JP2010114410A - 小型高出力レーザダイオード装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型高出力レーザダイオード装置を提供する。
【解決手段】ベース２１と、レーザチップ２２と、光ファイバガイド２３と、光ファイバ２５とを備え、ベースは溝２１１および配置領域２１２を有し、溝は配置領域に接続する。レーザチップは配置領域に配置され、光ファイバガイドは溝に配置される。光ファイバは、光ファイバガイド内を貫通して配置される。光ファイバは、レーザチップに接続される第１の端部２５１を有する。光ファイバガイドと溝の協働により、光ファイバの配向は、簡易かつ正確である。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザダイオード装置に関し、特に、小型高出力レーザダイオード装置に関する。

従来技術において、高出力レーザダイオードは、バタフライパッケージを形成するようにパッケージ筐体にパッケージ化され、光ファイバはサドル機構により固定され、光ファイバおよびチップは、レーザ溶接機（レーザ打撃（hammering）プロセス）を使用して光学的に結合および配向される。

従来のレーザ溶接機は、主に、電源、締付／配向装置、およびコントローラを含む。図１は、光ファイバを締付けて配向させるための従来のサドル機構の概略図である。図１に示すように、従来技術において、光ファイバ１１は、光ファイバガイド１２内を貫通して配置され、光ファイバガイド１２は、サドル機構１３内に配置されて、これによって、レーザスポット溶接、光結合、および位置合わせを容易にする。この場合は、以下の３つの工程を行う必要がある。光ファイバガイド１２をサドル機構１３内に配置する工程、レーザスポット溶接により（溶接スポットＰ１およびＰ２において）光ファイバガイド１２をサドル機構１３に固定する工程、および３次元（ＸＹＺ）方向において光ファイバ１１を移動、位置決め、および調整する工程である。

しかし、従来技術は、以下のような不利な面がある。バタフライ型高出力レーザダイオード装置は、レーザチップの安定性を確保するために熱電冷却機（ＴＥ冷却機）を必要とし、従って、このレーザダイオード装置のパッケージ筐体の容積が大きくなり、システムの小型化を妨げてしまう。高結合効率を実現するために、光ファイバガイド１２は、サドル機構１３内に配置される際に、レーザスポット溶接と同様に、精密位置決め要件を満たす必要がある。結果として、高出力レーザダイオードを大量生産することはできず、従って、パッケージ化コストが増加することになる。

従って、上記問題を解決する小型高出力レーザダイオード装置を提供することが必要である。

本発明は、ベース、レーザチップ、光ファイバガイド、および光ファイバを含む小型高出力レーザダイオード装置を提供する。ベースは溝および配置領域を有し、溝は配置領域に接続する。レーザチップは配置領域に配置され、光ファイバガイドは溝に配置される。光ファイバは、光ファイバガイド内を貫通して配置される。光ファイバは、レーザチップに接続される第１の端部を有する。

光ファイバガイドと溝の協働により、光ファイバの配向は、簡易かつ正確である。従来の熱変形および残留溶接応力を減少させることができ、光ファイバをはんだ付けし、かつ、包装する従来のプロセスにおいて塗布されるはんだ付用フラックスを省略することが可能となり、従って、本発明のレーザダイオード装置の結合効率、歩留まり、高レーザ出力の安定性、および寿命を改善させることができる。

図１は、光ファイバを挟持しかつ配向させるための従来のサドル機構の概略図である。 図２は、本発明に係る小型高出力レーザダイオード装置の概略図である。 図３は、本発明に係るＶ形溝に配置された光ファイバガイドの概略図である。 図４は、本発明に係るＵ形溝に配置された光ファイバガイドの概略図である。 図５は、本発明に係る平板形サイドフィンを有する光ファイバガイドの概略図である。 図６は、本発明に係る研削角度を有する光ファイバの概略図である。 図７は、本発明に係るミニバタフライ型高出力レーザダイオード装置の概略図である。 図８は、本発明に係る光ファイバの研削角度と結合効率の関係を示す概略図である。 図９は、本発明に係る小型高出力レーザダイオードモジュールの概略図である。

図２は、本発明に係る小型高出力レーザダイオード装置の概略図である。図２を参照すると、小型高出力レーザダイオード装置２は、ベース２１、レーザチップ２２、光ファイバガイド２３、複数の導線２４、および光ファイバ２５を含む。ベース２１は、溝２１１、配置領域、２１２、カソード電極２１３、およびアノード電極２１４を有する。溝２１１は、配置領域２１２に接続する。レーザチップ２２は、配置領域２１２に配置される。光ファイバガイド２３は、溝２１１に配置される。

溝２１１は、溝２１１の切り込み（rabbet）の２つの側面に支持部２１５を有する。カソード電極２１３およびアノード電極２１４は、配置領域２１２に配置される。カソード電極２１３およびアノード電極２１４は、それぞれ、レーザチップ２２のカソードおよびアノードに電気的に接続される。この実施形態において、レーザチップ２２は、アノード電極２１４に接着され、かつ、電気的に接続される。導線２１４は、レーザチップ２２のカソードおよびカソード電極２１３に電気的に接続される。導線２４は、好ましくは金線である。

ベース２１および光ファイバガイド２３は、必要に応じて、コバール（ＫＯＶＡＲ）合金、インバー（ＩＮＶＡＲ）合金、または炭化タングステン（ＷＣ）合金から形成されてよい。この実施形態において、ベース２１は、電気絶縁材料（例えば、ＷＣ合金）から形成される。なお、ベース２１が導電材料（例えば、コバール（ＫＯＶＡＲ）またはインバー（ＩＮＶＡＲ）合金）から形成される場合、ベース２１がアノード電極２１４と電気的に接続されないように、絶縁材料が、ベース２１とアノード電極２１４との間に配置される必要がある。

図３および図４を参照すると、溝２１１はＶ形溝（図３に示す）またはＵ形溝（図４に示す）であってよい。光ファイバガイド２３は、２つのサイドフィン２３１を含む。好ましくは、サイドフィン２３１の形状は、支持部２１５の形状に一致する。ベース２１の溝２１１は極めて小さく、支持部２１５の各々は、顕微鏡で観察すると弧状構造を有し、従って、サイドフィン２３１は、好ましくは弧状に形成される。他の適用例においては、サイドフィン２３１は、平板状に形成されてもよい（図５に示す）。好ましくは、接合材料２６は、支持部２１５とサイドフィン２３１との間の接合を強化するために、支持部２１５とサイドフィン２３１との間に配置される。接合材料２６は、金錫シート（gold-tin sheet）（はんだ付）、ＢＡｇ−８銀銅シート（ろう付（brazing））、銀ペースト、または銅／銀粒子を含むポリマー材料である。

光ファイバ２５は、光ファイバガイド２３内に貫通して配置される。光ファイバ２５は、単一モード光ファイバまたは多重モード光ファイバであってよい。光ファイバ２５は、レーザチップ２２に接続される第１の端部２５１を有する。光ファイバ２５の第１の端部２５１は、その周縁に研削角度θを有して形成される（図６に示す）。好ましくは、研削角度は２０°〜３０°である。

図７は、本発明に係るミニバタフライ型高出力レーザダイオード装置の概略図である。図２および図7に示すように、他の適用例において、ミニバタフライ型高出力レーザダイオード装置を形成するために、パッケージ筐体２７（例えば、ミニバタフライパッケージ筐体）を使用してベース２１、レーザチップ２２、光ファイバガイド２３、および光ファイバ２５をパッケージ化してもよい。

本発明の小型高出力レーザダイオード装置を製造するプロセスを、ミニバタフライ型高出力レーザダイオード装置を例として以下に説明する。初めに、ベース２１は、パッケージ筐体２７内に配置され、はんだ付プロセスによりパッケージ筐体２７に接続される。次に、レーザチップ２２は、アノード電極２１４に接着され、かつ、電気的に接続される。その後、導線２４は、ワイヤボンディングにより、レーザチップ２２のカソードおよびカソード電極２１３に接続され、カソード電極２１３およびアノード電極２１４は、それぞれ、（パッケージ筐体２７の外部のピン２７１に導通する）パッケージ筐体２７の対応する電極に接続される。そして、光ファイバ２５は、光ファイバガイド２３内に配置され、光ファイバガイド２３は、溝２１１内に配置される。そして、光ファイバガイド２３に対してレーザスポット溶接を行って（レーザハンマリングプロセス）、レーザチップ２２に対する光ファイバ２５の結合効率を調整する。最後に、並列抵抗ロール溶接プロセスまたはレーザ溶接プロセスを行って、シーム溶接でパッケージ筐体２７を密封することにより、ミニバタフライ型高出力レーザダイオード装置を完成させる。

図３および図４に示すように、光ファイバガイド２３に対してレーザスポット溶接を行う工程において、初めに、レーザエネルギをサイドフィン２３１に印加してサイドフィン２３１の軽微な変形を生じさせ、従って、サイドフィン２３１の角度および位置は、サイドフィン２３１が、溝２１１の切り込みの２つの側面上の支持部２１５と、より強固に協働するように調整される。その後、接合材料２６を加熱し溶融するために、レーザエネルギを、サイドフィン２３１と支持部２１５との間、もしくは、サイドフィン２３１に直接印加し、それによって、支持部２１５とサイドフィン２３１とを接合する。従って、本発明により、従来のサドル機構および光ファイバガイドの熱変形および残留溶接応力を減少させることができ、光ファイバをはんだ付けし、かつ、包装する従来のプロセスにおいて塗布されるはんだ付剤を省略することが可能となる。それにより、光ファイバの結合効率およびレーザダイオード装置の寿命を向上させることができる。

図８は、本発明に係る光ファイバの研削角度と結合効率の関係を示す概略図である。図３、図６、および図８に示すように、レーザスポット溶接工程においてサイドフィン２３１の角度および位置を調節し、かつ、接合材料２６を過熱および溶融して支持部２１５とサイドフィン２３１とを接合させると、それに伴って、最高結合効率を達成するように光ファイバ２５の研削角度が変化する。図８のデータポイントの分布は、研削角度が２０°〜３０°の範囲にあるとき、本発明の小型高出力レーザダイオード装置が最高結合効率（約８５％まで）を有することを明らかに示し、これは、本発明の小型高出力レーザダイオード装置が優れた結合効率を有することを証明している。

図９は、本発明に係る小型高出力レーザダイオードモジュールの概略図である。図２および図９に示すように、この実施形態において、複数の小型高出力レーザダイオード装置２は、支持基板３（例えば、放熱基板または放熱配線板）上に配置される。結合器（combiner）４が、小型高出力レーザダイオード装置２が発生するレーザを収束し出力するように、小型高出力レーザダイオード装置２の光ファイバ２５は、結合器４に接続され、それによって、レーザパワーを設定する条件を満たす。

要約すると、光ファイバガイド２３と溝２１１の協働により、光ファイバ２５の配向は、簡易かつ正確である。従来の熱変形および残留溶接応力を減少させることができ、光ファイバをはんだ付けし、かつ、包装する従来のプロセスにおいて塗布されるはんだ用フラックスを省略することが可能となる。従って、本発明のレーザダイオード装置の結合効率、歩留まり、高レーザ出力の安定性、および寿命が向上する。

本発明の実施形態を詳細に説明してきたが、当業者であれば、種々の変更および修正を行うことが可能である。従って、本発明の実施形態は、例示的に説明されるものであって、限定的に説明されるものではない。本発明は、説明した特定の形態に限定されず、かつ、本発明の趣旨および範囲を維持する全ての変更は、以下の請求項に定義される範囲内である、ということを意図している。

Claims (20)

1. 溝および配置領域を有するベースであって、前記溝が前記配置領域に接続するベースと、
   前記配置領域に配置されるレーザチップと、
   前記溝に配置される光ファイバガイドと、
   前記光ファイバガイド内を貫通して配置され、かつ、前記レーザチップに接続される第１の端部を有する、光ファイバと、
   を備える小型高出力レーザダイオード装置。
2. 前記ベースは、ともに前記配置領域に配置されるカソード電極およびアノード電極をさらに有し、前記カソード電極および前記アノード電極は、前記レーザチップのカソードおよびアノードに、それぞれ電気的に接続される、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
3. 前記レーザチップの前記カソードおよび前記カソード電極に電気的に接続される複数の導線をさらに備える、請求項２に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
4. 前記導線は金線またはリボンである、請求項３に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
5. 前記ベースと前記アノード電極との間に配置される絶縁材料をさらに備え、前記ベースは、導電材料から形成される、請求項２に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
6. 前記ベースは、コバール（ＫＯＶＡＲ）またはインバー（ＩＮＶＡＲ）合金から形成される、請求項５に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
7. 前記ベースは、導電材料から形成される、請求項２に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
8. 前記ベースは、炭化タングステン（ＷＣ）合金から形成される、請求項７に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
9. 前記溝は、Ｕ形溝またはＶ形溝である、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
10. 前記溝は、当該溝の切り込みの２つの側面に支持部を有し、前記光ファイバガイドは、２つのサイドフィンを有し、前記サイドフィンの形状は、前記支持部の形状と一致する、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
11. 前記サイドフィンは、平板状に形成される、請求項１０に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
12. 前記サイドフィンは、弧状に形成される、請求項１０に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
13. 前記支持部と前記サイドフィンとの間に配置される接合材料をさらに備える、請求項１０に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
14. 前記接合材料は、金錫シート、ＢＡｇ−８銀銅シート、または銀ペーストである、請求項１３に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
15. 前記接合材料は、銅／銀粒子を含有するポリマー材料である、請求項１３に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
16. 前記光ファイバは、単一モード光ファイバまたは多重モード光ファイバである、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
17. 前記光ファイバの前記第１の端部は、その周縁に研削角度を有する、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
18. 前記研削角度は、２０°〜３０°である、請求項１７に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
19. 前記ベース、前記レーザチップ、前記光ファイバガイド、および前記光ファイバを包装するためのパッケージハウジングをさらに備える、請求項１に記載の小型高出力レーザダイオード装置。
20. 前記パッケージハウジングは、ミニバタフライパッケージハウジングである、請求項１９に記載の小型高出力レーザダイオード装置。

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