JP2004022918A

JP2004022918A - レーザモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP2004022918A
Application number: JP2002177929A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamanaka; 山中　英生; Teruhiko Kuramachi; 蔵町　照彦; Kazuhiko Nagano; 永野　和彦; Yoji Okazaki; 岡崎　洋二
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールにおいて、容器内の汚染物質を除去し、良好な特性および信頼性を得る。
【解決手段】ステム１上に、サブマウント５に半導体レーザ素子６が接着されたヒートシンク４と、モニタ用フォトダイオード１０とを設置し、これをプラズマ照射装置の真空槽６０内の固定台６５に設置する。大気から初期の真空度が１×１０^−２Ｔｏｒｒ以下になるまで排気（６３）後、マイクロ波６２、および１×１０^−２ ^〜１×１０^−１Ｔｏｒｒの、アルゴンガス６１を導入して１０〜１０００Ｗ程度の電力を印加してプラズマ６４を発生させ、約６０分以下の時間でプラズマ照射を行う。最後に、無反射コーティングが施されたガラス窓３を備えた容器２によって、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気でリングウェルド封止する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子を容器内に設置して気密封止するレーザモジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子と、コリメータレンズ、集光レンズ、および光ファイバ等が密閉容器に封止されてなるレーザモジュールが知られているが、このレーザモジュールにおいて、密閉容器内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、レンズおよび光ファイバ等の光学部品に付着して、レーザ特性を劣化させるという問題がある。汚染物質としては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素が挙げられ、この炭化水素が、レーザ光により重合あるいは分解されて付着することが知られている。
【０００３】
この問題を解決するために、以下に示す種々の方法が提案されている。例えば、特開平１１−１６７１３２号において、４００ｎｍ以下のレーザ光の出力低下を防止するためには容器内の炭化水素量を０．１％以下にすることが効果的であり、これにより炭化水素の光分解による光学部品等への堆積を防止できることが記載されている。また、封止雰囲気をドライエアとすることも提案されており、雰囲気中の酸素と堆積した炭化水素との光化学反応によって、堆積物の除去効果が期待されている。
【０００４】
また、米国特許５３９２３０５号においては、炭化水素等の有機ガスの光分解による半導体レーザ素子端面への汚染物物質の付着を防止するため、このガスを分解することを目的とした酸素を１００ｐｐｍ以上封止ガスに混入させることが記載されている。
【０００５】
また、特開平１１−８７８１４号においては、油分等の汚染物質を脱脂および洗浄して除去することにより、長期信頼性の確保が可能であることが記載されている。
【０００６】
一方、特願２０００−３３６８５０号において、本出願人により、発振波長が３５０〜４５０ｎｍであるＧａＮ系半導体レーザ素子を用いたレーザモジュールが提案されているが、短波長のレーザ光はエネルギーが高いため、モジュール内に存在する炭化水素が重合あるいは分解したものが、半導体レーザ素子の端面あるいは光学部品等に付着する確率が高く、特に問題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光と炭化水素の反応により生成される汚染物質の堆積は、上記米国特許５３９２３０５号に示すように、一定量以上の酸素を含んだガス雰囲気だとＣＯ_２とＨ_２Ｏとに分解されることにより解消される。
【０００８】
しかしながら、この種の堆積物は炭化水素だけでなく、ケイ素化合物の存在が確認されており、酸素を雰囲気中に含有させるだけではケイ素化合物を分解除去することが出来ないことが解っている。炭化水素およびケイ素化合物の堆積物は、光学的な吸収を発生させるため、連続発振における経時信頼性を著しく損なうという問題がある。堆積するケイ素化合物は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）、シラノ−ル基（−Ｓｉ−ＯＨ）等のＳｉを含有した有機化合物ガス（以下有機ケイ素化合物と記す）とレーザ光との光化学反応により発生し、しかも雰囲気中の酸素の存在がその反応速度を大きくする効果がある。ここで言うケイ素化合物とは、有機、無機を問わずケイ素を含むあらゆる構造を有しているものを示し、無機ＳｉＯｘ、有機ケイ素化合物を含むものである。
【０００９】
発生源としては、主としてレーザモジュール製造工程の任意の場所に使用されているシリコーン系材料から発せられるガスである。これがレーザモジュール内の各部品表面に付着している場合があり、また、モジュールを封止して使用する場合は、その封止ガス中に微量含まれる。これらの製造過程中のガス成分を管理するには通常のクリーンルームや封止ガス精製機の設置では完全に除去することが出来ず、多大な設備投資が必要となる。また、特開平１１−８７８１４号に開示されているような油分等の脱脂あるいは洗浄工程を通しても上記のような製造過程雰囲気からの上記化合物の混入は避けることが出来ない。洗浄には液体有機物を使用する関係上、その乾燥工程における不純物の管理が必要である。さらに容器内に半導体レーザ素子、光学部材等を固定する際に用いる接着剤を溶解させない洗浄剤を選定する必要があり、部品表面に付着する有機物質の洗浄能力の維持と相矛盾する場合が多い。
【００１０】
レーザモジュール内の部品に付着する炭化水素化合物およびケイ素化合物等は、２００℃以上望ましくは３００℃以上の温度での加熱処理による分解蒸発により除去が可能である。しかし、加熱処理は数〜数十時間にわたる処理時間が必要であるとともに、モジュール内部品を有機系接着剤により固定する場合、接着剤の熱劣化による機械特性が劣化するため、この方法を用いることが出来ない。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて、容器内に半導体レーザ素子に配置して容器気密封止するレーザモジュールの製造方法において、容器内の汚染物質が良好に除去された信頼性の高いレーザモジュールを製造する方法を提供することを目的するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１のレーザモジュールの製造方法は、容器内に半導体レーザ素子を設置して気密封止するレーザモジュールの製造方法であって、容器を気密封止する前に、少なくとも容器および半導体レーザ素子にプラズマを照射することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第２のレーザモジュールの製造方法は、容器内に、半導体レーザ素子と、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を該光ファイバに入力するための光学部材とを設置して気密封止するレーザモジュールの製造方法であって、容器を気密封止する前に、少なくとも容器、半導体レーザ素子、光ファイバおよび光学部材にプラズマを照射することを特徴とするものである。
【００１４】
容器内に封入するガスが、不活性ガス、窒素および酸素の少なくとも１つであることが望ましい。
【００１５】
半導体レーザ素子の発振波長は４５０ｎｍ以下であってもよい。
【００１６】
なお、プラズマ照射は、上記「気密封止する前に」と記載したが、容器内に、半導体レーザ素子等を設置した後、すなわち容器内に各部品が設置されている状態で行ってもよく、また設置する前の部品の状態で行ってもよい。またさらに、部品の状態でプラズマ照射し、さらに容器内に部品を設置した後プラズマ照射してもよい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の第１のレーザモジュールの製造方法によれば、容器を気密封止する前に、少なくとも容器および半導体レーザ素子にプラズマを照射するので、容器および半導体レーザ素子に付着した炭化水素およびケイ素化合物等からなる汚染物質、さらには容器内雰囲気に存在する汚染物質をプラズマ照射により良好に分解除去することができる。よって、汚染物質が良好に除去された信頼性の高いレーザモジュールを得ることができる。また、プラズマ照射は、既存の半導体製造装置、例えばドライエッチング装置、プラズマ剥離装置によって行うことができるので、新たな装置を用いる必要が無く簡便な方法により精度高く汚染物質を除去することが可能である。
【００１８】
また、本発明の第２のレーザモジュールの製造方法によれば、上記第１のレーザモジュールの製造方法と同様、容器、半導体レーザ素子、光学部材、光ファイバに付着した汚染物質をプラズマにより良好に除去することができる。光学部材の表面および光ファイバの入力端に汚染物質が堆積しやすいため、本発明を適用することは効果的である。
【００１９】
特に発振波長が４５０ｎｍ以下の半導体レーザ素子の場合、これらの短波長レーザ光による汚染物質の堆積速度および堆積量は長波長のレーザ光の場合に比べて大きいため、本発明を適用することは効果的である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２１】
本発明の第１の実施の形態によるキャン型封止レーザモジュールの製造方法について説明する。そのレーザモジュールの概略構成図を図１に示す。プラズマ照射装置の概略断面図を図２に示す。
【００２２】
図１に示すように、ステム１上に、サブマウント５に半導体レーザ素子６が接着されたヒートシンク４と、半導体レーザ素子６からワイヤ９によって接続された電極端子８と、ワイヤ１２によって電極端子１１に接続されたモニタ用フォトダイオード１０とが固設されており、これらが、無反射コーティングが施されたガラス窓３を備えた容器２によって、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気でリングウェルド封止されてなるものである。なお、容器２の内容積は、６７．５ｍｍ^３である。
【００２３】
なお、図１は、容器内の部品構成を解りやすくするため、円筒形の容器２の手前半分については記載していない。
【００２４】
本実施の形態によるレーザモジュールは、半導体レーザ素子６の前方出射光であるレーザ光７が無反射コーティングされた窓ガラス３から出射するものであり、半導体レーザ素子６の後方出射光がモニタフォトダイオード１０によって発光量が感知されて、レーザ光７の出力が一定となるように電流が自動的に制御されるものである。
【００２５】
次に、本実施の形態によるレーザモジュールの製造方法について説明する。
【００２６】
ステム１上に、サブマウント５に半導体レーザ素子６が接着されたヒートシンク４、およびフォトダイオード１０を固設し、半導体レーザ素子６から電極端子８へワイヤ９により接続し、さらにフォトダイオード１０から電極端子１１へワイヤ１２により接続する。
【００２７】
次に、ステム１上に各部品が設置されたものをプラズマ照射する。図２に示すように、真空槽６０内の固定台６５に、前記各部品が固設されたステム１をセットし、排気６３を行う。大気から初期の真空度が１×１０^−２Ｔｏｒｒ以下になるまで排気後、マイクロ波６２、および１×１０^−２ ^〜１×１０^−１Ｔｏｒｒの、アルゴンガス６１を導入して１０〜１０００Ｗ程度の電力を印加してプラズマ６４を発生させ、約６０分以下の時間でプラズマ照射を行う。
【００２８】
導入するガスとしては、通常アルゴンだけでも十分炭化水素および有機ケイ素化合物等からなる汚染物質を除去することができるが、窒素、酸素、水素、フロン等のガスを適宜アルゴンガスに混合させて用いることが、汚染物質を良好に分解除去する上で、より望ましい。例えば、炭化水素を積極的に除去したい場合は、酸素とアルゴンとの混合ガスが好ましく、有機ケイ素化合物を積極的に除去したい場合は、アルゴンとＣＦ_４等のフロンとの混合ガスが好ましい。なお、混合ガスの各ガスの混合比は、レーザモジュールの構成および照射条件等を考慮して適宜調整することが望ましい。
【００２９】
その後、プラズマ照射装置から各部品が設置されたステム１を取り出し、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気中で、無反射コーティングが施された窓ガラスを備えた容器２により、リングウェルド封止する。
【００３０】
プラズマ照射においては、照射時間が長過ぎる、あるいは投入電力が大きすぎると、プラズマによる損傷が大きい場合がある。このような場合、光学的部品等が物理的あるいは化学的にエッチングされ、光路上の光学部品の表面荒れが生じ、光学的ロスが発生する。これらのオーバーエッチングの抑制は、部品表面に物理吸着するアルゴン等のエッチングガスの残さを、ある一定量以下になるように、照射時間あるいは投入電力を調整することにより可能である。
【００３１】
次に、本発明のレーザモジュールと従来例のレーザモジュールについて、経時信頼性の評価を行った。図３に従来例のレーザモジュールの経時での駆動電流の変化を示し、図４に本発明のレーザモジュールの経時での駆動電流の変化を示す。なお、グラフの縦軸は駆動電流を初期駆動電流で規格化した値である。
【００３２】
本発明のレーザモジュールには、上記第１の実施の形態によるレーザモジュールであって、半導体レーザ素子６の発振波長を４０５ｎｍとしたものを用いた。従来例のレーザモジュールの構成は上記実施例と同様であり、プラズマ照射を行わないものである。従来例および本発明のレーザモジュール内の封止雰囲気は、共にドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）である。駆動条件は、環境温度２５℃で、光出力を３０ｍＷとなるように駆動電流を調整して評価を行った。
【００３３】
従来例のレーザモジュールでは、図３に示すように、経時で駆動電流の変化が見られるが、本発明のレーザモジュールでは、図４に示すように、駆動電流の増加は見られず経時で安定している。このことから、プラズマ照射により、炭化水素およびケイ素化合物等の汚染物質が良好に除去されていることが確認できる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施の形態によるレーザモジュールについて説明する。そのレーザモジュールの概略側面図および平面図を図５に示す。
【００３５】
本実施の形態によるレーザモジュールは、図５（ａ）に示すように、容器４０の底面にベース板４２が固定されており、このベース板４２上に、７個のＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７が接着されたヒートブロック２０と、該ヒートブロック２０に取付けられたコリメータレンズホルダ４４に保持されたコリメータレンズ３１〜３７と、集光レンズホルダ４５に保持された集光レンズ４３と、ファイバーホルダ４６に保持されたマルチモード光ファイバ３０とが固設されている。容器４０の壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７に駆動電流を供給する配線４７が容器外に引き出されている。なお容器４０の内容積は、約８１６０ｍｍ^３である。
【００３６】
また、図５（ｂ）に示すように、コリメータレンズ３１〜３７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ３１〜３７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７の発光点の配列方向と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００３７】
なお、図５においては、図の複雑化を避けるために。複数のＧａＮ系半導体レーザ素子のうち、半導体レーザ素子ＬＤ２１およびＬＤ２７にのみ符号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ３１および３７にのみ符号を付している。
【００３８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々のレーザビームＢ２１〜Ｂ２７を発するレーザが用いられている。これらの半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７は活性層と平行な方向に発光点が一列に並ぶように配設されている。
【００３９】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ２１〜Ｂ２７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ３１〜３７に対して広がり角が大きい方向が長さ方向と一致し、広がり角が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ３１〜３７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ２１〜Ｂ２７の各々は、焦点距離ｆ_１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００４０】
集光レンズ４３は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で長く切り取って、コリメータレンズ３１〜３７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ４３は、焦点距離ｆ_２＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ４３も、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００４１】
マルチモード光ファイバ３０は、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバのいずれでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のグレーテッドインデックス型光ファイバを用いることができる。この光ファイバは、コア中心部がグレーテッドインデックスで外周部がステップインデックスであり、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上である。
【００４２】
本実施の形態によるレーザモジュールは、合波レーザ光源を構成するＧａＮ半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２４、Ｂ２５、Ｂ２６およびＢ２７の各々は、対応するコリメータレンズ３１〜３７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ２１〜Ｂ２７は、集光レンズによって集光され、マルチモード光ファイバ３０の入射端面に収束する。
【００４３】
本実施の形態では、コリメータレンズ３１〜３７および集光レンズによって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０に入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームに合波されてマルチモード光ファイバから出射する。
【００４４】
上記レーザモジューでは、レーザビームＢ２１〜Ｂ２７のマルチモード光ファイバへの結合効率が、０．９となる。従ってＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７の各出力が１００ｍＷの場合には、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザビームを得ることができる。
【００４５】
次に、本実施の形態によるレーザモジュールの製造方法について説明する。
【００４６】
図５に示すように、容器４０の底面にベース板４２を固定し、このベース板４２上に、７個のＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７が接着されたヒートブロック２０と、該ヒートブロック２０に取付けられたコリメータレンズホルダ４４に保持されたコリメータレンズ３１〜３７と、集光レンズホルダ４５に保持された集光レンズ４３と、ファイバーホルダ４６に保持されたマルチモード光ファイバ３０とを固設する。次に、第１の実施の形態と同様に、図２に示すプラズマ照射装置において、真空槽６０内の固定台６５に、前記各部品が固設された容器４０をセットし、排気６３を行う。大気から初期の真空度が１×１０^−２Ｔｏｒｒ以下になるまで排気後、マイクロ波６２、および１×１０^−２ ^〜１×１０^−１Ｔｏｒｒの、アルゴンガス６１を導入して１０〜１０００Ｗ程度の電力を印加してプラズマ６４を発生させ、約６０分以下の時間でプラズマ照射を行う。
【００４７】
また、図５に示すレーザモジュールにおいて、接着剤からのアウトガス成分（有機ガス等）を除去するため、特願２００２−１０１７１４号に記載の脱気処理を９０℃で１９２時間行った後、本発明によるプラズマ処理を行った場合も、上記同様に、高い経時信頼性を得ることができた。
【００４８】
上記第１および第２のレーザモジュールの製造方法において、半導体レーザ素子およびその他の部品を設置した後に、プラズマ照射を行っているが、設置する前の部品の状態で、これらを固定台に設置しプラズマ照射を行ってもよい。また、部品の状態でプラズマ照射を行い、さらに容器に設置した後もプラズマ照射を行ってもよい。
【００４９】
なお、本発明のレーザモジュールの製造方法において、プラズマ照射後に、プラズマ雰囲気に含まれるアルゴン、酸素あるいはフロン系ガスが容器内に残さとなり存在し得るが、これらいずれも汚染の原因とはなり得ず、レーザ特性を劣化させるものではない。
【００５０】
本発明により、半導体レーザ素子が封止されている容器内に存在する炭化水素系化合物およびケイ素化合物等の汚染物質を良好に除去することができるので、信頼性の高いレーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールを示す概略構成図
【図２】プラズマ照射装置を示す概略断面図
【図３】従来例によるレーザモジュールにおける駆動電流の経時変化を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールにおける、駆動電流の経時変化を示すグラフ
【図５】本発明の第２の実施の形態によるレーザモジュールを示す概略構成図
【符号の説明】
１　　ステム
２　　容器
３　　窓ガラス
４　　ヒートシンク
５　　サブマウント
６　　半導体レーザ素子
７　　レーザ光
８，１１　　電極端子
９，１２　　ワイヤ
１０　　モニタフォトダイオード

Claims

容器内に半導体レーザ素子を設置して気密封止するレーザモジュールの製造方法であって、
前記容器を気密封止する前に、少なくとも前記容器および半導体レーザ素子にプラズマを照射することを特徴とするレーザモジュールの製造方法。
容器内に、半導体レーザ素子と、光ファイバと、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を該光ファイバに入力するための光学部材とを設置して気密封止するレーザモジュールの製造方法であって、
前記容器を気密封止する前に、少なくとも前記容器、半導体レーザ素子、光ファイバおよび光学部材にプラズマを照射することを特徴とするレーザモジュールの製造方法。
前記容器内に封入するガスが、不活性ガス、窒素および酸素の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザモジュールの製造方法。
前記半導体レーザ素子の発振波長が４５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載のレーザモジュールの製造方法。