JP7096476B2

JP7096476B2 - 半導体レーザ装置の製造方法

Info

Publication number: JP7096476B2
Application number: JP2017196035A
Authority: JP
Inventors: 勇人大木; 孝寛大湯
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2037-10-06
Also published as: JP2019071331A

Description

本発明は、半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開昭５５－３８０６４号公報（特許文献１）がある。この公報には、「絶縁基板上のヒートシンクに半導体レーザを固着し、該半導体レーザの端面からの距離を一定にすると共に、該端面と平行になるように、前記ヒートシンクに対してスペーサを介して透明窓を配置し、該透明窓とキャップとにより前記半導体レーザを封止し、前記透明窓に透明接着剤によりレンズを固着したことを特徴とする半導体発光装置」が記載されている。

特開昭５５－３８０６４号公報

前記特許文献１が開示した半導体発光装置においては、レンズが透明接着剤によって透明窓に固着される。そのような半導体発光装置では、接着剤の厚さのばらつきにより、固着されたレンズの光軸が傾いてしまうことがある。なお、一旦固着されたレンズが取り外せないので、レンズ交換ができない。

本発明は、レンズの接合状況が接着剤の影響を受けず、且つ必要なときにレンズを取り外して交換できる半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップ、及び前記開口部に設けられ前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる透明板、を用いて、前記半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、前記透明板にレンズを接合する接合ステップと、を含む。前記接合ステップは、前記封止ステップの後であり、前記接合ステップにおける接合は、前記透明板と前記レンズの直接接合である。

本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置は、基板に固定された半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の前方に開口部を有するキャップと、前記開口部に設けられ、前記キャップと共に前記半導体レーザ素子を気密封止し、前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる透明板と、前記透明板に接合されて前記半導体レーザ素子のレーザビームを略平行ビームとするレンズと、を含む。前記透明板と前記レンズとの接合は、直接接合である。

本発明によれば、レンズの接合状況が接着剤の影響を受けず、且つ必要なときにレンズを取り外して交換できる半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することができる。

また、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。本発明において用いる半導体レーザ素子の一例を示す模式図である。本発明において用いる半導体レーザ素子の他の例を示す模式図である。変形したレーザダイオードバーを光軸方向から見た場合の模式図である。

以下、図面に基づき発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。矢印で示したように製造プロセスが上の図面から下の図面へ進むものとする。本実施形態の製造方法は、半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、透明板にレンズを接合する接合ステップと、を含む。

封止ステップにおいて、キャップ１１０及び透明板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。気密封止の一例を具体的に説明すると、図１の上方の図面に示したように、封止ステップの前に、基板１０２上に配置されたサブマウント１０４に半導体レーザ素子１０６を接合する。半導体レーザ素子１０６としては、レーザ光を発振することができるものであれば、特に制限なく使用することができる。例えば、３００ｎｍ～５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ～４７０ｎｍ、より好ましくは４２０ｎｍ～４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものを用いることができる。典型的には、端面発光型の半導体レーザ素子を使用することができる。サブマウント１０４は、半導体レーザ素子１０６の放熱のために熱伝導性の高い材料によって形成されていることが好ましい。具体的には、ＡｌＮ、ＣｕＷ、ダイヤモンド、ＳｉＣ、セラミックス等が挙げられる。なかでも、サブマウント１０４は、単結晶のＡｌＮ又はＳｉＣからなるものが好ましい。一方、半導体レーザ素子１０６の前方に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を用意して、嵌め込み又は接合などの方法によって開口部１１０ａに透明板１１２を固着させる。その後、図１の中央の図面に示したように、一体となったキャップ１１０及び透明板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。

ここで、「半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有する」とは、気密封止した後、キャップ１１０の開口部１１０ａがちょうど半導体レーザ素子１０６の前方に位置するように、キャップ１１０に開口部１１０ａが設けられることをいう。透明板１１２は半導体レーザ素子１０６のレーザビームを透過させることができる。

接合ステップにおいて、図１の下方の図面に示したように、直接接合によって透明板１１２にレンズ１１４を接合する。この接合ステップは封止ステップの後に行う。接合ステップにおいて、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて透明板１１２にレンズ１１４を接合する。光軸合わせの方法としては、例えば、レーザプロファイラを用いて、半導体レーザ素子１０６が出射するレーザビームの強度プロファイルをとり、その強度プロファイルの中心位置から半導体レーザ素子１０６の光出射部の位置を特定して光軸を合わせることができる。

直接接合の手法は、オプティカルコンタクトであってよい。例えば、ガラス、石英、サファイア、フッ化カルシウム等から構成する透明板１１２及びレンズ１１４を用いて、互いに接合する透明板１１２の表面とレンズ１１４の接合面を精密研磨によって平滑な平面に加工して、２００℃以下の温度及び常圧において両者を密着させて接合する。この直接接合によって、図１の下方の図面に示したような半導体レーザ装置１００が得られる。透明板１１２とレンズ１１４の材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。

半導体レーザ素子１０６をサブマウント１０４に接合するために使用する接合材、及び気密封止に使用する接合材などの溶融温度が通常２００℃より高いので、レンズの接合ステップは２００℃以下の温度で行えば、他の接合を破壊することはない。なお、常圧でレンズ接合を行えば、半導体レーザ素子１０６の気密封止状態に悪影響を及ぼすことはない。

本発明の製造方法は、接着剤を使用しない直接接合によってレンズ１１４を透明板１１２に接合するので、接着剤の厚さのばらつきによるレンズ光軸の傾きが発生しない。また、本発明の製造方法で製造された半導体レーザ装置は、レンズ接合に接着剤を使用していないので、レンズに劣化などが発生したとき、そのレンズを取り外して、新しいレンズに交換することが容易に実現できる。レンズを取り外す方法としては、例えば、引っ張りせん断によりレンズを剥離する方法、又は、レンズ内部に超短パルスレーザを照射して内部応力を発生させて、レンズを剥離する方法などがある。

なお、本発明の製造方法で製造された半導体レーザ装置は、レンズ接合に接着剤を使用していないので、接着剤の界面反射による光のロスが発生しない。また、接着剤による屈折がないので、半導体レーザ装置の光学系が設計しやすい。更に、レーザ（特に短波長レーザ）のエネルギーを吸収することによる接着剤の劣化、変形が発生しない。

図２及び図３は、本発明の他の実施形態にかかる半導体レーザ装置の製造方法におけるステップを示す模式図である。図２及び図３に示した実施形態は、図１に示した実施形態に比べて、封止ステップにおける詳細なプロセスが若干異なる。

図２に示した実施形態では、上方の図面に示したように、まず半導体レーザ素子１０６の前方に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を基板１０２に接合する。その後、中央の図面に示したように、透明板１１２をキャップ１１０の開口部１１０ａに接合して、キャップ１１０及び透明板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。更に、下方の図面に示したように、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、直接接合によってレンズ１１４を透明板１１２に接合する。よって、半導体レーザ装置１００が得られる。

図３に示した実施形態では、上方の図面に示したように、まず透明板１１２を半導体レーザ素子１０６の前方に立てて、接着剤などによってそれを基板１０２に接合する。その後、中央の図面に示したように、透明板１１２に対応する位置に開口部１１０ａを有するキャップ１１０を基板１０２及び透明板１１２に接合することによって、キャップ１１０及び透明板１１２を用いて半導体レーザ素子１０６を気密封止する。更に、下方の図面に示したように、半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせて、直接接合によってレンズ１１４を透明板１１２に接合する。よって、半導体レーザ装置１００が得られる。

図４は本発明において用いる半導体レーザ素子の一例を示す模式図である。図４に示したように、半導体レーザ素子１０６は、単一のレーザダイオードであってよい。この場合、半導体レーザ素子１０６の一方の端面に一つの光出射部２０２があり、そこから二点鎖線で示したようにレーザビームを出射することができる。本明細書において、レーザビームを出射する方向を半導体レーザ素子の前方とする。上述した「半導体レーザ素子１０６の光軸に合わせてレンズ１１４を透明板１１２に接合する」とは、レーザダイオードの光出射部２０２から出射するレーザビームの光軸（本明細書において、「レーザダイオードの光軸」又は「光出射部の光軸」ともいう）に合わせて、透明板１１２にレンズ１１４を接合することをいう。半導体レーザ素子１０６はサブマウント１０４上に配置されていることが好ましい。

図５は本発明において用いる半導体レーザ素子の他の例を示す模式図である。図５に示したように、半導体レーザ素子１０６は、複数のレーザダイオードが横一列に配列されたレーザダイオードバーであってもよい。この場合、半導体レーザ素子１０６の一方の端面に、レーザダイオードの数に対応する複数の光出射部２０２があり、それぞれの光出射部２０２から二点鎖線で示したようにレーザビームを出射することができる。半導体レーザ素子１０６がレーザダイオードバーである場合、本発明の半導体レーザ装置の製造方法の接合ステップにおいては、当該レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、それぞれのレーザダイオードに対応するレンズ１１４を透明板１１２に接合する。レーザダイオードバーはサブマウント１０４上に配置されていることが好ましい。なお、半導体レーザ素子１０６がレーザダイオードバーである場合、レンズ１１４としてレンズアレイを使用してもよい。

図６は変形したレーザダイオードバーを光軸方向から見た場合の模式図である。半導体レーザ素子１０６は、通常、サブマウント１０４の上に半田等の接合材４０２を使用して接合される。半導体レーザ素子１０６がレーザダイオードバーであるとき、そのレーザダイオードバーの各光出射部２０２の高さは、一定になるのが理想であるが、実際には接合の均一性、加熱・冷却に伴う熱変形等の影響によって、各光出射部２０２の高さに数ミクロンレベルのばらつきが発生することがある。図６に示したように、レーザダイオードバーの中央部の光出射部２０２の高さが最も高く、両端部の光出射部２０２の高さが最も低い「スマイル」と呼ばれる変形が代表的な例である。

このようなスマイル変形を有するレーザダイオードバーに対して、もしそのレーザダイオードバーの中の一つの光出射部２０２の光軸の高さに合わせて、各レーザダイオードに対応する各レンズ１１４を全て同じ高さで透明板１１２に接合すると、光軸の高さが合うレンズを除き、殆どのレンズが対応する光出射部２０２の光軸からずれてしまう。そのようなレンズを通過したレーザビームは、レンズの光軸からずれて傾斜して伝播することになる。

本発明の製造方法によれば、当該レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、それぞれのレーザダイオードに対応するレンズ１１４を透明板１１２に接合するので、光軸ずれによるレーザビームの傾斜を防ぐことができる。なお、レンズ１１４としてレンズアレイを使用する場合、レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に対応するレンズが合うようにレンズアレイを作製して、透明板１１２に接合してよい。

一方、図１、図２及び図３における下方の図面は、本発明の半導体レーザ装置の実施形態の例にもなる。これらの図面に示したように、半導体レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０６、キャップ１１０、透明板１１２及びレンズ１１４を含む。半導体レーザ素子１０６は、サブマウント１０４を介して基板１０２に固定されている。キャップ１１０は、半導体レーザ素子１０６の前方に開口部１１０ａを有し、その開口部１１０ａに透明板１１２が設けられている。半導体レーザ素子１０６は、キャップ１１０及び透明板１１２によって気密封止されている。レンズ１１４は、直接接合によって透明板１１２に接合されている。透明板１１２は半導体レーザ素子１０６から出射するレーザビームを透過させ、レンズ１１４はそのレーザビームを略平行ビームとすることができる。

レンズ１１４は、直接接合によって透明板１１２に接合されているので、接着剤の厚さのばらつきによるレンズ光軸の傾きが発生しない。なお、レンズ接合に接着剤を使用していないので、レンズに劣化などが発生したとき、そのレンズを取り外して、新しいレンズに交換することが容易に実現できる。また、レンズ１１４と透明板１１２との間に接着剤を使用していないので、接着剤の界面反射による光のロスが発生しない。接着剤による屈折がないので、半導体レーザ装置の光学系が設計しやすい。更に、レーザ（特に短波長レーザ）のエネルギーの吸収による接着剤の劣化、変形が発生しない。レーザダイオードバーに対応して、複数のレンズを接合する場合、接着剤を使用するとき、各レンズに均等に接着剤を塗布することの管理は極めて難しい。本発明は、接着剤を使用しないので、そのような管理が不要であり、且つ均等な接着が実現できる。

図４及び図５に示したように、半導体レーザ素子１０６は、単一のレーザダイオードであってよく、複数のレーザダイオードが横一列に配列されたレーザダイオードバーであってもよい。半導体レーザ素子１０６がレーザダイオードバーである場合、当該レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、それぞれのレーザダイオードに対応するレンズ１１４が透明板１１２に接合されている。よって、光軸ずれによるレーザビームの傾斜を防ぐことができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・置換をすることも可能である。

１００半導体レーザ装置
１０２基板
１０４サブマウント
１０６半導体レーザ素子
１１０キャップ
１１０ａ開口部
１１２透明板
１１４レンズ
２０２光出射部
４０２接合材

Claims

半導体レーザ素子の前方に対応する位置に開口部を有するキャップ、及び前記開口部に設けられ前記半導体レーザ素子のレーザビームを透過させる透明板、を用いて、前記半導体レーザ素子を気密封止する封止ステップと、
前記透明板にレンズを接合する接合ステップと、
を含む半導体レーザ装置の製造方法において、
前記接合ステップは、前記封止ステップの後であり、
前記接合ステップにおける接合は、前記透明板と前記レンズの直接接合である
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
前記直接接合は、オプティカルコンタクトである
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置の製造方法において、
前記半導体レーザ素子は、レーザダイオードバーであり、
前記接合ステップにおいて、前記レーザダイオードバーにおける各レーザダイオードの光軸に合わせて、それぞれの前記レーザダイオードに対応する前記レンズを前記透明板に接合する
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
前記直接接合は、常圧で行われる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
前記透明板および前記レンズの材料は、ガラス、石英、サファイア、フッ化カルシウムからなる群から選択される少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法。