專利名稱：激光元件及其制造方法，以及使用該激光元件的激光模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于將由一塊基板內(nèi)具有多個(gè)發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體形成的激光棒固定在散熱器上，形成激光元件的制造方法和具有該激光元件的激光模塊。
背景技術(shù)：
為了提高激光器的輸出，提出了一種具有多條激光束、光纖、和由使上述多條激光束對(duì)光纖進(jìn)行合波的準(zhǔn)直透鏡和聚光透鏡形成光學(xué)系統(tǒng)的激光模塊(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。作為多個(gè)激光束光源，可以使用將具有一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的二極管設(shè)置在散熱器等中的組件，或者使用在一塊基板上形成半導(dǎo)體層層疊而成的具有多個(gè)發(fā)光點(diǎn)的半導(dǎo)體激光棒。
然而，在同一塊基板上通過(guò)成長(zhǎng)結(jié)晶形成多個(gè)發(fā)光點(diǎn)的半導(dǎo)體激光棒中，存在的問(wèn)題是發(fā)光點(diǎn)以并行方向，產(chǎn)生叫作笑顏的翹曲，一部分激光束從并行的位置向上方或向下方偏移(例如，參照非專利文獻(xiàn)1)。將這樣的半導(dǎo)體激光棒連接在固定面平坦的散熱器上時(shí)，以前，使用圓柱狀筒夾(collet)，一邊通過(guò)將半導(dǎo)體激光棒的發(fā)光點(diǎn)并行方向擠壓靠近中心處，矯正翹曲，一邊連接。
在上述激光模塊的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，放大率，例如，約10倍時(shí)，若半導(dǎo)體激光棒中發(fā)光點(diǎn)的變位量為2μm的活，聚焦點(diǎn)在射入纖維端處，就會(huì)形成2μm×10＝20μm的移動(dòng)。這就意味著聚焦點(diǎn)從50μm纖維(半徑25μm)的中心部位，最大移動(dòng)20μm，導(dǎo)致大幅度降低結(jié)合效率。此處所說(shuō)的“發(fā)光點(diǎn)的變位量”是表示在散熱器的固定面為平坦面時(shí)，從透鏡光軸方向看半導(dǎo)體激光棒時(shí)，從散熱器上的半導(dǎo)體激光棒固定面到最近發(fā)光點(diǎn)中心的距離，與到最遠(yuǎn)發(fā)光點(diǎn)中心的距離之差。
以往，在GaAs系半導(dǎo)體激光棒與Cu散熱器的塔接中，使用了剛性低的(柔軟的)In。由于Cu散熱器和GaAs系半導(dǎo)體激光棒的熱膨脹系數(shù)有很大的差異，半導(dǎo)體激光棒驅(qū)動(dòng)時(shí)，因發(fā)熱等，使半導(dǎo)體激光器內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力(形變)，但使用In可以緩和這種內(nèi)部應(yīng)力。
(專利文獻(xiàn)1)特開2002-202442號(hào)公報(bào)(非專利文獻(xiàn)1)Dr.Boland Dichel，“l(fā)tigh Power Diode Lasers”，Springer-Verlag社在蘭寶石基板或GaN基板上，成長(zhǎng)GaN系化合物形成具有多個(gè)發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒，比GaAs系半導(dǎo)體激光棒的剛性要好。因此，在氮化物半導(dǎo)體激光棒的情況下，使用上述的筒夾時(shí)，不可能形成與散熱器表面同等形狀。作為焊劑材料，使用硬度低的In時(shí)，由于氮化物半導(dǎo)體激光棒的硬度很高，所以很難以和散熱器表面同等形狀進(jìn)行固定。
進(jìn)而，在上述激光模塊中使用氮化物半導(dǎo)體激光棒時(shí)，由于其翹曲，所以存在與光纖的結(jié)合效率低的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的驅(qū)動(dòng)，也因發(fā)熱等，激光棒仍會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的翹曲狀，這也存在降低結(jié)合效率的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述情況，其目的是提供一種激光元件，以和散熱器的激光棒固定面形狀大體一致的形狀，使半導(dǎo)體激光棒固定在散熱器上；，和該激光元件的制造方法；以及使用該激光元件的，與纖維的結(jié)合效率大的激光模塊。
本發(fā)明的激光元件，其特征在于，將一塊基板內(nèi)具有3個(gè)以上發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒，以具有與散熱器上固定該半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，擠壓在由Cu或含Cu合金形成的散熱器上，并利用由Au和Sn或Si形成的焊劑材料進(jìn)行固定而成的。
本發(fā)明激光元件的制造方法，其特征在于，以具有與散熱器上固定半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，將一塊基板內(nèi)具有3個(gè)以上發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒，擠壓在由Cu或含Cu合金形成的散熱器上，并利用由Au和Sn或Si形成的焊劑材料進(jìn)行固定。
本發(fā)明的激光模塊，其特征在于，由上述本發(fā)明的激光元件、光纖、和將來(lái)自激光元件的多條激光光束進(jìn)行合波并射入該光纖的聚光光學(xué)系統(tǒng)而成。
根據(jù)本發(fā)明的激光元件，由于以具有與散熱器上固定半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，擠壓并固定該半導(dǎo)體激光棒，所以能使多個(gè)發(fā)光點(diǎn)，以和散熱器上半導(dǎo)體激光棒的固定面形狀大致同等的形狀，形成并行狀。
另外，作為焊劑材料，由于使用了由Au和Sn或Si形成的材料，所以半導(dǎo)體激光棒能與散熱器形成牢固的連接，而且可以做到發(fā)光點(diǎn)的經(jīng)時(shí)移動(dòng)量很小，并提高了可靠性。
在使激光光束對(duì)纖維形成合波的激光模塊中，使用這樣的激光元件時(shí)，由于多個(gè)發(fā)光點(diǎn)和散熱器的表面形狀大致同等的形狀并行排列，所以只要使與多個(gè)發(fā)光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的透鏡的并行光軸與散熱器的表面形狀一樣就可以，并由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，易于進(jìn)行位置重合，所以也能很容易地制造激光模塊。
根據(jù)本發(fā)明激光元件的制造方法，由于以具有與散熱器上固定半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，對(duì)半導(dǎo)體激光棒進(jìn)行擠壓并固定，所以能很容易地以和散熱器上半導(dǎo)體激光棒固定面形狀大致同等的形狀，排列多個(gè)發(fā)光點(diǎn)。
通過(guò)使用由Au和Sn或Si形成的焊劑材料，由于能吸收Cu和氮化物半導(dǎo)體激光棒之間的熱膨脹系數(shù)差，所以能減小半導(dǎo)體激光棒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。
進(jìn)而，與In進(jìn)行比較，通過(guò)使用硬度高的由Au和Sn或Si形成的焊劑材料，所以能牢固地固定剛性高的氮化物半導(dǎo)體激光棒。由于硬度高，所以能防止氮化物半導(dǎo)體激光棒經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后恢復(fù)翹曲，從而能獲得很高的經(jīng)時(shí)可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的激光模塊，由于使用了上述經(jīng)時(shí)可靠性高的激光元件，所以能提高對(duì)介于光學(xué)系統(tǒng)的光纖結(jié)合效率。由于能容易設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)和位置重合，所以也容易制造。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的第1實(shí)施方式制造激光元件的方法的斷面圖。
圖2是散熱器的表面為平坦面時(shí)發(fā)光點(diǎn)變位量的定義說(shuō)明圖。
圖3是表示構(gòu)成本發(fā)明激光元件的氮化物半導(dǎo)體激光棒中的GaN基板制造過(guò)程的斷面圖。
圖4是表示構(gòu)成本發(fā)明激光元件的氮化物半導(dǎo)體棒的制造過(guò)程的斷面圖。
圖5是表示本發(fā)明的激光元件和比較例的激光元件，向散熱器上安裝后和實(shí)施熱循處理后的發(fā)光點(diǎn)變位量的曲線和表。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第1實(shí)施方式的激光模塊簡(jiǎn)要的構(gòu)成圖。
圖7是表示激光束偏離光纖中心的量與結(jié)合效率之間的關(guān)系的曲線。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明第2實(shí)施方式的激光元件制造方法的斷面圖。
圖9是表示散熱器的表面為弧狀面時(shí)，發(fā)光點(diǎn)變位量的定義的斷面圖。
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明第2實(shí)施方式的激光元件的立體圖。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第2實(shí)施方式的激光模塊的立體圖。
圖中，11…Cu散熱器，12…發(fā)光點(diǎn)，13…氮化物半導(dǎo)體激光棒，14…焊劑材料，16…筒夾，15…激光元件，21…藍(lán)寶石基板，22…GaN緩沖層，23…GaN層，24、27、29、…SiO2膜，25…保護(hù)層，26、28…GaN層，31、31、…n-GaN層 41…n型GaN基板，42…GaN緩沖層，43…AlGaN/GaN超格子包層，44…GaN光波導(dǎo)層，45…InGaN/InGaN三重量子井活性層，46…AlGaN載波塊層，47…GaN光波導(dǎo)層，48…AlGaN超格子包層，50…SiO2膜，51…p側(cè)電極，52…N側(cè)電極具體實(shí)施方式
以下用附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
說(shuō)明對(duì)根據(jù)本發(fā)明的第1實(shí)施方式制造激光元件的方法。圖1示出了制造該激光元件過(guò)程的斷面圖。
如圖1(a)所示，在由最表面為1μm厚鍍Au的Cu形成的散熱器11平坦表面11a上，配置3-50μm左右厚的顆粒狀的，由AuSn形成的焊劑材料14，再在其上配置氮化物半導(dǎo)體激光棒13。以和氮化物半導(dǎo)體激光棒13大致同等的縱向長(zhǎng)度的，由與散熱器表面11a形狀相對(duì)應(yīng)的平坦板形成的焊接簡(jiǎn)夾16，一邊擠壓該氮化物半導(dǎo)體激光棒13，一邊加熱AuAn焊劑材料14，熔融后固化，固定住氮化物半導(dǎo)體激光棒13。散熱器表面11a，每10mm具有0.02μm以下的平坦性。
如圖1(b)所示，如此制造的激光元件，翹曲得以擠正，發(fā)光點(diǎn)與散熱器表面11a大致同等地成一直線并行排列，發(fā)光點(diǎn)的變位量為0.2μm。
AuSn焊劑材料14，并不僅限于顆粒狀，也可以是在散熱器上利用蒸鍍形成的材料。
另外，散熱器，厚度約6mm，在Cu塊的表面上，依次蒸鍍Ni(0.1μm)和Pt(0.2μm)而形成的。
筒夾并不限于板狀的，也可以是具有多個(gè)凸部的，由該多個(gè)凸部的端部形成的形狀，最好是具有與散熱器固定面同等的形狀。
此外，在此所說(shuō)的發(fā)光點(diǎn)變位量是指，如圖2所示，散熱器的表面為平坦面時(shí)，從透鏡光軸方向看半導(dǎo)體激光棒時(shí)，從散熱器上的半導(dǎo)體激光棒表面到最遠(yuǎn)發(fā)光點(diǎn)中心的距離l2，與到最近發(fā)光點(diǎn)中心的距離l1之差(l2-l1)。
以下對(duì)氮化物半導(dǎo)體棒的制作方法進(jìn)行說(shuō)明。圖3中示出了該激光棒的GaN基板制造過(guò)程的斷面圖，圖4中示出了半導(dǎo)體層向GaN基板上進(jìn)行層疊過(guò)程的斷面圖。
如圖3(a)所示，利用有機(jī)金屬氣相成長(zhǎng)法，將三甲基鎵(TMG)和氨用作成長(zhǎng)用原料，作為n型摻雜氣體使用硅烷氣體，作為p型摻雜劑使用茂基鎂(Cp2Mg)，500℃下，以20nm左右膜厚，在(0001)C面蘭寶石基板21上形成緩沖層22。接著，將溫度升到1050℃，成長(zhǎng)2μm的GaN層23。在其上形成SiO2膜24，涂布保護(hù)膜(regist)25后，利用通常的石印(平版印刷)，在(數(shù)1)(1 100)方向上除去3μm寬的SiO2膜24，形成7μm寬的SiO2膜24線，形成線和間隙為10μm周期的圖案。
接著，如圖3(b)所示，將保護(hù)層25和SiO2膜24作防護(hù)層，使用氯系氣體，通過(guò)干蝕刻，除去緩沖層22和GaN層23，達(dá)到蘭寶石基板21上面后，除去保護(hù)層25和SiO2膜24。此時(shí)，蘭寶石基板21也可少許蝕刻。
接著，如圖3(c)所示，使GaN層26選擇成長(zhǎng)20μm。這時(shí)，通過(guò)橫向成長(zhǎng)，最終形成條狀合體，表面形成平坦化。在這時(shí)刻，在由緩沖層22和GaN層23形成層的線上部，產(chǎn)生貫通錯(cuò)位，但該線間的GaN層26上，不產(chǎn)生貫通錯(cuò)位。
接著，如圖3(d)所示，形成SiO2膜27，將位于可殘留上述緩沖層22和GaN層23的線間間隙部分中央處的SiO2膜27除去3μm左右。
接著，如圖3(e)所示，將成長(zhǎng)溫度升至1050℃，使GaN層選擇成長(zhǎng)20μm。這時(shí)通過(guò)橫向成長(zhǎng)，最終形成條狀合體，表面形成平坦化。
接著，如圖3(f)所示，形成SiO2膜29，將位于殘留SiO2膜27的中央處的SiO2膜29除去寬3μm左右，在其上，升高成長(zhǎng)溫度到1050℃，選擇成長(zhǎng)20μm左右的GaN層30。
最后，如圖3(g)所示，在如上述制作成的GaN基板上，成長(zhǎng)100-200μm左右的n-GaN層31后，除去從蘭寶石基板到GaN層30，將n-GaN層41作為n型GaN基板。
接著，如圖4所示，在如上述制作的n型GaN基板41上形成以下層疊，即，N-CaN緩沖層42、150雙的n-Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子包層43、n-GaN光導(dǎo)波層44、n-In0.02Ga0.98N(10.5nm)/n-In0.15Ga0.85N(3.5nm)三重量子井活性層45、p-Al0.2Ga0.8N載波塊層46、p-GaN光導(dǎo)波層47、150對(duì)p-Al0.14Ga0.86N(2.5nm)/GaN(2.5nm)超格子包層48、p-GaN接觸層49。作為p型的雜質(zhì)，使用Mg。為了使Mg活化，成長(zhǎng)后可在氮?dú)鈿夥罩袩崽幚恚蛘咴诟坏獨(dú)夥罩袑?shí)施成長(zhǎng)，也可以采用任意方法。
接著，在條帶區(qū)域形成具有開口的SiO2膜50，以500μm間距設(shè)置寬2μm的開口500。形成由Ni/Au而成的p側(cè)電極51后，研磨基板，在基板里面上，與p側(cè)電極對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)形成Ti/Au的n電極52。將如上述制作的試料剖開，在形成共振的一個(gè)面上進(jìn)行高反射涂層，在另一面上進(jìn)行低反射涂層，之后，剖切成共振器長(zhǎng)400μm、長(zhǎng)約1cm的棒，制成半導(dǎo)體激光棒13。
如此制作的氮化物半導(dǎo)體激光棒的振蕩帶入為400-420nm，輸出30mW。形成20個(gè)2μm寬的發(fā)光點(diǎn)，間距約500μm，發(fā)光點(diǎn)并行方向的長(zhǎng)度約1cm。向上形成p側(cè)電極側(cè)的面，翹曲成凸?fàn)?，其發(fā)光點(diǎn)變位量約10μm。
接著，從一20℃到80℃升降溫100次循環(huán)，對(duì)上述制成的激光元件進(jìn)行熱循環(huán)處理。這種熱循環(huán)處理，是對(duì)焊接半導(dǎo)體激光棒和散熱器時(shí)熔融固化焊劑材料，在焊劑材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)行緩沖的必要過(guò)程，就確保元件的可靠性講，是不可省略的過(guò)程。
將向散熱器連接后和熱循環(huán)處理后激光元件的發(fā)光點(diǎn)變位量與比較例的激光元件進(jìn)行比較。結(jié)果示于圖5。另外，比較例的氮化物半導(dǎo)體激光棒的制作與本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體激光棒的制作一樣，具有20個(gè)發(fā)光點(diǎn)，發(fā)光點(diǎn)排列方向的長(zhǎng)度約1cm，發(fā)光點(diǎn)變位量也為10μm。向散熱器上的固定方法與本發(fā)明一樣。
如圖5所示，利用本發(fā)明激光元件的制造方法制造的激光元件中，發(fā)光點(diǎn)變位量為0.2μm，與其相反，利用以往的激光元件制造方法制造的激光元件發(fā)光點(diǎn)變位量為2μm，認(rèn)為本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光棒，由于使用了具有與散熱器表面11a形狀一樣平坦表面形狀的筒夾，作為焊劑材料，使用了硬度高的AuSn，所以能夠減小發(fā)光點(diǎn)的變位量。
熱循環(huán)處理后的發(fā)光點(diǎn)變位量，本發(fā)明中，為0.2μm，比較例中，為2.5μm。認(rèn)為比較例中使用了比本發(fā)明激光元件中所用的AuSn硬度低的In，所以激光棒能再次產(chǎn)生翹曲。
散熱器，并不僅限于由Cu制成的，也可以是由含Cu合金，如CuTe合金制成。
接著，對(duì)具有上述本發(fā)明激光元件的一個(gè)激光模塊實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖6中示出了該激光模塊的簡(jiǎn)要平面圖。
本實(shí)施方式的激光模塊，如圖6所示，具有20個(gè)發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒13(長(zhǎng)1cm)，發(fā)光點(diǎn)變位量為0.2μm，是由以下部分構(gòu)成，即，在由Cu形成的散熱器11上，用AuSn焊劑材料固定的激光元件15、由平行光管透鏡陣列61和一個(gè)聚光透鏡62形成的光學(xué)系統(tǒng)、和1條多模光纖63。
另外，在圖6中，為了避免圖面復(fù)雜，在由氮化物半導(dǎo)體激光棒發(fā)出的激光B1-B20中，只對(duì)B1和B20付與了符號(hào)，省去了B2-B19的符號(hào)。
由氮化物半導(dǎo)體激光棒13的各個(gè)發(fā)光點(diǎn)，以發(fā)散光狀態(tài)射出的激光束B1-B20，分別由平行光管透鏡陣列61形成平行光。
形成平行光的激光束B1-B20，由聚光透鏡62進(jìn)行聚光，在多模光纖63芯的射入端面上進(jìn)行集束。在本例中，是由平行光管透鏡陣列61和聚光透鏡62構(gòu)成聚光光學(xué)系統(tǒng)，由該系統(tǒng)和多模光纖63構(gòu)成合波光學(xué)系統(tǒng)。即，如上述，由聚光透鏡62聚光的激光束B1-B20射入該多模光纖63的芯內(nèi)，并將其傳遞，合波成1條激光束B，從多模光纖63中射出。
平行光管透鏡陣列61的構(gòu)成，是將20個(gè)平行光管透鏡61a以一列固定成一個(gè)整體。各個(gè)平行光管透鏡61a切取一部分含有軸對(duì)稱透鏡的光軸，形成細(xì)長(zhǎng)形狀。具體講是各個(gè)平行光管透鏡61a的開口徑，在水平方向，垂直方向上各為0.5mm、1.5mm，而各個(gè)平行光管透鏡61a的各焦點(diǎn)距離f1＝1.2mm，NA＝0.6，有效高度為2.5mm。而且，與激光束的斷面形狀一致，縱橫比，例如取為3∶1。這些20個(gè)平行光管透鏡61 a的間距，與氮化物半導(dǎo)體激光棒的發(fā)光點(diǎn)間距一致，為500μm(誤差在0.2μm以下)。
由各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的激光束B1-B20，對(duì)于上述形成的細(xì)長(zhǎng)形狀的各個(gè)平行光管透鏡，以擴(kuò)展角最大的方向和開口徑大的方向一致，擴(kuò)展角最小的方向和開口徑小的方向一致的狀態(tài)，形成射入。入射激光束B1-B20的水平方向、垂直方向的光束徑，各自為0.36mm、1.04mm。即，形成細(xì)長(zhǎng)形狀的各個(gè)平行光管透鏡61a，與入射激光束B1-B20的橢圓形斷面形狀相對(duì)應(yīng)，極力減少使用非有效部分。
聚光透鏡62是寬為12mm、有效高度為10mm、焦點(diǎn)距離為16.0mm，NA為0.6的縮短型透鏡，20條激光束由聚光透鏡62進(jìn)行聚光，在多模光纖63的芯端面上收束成直徑約為26μm的聚焦點(diǎn)。
作為多模光纖63，是將三菱電線工業(yè)株式會(huì)社制的緩變折射率型的光纖為基本纖維，芯中心部分是緩變折射率，外周部分是階梯折射率，使用芯徑為50μm、NA為0.3、端面涂層的透過(guò)率在99.5％以上的光纖。本實(shí)例中，是上述的芯徑×NA的值為7.5μm。
本實(shí)施方式中，構(gòu)成激光模塊的各要素，最好是裝入上方開口的箱式包裝體內(nèi)，用包裝體蓋封閉住該包裝體的上述開口。由此，可防止污染物附著在各要素表面的光路上，可獲得長(zhǎng)期高可靠性的組件。尤其是，由于能量高，集塵效果也高，所以在350-450nm的波長(zhǎng)帶內(nèi)是很有效的。
本實(shí)施方式的構(gòu)成中，激光束B1-B20向多模光纖63的結(jié)合效率達(dá)到90％。因此，從氮化物半導(dǎo)體激光棒13的各發(fā)光點(diǎn)的輸出為30mW時(shí)，可得到輸出540mW(＝30mW×0.9×20)的合波激光束B。
對(duì)在上述的激光模塊中，1條激光束偏離纖維中心時(shí)與纖維的結(jié)合效率變化進(jìn)行說(shuō)明。圖7中示出了由激光棒發(fā)出的光束與射入光纖端的纖維中心(半徑25μm)偏離量和對(duì)纖維的結(jié)合效率之間的關(guān)系。
上述激光模塊的光學(xué)系統(tǒng)放大率，根據(jù)平行光管透鏡和聚光透鏡的焦點(diǎn)距離，為16mm/1.2mm13.3倍。即，例如，翹曲成凸?fàn)畹牡锇雽?dǎo)體激光棒的發(fā)光點(diǎn)變位量為1μm時(shí)將元件中心的發(fā)光點(diǎn)作為基準(zhǔn)位置，將基準(zhǔn)位置的光束調(diào)至纖維芯中心時(shí)，由偏離基準(zhǔn)位置的發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光束，會(huì)偏離纖維中心13.3μm。當(dāng)偏離13.3μm時(shí)，如圖7所示，結(jié)合效率降低15％左右。
即，在上述比較例的激光模塊中，激光元件在熱循環(huán)處理后的變位量為2.5μm，所以例如，將位于激光中心部位的發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的激光束，調(diào)至光纖芯中心時(shí)(即，將由該發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的激光束調(diào)至與平行光管透鏡的光軸一致時(shí))，從兩端的發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的激光束會(huì)偏離光纖中心33μm左右(2.5×13.4)。當(dāng)偏離33μm時(shí)，不能與芯徑50μm的纖維(半徑25μm)相結(jié)合。
另外，在根據(jù)本發(fā)明的激光模塊中，激光元件在熱循環(huán)處理后的發(fā)光點(diǎn)變位量，由于是0.2μm，所以將該激光元件用于激光模塊中時(shí)，與上述比較例一樣調(diào)芯時(shí)，由兩端的發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的激光束，會(huì)偏離纖維中心2.6μm(＝0.2μm×13.3)。當(dāng)偏離2.6μm左右時(shí)，根據(jù)圖7，結(jié)合效率的降低在5％以內(nèi)，因此能維持很高的結(jié)合效率。
以下對(duì)根據(jù)本發(fā)明第2實(shí)施方式制造激光元件的方法進(jìn)行說(shuō)明。該制造過(guò)程的斷面圖示于圖8之中。
如圖8(a)所示，散熱器是在6mm厚、圓柱狀的Cu塊表面上，依次蒸鍍Ni(0.1μm)、Pt(0.2μm)和Au(1μm)的，在散熱器73的弧狀表面73a上，蒸鍍3-50μm左右厚的由AuSn形成的焊劑材料14而形成，再在其上配置氮化物系半導(dǎo)體激光棒13。用具有和散熱器的曲率同等曲率的焊接筒夾71，一邊擠壓該激光棒，一邊加熱AuSn焊接材料14，熔融后固化，固定住氮化物半導(dǎo)體激光棒13。
這樣制作的激光元件，如圖8(b)所示，發(fā)光點(diǎn)以和散熱器的曲率半徑同等的曲率半徑，成一直線狀并行排列，發(fā)光點(diǎn)變位量為0.4μm。由于利用AuSn焊劑材料連接固定，所以是牢固連接，經(jīng)時(shí)可靠性很高。
所說(shuō)的散熱器的表面形狀為弧狀時(shí)的發(fā)光點(diǎn)變位量，如圖9所示，以散熱器的曲率半徑R和相對(duì)激光元件的并行發(fā)光的曲率半徑R1之差(R1-R)表示。
以下對(duì)上述制造的激光元件進(jìn)行說(shuō)明，該激光元件的立體圖示于圖10。
如圖10所示，本實(shí)施方式的激光元件75，在半徑7mm圓柱狀的散熱器73表面73a上，將與氮化物半導(dǎo)體激光棒13同樣制造的具有20個(gè)發(fā)光點(diǎn)的3個(gè)氮化物半導(dǎo)體激光棒13a、13b和13c，以同等間距，利用AuSn焊劑材料進(jìn)行連接的。
以下對(duì)具有本實(shí)施方式的激光元件的激光模塊進(jìn)行說(shuō)明。
如圖11所示，根據(jù)本實(shí)施方式的激光模塊，由激光元件75、3個(gè)平行光管透鏡陣列81a、81b、81c、1個(gè)聚光透鏡82、和1條多模光纖83構(gòu)成。并通過(guò)平行光管透鏡和聚光透鏡構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。
在圖11中，為避免圖面復(fù)雜化，對(duì)從氮化物半導(dǎo)體激光棒13a、13b和13c分別發(fā)出的20條激光中，只記載2條，對(duì)后18條省略。
由氮化物半導(dǎo)體激光棒13a、13b和13c的各個(gè)發(fā)光點(diǎn)，以發(fā)散光狀態(tài)射出的20條激光束，分別由平行光管透鏡陣列81a、81b和81c形成平行光。
形成平行光的激光束，由聚光透鏡82進(jìn)行聚光，在多模光纖83芯的入射端面上進(jìn)行會(huì)聚，合波成1條激光束B，并從多模光纖83射出。
聚光透鏡82，例如以樹脂或光學(xué)玻璃為原料，通過(guò)模塑成形法制作。
本發(fā)明的激光模塊，由于使用了以和散熱器的曲率半徑同等曲率半徑，使發(fā)光點(diǎn)成一線狀并行排列，牢固連接的經(jīng)時(shí)可靠性高的激光元件，所以能使平行光管透鏡的并行光軸與散熱器的表面形狀一樣，從而光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，容易進(jìn)行位置重合，并能容易制造。
權(quán)利要求
1.一種激光元件，其特征在于，是將一塊基板內(nèi)具有3個(gè)以上發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒，用具有與散熱器上固定半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，擠壓在由Cu或含Cu合金形成的散熱器上，并用由Au和Sn或Si形成的焊劑材料固定而成的。
2.一種激光元件的制造方法，其特征在于，是將一塊基板內(nèi)具有3個(gè)以上發(fā)光點(diǎn)的氮化物半導(dǎo)體激光棒，用具有與散熱器上固定半導(dǎo)體激光棒的表面形狀相對(duì)應(yīng)形狀的部件，擠壓在由Cu或含Cu合金形成的散熱器上，并用由Au和Sn或Si形成的焊劑材料固定住。
3.一種激光模塊，其特征于，由權(quán)利要求1記載的激光元件、光纖、和將上述激光元件發(fā)出的多條激光光束，進(jìn)行合波并射入該光纖的聚光光學(xué)系統(tǒng)而構(gòu)成。
全文摘要
將氮化物半導(dǎo)體激光棒牢固地固定在Cu散熱器上，得到激光元件。在由表面上依次蒸鍍上Ni(0.1μm)和Pt(0.2μm)的Cu形成的散熱器11上，配置3μm－50μm厚顆粒狀由AuSn形成的焊劑材料14，并在其上配置氮化物系半導(dǎo)體激光棒13。用具有與激光棒同等從向長(zhǎng)度的平坦焊接筒套，對(duì)該激光棒一邊擠壓，一邊加熱AuSn焊劑材料14(Au∶Sn＝80％∶20％、熔點(diǎn)280℃)，熔融后固化，并固定住氮化物半導(dǎo)體激光棒。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1519996SQ20041000257
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2004年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者山中英生, 蔵町照彥, 彥 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社