(57)【要約】短波長レーザモジュールにおいて、光導波路端面に不要ガスが付着し、長期信頼性が失われる。短波長レーザモジュールを気密封止する際に使用するパッケージ蓋２０１が内部ガスと接触しないパッケージ構造にし、パッケージ内部で使用する固定剤の重合を促進させる工程を取り入れることで、固定剤の不要ガス２０４を除去し、出力の長期信頼性を確保した。
2002054548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも半導体レーザを含み、短波長レーザ光を出力する発光デバイスと、
前記発光デバイスが配置される配置面と、前記配置面を囲む壁面とを有する容器本体と、
前記容器本体と接合して、その一部が前記配置面および前記壁面とともに、前記発光デバイスを収納する収納空間を形成する蓋部と、
前記容器本体と前記蓋部とを接合する接着剤とを備え、
前記容器と前記蓋部とは、当接かつ密着して合わされている封止面を有するように接合しており、
前記封止面は、前記接着剤と前記収納空間との間に設けられている短波長レーザモジュール。
【請求項２】
前記発光デバイスにより得られる短波長レーザ光の波長は４５０ｎｍ以下である請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項３】
前記発光デバイスは、前記半導体レーザの出力する光の波長を４５０ｎｍ以下の長さに変換する波長変換手段を有する請求項２に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザは波長４５０ｎｍ以下の波長の光を出力する短波長半導体レーザである請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項５】
前記蓋部の、少なくとも接着剤により固定される部分は透光性を有し、
前記接着剤は、紫外線を照射されることにより硬化するものである請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項６】
前記収納空間内には不活性ガスが密封されている請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項７】
前記収納空間内は真空状態である請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項８】
前記容器本体および／または前記蓋部は透光性の出射窓を有している請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項９】
前記接着剤は、少なくとも前記容器本体と前記蓋部の接合部分であって、前記短波長レーザモジュールの外部に露出した部分に設けられている請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項１０】
少なくとも半導体レーザを含む発光デバイスを、紫外線の照射により硬化する接着剤によりサブマウント上に固定する第１の固定工程と、
前記発光デバイスが固定されたサブマウントを、加熱により硬化する接着剤容器内に固定する第２の固定工程と、
さらに紫外線を照射して、前記紫外線の照射により硬化する接着剤の重合を促進する紫外線照射工程と、
前記容器内を気密するように前記容器を密封する密封工程とを備えた短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記紫外線工程照射工程と平行、もしくはその後に実行される、さらなる加熱を行い、前記加熱により硬化する接着剤の重合を促進する加熱工程をさらに備えた請求項１０に記載の短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記加熱工程の温度は、前記第２の固定工程の温度よりも高く、前記短波長レーザモジュールの動作時の温度よりも低いものである請求項１０に記載の短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１３】
光の形態で情報を送信する送信手段を少なくとも備えた通信装置であって、
前記送信手段は、請求項１から９のいずれかに記載の短波長レーザモジュールを有する通信装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体レーザがパッケージ実装され、短波長のレーザ光を出力する短波長レーザモジュールおよびその製造方法等に関するものである。
背景技術
光デバイス分野において、各光学部品の気密封止構造、気密封止方法は光デバイスの長期信頼性を確保するためには重要な技術であり、光導波路波長変換デバイスにおいても、光導波路自体の特性の安定性や半導体レーザ等の光半導体特性の安定化、長期信頼性のため、外部からの湿気や埃から保護する必要があり、気密封止構造は重要な要素となっている。
従来の光デバイスにおける気密封止方法は一般的に金属パッケージ、あるいはセラミックパッケージを使用すると、パッケージの本体と蓋との間で抵抗溶接等のシーム溶接を適用することができる。例えば、光半導体モジュールの気密封止方法として、特開平６−８２６６０号公報等に記載されるように、本体の上面と蓋をシーム溶接あるいは半田固定により気密封止されて構成されている。このシーム溶接および半田固定により、パッケージ内は十分な気密度を保つことができる。しかし、半導体レーザ等の発光デバイスを光ピックアップへ搭載することを考えた場合、パッケージ自体の軽量化、低コスト化を行うことは重要であり、そのことからプラスチック等の樹脂パッケージは軽量、かつ安価なので有望なパッケージ材料の一つである。樹脂パッケージを適用した場合、シーム溶接、あるいは半田固定の代用として接着剤によるパッケージ封止方法が最も有効である。
半導体レーザとその半導体レーザの光を短波長化する光導波路波長変換デバイスのパッケージ封止方法に接着剤を使用した場合、図１３に示された従来の気密封止構造では、図１３のＡ面１３０８において蓋部固定剤１３０２がパッケージ内部の気密封止されたガスと接しているので、接着剤からの不要ガス１３０６、あるいは硬化時に発生した接着剤の不要ガス１３０６がパッケージ内部に混在する。さらには、パッケージ内部の光導波路波長変換デバイス１３０４、サブマウント１３０５の固定に接着剤を使用することで、蓋を固定する場合と、同様にパッケージ内に接着剤の不要ガス１３０７が混在する。
従来、インコヒーレントな白色電球、あるいは発光ダイオード、長波の半導体レーザ等では、大きなエネルギーが発光点付近に集中することがなく、発光点に悪影響を及ぼすことはなかった。しかしながら、青色レーザのような短波長半導体レーザ、あるいは光導波路から出射する短波長化した光はコヒーレントな光で、かつレーザチップ端面もしくは光導波路の発光点付近には１０ＫＷ／ｃｍ２以上の多大なエネルギーが集中するため、そこに不要ガスの粒子が吸い寄せられ、パッケージ内部に存在する不要ガスが出射部であるチップ端面、光導波路端面に付着し、光出力が低下するという課題があった。
また、パッケージ封止固定剤、光導波路波長変換デバイス固定剤として紫外線硬化樹脂を使用した場合、半導体レーザまたは光導波路から出射した青紫光、紫外光とパッケージ内部の雰囲気中に存在する紫外線硬化樹脂による不要ガスであるアウトガスとが反応を起こし、さらに顕著な光導波路への端面付着が起こり、長期信頼性が失われるということが問題となる。
また一方で、光導波路波長変換デバイスをパッケージ内部に固定することなく、空気雰囲気中で連続点灯した場合においても、光導波路端面には多大なエネルギーが集中するために、空気中に存在する埃、塵、および炭化物等の異物が青色光出射端面に付着し、青色光の出力低下、および横モードの劣化が起こり、長期信頼性が失われるという課題があった。
発明の開示
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、制作時に用いられる接着剤に起因する性能の低下を軽減し、出力安定化を確保して長期に渡る信頼性を有する短波長レーザモジュールおよびその製造方法等を得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、第１の本発明（請求項１に対応）は、少なくとも半導体レーザを含み、短波長レーザ光を出力する発光デバイスと、
前記発光デバイスが配置される配置面と、前記配置面を囲む壁面とを有する容器本体と、
前記容器本体と接合して、その一部が前記配置面および前記壁面とともに、前記発光デバイスを収納する収納空間を形成する蓋部と、
前記容器本体と前記蓋部とを接合する接着剤とを備え、
前記容器と前記蓋部とは、当接かつ密着して合わされている封止面を有するように接合しており、
前記封止面は、前記接着剤と前記収納空間との間に設けられている短波長レーザモジュールである。
また、第２の本発明（請求項２に対応）は、前記発光デバイスにより得られる短波長レーザ光の波長は４５０ｎｍ以下である第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第３の本発明（請求項３に対応）は、前記発光デバイスは、前記半導体レーザの出力する光の波長を４５０ｎｍ以下の長さに変換する波長変換手段を有する第２の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第４の本発明（請求項４に対応）は、前記半導体レーザは波長４５０ｎｍ以下の波長の光を出力する短波長半導体レーザである第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第５の本発明（請求項５に対応）は、前記蓋部の、少なくとも接着剤により固定される部分は透光性を有し、
前記接着剤は、紫外線を照射されることにより硬化するものである第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第６の本発明（請求項６に対応）は、前記収納空間内には不活性ガスが密封されている第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第７の本発明（請求項７に対応）は、前記収納空間内は真空状態である請求項１に記載の短波長レーザモジュールである。
また、第８の本発明（請求項８に対応）は、前記容器本体および／または前記蓋部は透光性の出射窓を有している第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第９の本発明（請求項９に対応）は、前記接着剤は、少なくとも前記容器本体と前記蓋部の接合部分であって、前記短波長レーザモジュールの外部に露出した部分に設けられている第１の本発明の短波長レーザモジュールである。
また、第１０の本発明（請求項１０に対応）は、少なくとも半導体レーザを含む発光デバイスを、紫外線の照射により硬化する接着剤によりサブマウント上に固定する第１の固定工程と、
前記発光デバイスが固定されたサブマウントを、加熱により硬化する接着剤容器内に固定する第２の固定工程と、
さらに紫外線を照射して、前記紫外線の照射により硬化する接着剤の重合を促進する紫外線照射工程と、
前記容器内を気密するように前記容器を密封する密封工程とを備えた短波長レーザモジュールの製造方法である。
また、第１１の本発明（請求項１１に対応）は、前記紫外線工程照射工程と平行、もしくはその後に実行される、さらなる加熱を行い、前記加熱により硬化する接着剤の重合を促進する加熱工程をさらに備えた第１０の本発明の短波長レーザモジュールの製造方法である。
また、第１２の本発明（請求項１２に対応）は、前記加熱工程の温度は、前記第２の固定工程の温度よりも高く、前記短波長レーザモジュールの動作時の温度よりも低いものである第１０の本発明の短波長レーザモジュールの製造方法である。
また、第１３の本発明（請求項１３に対応）は、光の形態で情報を送信する送信手段を少なくとも備えた通信装置であって、
前記送信手段は、第１から第９のいずれかの本発明の短波長レーザモジュールを有する通信装置である。
以上のような本発明によれば、例えば半導体レーザとその光の波長を半分にする光導波路型波長変換デバイスから構成される短波長レーザモジュールと短波長レーザモジュールにおいて、密封の際に使用するパッケージ蓋固定剤、光導波路型波長変換デバイス固定剤やサブマウント固定剤から発生する不要ガスが半導体レーザ光、高調波光による影響をうけることなく、長期連続点灯時に出力の長期信頼性を確保する
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明を行う。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、光波長変換デバイスとしてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板上に作製した光導波路型擬似位相整合方式第二高調波発生（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ　Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、以下ＱＰＭ−ＳＨＧと称する）デバイスを用い、また半導体レーザとして波長可変機能を有する波長可変半導体レーザを用いた、ＳＨＧ青色光源について説明する。本実施の形態では、半導体レーザとその光の波長を半分にする光導波路型波長変換デバイスを密封する際に、蓋部固定剤とパッケージの内部が、密着部により遮断されているようなパッケージ構造にすることで長期連続点灯時に出力の長期信頼性を確保する。
図１に、本実施の形態のＳＨＧ青色光源の構成図を示す。本発明の発光デバイスに相当するＳＨＧ青色光源は、Ｓｉサブマウント１４上に実装された光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２と、本発明の半導体レーザに相当する波長可変半導体レーザ１３から構成される。光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２は、ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板１１上に形成されたプロトン交換光導波路１５と周期的な分極反転領域１６より構成されている。周期的な分極反転領域１６は、ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３基板の＋ｘ面に櫛形電極を形成し、電界を印加することにより作製される。基本波光と第二高調波光の伝搬速度のずれを、周期的な分極反転領域１６により補償し、擬似的な位相整合条件を満足している。基本波および高調波は、プロトン交換光導波路１５内を導波光として伝搬するため、長い相互作用長が確保でき、高い変換効率が実現できる。
次に、本実施の形態のＳＨＧ青色光源のパッケージによる気密封止構造について説明する。まず、Ｓｉサブマウント１４上に半田により波長可変半導体レーザ１３を高精度に実装し、その後、紫外線硬化樹脂により光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２を波長可変半導体レーザ１３に対して高精度に実装する。そして、Ｓｉサブマウント１４をパッケージ本体の所望の位置に熱硬化性のエポキシ系接着剤により固定する。
次に、ＳＨＧ青色光源を収納するパッケージの構成を説明する。図２（ｂ）はパッケージのみの斜視図であり、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ′線による断面図である。ただし、図２（ａ）においては、パッケージ内に収納されたＳＨＧ青色光源の断面も共に示した。
パッケージは図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の容器本体部に相当する本体部２０３と、本発明の蓋部に相当する蓋部２０１より構成され、本体部２０３の、ＳＨＧ青色光源が収納される凹みの外縁部２１０は、蓋部２０１の、断面Ｌ字型の段差を有する蓋部内側面２０６の一方の面であるＣ面２１２と実質同一の形状を有し、外縁部２１０とＣ面２１２とは対向するような位置関係となっている。なお、ここで、ＳＨＧ青色光源が収納される凹みは、本発明の配置面および壁面に相当する。一方、蓋部内側面２０６の一部であって、Ｃ面２１２と直角な他方の面であるＢ面２１１は、本体部２０３の内壁と対向する位置関係となっている。
蓋部２０１は、ＳＨＧ青色光源を収納した本体部２０３に、外縁部２１０とＣ面２１２とが対応するように接合される。このとき、蓋部２０１のＢ面２１１と、本体部２０３の内側壁とが当接、密着し、本体部２０３内のＳＨＧ青色光源が配置された凹みと、蓋部２０１の、ＳＨＧ青色光源が配置された空間に露出した面とにより、ＳＨＧ青色光源の収納空間が形成される。なお、この収納空間は本発明の収納空間に相当する。
外縁部２１０とＣ面２１２との間には、本体部２０３と蓋部２０１とを接着固定するための接着剤２０２が充填されるが、収納空間と接着剤２０２との間には、蓋部２０１のＢ面２１１と、本体部２０３の内壁とが当接、密着することにより、本発明の封止面が形成されており、この封止面のため、接着剤２０２は収納空間内の雰囲気とは接触することがない。
このとき、Ｂ面２１１から対面のＢ面２１１までの公差を本体部２０３の内側壁から対面の内側面までの距離に対し、＋０．０５ｍｍで作製するのが望ましい。これにより、気密封止時、封止面における蓋部２０１のＢ面２１１と本体部２０３の内側壁との密着性が増大し、接着剤２０２はパッケージの内部空間の雰囲気と充分に遮断される。
一方、パッケージ本体出射面にはカバーガラス２０５が融着によりあらかじめ固定されており、Ｓｉサブマウント１２は、ＳＨＧ青色光源から発生する青色光がカバーガラス２０５を有する面に対して垂直に出射する方向に固定されている。
次に、以上のようなパッケージの組み立てについて説明する。蓋部２０１および、ＳＨＧ青色光源が配置された本体部２０３を、Ｎ２が十分満たされた雰囲気中に設置し、ＳＨＧ青色光源が配置された本体部２０３の凹み内にＮ２が十分に満たされた状態に保持する。その後、蓋部２０１を本体部２０３に嵌合し、封止面が形成された状態で、蓋部２０１のＣ面２１２と本体部２０３の外縁部２１３との間に接着剤２０４を充填して、蓋部２０１と本体部２０３とを接着固定する。このとき、接着剤２０４の一例として、２液性のエポキシ系接着剤を、Ｃ面２１２、外縁部２１３の一方または両方に塗布するようにする。
接着が完了すると加圧する。その後、常温で一定時間、例えば２４時間放置することで接着剤２０４が硬化し、十分な気密性が確保される。ただし、接着剤２０４の塗布は、蓋部２０１と本体部２０３との嵌合前に行ってもよい。
蓋部２０１の一例としては、金属を使用する。従来例のパッケージ構造（図１３）では、ＳＨＧ青色光源の気密封止に２液性のエポキシ系接着剤を使用した場合、パッケージ内部に不要ガスが存在するために、図５のグラフにて示すように青色光５ｍＷの連続点灯後に光導波路端面への異物付着による基本波光および青色光の出力低下が確認されたが、本実施の形態のようなパッケージ構造を適用することで青色光５ｍＷの連続点灯後に端面付着が確認されることなく、１０００時間の長期信頼性が確保された。
このように、本実施の形態によれば、蓋部２０１にＢ面２１１、Ｃ面２１２を設けＬ型段差構造とすることで、接着剤の未硬化部分、あるいは硬化した接着剤が、ＳＨＧ青色光源が配置されたパッケージ内部に侵入し、その雰囲気中に混在するのを防ぐことができる。そのため、不要ガス２０４がＳＨＧ青色光源の出射端面に付着することがなく、レーザ光の出力低下が起こらない。
本実施の形態では、レーザの連続点灯時における端面への異物付着が回避されることで長期信頼性が確保され、その実用的効果は大きい。
なお、本実施の形態では、蓋部２０１として金属を用いたが、ガラスあるいはプラスチック等の樹脂材料でも同様の封止方法が実現でき、より軽量、安価となるので好ましい。また、接着剤は２液性のエポキシ系接着剤に限定するものではなく、１液性の熱硬化接着剤、常温硬化接着剤などを使ってもよい。
さらに、接着剤２０４を本体部２０３と蓋部２０１との全外周部接点に充填するようにしてもよい。この状態では、外から見たときに、本体部２０３と蓋部２０１との接合線が、接着剤により隠れるようになる。この場合、ヒートサイクル試験時における信頼性、あるいは衝撃等の信頼性の面において、外周部接点の一部に接着剤を充填する場合よりも優れており、その実用的効果は大きい。
また、上記の説明において、収納空間の気密封止においてはＮ２ガスを使用したが、不活性ガスであれば、希ガス等の他の種類のガスを用いてもよい。また、ガスを用いず収納空間内部を真空状態にしてもよい。この場合、収納空間と、パッケージ蓋部の空気中との気圧差のため、封止面における密着強度が増大するので、より気密性が増すため、接着剤がパッケージ内部に混入することを困難にし、本発明の効果をさらに向上させることができる。
また、パッケージの構造は、蓋部２０１のような断面Ｌ字型の段差を有する構成に限定されるものではなく、図３に示すように、本体部３３と蓋部３１とが密着して接合する密着面３５が、本体部３３の内側壁と斜交したテーパー形状を有するように形成してもよい。このとき、蓋部固定剤３２は、本体部３３と蓋部３１との蓋部に露出した接合線を封止するように充填される。
図３に示す構成の場合、密着面３５全体が本発明の封止面を形成することになり、蓋部固定剤３２はパッケージ内部のと遮断することができ、蓋部固定剤３２の未硬化部分、あるいは硬化時に発生した不要ガスがパッケージ内部の収納空間に侵入することはない。さらに、テーパー形状なので、蓋部３１の上面からの加圧量を上げることで、図２に示す構造に比べさらに密着性を増すことができる、より効果的である。また、蓋部３１を加圧しながら固定することで密着面３５はより外部との遮断性を増すことができ有効である。
さらに、蓋部の構造は、図４（ａ）（ｂ）のように、蓋部４１、および本体部４３の接触面をＬ字型段差構造にしても、蓋部４１と本体部４３との接合、密着により形成される密着部４５が封止面となり、蓋部固定剤４２はパッケージ内部と遮断することができ、蓋部固定剤４２から発生した不要ガスがパッケージ内部に侵入することはない。これも、図３の構造と同様に加圧量を上げることで、密着部の密着性をより増大させることが可能である。また、図３の構造に比べ、作製が容易な点でより効果的である。特に、図４（ａ）は、蓋部４１の縁部であって、蓋部固定剤４２が充填される部分には溝４５０を形成することにより、蓋部固定剤４２の充填がより容易であるため、さらに有効である。
また、本実施の形態ではパッケージの外観形状を直方体にしたが、パッケージ外観形状は直方体に限らず、立方体、多角形体、半円柱体などを使ってもよい。パッケージ内部形状としては、本体部と蓋部とが密着してなる封止部の外側に、本体部と蓋部の接着剤による固定部を設けることが、パッケージ内部への固定剤のアウトガス侵入を防ぐためには重要である。
要するに、本発明は、蓋部と収納本体とにより形成される収納空間と、蓋部と収納本体とを接着する接着剤との間に、蓋部と収納本体とが密着してなる封止面が形成されるようになっていればよく、収納本体および蓋部の外形や本体の、光学デバイスが配置される凹みの具体的な形状、封止面の具体的な構成、接着剤の塗布位置、充填位置等によって限定されるものではない。
（実施の形態２）
本実施の形態は、半導体レーザとその光の波長を半分にする光導波路型波長変換デバイスとＳｉサブマウントを気密封止する際に、パッケージ蓋固定剤として短波長域で反応性の強い紫外線硬化剤を用いたものである。これにより、実施の形態１と同様、長期連続点灯時に出力の長期信頼性を確保する。
本実施の形態のＳＨＧ青色光源のパッケージによる気密封止構造について、図６を用いて説明する。図において、図２と同一部または相当部には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、蓋部６０１は、例えばガラス板等で実現される、透明な部材にて実現される点が異なる。また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、光波長変換デバイスとしてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板上に作製した光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを、半導体レーザとして波長可変機能を有する波長可変半導体レーザを用いた、ＳＨＧ青色光源を例とする。
次に、本実施の形態のパッケージの組立方法について図６を用いて説明する。実施の形態１と同様に、Ｓｉサブマウント上に実装された光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスと波長可変半導体レーザをパッケージ本体の所望の位置に熱硬化性のエポキシ系接着剤等により固定する。
次に、パッケージ本体をＮ２ガスが十分満たされた雰囲気中に設置し、ＳＨＧ青色光源が配置されたパッケージ本体内部にＮ２ガスが十分に満たされた状態に保持する。その後、蓋部６０１を本体部２０３に嵌合し、封止面が形成された状態で、蓋部２０１のＣ面６１２と本体部２０３の外縁部２１３との間に紫外線硬化剤６０２を充填して、蓋部２０１と本体部２０３とを張りあわせ、加圧する。さらに加圧と平行して紫外線照射器６１１より紫外線６１０をパッケージ蓋６０１に対して照射し、左右２箇所を中心にそれぞれ約６０ｓｅｃ程度ずつ照射し、紫外線硬化剤６０２を硬化させて、蓋部６０１と本体部２０３とを接着固定し、パッケージ本体内部を気密封止する。
蓋部６０１および本体部２０３の構成は実施の形態１と同様なので、紫外線硬化剤の未硬化部分、あるいは硬化した接着剤がＳＨＧ青色光源が配置されたパッケージ内部に侵入、その雰囲気中に混在することを防ぐことができる。これにより、不要ガス６０４がＳＨＧ青色光源の出射端面に付着することがなく、レーザ光の出力低下が起こらない。
波長４５０ｎｍ以上の半導体レーザ、およびその他の可視光レーザ、光導波路波長変換デバイスの気密封止に紫外線硬化剤を使用する場合、発生する光の波長が紫外線硬化剤と反応するような波長域でなかった。しかし、本実施の形態のように発生する波長が４５０ｎｍ以下の短波長域の光源を気密封止する際には、短波長化に伴い、紫外線硬化剤の反応性が増大する。そのため、図７からも明らかなように、従来のパッケージ構造（図１３）では、青色ＳＨＧ光源の気密封止に紫外線硬化剤を使用した際、青色光の連続点灯後では光導波路端面への異物付着による基本波光および青色光の出力低下が確認された。
そこで、本実施の形態のようなパッケージ構造を適用することにより出力５ｍＷの青色光連続点灯後に端面への異物付着が確認されることなく、図７で示すように半導体レーザ光、青色光の１０００時間における長期信頼性が確保された。
本実施の形態では、パッケージ蓋固定剤として紫外線硬化剤を用いたが、紫外線硬化剤と反応性が高い４５０ｎｍ以下の短波長域においても端面への付着が回避されることで波長変換された青色光の長期信頼性が確保され、その実用的効果は大きい。また、実施の形態１の２液性エポキシ樹脂、熱硬化性接着剤等の接着剤と比較して、硬化時間が非常に速いので短波長レーザモジュールの量産性という点では、作製において時間短縮化が可能であり、その実用的効果は大きい。
なお、本実施の形態では、パッケージとして、実施の形態１における図２の構造のものを使用したが、図３、および図４の構造のパッケージ蓋を使用し、加圧しながら気密封止を行ってもよい。この場合も、紫外線硬化剤とパッケージ内部との遮断性が増すため、その実用的効果は大きい。
また、本実施の形態では、蓋部６０１としてガラス材料を用いたが、プラスチック等の樹脂材料でも紫外線硬化剤の照射機の波長域において透明あるいはある程度以上、例えば３０％以上の透光性を有するものであれば同様の封止方法が実現でき、より軽量となるので好ましい。
また、本実施の形態としては、蓋部６０１は全て透光性を有するものとして説明を行ったが、本発明の蓋部は、少なくとも紫外線硬化剤が照射される部分が透光性を有していればよい。
また、上記の実施の形態２においては、ＳＨＧ青色光源を用いたが、本発明の光学デバイスとして、ＳＨＧ青色光源の代わりに、波長４１０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを用いてもよい。図８に示すように、ＧａＮ系半導体レーザ８１は、Ｓｉサブマウント８３上に例えば半田により固定されて構成される。サブマウント８３の配置は、実施の形態２と同様に行うことができ、図８に示すように、ＧａＮ半導体レーザ８１から出射した光は反射面８２で反射して上方に射出され、透明な蓋部６０１から蓋部へ出力される。
波長４１０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを従来パッケージ、本発明のパッケージのそれぞれにより気密封止を行い、長期信頼試験を行った。その結果、ＳＨＧ青色光源と同様に従来パッケージでは半導体チップ端面への異物付着による光出力低下が起こったのに対し、本実施の形態のパッケージでは半導体チップ端面での異物付着は確認されず、１０００時間におけるレーザの長期信頼性が確保された。
このように、ＧａＮ系半導体レーザ８１は紫色光を出力するが、上記実施の形態の構成をＧａＮ系半導体レーザに用いることにより、紫色光を長期連続点灯時に出力の長期信頼性を実現することができる。
なお、ＧａＮ系半導体レーザの波長は４１０ｎｍであるとしたが、他の波長であってもよい。また、Ｓｉサブマウントの形状は、図８に示すものに限定する必要はなく、図１に示すようなものであってもよい。この場合、ＧａＮ系半導体レーザを実施の形態１の構成のパッケージに収納して用いることが可能となる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、光導波路型波長変換デバイスとＳｉサブマウントを固定する際に使用する固定剤の重合を促進させる工程を導入することで波長変換された高出力の青色光の長期連続点灯時に出力の長期信頼性を実現する。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、光波長変換デバイスとしてＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板上に作製した光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを、半導体レーザとして波長可変機能を有する波長可変半導体レーザを用いた、ＳＨＧ青色光源を用い、実施の形態１の本体部２０１にＳＨＧ青色光源を実装する場合について説明する。
本実施の形態のＳＨＧ青色光源の作製工程を図９に示す。まず、Ｓｉサブマウント１４上に半田により波長可変半導体レーザ１３を高精度に実装し（９１１）、その後、紫外線硬化樹脂により光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２を波長可変半導体レーザ１３に対して高精度に実装する（９１２）。そして、Ｓｉサブマウント１４を本体部２０３の所望の位置に熱硬化性のエポキシ系接着剤により固定する（９１３）。この時、本体部２０３の出射面にはカバーガラス２０５が融着により固定されており、発生する青色光がカバーガラス２０５を含む面に対して、垂直に出射するようにＳｉサブマウントを固定する。
一般に、接着剤は硬化前の状態よりも硬化後の状態のほうが不要ガス量は少なく、また硬化時において不要ガスを発生する。そのため、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２の固定用に使用した紫外線硬化樹脂、およびＳｉサブマウント１２の固定に使用した熱硬化性エポキシ系接着剤から硬化前および硬化時に発生する不要ガスは、Ｓｉサブマウント１２が配置された空間が気密封止されていない状態では本体部２０１の外に逃がすことができる。しかしながら、硬化後においても接着剤には残留不要ガスが存在し、微小の不要ガスであっても、完成後のＳＨＧ青色光源の長期信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
残留不要ガスによる影響を調べるために不要ガスが比較的少ないエポキシ系紫外線硬化接着剤をＳＨＧ青色光源の固定に使用し、またエポキシ系熱硬化接着剤をＳｉサブマウント１２の固定に使用し、レーザ連続点灯後の不要ガス評価を行った。この時、紫外線硬化で使用した紫外線照射量は約３０００ｍＪ（メーカ推奨値相当）で、熱硬化樹脂の硬化方法は６０℃恒温槽で１時間の熱処理により行った。また、気密封止時のパッケージ形状およびその組立方法は、実施の形態２と同様とした。
（実施例１）
はじめに基本波光（波長８００ｎｍ帯）を連続点灯して端面の観察を行ったところ、端面への異物付着は確認されず、不要ガス量の少ない接着剤を使用することにより基本波の信頼性は確保された。しかしながら、不要ガスが小さいとされている接着剤であっても高出力の青色光（波長４００ｎｍ帯、出力１０ｍＷ）を連続点灯後、端面を観察したところ、異物付着が観測された。これはパッケージ内に残留した接着剤の不要ガス、あるいは未硬化の接着剤から発生した不要ガスが素子端面に付着したものであると考えられ、不要ガス量が少ないエポキシ系の接着剤においても、少量の不要ガスの存在で長期信頼性に影響を及ぼすことが判明した。
また、接着剤は硬化後においても、光重合が進行している状態で、光重合時に接着剤が不要ガスを発生し、その発生した不要ガスが本実験においても影響を及ぼしたものと考えることもできる。図１０は−４０〜８５℃ヒートサイクル試験における接着強度特性であるが、０〜１００サイクルにかけて接着強度が上昇していることが確認できる。これはヒートサイクル試験時、接着剤の重合が促進され、接着強度が上昇したものと考えられる。
また、被着体であるＳＨＧ素子（ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板）の吸収端は３２０ｎｍにあり、ＳＨＧ素子を紫外線硬化剤で固定する場合の紫外線照射において、３２０ｎｍ以下の波長は透過しない。一方、紫外線硬化剤の硬化波長は接着剤により異なるが、各接着剤においても単一波長に限定されず、紫外領域から可視領域に渡り、複数の特定波長で硬化するように開始剤が配合されている。しかし、被着体として、ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板を使用している場合、波長３２０ｎｍ以下で重合する開始剤は、接着剤の硬化に寄与できない。つまり、波長３２０ｎｍ以上で重合する開始剤によって紫外線硬化剤を完全に硬化させなければならないため、十分な紫外照射量が必要とされる。本実施の形態で使用した紫外線硬化剤は最適硬化波長が３３０ｎｍ付近のものを使用している。ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板の波長３３０ｎｍでの透過率は約５０％なので、紫外線硬化剤に照射される紫外線の積算光量は、実際の照射機からの積算光量の約半分となる。
このことから接着剤の重合を促進させて、不要ガスを完全除去するために、ＳＨＧ青色光源固定後の追加紫外線照射を本硬化に必要なメーカ推奨照射量以上、本実施の形態では２倍以上（６０００ｍＪ以上、メーカ推奨値は３０００ｍＪ）行い、Ｓｉサブマウント１２の固定後に恒温槽による６０℃熱処理を１０時間行う不要ガス対策工程を取り入れた（図９の９１４）。このときの紫外線照射量はＳＨＧ素子の紫外線透過率を考慮すると接着剤の本硬化に十分な照射量であり、熱処理はＳＨＧ青色光源の動作温度（ここでの動作温度は常温２５℃）以上で行っているので接着剤の未硬化による不要ガスの発生、および動作環境下での不要ガス発生は取り除かれる。
また、６０℃の１０時間熱処理工程では熱拡散による光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２の光導波路部への影響、すなわち光導波路部の屈折率変化は無視できるほど極めて小さく、光導波特性、すなわち光導波路への光結合効率低下によるＳＨＧ青色光源の光出力特性は変化しない。その結果、図１１に示すように出力１０ｍＷの青色光連続点灯時において５００時間以降の素子端面への付着は確認されることなく、出力低下は解消され、高出力時のＳＨＧ青色光源の長期信頼性を確保した。
（実施例２）
ＳＨＧ青色光源の動作温度、保存温度が上昇した際、不要ガス発生を回避するために動作温度、保存温度以上に熱処理温度を設定する必要があり、またその時の熱処理工程は光導波路部への熱拡散による影響が無視できる工程を設定する必要がある。光ディスク用光源として、ＳＨＧ青色光源を使用する場合は、一般に上限保存温度が８５℃とされているので８５℃以上の熱処理工程が必要である。不要ガス除去のための熱処理工程は、１００℃で１０時間行った。ここでの熱拡散による導波路の拡散量ｄは、ｄ＝２×［Ｄ（Ｔ）×ｔ］１／２（Ｄは拡散定数でＴの関数、Ｔは熱処理温度、ｔは熱処理時間）で表すことができる。
通常、光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス１２のようなプロトン交換導波路作製時における熱処理工程は、Ｔ＝３３０℃、ｔ＝３時間で行っており、Ｔ＝１００℃でｔ＝１０時間の熱処理工程は、通常のプロトン交換導波路作製時における熱拡散による拡散量に比べ２桁以上小さく、拡散量としては光導波特性に影響を及ぼさない程度で非常に小さい。すなわち、この工程は光導波特性に影響を及ぼさない工程で、かつ不要ガスを完全に除去する工程として用いることができる。熱処理工程の温度がＴ＝１００〜２００℃の領域では、ｔ＝１０時間程度の熱処理工程で光導波特性に影響を及ぼすことはなく、かつ不要ガスは除去できるので上限保存温度がｔ＝２００℃以下の範囲に関しては十分な熱処理工程を施すことができる。
本実施例では、パッケージとして図４（ａ）に示す構成を使用し、気密封止時に蓋部４１の加圧をしながら蓋部固定剤４２を充填、および硬化させる工程を取り入れた。なお、気密封止は蓋部４１を蓋部固定剤４２で固定することにより行ったが、気密封止方法として、蓋部４１を蓋部固定剤４２で先に固定した後、本体部４３の光出射窓であるカバーガラス４４を融着で最後に固定することにより行っても構わない。すなわち、融着前に熱処理工程を行えば、パッケージ蓋固定用の蓋部固定剤４２の不要ガスが仮にパッケージ内部に存在した場合でも不要ガスを、カバーガラス４４装着前の出射窓部からパッケージ外部に逃がすことができ、その実用的効果は大きい。
また、気密封止は蓋部４１を接着剤で固定することにより行ったが、パッケージ蓋固定方法として、蓋部の全周部の一部を除いて接着剤を充填、固定した後、最後に未充填部分に充填し、固定する方法により行っても構わない。それにより、パッケージ蓋固定用の接着剤の不要ガスが仮にパッケージ内部に存在した場合でも不要ガスを未充填部分からパッケージ外部に逃がすことができるので、その実用的効果は大きい。
このように、本実施の形態のように、半導体レーザと光導波路型波長変換デバイスをＳｉサブマウント上で直接結合した光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイスを気密封止された容器内部に固定することで、ＳＨＧ素子端面を空気雰囲気中に存在する埃、塵、炭化物から守り、波長変換された高出力の青色光の長期連続点灯時に出力の長期信頼性を確保できる。半導体レーザと光波長変換デバイスを用いたＳＨＧ青色光源においては、空気中に存在する異物が連続点灯時に出射端面に付着し、出力低下、及び横モードの劣化を引き起こすため、大きな課題となっていた。
図１に示したパッケージ内部に気密封止されていない直接結合型短波長レーザモジュールをパッケージ内に気密封止することなく出射端面が空気雰囲気中と接している状態で連続点灯した際、空気中の異物が出射端面に付着し、図１２に示すように青色光の出力低下、および横モード劣化を起こした。そこで、実施の形態４の工法を用い、短波長レーザモジュールを気密封止することにより、出射端への空気中の異物付着、さらには実施の形態４に示した固定剤から発生するアウトガスが付着することを防ぎ、出力、および横モードの長期信頼性を確保することができた。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、短波長光の長期点灯時における出力の信頼性が確保される。
さらに、短波長レーザモジュールの制作時に、固定剤から発生する不要ガスを除去することで、光学デバイスの出射端面に異物が付着することを回避でき、青色光の高出力点灯時における出力の長期信頼性が確保される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本実施の形態のＳＨＧ青色光源の構成図である。
図２（ａ）は、実施の形態１のパッケージ構造の断面図、
図２（ｂ）は、実施の形態１のパッケージ構造の立体図である。
図３は、実施の形態１のパッケージ構造の断面図である。
図４は、実施の形態１のパッケージ構造の断面図である。
図５は、実施の形態１における長期信頼性評価特性を示す図である。
図６は、実施の形態２のパッケージ構造の断面図である。
図７は、実施の形態２における長期信頼性評価特性を示す図である。
図８は、本実施の形態のＧａＮ系半導体レーザの構成図である。
図９は、実施の形態４におけるＳＨＧ青色光源の作製工程図である。
図１０は、ヒートサイクル試験時の接着強度特性を示す図である。
図１１は、実施の形態４における長期信頼性評価特性を示す図である。
図１２は、実施の形態４における長期信頼性評価特性を示す図である。
図１３は、従来のパッケージ構造の断面図である。
（符号の説明）
１１　ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ３基板
１２，光導波路型ＱＰＭ−ＳＨＧデバイス
１３，波長可変半導体レーザ
１４，８３，Ｓｉサブマウント
１５　プロトン交換光導波路
１６　周期的な分極反転領域
３１，４１，１３０１　金属パッケージ蓋
３２，４２，２０２　接着剤
３３，４３，１３０３　金属パッケージ本体
３４，４４，２０５，カバーガラス
３５，４５　密着部
３６，４６，２１３　外周部接点
８１　半導体レーザ
８２　反射面
２０１　蓋部
２０３　本体部
２０４，６０４，１３０６　不要ガス
２０６　蓋部内側面
２１０　外縁部
２１１，６０６　Ｂ面
２１２　Ｃ面
６０１　蓋部
６０２　紫外線硬化剤
６１０　紫外線
６１１　紫外線照射機
１３０２　蓋部固定剤
１３０４　光導波路型波長変換デバイス
１３０５　サブマウント
１３０７　パッケージ内の不要ガス
１３０８　Ａ面
【図１】
2002054548.tif 000003
【図２（ａ）】
2002054548.tif 000004
【図２（ｂ）】
2002054548.tif 000005
【図３】
2002054548.tif 000006
【図４（ａ）】
2002054548.tif 000007
【図４（ｂ）】
2002054548.tif 000008
【図５】
2002054548.tif 000009
【図６】
2002054548.tif 000010
【図７】
2002054548.tif 000011
【図８】
2002054548.tif 000012
【図９】
2002054548.tif 000013
【図１０】
2002054548.tif 000014
【図１１】
2002054548.tif 000015
【図１２】
2002054548.tif 000016
【図１３】
2002054548.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成14年5月24日(2002.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）少なくとも半導体レーザを含み、短波長レーザ光を出力する発光デバイスと、
前記発光デバイスが配置される配置面と、前記配置面を囲む壁面とを有する容器本体と、
前記容器本体と接合して、その一部が前記配置面および前記壁面とともに、前記発光デバイスを収納する収納空間を形成する蓋部とを備え、
前記容器本体と前記蓋部とは、当接かつ密着して合わされている封止面を形成するように嵌合し、かつ接着剤により接合されており、
前記封止面は、前記接着剤と前記収納空間との間に形成されている短波長レーザモジュール。
【請求項２】
前記発光デバイスにより得られる短波長レーザ光の波長は４５０ｎｍ以下である請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項３】
前記発光デバイスは、前記半導体レーザの出力する光の波長を４５０ｎｍ以下の長さに変換する波長変換手段を有する請求項２に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項４】
前記半導体レーザは波長４５０ｎｍ以下の波長の光を出力する短波長半導体レーザである請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項５】
前記蓋部の、少なくとも接着剤により固定される部分は透光性を有し、
前記接着剤は、紫外線を照射されることにより硬化するものである請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項６】
前記収納空間内には不活性ガスが密封されている請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項７】
前記収納空間内は真空状態である請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項８】
前記容器本体および／または前記蓋部は透光性の出射窓を有している請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項９】
前記接着剤は、少なくとも前記容器本体と前記蓋部の接合部分であって、前記短波長レーザモジュールの外部に露出した部分に設けられている請求項１に記載の短波長レーザモジュール。
【請求項１０】
（補正後）少なくとも半導体レーザを含む発光デバイスを、紫外線の照射により硬化する接着剤によりサブマウント上に固定する第１の固定工程と、
前記発光デバイスが固定されたサブマウントを、加熱により硬化する接着剤により容器内に固定する第２の固定工程と、
さらに紫外線を照射して、前記紫外線の照射により硬化する接着剤の重合を促進する紫外線照射工程と、
前記容器内を気密するように前記容器を密封する密封工程とを備え、
前記密封工程は、前記本体と前記蓋部とを、当接かつ密着して合わされている封止面を形成するように嵌合し、かつ接着剤により接合するものであり、
前記封止面が、前記接着剤と前記収納空間との間に形成されるようにする短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記紫外線工程照射工程と平行、もしくはその後に実行される、さらなる加熱を行い、前記加熱により硬化する接着剤の重合を促進する加熱工程をさらに備えた請求項１０に記載の短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記加熱工程の温度は、前記第２の固定工程の温度よりも高く、前記短波長レーザモジュールの動作時の温度よりも低いものである請求項１０に記載の短波長レーザモジュールの製造方法。
【請求項１３】
光の形態で情報を送信する送信手段を少なくとも備えた通信装置であって、
前記送信手段は、請求項１から９のいずれかに記載の短波長レーザモジュールを有する通信装置。
【国際調査報告】
2002054548.tif 000018
2002054548.tif 000019
2002054548.tif 000020
2002054548.tif 000021