KR20040070093A - 레이저 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

레이저 모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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테라무라유이치
야마나카후사오
오카자키요지
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후지 샤신 필름 가부시기가이샤
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Abstract

본 발명은 반도체 레이저 소자와, 광섬유와, 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비하여 이루어지는 레이저 모듈에 있어서, 저비용으로 높은 출력과 신뢰성을 얻는 것을 과제로 한다.
히트블록(방열블록)(10)상에 배열 고정된 8개의 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)와 콜리메이터렌즈(11)와 집광렌즈(12)가, 벽면에 광투과부재(15)로 덮어진 광출사창(16)을 갖는 패키지(40) 내에, 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)로부터 출사된 레이저빔이, 투과부재(15)의 외면(15a)상에 집광되도록 배치 고정된 상태로, 상기 패키지(40)의 내부를 탈기해서 기밀하게 밀봉한 후, 광출사창(16)에 광섬유(13)의 입사단을 압압밀착시켜서 고정한다.

Description

레이저 모듈 및 그 제조방법{LASER MODULE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 레이저 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이고, 특히, 반도체 레이저 소자와, 광섬유와, 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 광섬유의 일단면에 결합시키는 집광광학계를 구비한 레이저 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 패키지 내에 수용된 반도체 레이저 소자와, 일단(광입사단)이 이 패키지의 내부를 향하는 상태로 해서 상기 패키지에 고정된 광섬유와, 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 광섬유의 광입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저 모듈은, 소위 피그테일형 레이저 모듈로서 광통신부품으로서 일반적으로 알려져 있다.
레이저 모듈 내부에 있어서는, 반도체 레이저와 광섬유의 광입사단이 광학적으로 결합된 상태를 마이크로미터 오더로 안정적으로 유지하기 위해서, 광섬유 및집광광학계 등은, 통상, 땜납, 용접 혹은 접착제 등의 접착수단을 사용해서 고정되어 있다.
또, 통신용 레이저 모듈에서는, 외기의 습기 등에 의한 레이저 열화를 막기 위해서, 패키지를 기밀하게 밀봉하는 것이 일반적으로 행해지고 있는, 소위 CAN 패키지로 대표되는 구조는, 반도체 레이저 소자 및 레이저 끝면을 보호하는 밀봉구조로서 대표적이다. 이 레이저 모듈에 있어서, 기밀하게 밀봉된 패키지 내에 잔존하는 오염물질이 반도체 레이저 소자의 출사단 면, 집광광학계 및 광섬유 등의 광학부품에 부착되어 레이저 특성을 열화시킨다고 하는 문제가 있다. 특히, 광밀도가 높은 부분에 있어서 물질이 부착되는 효과(집진효과)가 현저하다. 또한, GaN계 반도체 레이저 소자 등의 350∼500㎚(400㎚대)의 파장의 레이저빔을 출사하는 반도체 레이저 소자를 구비한 레이저 모듈에 있어서는, 광자에너지가 높고, 물질과의 광화학반응이 보다 일어나기 쉬워지기 때문에 집진효과가 보다 현저하게 나타난다.
오염물질의 하나로서는, 제조공정의 분위기 중에서 혼입되는 탄화수소화합물 등을 들 수 있고, 이 탄화수소가, 레이저광에 의해 중합 혹은 분해되어서 분해물이 부착되어 출력의 향상을 방해하는 것이 알려져 있다.
또한, 공중을 부유하고 있는 저분자 실록산이 자외선에 의한 광화학반응으로 산소와 반응하여, 광학유리창 부품에 SiOx의 형태로 퇴적, 부착되는 것이 개시되어 있고, 이 때문에, 대기와 접하는 「창」부재의 정기적인 교환을 추장하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1참조).
그래서, 이 집진효과를 방지하기 위해서 여러가지 제안이 이루어져 있다. 예를 들면, 탄화수소화합물 등을 분해하는 것을 목적으로 한 산소를 100ppm이상 밀봉 가스에 혼입시키는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2참조).
또, 400㎚이하의 자외선을 광학부품에 조사하는 광학계에 있어서, 광학부품의 분위기를 99.9%이상의 질소로 하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3참조).
또한, 패키지를 밀봉하기 직전에, 패키지 내부의 탈기처리를 행하는 것이 집진효과의 방지에 효과가 있는 것도 알려져 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 평11-54852호 공보
[특허문헌 2] 미국 특허5392305호 공보
[특허문헌 3] 일본 특허공개 평11-167132호 공보
그러나, 일반적으로 시판되고 있는 UV 경화수지에 의한 1차피막 및 폴리머에 의한 2차피막이 실시된 광섬유를 구비하고 패키지에 광섬유가 고정된 레이저 모듈의 경우, 패키지에 광섬유가 고정된 상태로 탈기처리를 행하기 때문에 탈기처리장치 중에 섬유피막이 존재하게 되고, 탈기처리 중에 이 피막으로부터 탈가스 성분이 발생하여, 이 가스에 의해 오히려 모듈 내부가 오염되게 된다.
이 오염을 방지하기 위해서, 미리 광섬유의 피복을 모두 제거하는 것이 고려되지만, 피복이 없는 광섬유는 간단히 부러져 버리기 때문에 취급이 어렵고 실용성이 낮다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 오염물질의 부착을 억제한 고신뢰성을 얻을수 있는 레이저 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 레이저 모듈의 개략구성을 나타내는 평면도,
도 2는 제1실시형태에 의한 레이저 모듈의 측면도,
도 3은 레이저 모듈의 패키지의 일부 확대측단면도,
도 4는 다른 실시형태에 의한 레이저 모듈의 일부 확대측단면도,
도 5는 다른 실시형태에 의한 레이저 모듈의 제작방법을 설명하기 위한 일부 확대측단면도,
도 6은 다른 실시형태에 의한 레이저 모듈의 일부 확대평면도,
도 7은 GaN계 반도체 레이저 소자의 기판 제작방법을 나타내는 단면도,
도 8은 GaN계 반도체 레이저 소자의 층구성을 나타내기 위한 단면도,
도 9는 본 발명의 제2실시형태에 의한 레이저 모듈의 개략구성을 나타내는 평면도,
도 10은 본 발명의 제3실시형태에 의한 레이저 모듈의 개략구성을 나타낸 측단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
LD, LD1∼LD8 : 반도체 레이저 소자 B, B1∼B8 : 레이저빔
10 : 히트블록 11 : 렌즈어레이
12 : 집광렌즈 13 : 광섬유
13a : 광섬유 소선 13b : 수지피막
15 : 광투과부재 16 : 광출사창
18 : 땜납 20 : 페룰
25 : 리셉터클 40 : 패키지
본 발명의 레이저 모듈은, 광출사창에 광투과부재를 구비한 기밀하게 밀봉된 패키지와, 상기 패키지의 내부에 배치된 1개 혹은 복수의 반도체 레이저 소자와, 상기 패키지의 외부에 배치된 광섬유와, 상기 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 상기 광투과부재의 외면상에 집광시키는, 상기 패키지의 내부에 배치된 집광광학계를 구비하고, 상기 광섬유의 입사단이, 상기 광투과부재의 외면의 상기 레이저빔이 집광되는 위치에 밀착해서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 광투과부재에 상기 레이저빔을 집광시키는 위치를 결정짓기 위한 마커가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 광투과부재로서는, 상기 레이저빔이 투과가능한 부재이면 되고, 원형평판, 평행평판, 렌즈, 쐐기형 등의 어떠한 형상이라도 좋다.
또한, 여기에서 「밀착해서 고정」이란, 밀착시켜서 접착해서 고정한 상태와, 분리가능하게 밀착시켜서 유지하여 고정한 상태를 포함하는 것이다.
상기 반도체 레이저 소자의 발진파장이 350㎚∼500㎚의 레이저 모듈에 본 발명은 바람직하다. 구체적으로는, GaN계의 반도체로 구성되는 것을 들 수 있다.
상기 광섬유의 입사단이 페룰(ferrule)에 삽입되어 있고, 상기 패키지를 상기 페룰과 끼워맞추는 장착기를 구비한 것으로 해도 좋다.
패키지는, 내부가 불활성 가스로 채워져 있는 것이 바람직하고, 상기 불활성 가스에는, 1ppm이상의 농도의 산소, 할로겐족 가스, 및/또는 할로겐화합물 가스가혼입되어 있는 것이 보다 바람직하다. 즉 제1패키지의 내부 분위기로서는, (1)불활성 가스와 1ppm이상의 농도의 산소의 혼합가스, (2)불활성 가스와, 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 어느 한쪽의 가스와의 혼합가스, (3) 불활성 가스와, 1ppm이상의 농도의 산소와, 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 어느 한쪽의 가스와의 혼합가스 중 어느 하나인 것이 보다 바람직하다.
또한, 패키지는, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 기밀하게 밀봉되어 있는 것이 바람직하다.
반도체 레이저 소자로서는, 어레이상으로 배열된 복수의 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자, 하나의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자, 어레이상으로 배열된 복수의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자, 및 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자와 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자의 조합 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 레이저 모듈의 제조방법은, 1개 혹은 복수의 반도체 레이저 소자와, 광섬유와, 상기 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 상기 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비해서 이루어지는 레이저 모듈의 제조방법에 있어서, 일벽면에 상기 레이저빔이 투과되는 광투과부재를 구비한 광출사창을 갖는 기밀하게 밀봉가능한 패키지의 내부에, 상기 반도체 레이저 소자와 상기 집광광학계를 상기 레이저빔이 상기 광투과부재의 외면상에 집광되도록 배치하고, 상기 패키지의 내부를 탈기처리하고, 상기 탈기처리후 상기 패키지를 기밀하게 밀봉하며, 그 후, 상기 광섬유의 입사단에 상기 레이저빔이 광학적으로 결합하도록, 상기 광섬유의 입사단을 상기 광투과부재의 상기 외면에 밀착시켜서 고정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 사용해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1실시형태에 의한 레이저 모듈에 대해서 설명한다. 도 1 및 도 2는, 그 레이저 모듈의 개략형상을 나타내는 평면도 및 측단면도이다. 또한, 도 3의 (a) 및 (b)는, 패키지의 광출사창(16) 및 광투과부재(15)의 부분의 일부 확대측단면도 및 정면도이다.
본 실시형태에 의한 레이저 모듈은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 동 또는 동합금으로 이루어지는 히트블록(방열블록)(10)상에 배열 고정된 일례로서 8개의 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)와, 콜리메이터렌즈 어레이(11)와, 집광렌즈(12)가, 광투과부재(15)를 구비한 광출사창(16)을 갖는 패키지(40) 내에 수용되어, 1개의 광섬유(13)가 패키지(40)의 외부에서 광투과부재(15)에 그 입사단을 압압하도록 해서 밀착 고정되어 이루어지는 것이다.
또한 이 도 1 및 도 2는, 본 실시형태의 레이저 모듈의 기본구성을 나타내는 것이며, 콜리메이터렌즈 어레이(11) 및 집광렌즈(12)의 형상은 개략적으로 나타내고 있다. 또 도면의 번잡화를 피하기 위해서, GaN계 반도체 레이저 소자 중 양단에 배치되어 있는 소자 LD1 및 LD8에만 부호를 붙이고, 또 레이저빔(B1∼B8) 중 B1 및 B8에만 부호를 붙이고 있다. 또한, GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)는, 예를 들면 AlN으로 이루어지는 서브마운트 위에 고정된 것을 히트블록(10)에 부착해도 좋다.
이들 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)로부터 발산광 상태로 출사된 레이저빔(B1∼B8)은 각각 렌즈어레이(11)에 의해 평행광화된다.
평행광으로 된 레이저빔(B1∼B8)은, 집광렌즈(12)에 의해 집광되고, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이 광투과부재(15)의 외면(15a)상에서 수속되도록 조심(調芯)된다. 광섬유(13)는 그 광입사단이 페룰(20)에 삽입되어 있고, 광섬유(13)의 광입사단이 광투과부재(15)의 외면(15a)상에 레이저빔 수속위치에 일치하도록, 페룰(20)과 함께 광투과부재(15)에 밀착된다. 본 예에서는 렌즈어레이(11) 및 집광렌즈(12)에 의해 집광광학계가 구성되고, 그것과 광섬유(13)에 의해 합파광학계가 구성되어 있다. 즉, 집광렌즈(12)에 의해 상술한 바와 같이 집광된 레이저빔(B1∼B8)이 이 광섬유(13)의 코어에 입사해서 광섬유(13) 내를 전파하고, 1개의 레이저빔(B)으로 합파되어서 광섬유(13)의 도시하지 않은 출사단 면으로부터 출사된다. 광섬유(13)는, 페룰(20)에 삽입되어 있는 부분을 제외하고 광섬유 소선(13a)이 수지층(13b)에 의해 피복되어서 이루어지는 것이다.
또한 광섬유(13)로서는, 스텝 인덱스형의 것, 그레이디드 인덱스형의 것, 및 그들의 복합형의 것이 모두 적용가능하다.
패키지(40)의 저면에는 베이스판(42)이 고정되고, 이 베이스판(42)의 상면에 히트블록(10)이 부착되며, 그리고 이 히트블록(10)에 렌즈어레이(11)를 유지하는 콜리메이터렌즈 홀더(44)가 고정되어 있다. 또한 베이스판(42)의 상면에는, 집광렌즈(12)를 유지하는 집광렌즈 홀더(45)가 고정되어 있다. 또 GaN계 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)에 구동전류를 공급하는 배선류(47)는, 패키지(40)의 광출사창(16)이 형성된 벽면과 대향하는 횡벽면에 형성된 개구를 통하여 패키지 밖으로 인출되어 있다.
패키지(40)에 형성되어 있는 광출사창(16)은, 예를 들면, φ6㎜의 둥근 구멍이며, 상기 광출사창(16)에 구비된 광투과부재(15)는 φ10㎜의 석영유리 혹은 사파이어로 이루어지는 원반형 부재이며 창(16)을 덮도록 해서 부착되어 있다. 패키지(40)는 전면도금이 실시되어 있고, 광투과부재(15)의 패키지 내측면, 혹은 내외 양면에는 AR코트가 실시되어 있다. 또한, 광투과부재(15)의 둘레가장자리 1㎜의 부분은 메탈라이즈되어 있고, 패키지(40)에 땜납(18)에 의해 부착되어 있다. 또한, 광투과부재(15)는, 원반형 부재에 한하지 않고, 평행평판, 렌즈, 쐐기형 등 어떠한 형상이어도 좋다.
도 3의 (b)는 광섬유(13) 고정 전의 패키지의 벽면을 도 3의 (a)의 화살표 P방향에서 본 정면도이다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 광투과부재(15)에는 마커(19)가 형성되어 있다.
이 마커(19)는, 광투과부재(15)의 외면(15a)상에 에칭에 의해 형성된 것이다. 상술의 레이저빔의 조심은 이 마커(19)를 기준으로 해서 CCD카메라를 사용해서 조정하여 행할 수 있다.
다음에, 본 실시형태의 레이저 모듈의 제조방법에 대해서 설명한다.
패키지(40)의 상면은 개방된 상태이고, 창(16)을 덮도록 광투과부재(15)를 패키지(40)의 벽면에 땜납(18)에 의해 고정해서 창(16)을 밀봉한다.
반도체 레이저 소자(LD1∼LD8), 콜리메이터렌즈 어레이(11) 및 집광렌즈(12)를 패키지 내부에 설치한다. 이때, 렌즈어레이(11) 및 집광렌즈(12)를 복수의 반도체 레이저 소자(LD1∼LD8)로부터 발생된 레이저빔(B1∼B8)을 광투과부재(15)의 외면(15a)상의 소정위치(O)에 집광하도록, CCD카메라로 광투과부재(15)의 외면(15a)상의 마커(19)를 기준으로 해서 조정을 행하고, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 고정한다. 또한, 마커(19)는 지름이 섬유의 코어지름과 동등하거나 그것보다 조금 큰 구경이어도 좋다.
또한, 이 광투과부재(15)를 부착하기 전에, 렌즈어레이(11) 및 집광렌즈(12)를 조심하고, 그 후, 광투과부재(15)를 조심해서 패키지(40)에 고정하도록 해도 좋다.
그 후, 레이저의 장기신뢰성을 저감시키는 원인이 되는 패키지 내부의 휘발 성분을 제거하기 위해서, 패키지(40)를 탈기처리장치에 넣고 질소분위기 중에서 90℃로 가열해서 탈기처리를 행한다. 분위기 가스는 질소 이외의, 예를 들면 산소, 불활성 가스 등, 혹은 그들의 혼합가스라도 좋고, 감압하여도 좋다. 탈기처리후, 패키지(40) 상면에 덮개(41)를 설치하고, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 밀봉한다.
그 후, 광섬유(13)의 입사단을 광투과부재(15)에 눌러붙여서 밀착시킴으로써 외기를 배제하고, 광섬유(13)의 입사단이 오염되지 않도록 한다. 이 상태에서 기계적 유지, 접착, 땜납 고정 등에 의해 고정을 행한다. 또한 장기의 신뢰성을 요구하기 위해서는, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 고정을 행한다. 패키지 내부에서의 레이저빔(B)이 효율적으로 섬유코어에 입사하도록, 패키지의 광투과부재(15)에 섬유선단이 접촉하지 않는 위치에 섬유(13)를 근접한 상태로 조심한 후, 섬유선단을 광투과부재(15)의 외면(15a)에 눌러붙여서 고정한다.
이와 같이, 본 발명의 레이저 모듈의 제조방법에 따르면, 광섬유가 패키지에 부착되기 전에 패키지 내의 탈기처리를 행할 수 있으므로, 패키지 내의 탈기처리에 있어서 광섬유의 수지피막으로부터의 탈가스에 의해 패키지 내가 오염된다는 우려가 없다.
또한, 도 4에 레이저 모듈의 다른 실시형태의 일부 확대측단면도를 나타내는 바와 같이, 패키지(40)의 창(16)에 부착된 광투과부재(15)을 덮도록 하고, 페룰(20)과 끼워맞추는 장착기(리셉터클)(25)가 부착되어 있어도 좋다. 리셉터클(25)은, 미리 패키지(40)에 구비되어 있어도 좋고, 패키지(40)의 밀봉 후에 부착해도 좋다. 부착은 땜납(18)을 사용해서 패키지 내를 밀봉하도록 행한다. 리셉터클(25)을 구비함으로써, 광섬유(13)의 패키지(40)에의 장착을 보다 간편한 것으로 할 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 리셉터클(25)에 페룰(20)을 끼워넣고, 광섬유(13)의 선단을 광투과부재(15)의 외면(15a)에 밀착시킨 후에, 페룰(20)과 리셉터클(25)을 땜납(42)으로 고정한다. 또한, 페룰(20)로서는 지르코니아 세라믹, 금속, 유리 등으로 형성된 것을 사용할 수 있다.
도 5에 또 다른 실시형태의 일부 확대측단면도를 나타내는 바와 같이, 페룰(20)의 끝면(20a)은 광투과부재(15')의 외면(15a')에 눌러붙였을 때에 공기를함유하지 않도록, 구면연마한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 광섬유의 선단을 광투과부재(15')의 외면(15a')에 눌러붙여서 밀착시킴으로써, 외기를 배제해서 입사단이 오염되지 않도록 한다. 또한, 광투과부재(15')로서 도 5에 나타내는 바와 같은 볼록면을 갖는 유리를 사용하고, 상기 볼록면(15a')에 광섬유(13) 선단을 Y방향으로 눌러붙이도록 하면, 밀착시에 보다 공기를 효과적으로 배제하면서 밀착시킬 수 있다.
또, 또 다른 실시형태의 일부 확대측단면도를 도 6에 나타낸다. 도 6에 나타내는 실시형태의 레이저 모듈은, 도 4와 마찬가지로 패키지(40)가 리셉터클(25)을 구비하고 있는 것이며, 또한 페룰(20)에 리셉터클(25)과 끼워맞추는 커넥터(45)를 구비한 것이다. 리셉터클(25)과 페룰(20)을 땜납을 사용해서 고정하는 대신에, 커넥터(45)를 리셉터클(25)과 끼워맞추게 해서, 페룰(20)을 리셉터클(25)에 끼워부착시키는 것이다. 커넥터(45)는 스프링(46)을 구비하고 있고, 페룰(20)의 후단측에서 페룰(20)을 광투과부재(15)측에 압압한다. 땜납을 사용하지 않기 때문에 광섬유(13)의 부착 및 분리가 매우 간편한 것으로 된다.
또한, 패키지(40)에 충전하는 가스로서는, 주로 불활성 가스로 이루어지는 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는, 질소, 희가스 등을 들 수 있다. 또한, 불활성 가스와, 1ppm이상의 산소, 할로겐족 가스 및 할로겐화합물 가스 중 적어도 1종류 이상으로 이루어지는 혼합가스이어도 좋고, 예를 들면, 대기와 같은 비율의 질소, 산소혼합 가스인 클린에어를 사용해도 좋다.
밀봉 분위기 중에 1ppm이상의 농도의 산소가 함유되면, 레이저 모듈의 열화를 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 이러한 열화억제효과의 향상이 얻어지는 것은, 밀봉 분위기 중에 함유되는 산소가, 탄화수소 성분의 광분해에 의해 발생한 고형물을 산화분해하기 때문이다.
할로겐족 가스란, 염소가스(Cl2), 불소가스(F2) 등의 할로겐가스이고, 할로겐화합물 가스란, 염소원자(Cl), 브롬원자(Br), 요오드원자(I), 불소원자(F) 등의 할로겐원자를 함유하는 가스형상의 화합물이다.
할로겐화합물 가스로서는, CF3Cl, CF2Cl2, CFCl3, CF3Br, CCl4, CCl4-O2, C2F4Cl2, Cl-H2, CF3Br, PCl3, CF4, SF6, NF3, XeF2, C3F8, CHF3등이 있지만, 불소 또는 염소와 탄소(C), 질소(N), 유황(S), 크세논(Xe)과의 화합물이 바람직하고, 불소원자를 함유하는 것이 특히 바람직하다.
할로겐계 가스는 미량으로도 열화억제효과를 발휘하지만, 현저한 열화억제효과를 얻기 위해서는, 할로겐계 가스의 함유농도를 1ppm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 열화억제효과가 얻어지는 것은, 밀봉 분위기중에 함유되는 할로겐계 가스가 유기 규소화합물 가스의 광분해에 의해 발생한 퇴적물을 분해하기 때문이다.
또, 패키지 내부에 있어서의 렌즈어레이(11) 및 집광렌즈(12)의 고정, 패키지의 밀봉의 형태로서는, 상술한 바와 같이, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 고정 혹은 밀봉 함으로써 더욱 집진을 방지할 수 있다.
Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제로서는, 예를 들면, 일본 특허공개2001-177166호 공보에 기재된 지환식 에폭시 화합물, 옥세타닐기를 갖는 화합물 및 촉매량의 오늄염 광반응개시제를 함유하는 접착성 조성물로서, 실란 커플링제를 함유하지 않는 접착성 조성물로 이루어지는 것을 들 수 있다.
또한, 플럭스프리 땜납으로서는, 예를 들면, Sn-Pb, Sn-In, Sn-Pb-In, Au-Sn, Ag-Sn, Sn-Ag-In 등을 들 수 있다. 통상의 땜납재에 함유되는 플럭스는 오염의 요인이 되지만, 플럭스프리의 땜납을 사용하면 오염물질을 발생시킬 우려가 없다. 또한, 환경을 배려해서 납프리 땜납을 사용하는 것이 바람직하다.
용접은 시판의 심(seam) 용접기, 예를 들면 니혼아비오닉스사 제품의 심 용접기를 이용해서 행할 수 있다. 구체적으로는, 패키지에 덮개를 얹고, 패키지의 덮개와 하우징의 경계부에 심 용접기에 의해 고전압을 인가함으로써 패키지의 용접 밀봉을 행할 수 있다. 또, 융착은 시판의 융착기, 예를 들면, FITEL S-2000을 사용해서 행할 수 있다.
다음에, 상기 실시형태에 있어서 이용되는 반도체 레이저 소자의 일례로서 GaN계 반도체 레이저 소자의 제조방법에 대해서 설명한다. 도 7은, GaN계 반도체 레이저 소자의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 유기금속 기상성장법에 의해 트리메틸갈륨(TMG)과 암모니아를 성장용 원료로 사용하고, n형 도펀트 가스로서 실란가스를 사용하며, p형 도펀트로서 시클로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg)을 사용하고,(0001) C면 사파이어기판(121)상에, 온도 500℃에서 GaN 버퍼층(122)을 20㎚정도의 막두께로 형성한다. 계속해서, 온도를 1050℃로 해서 GaN층(123)을 2㎛정도 성장시킨다. 그 후에, SiO2막(124)을 형성하고, 레지스트(125)를 도포한 후, 통상의 리소그래피를 사용하여,
방향으로 3㎛폭의 SiO2막(124)을 제거하고, 폭 7㎛정도의 SiO2막(124) 라인부를 형성함으로써, 10㎛정도의 주기의 라인 앤드 스페이스의 패턴을 형성한다.
다음에, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 레지스트(125)와 SiO2막(124)을 마스크로 하고, 염소계의 가스를 사용해서 버퍼층(122)과 GaN층(123)을 드라이에칭에 의해 사파이어기판(121) 상면까지 제거한 후, 레지스트(125)와 SiO2막(124)을 제거한다. 이 때, 사파이어기판(121)이 조금 에칭되어도 좋다.
다음에, 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, GaN층(126)을 20㎛정도 선택성장시킨다. 이 때, 횡방향의 성장에 의해 최종적으로 스트라이프가 합체되고, 표면이 평탄화된다. 이 시점에서, 버퍼층(122)과 GaN층(123)으로 이루어지는 층의 라인부 상부에는 관통전위가 발생하고 있지만, 그 라인부 사이의 GaN층(126)에는 관통전위는 발생하지 않고 있다.
이어서, GaN층(126)상에 SiO2막(127)을 형성하고, 도 7의 (d)에 나타낸 바와 같이, 상기 버퍼층(122)과 GaN층(123)이 남아서 생긴 라인부 사이의 스페이스부의중앙에 위치하는 SiO2막(127)을 3㎛정도 제거한다.
다음에, 도 7의 (e)에 나타낸 바와 같이, 성장온도를 1050℃로 해서 GaN층(128)을 20㎛정도 선택성장시킨다. 이 때 횡방향의 성장에 의해 최종적으로 스트라이프가 합체되고, 표면이 평탄화된다.
이어서, GaN층(128)상에 SiO2막(129)을 형성하고, 도 7의 (f)에 나타낸 바와 같이, 남은 SiO2막(127)의 중앙에 위치하는 SiO2막(129)을 폭 3㎛정도 제거하고, 그 위에, 성장온도를 1050℃로 해서 GaN층(130)을 20㎛정도 선택성장시킨다.
마지막으로, 도 7의 (g)에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 제작한 GaN기판 상에, n-GaN층(131)을 100∼200㎛정도 성장시킨 후, 사파이어기판에서 GaN층(130)까지를 제거하여, n-GaN층(131)을 도 8에 나타내는 n형 GaN기판(141)으로 한다. 도 8은, 반도체 레이저 소자의 층구성을 설명하기 위한, 벽개(劈開) 전의 웨이퍼의 일부 단면도이다.
다음에, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 해서 제작된 n형 GaN기판(141)상에, n-GaN 버퍼층(142), 150페어의 n-Al0.14Ga0.86N(2.5㎚)/GaN(2.5㎚) 초격자 클래드층(143), n-GaN 광도파층(144), n-In0.02Ga0.98N(10.5㎚)/n-In0.15Ga0.85N(3.5㎚) 삼중 양자우물 활성층(145), p-Al0.2Ga0.8N 캐리어 블록층(146), p-GaN 광도파층(147), 150페어의 p-Al0.14Ga0.86N(2.5㎚)/GaN(2.5㎚) 초격자 클래드층(148), p-GaN 컨택트층(149)을 적층한다. 여기에서는, p형의 불순물로서Mg를 사용한다. 이 Mg의 활성화를 위해 성장후 질소분위기 중에서 열처리하거나, 또는 질소리치 분위기에서 성장을 실시하거나 중 어느 하나의 방법을 사용해도 좋다.
다음에, 횡싱글모드 반도체 레이저를 제작할 경우는, 횡모드가 싱글로 되는 스트라이프 영역을 형성하기 위해서 폭 1∼3㎛의 스트라이프 형상 개구를 갖는 SiO2마스크(150)를 100∼500㎛피치로 형성하고, 횡멀티모드의 브로드(broad) 반도체 레이저를 제작할 경우는, 폭 수∼50㎛의 스트라이프 형상의 개구를 갖는 SiO2마스크(150)를 100∼500㎛피치로 형성한다. 수∼50㎛ 폭의 스트라이프 영역을 갖는 횡멀티모드의 브로드 반도체 레이저로부터는 수백∼2000㎽정도의 출력이 얻어진다.
다음에, 스트라이프 형상의 개구를 덮도록 해서 Ni/Au로 이루어지는 스트라이프 형상의 p전극(151)을 형성한다. 다음에, 기판(141)을 연마하여 Ti/Au로 이루어지는 n전극(152)을 형성하고, 벽개해서 형성한 공진기 면에 고반사 코트, 저반사 코트를 행하고, 그 후, 또한 벽개해서 소정 수의 캐비티, 공진기 길이를 갖는 반도체 레이저 소자(LD)를 완성시킨다.
멀티 캐비티의 반도체 레이저 소자로 하는 경우에는, 공진기 길이 100∼1500㎛, 바람직하게는 400㎛로 되고, 발광점 배열방향의 길이가 예를 들면 1cm로 되도록 벽개하고, 캐비티면에 고반사, 저반사 코트를 행하고, 예를 들면, 20개의 캐비티를 갖는 바형상의 소자를 완성시킨다. 또한, 멀티 캐비티를 형성할 경우는, 필요 캐비티수에 따라서 발광점 배열방향의 소자폭으로 벽개를 실시하여 소자형성한다.
싱글 캐비티의 반도체 레이저 소자를 형성할 경우는, 스트라이프 영역의 형성 피치와 동등한 100∼500㎛피치로 벽개하여, 싱글 캐비티를 갖는 공진기 길이 400㎛의 소자로 한다.
또한, 본 발명의 레이저 모듈에 있어서 패키지 내에 수용되는 반도체 레이저 소자의 형태로서는, 상기 실시형태에 나타낸 불연속적인 싱글 캐비티 칩을 어레이상으로 배치한 것 외에, 1개의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자(LD바), 복수의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자를 어레이상으로 배치한 것, 혹은 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자와 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자의 조합 등이어도 좋다.
도 9는, 본 발명의 제2실시형태의 레이저 모듈의 평면도를 나타내는 것이다.
본 실시형태에 의한 레이저 모듈은, 히트블록(70)상에 배열고정된 5개의 칩 상태의 싱글 캐비티 GaN계 반도체 레이저 소자(LD11∼LD15)와, 집광렌즈 어레이(72)가, 광투과부재(85)를 구비한 광출사창(86)을 갖는 패키지(80) 내에 수용되어, 5개의 광섬유(73)가 패키지(80)의 외부에서 광투과부재(85)에 그 입사단을 꽉 누르도록 해서 밀착고정되어서 이루어지는 것이다. 이 레이저 모듈은, 섬유 어레이형의 레이저 모듈이며, 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 각각 다른 광섬유에 결합시키는 것이다.
GaN계 반도체 레이저 소자(LD11∼LD15)로부터 발산광 상태로 출사된 레이저빔(B11∼B15)은, 각각 집광렌즈 어레이(72)를 구성하는 각 집광렌즈에 의해 집광되어서 각각 광투과부재(85)의 외면상의 다른 위치에 수속된다. 5개의 광섬유(73)는 멀티 섬유 페룰(90)에 그 선단이 삽입되어, 각 레이저빔(B11∼B15)의 수속위치에입사단이 밀착 고정된다. 각 레이저빔(B11∼B15)은 각각 다른 광섬유(73)에 결합하고, 각 광섬유(73)의 도시하지 않은 출사단으로부터 출사된다.
본 실시형태의 레이저 모듈에 있어서도, 패키지(80)는 탈기처리후에 기밀하게 밀봉되어 있고, 각 부재의 고정 및 패키지 밀봉은, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 행해지고 있다. 따라서, 패키지(80) 내부에 있어서, 광밀도가 높은 반도체 레이저 소자의 광출사단 면에의 집진은 억제되고, 또한, 광투과부재(85)의 패키지의 내측면은 레이저빔의 집광점이 아니기 때문에, 광밀도가 낮아 그 면에 있어서의 집진효과가 억제된다. 또한, 광섬유(73)의 입사단은 광투과부재(85)에 밀착되어 있으므로 대기에 접촉되는 일이 없어 오염되지 않는다. 레이저 모듈 전체로서 집진효과가 억제되므로 광출력을 향상시킬 수 있고, 또한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
도 10은, 본 발명의 제3실시형태의 레이저 모듈의 평면도를 나타내는 것이다.
본 실시형태의 레이저 모듈은, GaN계 반도체 레이저 소자(LD)를 내부에 구비하고, 기밀하게 밀봉된 CAN 패키지(110)와 집광렌즈(12)가, 광투과부재(15)를 구비한 광출사창(16)을 갖는 패키지(40) 내에 수용되어, 1개의 광섬유(13)가 패키지(40)의 외부에서 광투과부재(15)에 그 입사단을 꽉 누르도록 해서 밀착 고정되어서 이루어지는 것이다. 여기에서는, 제1실시형태의 레이저 모듈과 동등한 요소에는 동일부호를 붙여서 상세한 설명을 생략한다.
CAN 패키지(110), 집광렌즈(12)는 베이스판(105)상의 각 고정부재에, 반도체레이저 소자(LD)로부터 출사된 레이저빔(B)이 집광렌즈(12)에 의해 광투과부재(15)의 외면(15a)상에서 수속되도록 배치 고정되어 있다. 각각의 고정에는, 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제가 사용되고 있다. 또한, 융착 혹은 용접에 의해 고정되어도 좋다.
본 실시형태에 있어서는, 반도체 레이저 소자(LD)가, CAN 패키지(110) 내에 구비되어 있다. CAN 패키지는, 내부의 휘발성분을 제거하기 위해서 탈기처리를 실시한 후에 기밀하게 밀봉된 것이다. 반도체 레이저 소자(LD)는, 탈기처리되어 기밀하게 밀봉된 CAN 패키지(110) 내에 구비되어 있고, CAN 패키지(110)의 탈기처리시에는, 광섬유(13)를 탈기처리장치 내에 배치하는 일은 없으므로, 광섬유(13)의 수지피막으로부터의 탈가스에 의한 영향을 받지 않는다. 또한, 이 CAN 패키지(110)는 기밀하게 밀봉된 패키지(40)의 내부에 구비되어 있기 때문에, 집진효과를 보다 억제할 수 있고, 레이저 모듈 전체로서 집진효과가 억제되므로 광출력을 향상시킬 수 있고, 또한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 특히 상술의 제조방법에 의해 제조되는 GaN계 반도체 레이저 소자와 같은 발진파장 400㎚대의 고출력 반도체 레이저 소자를 구비했을 경우에는, 집진효과가 현저하기 때문에, 본 실시형태와 같이 반도체 레이저 소자를 2중으로 패키지로 내포한 구조로 하는 효과가 크다.
또한, 패키지 내에 수용되는 반도체 레이저 소자의 형태로서는, 상기 실시형태에 나타낸 불연속적인 싱글 캐비티 칩을 어레이상으로 배치한 것 외에, 1개의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자(LD바), 복수의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자를 어레이상으로 배치한 것, 혹은 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자와 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자의 조합 등이어도 좋다.
본 발명의 레이저 모듈에 따르면, 반도체 레이저 소자와 집광광학계가 1개의 패키지 내에 구비되어 밀봉되고, 광섬유는 패키지 외측에 고착되어 있으므로, 패키지 내의 탈기처리를 광섬유 장착전에 행할 수 있고, 광섬유의 피복으로부터의 탈가스에 의한 패키지 내의 오염이 생기지 않는다. 또한, 광섬유와 창을 밀착시키기 때문에 광섬유의 광입사단 면이 대기에 접촉하지 않아, 상기 광섬유의 입사단 면에의 오염물질의 부착을 방지할 수 있다. 또한, 광투과부재의 외면상에 레이저빔을 집광시키므로 광투과부재의 패키지 내측의 면에 있어서의 광밀도를 억제할 수 있고, 상기 부재의 패키지 내부에 오염물질이 잔존할 경우에도 그들이 광투과부재의 내면부근에 있어서의 유기물의 분해능력을 억제할 수 있으므로, 상기 내면에 오염물질이 부착되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 본 발명의 레이저 모듈에 따르면, 오염물질의 부착 즉 집진효과를 억제할 수 있으므로 광출력을 향상시킬 수 있고, 또한 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
광투과부재에, 레이저빔을 집광시키는 위치를 결정짓기 위한 마커가 형성되어 있으면, CCD카메라 등으로 마커를 관측하면서 상기 마커를 기준으로 해서 레이저빔을 조심할 수 있기 때문에 조심이 용이해진다. 또한, 자동조심도 가능해진다.
또한, 특히, 반도체 레이저 소자가 350㎚∼500㎚의 파장을 출사하는 것일 경우, 에너지가 높아져 집진효과가 커지기 때문에, 본 발명을 적용하는 것은 오염물질의 부착을 방지하기 때문에 효과적이다. 또한, 복수의 반도체 레이저 소자 혹은멀티 캐비티 반도체 레이저 소자로부터의 복수의 레이저광을 1개의 섬유에 합파하는 레이저 모듈에 있어서는, 섬유 끝면상의 광강도가 매우 높아지기 때문에 오염물질의 부착방지의 효과가 현저하다.
광섬유의 입사단이 페룰에 삽입되어 있고, 패키지가 페룰과 끼워맞추는 장착기를 구비하고 있으면, 광섬유의 장착이 용이하게 되어 핸들링성이 향상된다.
본 발명의 레이저 모듈의 제조방법에 있어서는, 광섬유를 패키지에 고착하기 전에 패키지 내의 탈기처리를 행하므로, 광섬유의 피막으로부터의 가스에 의한 오염을 발생하지 않는다. 또한, 광섬유를 패키지의 외측에 최후에 고정하므로, 패키지 밀봉까지의 공정에서 광섬유를 취급할 필요가 없기 때문에 모듈의 제조가 간편한 것으로 된다.

Claims (9)

  1. 광출사창에 광투과부재를 구비한 기밀하게 밀봉된 패키지;
    상기 패키지의 내부에 배치된 1개 혹은 복수의 반도체 레이저 소자;
    상기 패키지의 외부에 배치된 광섬유; 및
    상기 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 상기 광투과부재의 외면상에 집광시키는, 상기 패키지의 내부에 배치된 집광광학계를 구비하고,
    상기 광섬유의 입사단이, 상기 광투과부재의 외면의 상기 레이저빔이 집광되는 위치에 밀착해서 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광투과부재에 상기 레이저빔을 집광시키는 위치를 결정하기 위한 마커가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 레이저 소자의 발진파장이 350㎚∼500㎚인 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유의 입사단이 페룰에 삽입되어 있고,
    상기 패키지는 상기 페룰과 끼워맞추는 장착기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지는 내부가 불활성 가스로 채워져 있는 것임을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 불활성 가스에 1ppm이상의 농도의 산소, 할로겐족 가스, 및/또는 할로겐화합물 가스가 혼입되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지가 플럭스프리 땜납 혹은 Si계 유기물을 함유하지 않는 접착제를 사용하거나, 혹은 융착 또는 용접에 의해 기밀하게 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 레이저 소자가 어레이상으로 배열된 복수의 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자, 하나의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자, 어레이상으로 배열된 복수의 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자, 및 싱글 캐비티 반도체 레이저 소자와 멀티 캐비티 반도체 레이저 소자의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 모듈.
  9. 1개 혹은 복수의 반도체 레이저 소자와, 광섬유와, 상기 반도체 레이저 소자로부터 출사된 레이저빔을 집광하여 상기 광섬유의 입사단에 결합시키는 집광광학계를 구비하여 이루어지는 레이저 모듈의 제조방법에 있어서,
    일벽면에 상기 레이저빔이 투과하는 광투과부재를 구비한 광출사창을 갖는 기밀하게 밀봉가능한 패키지의 내부에, 상기 반도체 레이저 소자와 상기 집광광학계를 상기 레이저빔이 상기 광투과부재의 외면상에 집광되도록 배치하고,
    상기 패키지의 내부를 탈기처리하고,
    상기 탈기처리후, 상기 패키지를 기밀하게 밀봉하며,
    그 후, 상기 광섬유의 입사단에 상기 레이저빔이 광학적으로 결합되도록, 상기 광섬유의 입사단을 상기 광투과부재의 상기 외면에 밀착시켜서 고정하는 것을 특징으로 하는 레이저 모듈의 제조방법.
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