３記載の光ファイバと半導体レーザとの光結合構造。
5. 前記中間層の厚みが、１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光ファイバと半導体レーザとの光結合構造。

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