JP3918638B2

JP3918638B2 - 半導体レーザ素子、光学素子及び光導波路の製造方法

Info

Publication number: JP3918638B2
Application number: JP2002161169A
Authority: JP
Inventors: 整梅本; 克敏甲本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2022-06-03
Also published as: JP2004004396A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及び光学素子、特にシリコーンオイル中にレーザ光を照射することにより、その光路上に透光性材料を成長させてなる光導波路を備えた半導体レーザ素子及び光学素子と光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信網の発達により光導波路が種々の用途に幅広く使用されている。従来、光導波路としては基板上にＳｉＯ_２などの光導波路用材料が所定の形状に形成されることにより構成されたものが一般的に使用されている。
また、最近では、光硬化樹脂混合液中に光ファイバにより光を照射して自己形成導波路を形成する方法が考えられ検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板上に形成された光導波路は、例えば、発光素子であるレーザ素子及び代表的な光伝送路である光ファイバ等とは別に作製して、作製後にレーザ素子や光ファイバ等と組み合わされることになるので、工程数が増えるという問題点があった。
さらに、光硬化樹脂混合液中に光ファイバにより光を照射する方法により形成された導波路は青色及びそれより短い波長の光に対しては透明でなく、その用途が比較的長波長の光に限られるという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、従来の光硬化樹脂を用いて構成された導波路より短い波長の光に対して透明な（導波可能な）導波路用材料を提供し、それを応用した光導波路を備えた半導体レーザ素子及び光学素子と光導波路の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、出射端面に光導波路を備えた半導体レーザ素子であって、上記半導体レーザ素子は、青色領域から紫外域にある発振波長を有し、上記光導波路は、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイル中で上記半導体レーザ素子をレーザ発振させることにより上記出射端面上に成長されてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る光学素子は、半導体レーザ素子とその半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を伝送する光伝送路とを備えた光学素子であって、
上記半導体レーザ素子は、青色領域から紫外域にある発振波長を有し、
上記半導体レーザ素子の出射部と上記光伝送路の間が光導波路によって接続され、その光導波路は、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイル中で、上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路の入射面に向けて導波させることにより形成されたことを特徴とする。
上記光伝送路は光ファイバであってもよい。
【００１３】
本発明に係る光導波路の製造方法は、基板上に、発振波長が青色領域から紫外域にある半導体レーザ素子と光伝送路とを、上記半導体レーザ素子の出射面と光伝送路の入射面とが対向するように配置する第１工程と、
上記半導体レーザ素子と光伝送路の間に、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイルを充填する第２工程と、
上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路に向けて連続して照射する第３工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る光導波路の製造方法では、上記第３工程において、上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路に向けて照射するとともに、上記光伝送路から上記半導体レーザ素子に向けて光を照射するようにすることもできる。
このように、半導体レーザ素子側と上記光伝送路側からの双方から導波路を形成するようにすると、光が屈折率の高い方に集まる性質があるから、両側から屈折率の高い光導波路を成長させることにより多少光軸がずれていてもお互いが引き付け合う効果が期待できる。
また、半導体レーザ素子側と上記光伝送路側からの双方から導波路を形成するようにすると、時間短縮が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の光導波路及びその製造方法について説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１の光導波路用材料を製造するための装置である。本製造装置は、内部にシリコーンオイルを入れることができ、そのシリコーンオイルの中で半導体レーザ素子を駆動することができるオイル容器２２を用いて容易に構成できる。例えば、そのオイル容器２２の内部にはマウント２１が設けられ、そのマウント２１に半導体レーザ素子１０が取り付けられる。マウント２１には半導体レーザ素子が接続される配線が形成され、その配線の一端は外部に設置された駆動回路に接続される端子２５に接続されている。このように構成されたオイル容器を熱伝導性に優れた放熱板２３上に設置する。
【００１６】
以上のように構成された図１の製造装置において、オイル容器２２内にシリコーンオイルを充填し、外部に設置された駆動回路（図示せず。）により端子２５を介して半導体レーザ素子１０を駆動し、所定の出力パワーで所定の時間連続してレーザ発振させる。半導体レーザ素子１０は、一定の出力パワーで継続して発振させることが好ましく、出力パワーの制御は図１に示すモニター用フォトダイオード２４によってモニターしながら行うことがてきる。
このようにして、例えば、１００時間から２００時間の間、シリコーンオイル２の中で半導体レーザ素子１０を連続して発振させると、図２に示すように、半導体レーザ素子の出射部からレーザ光の出射方向にＳｉ（ケイ素）及びＯ（酸素）を含む光導波路用材料１が針状に成長する。
【００１７】
ここで、図２において、１１〜１５の符号を付して示す部分は、半導体レーザ素子１０の複部分を示すものであって、１１は出射側の端面を示し、１１ａは出射側端面のうちのレーザ光が出射される出射部を示し、１２は半導体レーザ素子において導波路を構成するためのストライプ状のリッジである。また、１３はリッジ１２の上で半導体層とオーミック接触する一方のオーミック電極であり、１４はそのオーミック電極に接続されたパッド電極である。さらに、１５は他方の電極であり、その他方の電極はオーミック電極とその上に形成されたパッド電極からなる。
【００１８】
シリコーンオイルといった場合、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイルなどのストレートシリコーンオイルや変性シリコーンオイルなどの種々の種類のものが存在するが、本発明では、それらのいずれのシリコーンオイルであっても用いることができる。また、変性シリコーンオイルは、反応性シリコーンオイルであっても非反応性シリコーンオイルであっても用いることができる。
しかしながら、本発明に適したシリコーンオイルとしては、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及び、それらのフッ素変性シリコーンオイルが挙げられ、その中でも、ジメチルシリコーンオイルを用いると光導波路材料の成長速度が早いので、比較的短い時間で長い材料を成長させることができ好ましい。
【００１９】
また、本発明において、使用する半導体レーザ素子としては、発振波長が青色領域又はそれより短い波長（ＵＶ）のレーザ素子を用いることが好ましく、これにより良質の光導波路材料を比較的短時間で成長させることができる。
このような発振波長が青色領域又はそれより短い波長（ＵＶ）の半導体レーザ素子は、窒化物半導体を用いたダブルへテロ構造とし、活性層にＩｎを含む窒化物半導体を用いることにより実現できる。
【００２０】
以上のようにして作製された光導波路材料は、光硬化性樹脂を用いて作製した従来の導波路材料に比較して、長波長の光だけではなく青色及びそれ以下の波長の光に対しても透明度が極めて高いので、光導波路材料として優れかつ幅広い波長の光を導波させることができる光導波路を構成できる。
また、上述したように、シリコーンオイル中で半導体レーザ素子を発光させることにより容易に作製できるので、後述の他の実施の形態で説明するように、種々の光学素子に応用できる。
【００２１】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２は、実施の形態１で説明した光導波路用材料を用いた光導波路とその製造方法であり、特に、半導体レーザ素子と光ファイバの接続に関係したものである。
【００２２】
実施の形態２の製造方法では、まず、図３に示すように、基板３０の上に、半導体レーザ素子１０と光ファイバ４０とを、半導体レーザ素子１０の出射面と光ファイバ４０の入射面とが対向するように配置する。
ここで、基板３０、半導体レーザ素子１０及び光ファイバ４０は、例えば、所望の光学装置を構成する部品である。
次に、シリコーンオイル２を少なくとも半導体レーザ素子１０と光ファイバ４０の間に充填されるように塗布する。
そして、レーザ発振を開始すると、図３に示すように、時間の経過とともに光導波路用材料が半導体レーザ素子１０の出射部から光Ｌ１の進行方向に向って成長して、光導波路１０１ａが形成される。
このようにして連続発振を続けると、図４に示すように光導波路１０１ａの先端が光ファイバ４０の入射面に到達し、半導体レーザ素子１０の出射面と光ファイバ４０の入射面とが接続用光導波路１０１によって接続される。
【００２３】
最後に、半導体レーザ素子１０の出射面と光ファイバ４０の入射面とが接続用光導波路１０１によって接続された後、接続用光導波路１０１の光閉じ込め効果を高めるために、余分なシリコーンオイル２を除去する。
尚、本実施の形態２では、シリコーンオイル２を除去した後、接続用光導波路１０１を保護するために、そのまわりに低屈折率媒質を形成するようにしてもよい。
以上のようにして本実施の形態２では極めて簡単に接続用光導波路を形成することができる。
【００２４】
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３は、やはり半導体レーザ素子と光ファイバの接続に関係したものであり、実施の形態２とは異なる形態の光導波路とその製造方法である。
【００２５】
実施の形態３の製造方法では、実施の形態２と同様に、基板３０の上に、半導体レーザ素子１０と光ファイバ４０は出射面と入射面が対向するように配置する。
次に、シリコーンオイル２を少なくとも半導体レーザ素子１０と光ファイバ４０の間に充填されるように塗布した後、光ファイバ４０の他端に接続された光源５０を用いて光を光ファイバの入射面から半導体レーザ素子１０の出射部に向けて連続して照射する。
そうすると、図５に示すように、時間の経過とともに光導波路用材料が光ファイバ４０の入射面から光Ｌ２の進行方向に成長して、光導波路１１１が形成される。
このようにして成長する光導波路が半導体レーザ素子１０の出射部に到達するまで、光の照射を続けて、半導体レーザ素子１０の出射面と光ファイバ４０の入射面との間に接続用光導波路１１１を形成する。
【００２６】
最後に、半導体レーザ素子１０の出射面と光ファイバ４０の入射面とが接続用光導波路１１１によって接続された後、余分なシリコーンオイル２を除去する。
以上の実施の形態３のようにしても、極めて簡単に接続用光導波路を形成することができる。
本実施の形態３の方法によれば、光源５０を必要とするものの、シリコーンオイルの種類に応じて最適な波長の光を選択して用いることができ、半導体レーザ素子１０の波長にかかわらず、良好な光導波路を形成することができる。
【００２７】
以上の実施の形態２及び３の光導波路の製造方法では、シリコーンオイルを用いた例について示したが、本方法はこれに限られるものではなく、光硬化性の樹脂を用いて光の光路に沿って硬化させることにより光導波路を形成するようにしてもよい。
以上のようにして本実施の形態２及び３と同様に極めて簡単に接続用光導波路を形成することができる。
【００２８】
【実施例】
実施の形態１で説明した製造装置を用いて、以下の光導波路用材料を作成した。以下、その内容を実施例として示す。
【００２９】
実施例１．
実施例１では、シリコーンオイルとして、ジメチルシリコーン（粘度：１００ｍｍ２／ｓ）を用い、成長条件は、以下のように設定して光導波路用材料を成長させた。
（１）使用する半導体レーザ素子
発振波長：４１０ｎｍ、
出力パワー：３０ｍＷ、
（２）雰囲気温度
２５℃、
（３）連続発振時間
１００時間
【００３０】
その結果、約１〜２μｍ径の長さ１０〜２０μｍの光導波路材料が成長され、半導体レーザ素子が出射された光がその中を導波していた。
【００３１】
実施例２．
実施例２では、シリコーンオイルとして、ジメチルシリコーン（粘度：５０００ｍｍ２／ｓ）を用い、成長条件は、以下のように設定して光導波路用材料を成長させた。
（１）使用する半導体レーザ素子
発振波長：４１０ｎｍ、
出力パワー：３０ｍＷ、
（２）雰囲気温度
２５℃、
（３）連続発振時間
１００時間
【００３２】
その結果、約１〜２μｍ径の長さ６０μｍの光導波路材料が成長され、半導体レーザ素子が出射された光がその中を導波していた。
【００３３】
実施例３．
実施例３では、シリコーンオイルとしてジメチルシリコーン（粘度：５００００ｍｍ２／ｓ）を用い、成長条件は、以下のように設定して光導波路用材料を成長させた。
（１）使用する半導体レーザ素子
発振波長：４１０ｎｍ、
出力パワー：３０ｍＷ、
（２）雰囲気温度
２５℃、
（３）連続発振時間
１００時間
【００３４】
その結果、約１〜２μｍ径の長さ７０μｍの光導波路材料が成長され、半導体レーザ素子が出射された光がその中を導波していた。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る光導波路用材料は、シリコーンオイル中で光の光路に沿って成長されたものであり、従来の光硬化樹脂を用いた材料に比較して、短い波長域の光に対しても極めて高い透明度を有しており、損失の少ない優れた導波路を構成できる。
また、本発明に係る導波路用材料の製造方法は、レーザ素子と光伝送路の間を接続する光導波路を製造する際にも適用できるので、高い結合効率を有し構造が簡単な接続用の光導波路を安価に形成でき、種々の光学装置に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１の光導波路用材料の製造に用いる装置の断面図である。
【図２】図１の装置を用いて、半導体レーザ素子の出射面上に成長された光導波路用材料を示す上面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態２の光導波路の製造方法を示す平面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態２の方法により製造された光導波路の平面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態３の光導波路の製造方法を示す平面図である。
【符号の説明】
１…光導波路用材料、
２…シリコーンオイル、
１０…半導体レーザ素子、
１１…出射側の端面、
１１ａ…出射部、
１２…リッジ、
１３…一方のオーミック電極、
１４…パッド電極、
１５…他方の電極、
２１…マウント、
２２…オイル容器、
２３…放熱板、
２５…端子、
３０…基板、
４０…光ファイバ、
５０…光源、
１０１，１０１ａ，１１１…光導波路。

Claims

出射端面に光導波路を備えた半導体レーザ素子であって、
上記半導体レーザ素子は、青色領域から紫外域にある発振波長を有し、
上記光導波路は、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイル中で上記半導体レーザ素子をレーザ発振させることにより上記出射端面上に成長されてなる半導体レーザ素子。
半導体レーザ素子とその半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を伝送する光伝送路とを備えた光学素子であって、
上記半導体レーザ素子は、青色領域から紫外域にある発振波長を有し、
上記半導体レーザ素子の出射部と上記光伝送路の間が光導波路によって接続され、その光導波路は、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイル中で、上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路の入射面に向けて導波させることにより形成されたことを特徴とする光学素子。
上記光伝送路は光ファイバである請求項２記載の光学素子。
基板上に、発振波長が青色領域から紫外域にある半導体レーザ素子と光伝送路とを、上記半導体レーザ素子の出射面と光伝送路の入射面とが対向するように配置する第１工程と、
上記半導体レーザ素子と光伝送路の間に、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル及びそれらのフッ素変成シリコーンオイルからなる群から選択されたシリコーンオイルを充填する第２工程と、
上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路に向けて連続して照射する第３工程とを含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
上記第３工程において、上記半導体レーザ素子のレーザ光を上記光伝送路に向けて照射するとともに、上記光伝送路から上記半導体レーザ素子に向けて光を照射する請求項４記載の光導波路の製造方法。