半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于通過簡單的構(gòu)造獲得高效的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器。因此具備：配置在固體激光器基板（2）上的平面波導(dǎo)型固體激光器元件（101），在板狀的固體激光器介質(zhì)（3）的兩面形成折射率與該固體激光器介質(zhì)的折射率不同的包層（15a、15b）；LD陣列（1），在LD基板上形成被包覆層夾著的發(fā)光層，產(chǎn)生用于從端面激勵固體激光器介質(zhì)的激光；以及子固定架基板（5），在同一面上形成兩種厚度的接合層（6a、7、70），平面波導(dǎo)型固體激光器元件在與設(shè)置了固體激光器基板的面相反的面中經(jīng)由兩種厚度的接合層中的一種厚度的接合層而接合到子固定架基板，LD陣列在發(fā)光層側(cè)的面中經(jīng)由兩種厚度的接合層中的另一種厚度的接合層而接合到子固定架基板。
【專利說明】半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激勵的固體激光器，特別是涉及利用平面波導(dǎo)型固體激光器元件的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器的模塊結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為獲得高輸出的激光器，已知使用添加了釹等稀土族元素的YV04、YAG這樣的光學(xué)材料的固體激光器(SSL:Solid State Laser)。近年來，為了實(shí)現(xiàn)小型且高效，作為激勵光源使用了半導(dǎo)體激光器(LD)的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器成為主流。另外，為了獲得高輸出，在激勵用半導(dǎo)體激光器中使用在與光軸正交的方向上排列多個半導(dǎo)體激光器而成的半導(dǎo)體激光器陣列(LD陣列)的情況多。
[0003]半導(dǎo)體激勵固體激光器除了加工用途之外，還通過使用了非線性光學(xué)元件的2次諧波產(chǎn)生(SHG:Second Harmonic Generation)而設(shè)為固體激光器波長的一半波長由此獲得可見光，因此還作為顯示器用光源而使用。
[0004]半導(dǎo)體激勵固體激光器的模塊由LD元件、固體激光器元件、冷卻這些元件的散熱器、用于緩和LD元件以及固體激光器元件與散熱器之間的線性膨脹應(yīng)力的子固定架(sub-mount)等構(gòu)成。另外，為了使從LD元件輸出的激光與固體激光器元件耦合，進(jìn)行固體激光器振蕩時的橫?？刂疲渲昧嗽贚D元件與固體激光器元件之間配置的耦合透鏡的情況多。(例如專利文獻(xiàn)I)
[0005]另一方面，提出了如下方法:將固體激光器元件設(shè)為平面型波導(dǎo)構(gòu)造來控制波導(dǎo)厚度方向的橫模、即垂直橫模，根據(jù)在固體激光器元件內(nèi)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)來控制波導(dǎo)的寬度方向的橫模、即水平橫模，從而棄用耦合透鏡來實(shí)現(xiàn)更小型的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊。(例如專利文獻(xiàn)2)
[0006]專利文獻(xiàn)I是在固體激光器元件中不使用波導(dǎo)構(gòu)造而是通過耦合透鏡實(shí)現(xiàn)了激光的橫模抑制的例子。專利文獻(xiàn)2以及專利文獻(xiàn)3是如下例子:將固體激光器元件設(shè)為平面型波導(dǎo)構(gòu)造來控制激光的垂直橫模，并且通過將固體激光器元件配置在設(shè)置了條紋狀的凹凸的子固定架上而在波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生以激光吸收為發(fā)熱源的溫度分布，從而進(jìn)行激光的水平橫模控制。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開平11-177167號公報
[0008]專利文獻(xiàn)2:國際公開W02006/103767號
[0009]專利文獻(xiàn)3:國際公開W02009/116131號

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]然而，在如專利文獻(xiàn)2那樣在固體激光器元件中使用平面型波導(dǎo)、且不具備耦合透鏡的情況下，如果要獲得足夠的耦合效率，則需要對LD元件的發(fā)光點(diǎn)與固體激光器元件的波導(dǎo)位置高精度地進(jìn)行定位。在專利文獻(xiàn)2中，將LD元件以及固體激光器元件作為設(shè)置于各自的子固定架、散熱器的子模塊而預(yù)先構(gòu)成。由于需要將這些子模塊彼此進(jìn)行了定位調(diào)整之后通過粘接等方法來進(jìn)行接合固定，因此存在部件數(shù)量以及組裝工時增大這樣的問題點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明是為了解決如上所述的課題而作出的，其目的在于提供一種半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊，在使用具備平面型波導(dǎo)的固體激光器元件而構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器中，不采用子模塊構(gòu)造而能夠容易進(jìn)行LD元件與固體激光器元件之間的定位并且獲得高的耦合效率。
[0012]本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器具備:平面波導(dǎo)型固體激光器元件，在板狀的固體激光器介質(zhì)的兩面形成折射率與該固體激光器介質(zhì)的折射率不同的包層(clad)，且平面波導(dǎo)型固體激光器元件配置在固體激光器基板上；LD陣列，在LD基板上形成被包覆層(clad layer)夾著的發(fā)光層，產(chǎn)生用于從端面激勵固體激光器介質(zhì)的激光；以及子固定架基板，在同一面上形成了兩種厚度的接合層，其中，固體激光器元件在與設(shè)置了固體激光器基板的面相反的面中，經(jīng)由兩種厚度的接合層中的一種厚度的接合層而接合到子固定架基板，LD陣列在發(fā)光層側(cè)的面中，經(jīng)由兩種厚度的接合層中的另一種厚度的接合層而接合到子固定架基板。
[0013]在將LD陣列和平面波導(dǎo)型固體激光器元件安裝到子固定架基板的時刻，LD陣列的發(fā)光點(diǎn)位置與平面波導(dǎo)型固體激光器元件的波導(dǎo)中心一致，因此通過簡單的結(jié)構(gòu)，不用對LD陣列與平面波導(dǎo)型固體激光器元件之間的高度進(jìn)行位置調(diào)整，而能夠獲得高效的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的半導(dǎo)體激勵固體激光器的側(cè)面截面圖。
[0015]圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的半導(dǎo)體激勵固體激光器的俯視圖。
[0016]圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的子固定架基板上的接合層的形成方法的一個例子的圖。
[0017]圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體激勵固體激光器的側(cè)面截面圖。
[0018]圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體激勵固體激光器的俯視圖。
[0019](符號說明)
[0020]1:LD陣列；2:固體激光器基板；3:固體激光器介質(zhì)；4:散熱器；5:子固定架基板；6a、6b、70:接合層；7:條紋狀接合層；15a、15b:包層；101:平面波導(dǎo)型固體激光器兀件；102:子固定架。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施方式1.[0022]圖1是本實(shí)施方式I的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊100的側(cè)面截面圖，圖.2是俯視圖。半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊100具有LD陣列1、平面波導(dǎo)型固體激光器元件101、子固定架102、散熱器4。
[0023]散熱器4由Cu、Fe、CuW等高導(dǎo)熱的金屬材料構(gòu)成。子固定架102包括以下部分:由AlN或者SiC等高導(dǎo)熱絕緣材料構(gòu)成的子固定架基板5、配置在該子固定架基板5的上下面并由Cu、N1、Au等具有高導(dǎo)電性且高導(dǎo)熱性的金屬材料構(gòu)成的接合層6a、6b、以及同樣地由Cu、N1、Au等高導(dǎo)熱金屬材料構(gòu)成的條紋狀接合層7。該子固定架102通過錫焊等方法而被安裝固定在散熱器4上。LD陣列I成為如下結(jié)構(gòu)，即成為在厚度約為100 μ m左右的GaAs等材料的LD基板上形成了厚度為I μ m左右的η型包覆層、厚度為0.01 μ m左右的發(fā)光(活性)層、厚度為I μ m左右的P型包覆層、厚度為2~3 μ m左右的電極而成的結(jié)構(gòu)。該LD陣列I在后述的板狀的固體激光器介質(zhì)3的與固體激光器的光軸正交的端面的寬度方向上以陣列狀具有多個發(fā)光點(diǎn)。另外，LD陣列I在與LD基板相反側(cè)的面、即發(fā)光層側(cè)的面中(以所謂的結(jié)向下(junction down))通過錫焊等方法以電氣/機(jī)械方式接合到子固定架102的接合層6a。
[0024]平面波導(dǎo)型固體激光器元件101包括以下部分:由添加了釹等稀土族元素的YVO4, YAG等材料構(gòu)成的板狀的固體激光器介質(zhì)3、由與固體激光器介質(zhì)3的折射率不同的材料構(gòu)成并配置在板狀的固體激光器介質(zhì)3的上下兩面的包層15a、15b、以及保持固體激光器介質(zhì)3和包層15a、15b的固體激光器基板2。在上下兩面配置了包層15a、15b的固體激光器介質(zhì)3形成平面波導(dǎo)。對平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的LD側(cè)端面施以使來自LD的激勵激光的波長透過、并使從固體激光器介質(zhì)3引導(dǎo)放出的固體激光的波長反射的反射涂層14a，另外對輸出側(cè)端面施以將固體激光進(jìn)行部分反射的反射涂層14b。平面波導(dǎo)型固體激光器元件101以使固體激光器介質(zhì)3朝下的方式通過錫焊等方法而機(jī)械地接合在子固定架102的條紋狀接合層7上。
[0025]此外，關(guān)于子固定架102的配置了 LD陣列I的接合層6a和配置了平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的條紋狀接合層7，在這兩個接合層之間設(shè)置有厚度差A(yù)t。這里，LD陣列I以結(jié)向下方式來配置，因此從LD陣列I的底面至發(fā)光層為止的高度通過下式來表示。
[0026]發(fā)光層聞度1?=電極厚度hmetal+p型包層厚度hpcrad
[0027]另外，平面波導(dǎo)型 固體激光器元件101配置成使固體激光器介質(zhì)3朝下，因此從平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的底面至波導(dǎo)中心12為止的高度通過下式來表示。
[0028]波導(dǎo)中心高度hee_=固體激光器介質(zhì)厚度heOTe/2+包層厚度hraad
[0029]子固定架102上的接合層6a與條紋狀接合層7的厚度差Λ t以成為下式那樣的方式來制作。
[0030]Δ t=波導(dǎo)中心高度hcenter-發(fā)光層高度hLD
[0031]如上所述，電極厚度hmrtal為2~3 μ m、p型包覆層厚度hpcMd為I μ m左右、固體激光器介質(zhì)3的厚度典型地為40 μ m左右，因此At成為20 μ m左右。在接合層6a與條紋狀接合層7之間具有的這種程度的差，是在通過鍍敷來形成各個接合層的情況下能夠利用鍍敷時間等而充分調(diào)整的差。另外，LD陣列I通過錫焊等而接合在子固定架102的接合層6a上，平面波導(dǎo)型固體激光器元件101通過錫焊等而接合在子固定架102的條紋狀接合層7上，但是其焊錫層的厚度是幾μ m，能夠容易地將各個焊錫層的厚度設(shè)為幾乎相同。
[0032]接著，使用圖1~圖2來說明動作。當(dāng)使LD陣列I進(jìn)行振蕩、發(fā)光時，激勵激光11在縱橫方向上具有一定的擴(kuò)散角而前進(jìn)，入射到平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的固體激光器介質(zhì)3。關(guān)于所入射的激勵激光11，由包層15a、15b全反射的成分控制波導(dǎo)的厚度方向的模式而與平面波導(dǎo)內(nèi)耦合地前進(jìn)，并且被固體激光器介質(zhì)3所吸收。另外，被吸收的能量的一部分變換為熱。固體激光器介質(zhì)3的內(nèi)部的發(fā)熱通過條紋狀接合層7而被排熱。這里，如圖2所示，條紋狀接合層7由在固體激光器的光軸方向上延伸的多個條紋狀接合層構(gòu)成。固體激光器介質(zhì)3表面的包層15a與條紋狀接合層7接觸的部分的冷卻路徑短，沒有接觸的部分的冷卻路徑長。因此，在固體激光器介質(zhì)3中，產(chǎn)生與沒有接觸到條紋狀接合層7的部分對應(yīng)的中心部成為相對高溫的溫度分布。根據(jù)由于該溫度分布而在材料的折射率中也產(chǎn)生分布的所謂熱透鏡效應(yīng)，可得到與在固體激光器介質(zhì)內(nèi)的由條紋狀接合層7接合的部分分別配置了聚光透鏡的情形同等的效果。
[0033]另外，固體激光器介質(zhì)3通過所吸收的激勵光而被激勵從而發(fā)生引導(dǎo)放出，以反射涂層14a、14b作為諧振器，垂直橫模通過波導(dǎo)而被控制，水平橫模通過熱透鏡效應(yīng)而被控制，從而進(jìn)行激光器振蕩。
[0034]這里，當(dāng)LD陣列I的發(fā)光點(diǎn)位置與固體激光器介質(zhì)3的縱向位置偏移時，激光不會充分地與波導(dǎo)耦合而導(dǎo)致效率下降。然而，在本實(shí)施方式I的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊中，通過將條紋狀接合層7與接合層6a的厚度差設(shè)為At，預(yù)先配置成使LD陣列發(fā)光點(diǎn)與波導(dǎo)的中心一致，因此不用進(jìn)行LD陣列I的發(fā)光點(diǎn)與平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的高度位置調(diào)整而能夠使激勵光高效地與波導(dǎo)耦合。
[0035]接著，說明將子固定架基板5通過錫焊而機(jī)械地固定于散熱器4、將LD陣列1、平面波導(dǎo)型固體激光器元件101通過錫焊而機(jī)械地固定于子固定架102時的工序。此時，產(chǎn)生用于使焊錫熔融的加熱、冷卻過程。
[0036]記載將焊錫設(shè)為AuSn的情況。在用于使AuSn焊錫熔融的加熱過程中，散熱器4、子固定架102、LD陣列I以及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101隨著溫度上升而產(chǎn)生與所述的各材料的線性膨脹系數(shù)相應(yīng)的熱膨脹。另外，在用于使AuSn焊錫固化的冷卻過程中，隨著溫度下降，所述各部件產(chǎn)生熱收縮。LD陣列I及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101與子固定架102在達(dá)到作為AuSn焊錫的熔點(diǎn)的280°C的時刻機(jī)械地接合，但是在從熔點(diǎn)到室溫的冷卻過程中，如果子固定架102與LD陣列I及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的熱收縮量有差異，則在LD陣列I內(nèi)及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101內(nèi)負(fù)擔(dān)應(yīng)力。另外，所述熱收縮量的差異越大，所負(fù)擔(dān)的應(yīng)力也越大，平面波導(dǎo)型固體激光器的驅(qū)動壽命降低。
[0037]如果將LD陣列I的材料設(shè)為GaAs、將固體激光器介質(zhì)3以及固體激光器基板2的材料設(shè)為YVO4,則各自的線性膨脹系數(shù)為6.6 X 1(T6 [mm/mm]、1.7X 1(T6 [mm/mm]。與此相對，如果將子固定架基板5的材料設(shè)為SiC，則SiC的線性膨脹系數(shù)為3.7 X 10_6 [mm/mm]，與所述LD陣列1、固體激光器介質(zhì)3以及固體激光器基板2十分接近，因此在LD陣列I及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101的錫焊時以及半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊100的驅(qū)動時發(fā)生了溫度上升的情況下，也能夠充分地減小在LD陣列I以及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101中產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，子固定架基板材料也可以使用作為其它低膨脹絕緣材料的A1N、Si。
[0038]接著,作為在子固定架基板5上形成接合層6a、6b、7的方法的一個例子,使用圖3說明通過金屬的鍍敷來形成各個接合層的方法。首先，在子固定架基板5上形成與接合層6a、6b對應(yīng)的抗蝕劑層21a (圖3 (a))，調(diào)整鍍敷的時間來實(shí)施厚度tl的鍍敷(圖3 (b))。接著，剝離抗蝕劑層21a (圖3 (c))，新形成與條紋狀接合層7對應(yīng)的抗蝕劑層21b (圖3(d))。此時，抗蝕劑層21b還形成為覆蓋已經(jīng)形成的接合層6a、6b。接著，調(diào)整鍍敷的時間來實(shí)施厚度t2的鍍敷(圖3 (e))，之后剝離抗蝕劑層21b (圖3 (f))，由此形成厚度tl的接合層6a及6b、以及厚度t2的條紋狀接合層7。這里通過設(shè)為tl-t2= Δ t，能夠使LD陣列I的發(fā)光部與固體激光器介質(zhì)3的入射中心部對位，無位置調(diào)整地獲得效率高的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器。此外，關(guān)于該厚度差A(yù)t的誤差，在固體激光器介質(zhì)的厚度例如為40 μ m的情況下，即使是+/-10 μ m左右，激勵的效率也不怎么下降。以這種程度以下的誤差來調(diào)整鍍敷的厚度是容易的。此外，所允許的誤差例如根據(jù)固體激光器介質(zhì)3的厚度、LD陣列I所產(chǎn)生的激光的發(fā)散角、固體激光器介質(zhì)3的端面與LD陣列I的發(fā)光點(diǎn)的距離等而不同，但是由例如激勵效率從最大效率下降10%、更優(yōu)選為下降5%的值來決定。即，在各個平面波導(dǎo)型的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器中考慮效率下降的比例，各自地決定規(guī)定的誤差。
[0039]如以上那樣，設(shè)定為如下即可:兩種厚度的接合層的厚度差是從平面波導(dǎo)型固體激光器元件的與接合層接合的面至平面波導(dǎo)的波導(dǎo)中心高度、與從LD陣列的發(fā)光層側(cè)的外表面至發(fā)光層的高度之差，以及誤差成為規(guī)定的誤差以下的大小。
[0040]此外，接合層6a、6b、條紋狀接合層7也可以是依次形成了不同的多個金屬的鍍敷層的、層疊構(gòu)造的鍍敷層。另外，這些接合層也可以并非通過鍍敷形成，而是將厚度有At差異的金屬薄板接合到子固定架基板5上來形成接合層6a和條紋狀接合層7。
[0041]如以上那樣，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式I的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，設(shè)為將LD陣列I以及平面波導(dǎo)型固體激光器元件101分別經(jīng)由接合層6a以及條紋狀接合層7而接合在共同的子固定架基板5上的結(jié)構(gòu)，并對接合層6a與條紋狀接合層7的厚度設(shè)置了Δ t的差，因此通過簡單的結(jié)構(gòu)使LD陣列I的發(fā)光部與固體激光器介質(zhì)3的入射中心部無位置調(diào)整地進(jìn)行對位，所以能夠獲得高效的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器。
[0042]實(shí)施方式2.[0043]圖4是本實(shí)施方式2的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器模塊100的側(cè)面截面圖，圖5是俯視圖。在圖4、圖5中，與圖1、圖2相同的符號表示相同或者相當(dāng)?shù)牟糠?。在本?shí)施方式2中，如圖5的俯視圖所示，將用于把平面波導(dǎo)型固體激光器元件101裝配于子固定架基板5的接合層設(shè)為與接合`層6a同樣的連續(xù)的接合層70。
[0044]在實(shí)施方式I中，說明了裝配到條紋狀接合層7來控制水平橫模的方式的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器的情況。但是本發(fā)明即使應(yīng)用于將來自LD陣列的激勵光例如通過微透鏡陣列而耦合到平面波導(dǎo)型固體激光器元件101來控制水平橫模的方式等其它方式的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，也起到與實(shí)施方式I同樣的效果。
[0045]即，在本實(shí)施方式2中，與實(shí)施方式I同樣地通過將接合層70與接合層6a的厚度差設(shè)為Λ t，能夠使LD陣列I的發(fā)光部與固體激光器介質(zhì)3的入射中心部無位置調(diào)整地進(jìn)行對位，能夠獲得效率高的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，其特征在于，具備: 平面波導(dǎo)型固體激光器元件，在板狀的固體激光器介質(zhì)的兩面形成折射率與該固體激光器介質(zhì)的折射率不同的包層，且所述平面波導(dǎo)型固體激光器元件配置在固體激光器基板上； LD陣列，在LD基板上形成被包覆層夾著的發(fā)光層，產(chǎn)生用于從端面激勵所述固體激光器介質(zhì)的激光；以及 子固定架基板，在同一面上形成了兩種厚度的接合層， 所述平面波導(dǎo)型固體激光器元件在與設(shè)置了所述固體激光器基板的面相反的面中，經(jīng)由所述兩種厚度的接合層中的一種厚度的接合層而接合到所述子固定架基板，所述LD陣列在發(fā)光層側(cè)的面中，經(jīng)由所述兩種厚度的接合層中的另一種厚度的接合層而接合到所述子固定架基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，其特征在于， 所述兩種厚度的接合層分別是金屬的鍍敷層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，其特征在于， 所述另一種厚度的接合層由在固體激光器的光軸方向上延伸的多個條紋狀的接合層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中的任一項所述的半導(dǎo)體激光器激勵固體激光器，其特征在于， 所述兩種厚度的接合層的厚度差是從所述平面波導(dǎo)型固體激光器元件的與所述接合層接合的面至所述平面波導(dǎo)的波導(dǎo)中心高度、與從所述LD陣列的發(fā)光層側(cè)的外表面至發(fā)光層的高度之差，以及誤差是規(guī)定的誤差以下的大小。
【文檔編號】H01S3/094GK103875139SQ201180074189
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月16日
【發(fā)明者】玉谷基亮, 橫山彰 申請人:三菱電機(jī)株式會社