JP2007258479A - 半導体レーザモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】活性層を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に対向して配置され前記活性層に垂直方向での断面が楔形状である先端部を有する光ファイバと、保持部固定剤により前記光ファイバを固定して保持する光ファイバ保持手段と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ保持手段とを固定する基板と、前記光ファイバを挿通する孔を有し、該孔に充填された孔部固定剤により前記光ファイバに固定され、前記保持部固定剤と前記半導体レーザ素子の間に配置される壁部材と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野、加工や溶接などの産業分野、および医療分野などで使用される半導体レーザモジュールおよびその製造方法に関するものである。

従来から、光ファイバからレーザ光を出力する半導体レーザモジュールの製造工程において、金属メッキなどの金属被覆が施され、先端部が楔形状に加工された光ファイバを、基板上の所定の位置に固定された半導体レーザ素子に所定の間隔で対向して配置し、半導体レーザ素子の活性層から出射するレーザ光が最大の結合効率で光ファイバに結合するように光ファイバを調芯した後、ＹＡＧレーザや電熱ヒーターによって溶融させた金錫半田などの固定剤（保持部固定剤）を用いて、光ファイバ保持手段上に光ファイバを固定する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−１８３４４５号公報

ところが、保持部固定剤を溶融する際に、溶融温度が高すぎると保持部固定剤の成分のうち錫などの融点が低い成分が飛散する可能性がある。そして、この飛散成分が半導体レーザ素子の光出射端面に付着すると、付着した飛散成分が光吸収を起こして発熱し、光出射端面が損傷して半導体レーザモジュールが故障したり信頼性が低下したりするという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、活性層を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に対向して配置され前記活性層に垂直方向での断面が楔形状である先端部を有する光ファイバと、保持部固定剤により前記光ファイバを固定して保持する光ファイバ保持手段と、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ保持手段とを固定する基板と、前記光ファイバを挿通する孔を有し、該孔に充填された孔部固定剤により前記光ファイバに固定され、前記保持部固定剤と前記半導体レーザ素子の間に配置される壁部材と、を備えることを特徴とする。

また、この発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記壁部材の孔の直径をＤ、前記半導体レーザ素子と前記壁部材との間隔をＬ、前記半導体レーザ素子の前記活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、前記光ファイバの先端部の開き角度をθ、前記光ファイバの直径をｄ、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバの先端部との間隔をｚとすると、ｔａｎ（φ／２）＞ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］＞Ｄ／（２Ｌ）が成り立つことを特徴とする。

また、この発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子の前記活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、前記光ファイバの先端部の開き角度をθ、前記光ファイバの直径をｄ、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバの先端部との間隔をｚとすると、ｔａｎ（φ／２）＜ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］が成り立つことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体レーザモジュールの製造方法は、光ファイバを壁部材の孔に挿通し、前記孔に孔部固定剤を充填して前記壁部材を前記光ファイバに固定する工程と、前記光ファイバの楔形状の先端部を半導体レーザ素子に対向して配置して前記光ファイバの調芯を行う工程と、前記光ファイバを前記壁部材に対して前記半導体レーザ素子とは反対側の位置に配置された光ファイバ保持手段に保持部固定剤を溶融して固定する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、保持部固定剤を溶融する際に保持部固定剤の成分が飛散しても、壁部材によって飛散成分が半導体レーザ素子の光出射端面に到達するのを防止できるので、故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールを実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザモジュールおよびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザモジュールについて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。図２は、図１に示す半導体レーザモジュールのＸ１−Ｘ１線断面図である。

まず、本実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１００の構成について説明する。図１および２に示すように、半導体レーザモジュール１００は、活性層を有する半導体レーザ素子１０１と、光ファイバ１０２と、円板状の壁部材１０３と、保持部固定剤１０４と、ヒートシンク１０５と、サブマウント１０６と、ブロック状の光ファイバ保持手段１０７と、基板１０８と、パッケージ１０９と、蓋１１０とを備える。

光ファイバ１０２は金属被覆が施され、先端部が半導体レーザ素子１０１に対向して配置されている。光ファイバ保持手段１０７は保持部固定剤１０４により光ファイバ１０２を半導体レーザ素子１０１の活性層と位置合わせされた状態で固定して保持する。基板１０８は光ファイバ保持手段１０７を固定するとともに、ヒートシンク１０５とサブマウント１０６とを介して半導体レーザ素子１０１も固定する。壁部材１０３は光ファイバ１０２の直径とほぼ同じ直径の孔１０３ａを有する。光ファイバ１０２は孔１０３ａに互いに中心がほぼ一致するように挿通される。また、壁部材１０３は保持部固定剤１０４と半導体レーザ素子１０１の間に配置され、孔１０３ａの内壁と光ファイバ１０２との隙間に充填された孔部固定剤１１３により光ファイバ１０２に固定されている。また、パッケージ１０９の光ファイバ挿入口は挿入部固定剤１１１により封止されている。

図３は、光ファイバ１０２の半導体レーザ素子１０１に対向して配置される先端部を模式的に表した断面図である。図３においては、半導体レーザ素子１０１の活性層に垂直方向での断面を示す。図３に示すように、光ファイバ１０２は、直径１０５μｍのコア１０２ａと外径１２５μｍのクラッド１０２ｂを有し、ＮＡが０．１５もしくは０．２２のマルチモード光ファイバであり、先端部１０２ｃが楔形状に加工されたものである。先端部１０２ｃの開き角度は１１０°であり、球面状に研磨された先端半径Ｒは７μｍである。

半導体レーザ素子１０１は、ＧａＡｓ系の材料からなり、活性層における発光部の幅が１００μｍ、レーザ発振波長が９１５〜９８０ｎｍの横マルチモードレーザダイオードである。出射光の光半導体レーザ素子１０１の活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンは図４に示すようにほぼガウス型の形状を有しており、半値幅で約３３°であり、ピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角は約７０°である。一方、水平方向のファーフィールドパターンは半値幅で約１０°である。

保持部固定剤１０４は、溶融して光ファイバ１０２を固定するものであり、たとえば半田である。半田の具体例は、金錫半田（ＡｕＳｎ）、錫鉛半田（ＰｂＳｎ）、錫銀銅半田（ＳｎＡｇＣｕ）などである。一方、孔部固定剤１１３、挿入部固定剤１１１は、半田や接着剤である。接着剤の具体例は、エポキシ系、アクリル系、ＵＶ硬化樹脂系などの接着剤である。

ヒートシンク１０５、サブマウント１０６、基板１０８は、半導体レーザ素子１０１から発生する熱を放熱するために、熱伝導率が高い材質で構成されている。熱伝導率が高い材質の具体例は、銅−タングステン合金（ＣｕＷ）、ダイヤモンド、窒化アルミ（ＡｌＮ）などである。

光ファイバ保持手段１０７は、半導体レーザ素子１０１の活性層と位置合わせした状態で光ファイバ１０２を保持部固定剤１０４で固定するためのブロック状の部品である。光ファイバ保持手段１０７の材質の具体例は、ＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃などのセラミックスや、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属である。

壁部材１０３は、半導体レーザ素子１０１からの出射光を透過や吸収しない、反射率が高い材質で形成される。壁部材１０３の吸収係数が高いと、壁部材１０３が半導体レーザ素子１０１からの出射光のうち光ファイバ１０２に結合しない非結合光を吸収して温度が上昇してしまい、壁部材１０３を光ファイバ１０２に固定している孔部固定剤１１３を溶融もしくは劣化させる可能性がある。壁部材の材質の具体例は、アルミニウム（Ａｌ）、ＳＵＳ、あるいは銅（Ｃｕ）などの金属である。また、壁部材１０３は、反射率が低い樹脂材料で形成した後に表面に反射率の高い金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）のメッキを施して反射率を高めたものや、Ａｌ、ＳＵＳ、Ｃｕなどで形成した後に表面にＡｕやＡｇのメッキを施したものでもよい。

つぎに、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１００の製造工程のうち主要なものについて説明する。まず、サブマウント１０６上にヒートシンク１０５を介して半導体レーザ素子１０１をＡｕＳｎなどの半田剤で固定し、その後、これを基板１０８上の所定の位置に半田剤で固定する。

つぎに、基板１０８上の所定の位置に光ファイバ保持手段１０７を配置し、半田剤で固定する。このとき光ファイバ保持手段１０７を固定する位置は、光ファイバ保持手段１０７と半導体レーザ素子１０１の間に壁部材１０３が配置されることを考慮して決定する。

一方、光ファイバ１０２を壁部材１０３の孔１０３ａに挿通し、孔１０３ａに孔部固定剤１１３を充填し、壁部材１０３を光ファイバ１０２に固定する。

そして、光ファイバ１０２の楔形状の先端部１０２ｃを半導体レーザ素子１０１の活性層１０１ａの端面に対向して配置し、半導体レーザ素子１０１を駆動して活性層の端面からレーザ光を出射させて、光ファイバ１０２のもう一端から出力する光の強度をモニタしながら、光ファイバ１０２を半導体レーザ素子１０１に対して前後、左右、上下並びに光ファイバ１０２の中心軸周りに動かして調芯を行う。そして、モニタした光出力強度が最大となる位置、すなわち半導体レーザ素子１０１からの出射光の光ファイバ１０２への結合効率が最大となる位置において、光ファイバ保持手段１０７上に保持部固定剤１０４を供給し、ＹＡＧレーザの照射により保持部固定剤１０４を溶融して光ファイバ１０２を光ファイバ保持手段１０７上に固定する。

保持部固定剤１０４を溶融する際に、溶融温度が高すぎると保持部固定剤１０４の成分が飛散する可能性があるが、保持部固定剤１０４と半導体レーザ素子１０１の間に壁部材１０３が配置され、かつ孔１０３ａが充填されていることにより飛散成分の半導体レーザ素子１０１への到達を防止できるので、飛散成分が半導体レーザ素子１０１の光出射端面に付着して故障を引き起こすことを防止できる。

このように、本実施の形態１に係る半導体レーザモジュール１００は、保持部固定剤１０４を溶融する際に保持部固定剤１０４の成分が飛散しても、孔１０３ａが充填された壁部材１０３によって飛散成分が半導体レーザ素子１０１の光出射端面に到達するのを防止できるので、故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールとなる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールについて説明する。実施の形態１の半導体レーザモジュール１００において、半導体レーザ素子１０１の活性層の端面から出射したレーザ光は、光ファイバ１０２の楔形状の先端部１０２ｃと８０％程度の結合効率で結合する。

しかし、光ファイバ１０２からの出射光として５Ｗ程度の高出力を得ようとする場合、結合効率が８０％程度とすると、非結合光の強度は１．２Ｗ程度にもなるところ、このように強度の大きい非結合光が孔部固定剤１１３に照射されると、孔部固定剤１１３の成分が飛散して半導体レーザ素子の光出射端面に付着し、半導体レーザモジュールの故障を引き起こす可能性がある。そこで、本実施の形態２に係る半導体レーザモジュールは、実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成に加え、半導体レーザ素子、光ファイバ、壁部材に関するパラメータ間に所定の関係が成り立つものとした。

図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。また、図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ素子、光ファイバ、壁部材の関係を説明する図である。

すなわち、本実施の形態２に係る半導体レーザモジュール２００においては、図６に示すように、壁部材２０３の孔２０３ａの直径をＤ、半導体レーザ素子２０１と壁部材２０３との間隔をＬ、半導体レーザ２０１の活性層２０１ａに垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、光ファイバ２０２の先端部の開き角度をθ、光ファイバ２０２の直径をｄ、半導体レーザ素子２０１と光ファイバ２０２の先端部との間隔をｚとしたときに、式（１）が成り立つものとしている。

ｔａｎ（φ／２）＞ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］＞Ｄ／（２Ｌ） ・・・ （１）

その結果、半導体レーザ素子２０１の活性層２０１ａの端面から見た場合に孔２０３ａは光ファイバ２０２の陰に隠れるので、非結合光が孔部固定剤２１３に到達することが防止される。したがって、非結合光の強度が大きい場合であっても孔部固定剤２１３が溶融、劣化することがなく、固定剤の成分が飛散し半導体レーザ素子の光出射端面に付着して半導体レーザモジュールの故障を引き起こすことを防止できる。また、なんらかの原因で孔部固定剤２１３に隙間が発生したとしても、その隙間から非結合光が保持部固定剤２０４に到達するということも防止できる。

なお、半導体レーザモジュール２００の製造工程においては、壁部材２０３を光ファイバ２０２に固定する際の先端からの固定位置（Ｌ−ｚ）は、半導体レーザモジュールの製造が完了した後に、Ｄ，Ｌ，φ，θ，ｄ，ｚ間に式（１）の関係が成り立つように決定する。

本実施の形態２に係る半導体レーザモジュール２００では、保持部固定剤２０４を溶融する際に保持部固定剤２０４の成分が飛散しても、孔２０３ａが充填された壁部材２０３によって飛散成分が半導体レーザ素子２０１の光出射端面に到達するのを防止できるということに加え、半導体レーザモジュール２００の動作中において非結合光が孔部固定剤２１３に照射されないので、孔部固定剤２１３の飛散成分が半導体レーザ素子２０１の光出射端面に到達するのを防止できるという効果も奏する。このため、故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールとなる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールも、実施の形態２に係る半導体レーザモジュールと同様、半導体レーザモジュールの動作中における非結合光が孔部固定剤へ照射して飛散することを防止するものである。

図７は、本実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。また、図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ素子および光ファイバの関係を説明する図である。本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール２００においては、図８に示すように、半導体レーザ３０１の活性層３０１ａに垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、光ファイバ３０２の先端部の開き角度をθ、光ファイバ３０２の直径をｄ、半導体レーザ素子３０１と光ファイバ３０２の先端部との間隔をｚとしたときに、式（２）が成り立つものとしている。

ｔａｎ（φ／２）＜ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］ ・・・ （２）

このとき、半導体レーザ素子３０１の活性層３０１ａからの出射光のうちビーム広がり角φより内側に含まれる光は光ファイバ３０２により遮断される。その結果、非結合光は遮断され、孔部固定剤３１３に到達することが防止できる。

本実施の形態３に係る半導体レーザモジュール３００も、保持部固定剤３０４を溶融する際に保持部固定剤３０４の成分が飛散しても、孔３０３ａが充填された壁部材３０３によって飛散成分が半導体レーザ素子３０１の光出射端面に到達するのを防止できるということに加え、半導体レーザモジュール３００の動作中において非結合光が孔部固定剤３１３に照射されないので、孔部固定剤３１３の飛散成分が半導体レーザ素子３０１の光出射端面に到達するのを防止できるという効果も奏する。このため、故障や信頼性の低下を防止できる半導体レーザモジュールとなる。

なお、上記実施の形態において、壁部材の形状は円形に限らず、保持部固定剤の飛散成分が半導体レーザ素子に到達するのを防止する効果を高めるなどのために適宜変更してもよい。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。 図１に示す半導体レーザモジュールのＸ１−Ｘ１線断面図である。 光ファイバの半導体レーザ素子に対向して配置される先端部を模式的に表した断面図である。 半導体レーザ素子の活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ素子、光ファイバ、壁部材の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールを模式的に表した縦断側面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ素子および光ファイバの関係を説明する図である。

符号の説明

１００〜３００ 半導体レーザモジュール
１０１〜３０１ 半導体レーザ素子
２０１ａ、３０１ａ 活性層
１０２〜３０２ 光ファイバ
１０２ａ コア
１０２ｂ クラッド
１０２ｃ 先端部
１０３〜３０３ 壁部材
１０３ａ〜３０３ａ 孔
１０４〜３０４ 保持部固定剤
１０５〜３０５ ヒートシンク
１０６〜３０６ サブマウント
１０７〜３０７ 光ファイバ保持手段
１０８〜３０８ 基板
１０９〜３０９ パッケージ
１１０〜３１０ 蓋
１１１〜３１１ 挿入部固定剤
１１３〜３１３ 孔部固定剤

Claims (4)

1. 活性層を有する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子に対向して配置され前記活性層に垂直方向での断面が楔形状である先端部を有する光ファイバと、
   保持部固定剤により前記光ファイバを固定して保持する光ファイバ保持手段と、
   前記半導体レーザ素子と前記光ファイバ保持手段とを固定する基板と、
   前記光ファイバを挿通する孔を有し、該孔に充填された孔部固定剤により前記光ファイバに固定され、前記保持部固定剤と前記半導体レーザ素子の間に配置される壁部材と、
   を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記壁部材の孔の直径をＤ、前記半導体レーザ素子と前記壁部材との間隔をＬ、前記半導体レーザ素子の前記活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、前記光ファイバの先端部の開き角度をθ、前記光ファイバの直径をｄ、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバの先端部との間隔をｚとすると、
   ｔａｎ（φ／２）＞ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］＞Ｄ／（２Ｌ）
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記半導体レーザ素子の前記活性層に垂直方向でのファーフィールドパターンにおいてピーク強度の１／ｅ²の強度となるビーム広がり角をφ、前記光ファイバの先端部の開き角度をθ、前記光ファイバの直径をｄ、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバの先端部との間隔をｚとすると、
   ｔａｎ（φ／２）＜ｔａｎ（θ／２）／［１＋（２ｚ／ｄ）ｔａｎ（θ／２）］
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
4. 光ファイバを壁部材の孔に挿通し、前記孔に孔部固定剤を充填して前記壁部材を前記光ファイバに固定する工程と、
   前記光ファイバの楔形状の先端部を半導体レーザ素子に対向して配置して前記光ファイバの調芯を行う工程と、
   前記光ファイバを前記壁部材に対して前記半導体レーザ素子とは反対側の位置に配置された光ファイバ保持手段に保持部固定剤を溶融して固定する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。

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