JP4514316B2

JP4514316B2 - 半導体レーザモジュールの製造方法

Info

Publication number: JP4514316B2
Application number: JP2000354730A
Authority: JP
Inventors: 陽一中嶋; 吉春多賀
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002156562A; US20020090015A1; CA2363369A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザモジュール及びその製造方法に関し、特に、レーザ光を集光する集光レンズの調芯時間を大幅に短縮することができる半導体レーザモジュール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、半導体レーザモジュールの内部構造の一例を示す側面断面図である。図７に示すように、半導体レーザモジュールは、内部を気密封止するパッケージ１と、そのパッケージ１内に設けられ、レーザ光を出力する半導体レーザ素子２と、その半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光が入射される光ファイバ３と、半導体レーザ素子２の後方側（図７では左側）から出力されるモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード４と、半導体レーザ素子２を固定して取り付けたチップキャリア５と、フォトダイオード４を固定して取り付けたフォトダイオードキャリア６と、チップキャリア５及びフォトダイオードキャリア６を固定して取り付けた基台７とを有する。
【０００３】
基台７上の半導体レーザ素子２の前方側（図７では右側）には半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光を平行にするコリメートレンズ８が設置されている。コリメートレンズ８は、ステンレス等の金属で作られ基台７上に設けられた第１のレンズホルダ９に保持されている。
【０００４】
パッケージ１の側部に形成されたフランジ部１ａの内部には、コリメートレンズ８を通過したレーザ光が入射する窓部１０と、レーザ光を集光する集光レンズ１１が設けられている。集光レンズ１１は、第２のレンズホルダ１２によって保持され、その第２のレンズホルダ１２は、パッケージ１のフランジ部１ａ、レンズ固定部端面１３にＹＡＧレーザ溶接により固定される。
【０００５】
第２のレンズホルダ１２の端部には金属製のスライドリング１４がＹＡＧレーザ溶接により固定される。
【０００６】
光ファイバ３の先端部は金属製のフェルール１５によって保持され、そのフェルール１５は、スライドリング１４の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定される。
【０００７】
基台７はパッケージ１の底部に固定された冷却装置１６上に固定して取り付けられている。冷却装置１６は、半導体レーザ素子２から発生した熱を冷却するものであり、ペルチェ素子が用いられる。半導体レーザ素子２からの発熱による温度上昇はチップキャリア５上に設けられたサーミスタ（図示せず）によって検出され、サーミスタにより検出された温度が一定温度になるように、冷却装置１６が制御される。これによって、半導体レーザ素子２のレーザ出力を安定化させることができる。
【０００８】
半導体レーザ素子２の前方側から出力されたレーザ光は、コリメートレンズ８によって平行になり、窓部１０を介して集光レンズ１１によって集光され、フェルール１５によって保持された光ファイバ３に入射され外部に送出される。
【０００９】
一方、半導体レーザ素子２の後方側から出力されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード４によって受光され、フォトダイオード４の受光量が一定となるように半導体レーザ素子２に流す電流を調整することにより半導体レーザ素子２の前方から出射されるレーザ光の強度を調整する。
【００１０】
近年、半導体レーザモジュールの分野では、半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光が光ファイバ３と光学的に結合されるときに、いかに光ファイバ３から所望のパワーが得られるかについて研究開発が行われている。
【００１１】
光ファイバ３から所望のパワーを得るためには、集光レンズ１１からのレーザ光が光ファイバ３に対して最適な入射角で入射される必要があり、そのために、集光レンズ１１の調芯が行われる。
【００１２】
図８は従来の集光レンズ１１の調芯方法を説明するための説明図である。図８に示すように、従来では、半導体レーザ素子２から出力され、コリメートレンズ８、集光レンズ１１を通ったレーザ光を調芯用光ファイバ１７によって受光して、調芯用光ファイバ１７の受光したパワー（輝度）をパワーメータ１８により測定する。
【００１３】
そして、集光レンズ１１（第２のレンズホルダ１２）の位置を少しずつ変えながら、各位置においてそれぞれ調芯用光ファイバ１７に光結合するパワーが最大となるように調芯用光ファイバ１７の位置を調整する。そしてこのようにして集光レンズ１１の各位置における調芯用光ファイバ１７の最大結合パワーを表示したマップを作成する。
【００１４】
作成したマップの中で最大のパワーが得られた位置が最適な集光レンズ１１の位置となるので、その位置で集光レンズ１１を保持する第２のレンズホルダ１２をパッケージ１のフランジ部１ａにＹＡＧレーザ溶接により固定する。そして、その後、光ファイバ３を再度位置調整し、光ファイバ３に光結合するパワーが最大となる位置で、光ファイバ３を固定していた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の集光レンズ１１の調芯方法では、集光レンズ１１の位置を少しずつ変えながら、各位置において調芯用光ファイバ１７の調芯を行い、集光レンズ１１の各位置における調芯用光ファイバ１７に結合する最大パワーのマップを作成し、さらに集光レンズ１１の固定の前後２回にわたって、光ファイバの調芯を行う必要があるため調芯時間が長くなる。その結果、半導体レーザモジュールの製造時間が長くなるとともに、製造コストがアップするという課題がある。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために、レーザ光を集光する集光レンズの調芯時間を大幅に短縮することができる半導体レーザモジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、
レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、その半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、その集光レンズによって集光されたレーザ光が入射される光ファイバと、前記集光レンズを固定するレンズ固定部端面を備えたパッケージとを有し、前記集光レンズは前記レンズ固定部端面に沿って配置される半導体レーザモジュールの製造方法において、
前記半導体レーザ素子を備えた前記パッケージのレンズ固定部端面を所定の基準軸に対して垂直になるように、前記パッケージの姿勢を調整する第１の工程と、
前記集光レンズを前記パッケージのレンズ固定部端面に設置する第２の工程と、
前記集光レンズを通過したレーザ光の光軸の前記基準軸に対する傾きを検出する第３の工程と、
前記基準軸に対するレーザ光の傾きが所定の角度範囲内にあれば、その位置で前記集光レンズを前記レンズ固定部端面に固定し、所定の角度範囲内になければ、前記集光レンズを移動させ、所定の角度範囲内になった位置で前記集光レンズを前記レンズ固定部端面に固定する第４の工程と、
前記固定された前記集光レンズを通過したレーザ光が前記光ファイバに結合される光量を所望の光量になるように、前記光ファイバを調芯して固定する第５の工程と、
を有することを特徴とするものである。
【００１８】
前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を平行光にして前記集光レンズに入射させるコリメートレンズを備えていてもよい。
【００１９】
前記第３の工程は、前記集光レンズから前記基準軸方向に所定間隔を隔てた異なる２点における前記基準軸と垂直な第１の参照面及び第２の参照面を設定し、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光の前記第１の参照面及び第２の参照面上における輝点の位置に基づいて、前記集光レンズを通過したレーザ光の前記基準軸に対する傾きを検出してもよい。
【００２０】
前記第１の参照面及び第２の参照面は、前記集光レンズによるレーザ光の焦点位置を挟んで設定されてもよい。
【００２１】
前記焦点位置から前記第１の参照面までの距離と前記第２の参照面までの距離とが略同一であってもよい。
【００２３】
前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を平行光にして前記集光レンズに入射させるコリメートレンズを備えていてもよい。
【００２４】
本発明によれば、レンズを通過したレーザ光の基準軸に対するレーザ光の傾きを検出し、その検出したレーザ光の傾きが所定の角度範囲になるように集光レンズを移動することにより集光レンズを調芯しているので、調芯用光ファイバを用いて調芯する従来技術に比べ、調芯時間を大幅に短縮することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一の構成要素は同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。まず、パッケージ１のレンズ固定部端面１３を光学測定部２１の基準軸Ｓに対して垂直（すなわち角度９０°）になるように、パッケージ１の姿勢を調整する。また、同時に端面１３の中心点Ｃ（図３参照）を算出する（ステップＳ１）。
【００２７】
ステップＳ１の工程では、例えば図２に示す調芯装置１９が用いられる。この調芯装置１９は、調整台２０、光学測定部２１及び制御部２２を備えている。
【００２８】
調整台２０は、Ｘ軸角度調整ステージ２３、Ｙ軸角度調整ステージ２４、Ｘ軸直動調整ステージ２５、Ｙ軸直動調整ステージ２６が、上からこれらの順でＺ軸ステージ２７に載置されている。Ｘ軸角度調整ステージ２３は、パッケージ１を着脱自在に固定する固定具２０ａが上部に取り付けられ、操作軸２３ａによってＸ軸の回りに回動される。Ｙ軸角度調整ステージ２４は、Ｘ軸角度調整ステージ２３が載置され、操作軸２４ａにより前記Ｘ軸と直交するＹ軸の回りに回動される。Ｘ軸直動調整ステージ２５は、Ｙ軸角度調整ステージ２４が載置され、操作軸２５ａによる操作によりＸ軸に沿って移動される。Ｙ軸直動調整ステージ２６は、Ｘ軸直動調整ステージ２５が載置され、操作軸２６ａによる操作によりＹ軸に沿って移動される。Ｚ軸ステージ２７は、Ｙ軸直動調整ステージ２６が載置され、操作軸２７ａによる操作により前記Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸に沿って上下方向に昇降される。なお、Ｚ軸と基準軸Ｓとは略平行となるように設定されている。
【００２９】
光学測定部２１は、昇降ステージ２８、測長センサ２９、赤外線カメラ３０を有する光学測定系である。昇降ステージ２８は、測長センサ２９及び赤外線カメラ３０を取り付けて、Ｚ軸方向に昇降させるステージで、操作軸２８ａにより昇降操作される。測長センサ２９は、オートフォーカス機構を利用してパッケージ１の基準面であるレンズ固定部端面１３までの距離を測定するセンサで、各操作軸２３ａ〜２８ａと制御部２２を介して接続されている。赤外線カメラ３０は、パッケージ１の輝点（発光点）を例えば波長０．８〜１．６μｍの赤外線で撮影し、撮影した画像信号を制御部２２へ出力する。
【００３０】
制御部２２は、各操作軸２３ａ〜２８ａを駆動してパッケージ１のレンズ固定部端面１３がＺ軸に対して垂直となるよう自動的に制御すると共に、赤外線カメラ３０から入力される画像信号に基づいてパッケージ１の輝点に関する前記Ｚ軸を中心とするＸ，Ｙ軸方向における位置並びに測長センサ２９並びに赤外線カメラ３０の基準軸Ｓとパッケージ１の光軸との間の変位量（角度）などを演算する。
【００３１】
制御部２２は、測長センサ２９を駆動し、パッケージ１のレンズ固定部端面１３までの距離を同端面上の複数点（３点以上）で測定し、その測定結果である距離信号を制御部２２に出力する。次いで、制御部２２は、入力された距離信号に基づいて、複数点で測定したレンズ固定部端面１３までの距離が等しくなるためにＸ軸角度調整ステージ２３及びＹ軸角度調整ステージ２４をＸ軸及びＹ軸の回りに回動すべき回動量をそれぞれ演算する。
【００３２】
制御部２２は、この演算結果に基づき、各操作軸２３ａ〜２８ａに駆動信号を出力し、Ｘ軸角度調整ステージ２３及びＹ軸角度調整ステージ２４をそれぞれＸ軸及びＹ軸の回りに回動する。これにより、測長センサ２９からレンズ固定部端面１３までの複数点で測定した距離が等しくなり、パッケージ１のレンズ固定部端面１３が光学測定部２１の基準軸Ｓに対して垂直になるように修正される。
【００３３】
また、調芯装置１９は、レンズ固定部端面１３の中心点Ｃを算出する。
【００３４】
次いで、半導体レーザ素子２を発光し（ステップＳ２）、レンズ固定部端面１３でのレーザ光の輝点Ｋの位置が中心点Ｃの位置から許容範囲（例えば５００μｍ）以内にあるかを確認する（ステップＳ３）。
【００３５】
ステップＳ３では、図３（Ａ）に示すように、赤外線カメラ３０によってレンズ固定部端面１３でのレーザ光の輝点Ｋを撮影し、図３（Ｂ）に示すように、輝点Ｋの位置と中心点Ｃの位置との距離を算出する。その距離が許容範囲以内であれば、次のステップに進み、許容範囲を超える場合には以後の角度調整が困難になる（後述するステップＳ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１１において、集光レンズ１１を動かしてもレーザ光の傾き角θを所定の範囲内にすることができない）ため、次のステップには進まず、当該パッケージ１を不良品として処理する。
【００３６】
次いで、半導体レーザ素子２の発光を終了し（ステップＳ４）、集光レンズ１１をパッケージ１のレンズ固定部端面１３に設置する（ステップＳ５）。すなわち、集光レンズ１１を保持する第２のレンズホルダ１２をパッケージ１のフランジ部１ａの挿入孔に挿入して、第２のレンズホルダ１２のフランジ部１２ａ（図４、図７参照）をレンズ固定部端面１３に当接する。
【００３７】
次いで半導体レーザ素子２を発光し（ステップＳ６）、図４（Ａ）に示すように、集光レンズ１１から基準軸Ｓ方向に所定間隔Ｌ１、Ｌ２を隔てた異なる２地点における基準軸Ｓと垂直な第１の参照面Ｍ１及び第２の参照面Ｍ２を設定する。そして、第１の参照面Ｍ１でのレーザ光の輝点Ｋ１の位置（図４（Ｂ）参照）及び第２の参照面Ｍ２でのレーザ光の輝点Ｋ２の位置（図４（Ｃ）参照）を検出する（ステップＳ７）。
【００３８】
ここで、第１の参照面Ｍ１でのレーザ光の輝点Ｋ１と第２の参照面Ｍ２でのレーザ光の輝点Ｋ２とが、同じ大きさ及び輝度である方が角度調整しやすい。従って、第１の参照面Ｍ１及び第２の参照面Ｍ２は、集光レンズ１１によるレーザ光の焦点位置Ｆを挟んで等距離Ｌ３に設定される場合（図６（Ａ）参照）の方が、集光レンズ１１によるレーザ光の焦点位置Ｆから異なる距離Ｌ４，Ｌ５に設定される場合（図６（Ｂ）参照）よりも好ましい。
【００３９】
次いで、検出された第１の参照面Ｍ１及び第２の参照面Ｍ２でのレーザ光の輝点Ｋの位置及び参照面Ｍ１、Ｍ２の間隔に基づいて、図５（Ｂ）に示すように、基準軸Ｓに対するレーザ光の傾き角θを算出する（ステップＳ８）。
【００４０】
次いで、検出されたレーザ光の傾き角θが所定の角度範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ９）、所定の角度範囲内にあれば、その位置で集光レンズ１１を図示しないＹＡＧレーザ溶接器を用いてレンズ固定部端面１３にＹＡＧレーザ溶接により固定する（ステップＳ１０）
所定の角度範囲内になければ、集光レンズ１１をＸ−Ｙ面上で移動する（ステップＳ１１）。この場合、図５（Ａ）に示すように、第１の参照面Ｍ１でのレーザ光の輝点Ｋ１と第２の参照面Ｍ２でのレーザ光の輝点Ｋ２とが接近するように、集光レンズ１１を移動する。例えば、図５（Ｂ）に示すように、集光レンズ１１を通過するレーザ光がＺＸ平面内にあり、かつ基準軸Ｓに対し右上方（＋Ｘ方向）に傾いている場合には、集光レンズ１１を下側に移動させることにより、集光レンズ１１を通過するレーザ光を基準軸Ｓに近づけることができる。
【００４１】
集光レンズ１１を移動することにより所定の角度範囲内になった位置で集光レンズ１１をレンズ固定部端面１３に図示しないＹＡＧレーザ溶接器を用いてＹＡＧレーザ溶接により固定する（ステップＳ１０）。
【００４２】
最後に、固定された集光レンズ１１を通過したレーザ光が光ファイバ３に結合される光量を所望の光量になるように、スライドリング１４を介して光ファイバ３を調芯して固定する（ステップＳ１２）。
【００４３】
本発明の実施の形態によれば、集光レンズ１１を通過したレーザ光の輝点Ｋの位置を直接検出することにより、基準軸Ｓに対するレーザ光の傾き角θを算出し、その算出したレーザ光の傾き角θが所定の角度範囲になるように集光レンズ１１を移動することにより集光レンズ１１を調芯しているので、集光レンズ１１を動かす毎に調芯用光ファイバ１７を用いて調芯する従来技術に比べ、調芯時間を大幅に短縮することができる。その結果、半導体レーザモジュールの製造時間を短縮でき、製造コストを低減できる。
【００４４】
また、集光レンズ１１を通過するレーザ光と基準軸Ｓとの角度付けを高精度に調整することができる、
本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。
【００４５】
例えば、基準軸Ｓと、パッケージ１の端面１３との角度は必ずしも垂直であるとは限らず、パッケージ１の構成によって適宜変更が可能である。また、レンズ系はコリメートレンズ８を省略し、集光レンズ１１のみで半導体レーザ素子２から出力されたレーザ光を集光するものであってもよい。さらに、赤外線カメラ３０の代わりに、ｆ−θレンズを用いて、１つの参照面だけでレーザ光の角度情報を得ることのできるＦＦＰ観測系（例えば、浜松フォトニクス株式会社製３２６７−０５、−０６、−０７、−１１等）を用いることも好ましい態様である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、集光レンズを通過したレーザ光の基準軸に対するレーザ光の傾きを検出し、その検出したレーザ光の傾きが所定の角度範囲になるように集光レンズを移動することにより集光レンズを調芯しているので、調芯用光ファイバを用いて調芯する従来技術に比べ、調芯時間を大幅に短縮することができる。その結果、半導体レーザモジュールの製造時間を短縮でき、製造コストを低減できる。
【００４７】
また、集光レンズを通過するレーザ光と基準軸との角度付けを高精度に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】パッケージのレンズ固定部端面を基準軸に対して垂直になるようにパッケージの姿勢を調整する工程に用いられる調芯装置の構成を示す説明図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はレンズ固定部端面でのレーザ光の輝点の位置が中心から所定範囲内にあるかを確認する工程を説明するための説明図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は半導体レーザ素子から出力されたレーザ光の第１の参照面及び第２の参照面での輝点の位置を検出する工程を説明するための説明図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は基準軸に対するレーザ光の傾きが所定の角度範囲内になるように、集光レンズを移動させる工程を説明するための説明図である。
【図６】（Ａ）は、第１の参照面及び第２の参照面が、集光レンズによるレーザ光の焦点位置を挟んで等距離に設定される場合、（Ｂ）は、第１の参照面及び第２の参照面が、集光レンズによるレーザ光の焦点位置から異なる距離に設定される場合を説明するための説明図である。
【図７】半導体レーザモジュールの内部構造の一例を示す側面断面図である。
【図８】従来の集光レンズの調芯方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１：パッケージ
１ａ：フランジ部
２：半導体レーザ素子
３：光ファイバ
４：フォトダイオード
５：チップキャリア
６：フォトダイオードキャリア
７：基台
８：コリメートレンズ
９：第１のレンズホルダ
１０：窓部
１１：集光レンズ
１２：第２のレンズホルダ
１３：レンズ固定部端面
１４：スライドリング
１５：フェルール
１６：冷却装置
１７：調芯用光ファイバ
１８：パワーメータ
１９：調芯装置
２０：調整台
２０ａ：固定具
２１：光学測定部
２２：制御部
２３：Ｘ軸角度調整ステージ
２４：Ｙ軸角度調整ステージ
２５：Ｘ軸直動調整ステージ
２６：Ｙ軸直動調整ステージ
２７：Ｚ軸ステージ
２８：昇降ステージ
２９：測長センサ
３０：赤外線カメラ
Ｃ：中心点
Ｆ：焦点位置
Ｋ、Ｋ１、Ｋ２：輝点
Ｍ１：第１の参照面
Ｍ２：第２の参照面
Ｓ：基準軸
θ：レーザ光の傾き角

Claims

レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、その半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を集光する集光レンズと、その集光レンズによって集光されたレーザ光が入射される光ファイバと、前記集光レンズを固定するレンズ固定部端面を備えたパッケージとを有し、前記集光レンズは前記レンズ固定部端面に沿って配置される半導体レーザモジュールの製造方法において、
前記半導体レーザ素子を備えた前記パッケージのレンズ固定部端面を所定の基準軸に対して垂直になるように、前記パッケージの姿勢を調整する第１の工程と、
前記集光レンズを前記パッケージのレンズ固定部端面に設置する第２の工程と、
前記集光レンズを通過したレーザ光の光軸の前記基準軸に対する傾きを検出する第３の工程と、
前記基準軸に対するレーザ光の傾きが所定の角度範囲内にあれば、その位置で前記集光レンズを前記レンズ固定部端面に固定し、所定の角度範囲内になければ、前記集光レンズを移動させ、所定の角度範囲内になった位置で前記集光レンズを前記レンズ固定部端面に固定する第４の工程と、
前記固定された前記集光レンズを通過したレーザ光が前記光ファイバに結合される光量を所望の光量になるように、前記光ファイバを調芯して固定する第５の工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザモジュールの製造方法。
前記第３の工程は、前記集光レンズから前記基準軸方向に所定間隔を隔てた異なる２点における前記基準軸と垂直な第１の参照面及び第２の参照面を設定し、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光の前記第１の参照面及び第２の参照面上における輝点の位置に基づいて、前記集光レンズを通過したレーザ光の前記基準軸に対する傾きを検出することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
前記第１の参照面及び第２の参照面は、前記集光レンズによるレーザ光の焦点位置を挟んで設定されることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
前記焦点位置から前記第１の参照面までの距離と前記第２の参照面までの距離とが略同一であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。