JP2004014820A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールにおいて、容器内の汚染物質を除去し、良好な特性および信頼性を得る。
【解決手段】サブマウント５上に半導体レーザ素子６が接着されたヒートシンク４と、半導体レーザ素子６からワイヤ９によって接続された電極端子８と、ワイヤ１３によって電極端子１２に接続されたモニタ用フォトダイオード１０と、直径１．５ｍｍ高さ１．５ｍｍの円柱状のゼオライト吸着剤１１とをステム１上に固設し、無反射コーティングが施されたガラス窓３を備えた容器２によって、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気でリングウェルド封止する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子と、コリメータレンズ、集光レンズ、および光ファイバ等が密閉容器に封止されてなるレーザモジュールが知られているが、このレーザモジュールにおいて、密閉容器内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、レンズおよび光ファイバ等の光学部品に付着して、レーザ特性を劣化させるという問題がある。汚染物質としては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素化合物が挙げられ、この炭化水素化合物が、レーザ光により重合あるいは分解されて付着することが知られている。
【０００３】
この問題を解決するために、以下に示すように種々の方法が提案されている。例えば、特開平１１−１６７１３２号公報において、４００ｎｍ以下のレーザ光の出力低下を防止するためには容器内の炭化水素化合物量を０．１％以下にすることが効果的であり、これにより炭化水素化合物の光分解による光学部品等への堆積を防止できることが記載されている。また、封止雰囲気をドライエアとすることも提案されており、雰囲気中の酸素と堆積した炭化水素化合物との光化学反応によって、堆積物の除去効果が期待されている。
【０００４】
また、米国特許第５３９２３０５号においては、炭化水素系ガスの光分解による半導体レーザ素子端面への炭化水素系化合物の付着を防止するため、このガスを分解することを目的とした酸素を１００ｐｐｍ以上封止ガスに混入させることが記載されている。
【０００５】
また、特開平１１−８７８１４号公報においては、油分等の汚染物質を脱脂および洗浄して除去することにより、長期信頼性の確保が可能であることが記載されている。
【０００６】
一方、特願２０００−３３６８５０号公報において、本出願人により、発振波長が３５０〜４５０ｎｍであるＧａＮ系半導体レーザ素子を用いたレーザモジュールが提案されているが、短波長のレーザ光はエネルギーが高いため、モジュール内に存在する炭化水素系ガスが重合あるいは分解したものが、半導体レーザ素子の端面あるいは光学部品等に付着する確率が高く、特に問題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光と炭化水素化合物の反応により生成される炭化水素系堆積物は、上記米国特許第５３９２３０５号に示すように、一定量以上の酸素を含んだガス雰囲気だとＣＯ_２とＨ_２Ｏとに分解されることにより解消される。
【０００８】
しかしながら、この種の堆積物は炭化水素化合物だけでなく、ケイ素化合物の存在が確認されており、酸素を雰囲気中に含有させるだけではこの種の堆積物を分解除去することが出来ないことが解っている。堆積するケイ素化合物は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）、シラノール基（−Ｓｉ−ＯＨ）等のＳｉを含有した有機化合物ガス（以下有機ケイ素化合物と記す）とレーザ光との光化学反応により発生し、しかも雰囲気中の酸素の存在がその反応速度を大きくする効果がある。炭化水素化合物およびケイ素化合物の堆積物は、光学的な吸収を発生させるため、連続発振における経時信頼性を著しく損なうという問題がある。
【０００９】
ここで言うケイ素化合物とは、有機、無機を問わずケイ素を含むあらゆる構造を有しているものを示し、無機ＳｉＯｘおよび有機ケイ素化合物を含むものである。
【００１０】
発生源としては、主としてレーザモジュール製造工程の任意の場所に使用されているシリコーン系材料から発せられるガスである。これがレーザモジュール内の各部品表面に付着している場合があり、また、モジュールを封止して使用する場合は、その封止ガス中に微量含まれる。これらの工程中のガス成分の除去方法として、通常のクリーンルームでの作業や封止ガス精製機の設置等が挙げられるが、これらの方法であっても完全に除去することが出来ず、多大な設備投資が必要となる。特開平１１−８７８１４号公報に開示されているような油分等の脱脂工程を通しても上記のような製造過程雰囲気からの上記化合物の混入は避けることが出来ない。
【００１１】
レーザモジュール内の部品に付着する炭化水素化合物およびケイ素化合物系のガスは、２００℃以上望ましくは３００℃以上の温度での加熱処理による分解蒸発により除去が可能である。しかし、加熱処理は数〜数十時間にわたる処理時間が必要であるとともに、モジュール内部品を有機系接着剤により固定する場合、接着剤の熱劣化による機械特性が劣化するため、この方法を用いることが出来ない。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて、半導体レーザ素子が密閉容器内に配置されてなるレーザモジュールにおいて、汚染物質が良好に除去された信頼性の高いレーザモジュールを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザモジュールは、半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールにおいて、密閉容器内にガス吸着機能を有する物質が配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
容器内に配置されているガス吸着機能を有する物質は、ゼオライト吸着剤および活性炭の少なくとも１つであることが望ましい。
【００１５】
さらに、密閉容器内に、光ファイバと、前記半導体レーザ素子からのレーザ光を該ファイバに入力するための光学系とを備えたものであってもよい。
【００１６】
半導体レーザ素子の発振波長は４５０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールであって、密閉容器内にガス吸着機能を有する物質が配置されていることにより、炭化水素系化合物およびケイ素化合物等が良好に吸着されるので、半導体レーザ素子の出射端面等にこれらの化合物が堆積することが無く、レーザ特性および信頼性を良好なものとすることができる。また、加熱処理を行う必要が無いので高信頼性の半導体レーザ素子を効率良く作製することが可能である。
【００１８】
また、従来技術のように、封止空間の雰囲気の調整あるいは脱脂および洗浄処理を行う必要が無く、モジュールの製造過程を簡略化することができる。
【００１９】
ガス吸着機能を有する物質として、ゼオライト吸着剤および活性炭の少なくとも１つを用いることによって、炭化水素系化合物等を良好に吸着することができるので、レーザ特性および信頼性を良好なものとすることができる。
【００２０】
また、さらに光ファイバを備えたレーザモジュールにおいて、本発明を適用することは、光学系部材の表面および光ファイバの入力端に汚染物質が堆積することを良好に防止することができるので効果的である。
【００２１】
特に、発振波長が４５０ｎｍ以下の半導体レーザ素子の場合、これらの短波長レーザ光による炭化水素系化合物の堆積速度および堆積量は長波長のレーザ光の場合に比べて大きいため、本発明を適用することは効果的である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態によるキャン型封止レーザモジュールについて説明する。図１にそのレーザモジュールの概略構成図を示し、図２（ａ）に概略平面図を示し、図２（ｂ）に概略側面図を示す。
【００２４】
本実施の形態によるレーザモジュールは、図１に示すように、サブマウント５上に半導体レーザ素子６が接着されたヒートシンク４と、半導体レーザ素子６からワイヤ９によって接続された電極端子８と、電極端子１２にワイヤ１３により接続されたモニタ用フォトダイオード１０とが、ステム１上に固設されており、さらに、ゼオライト吸着剤１１が１個、無機接着剤により固定されており、これらが、無反射コーティングが施されたガラス窓３を備えた容器２によって、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気でリングウェルド封止されてなるものである。なお、容器２の内容積は、６７．５ｍｍ^３である。
【００２５】
ゼオライト吸着材１１は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、容器２の壁面とヒートブロック４との間のステム１上に設置されている。また、ゼオライト吸着剤１１は、図２（ｃ）に示すように、直径（ｘ）１．５ｍｍ、高さ（ｙ）１．５ｍｍの円柱状に成型したものを用いた。ゼオライト吸着剤の設置場所は、上記場所に限らずレーザ発振を妨害しない箇所であれば容器内のいずれの箇所であってもよい。
【００２６】
上記ゼオライト吸着剤１１としては、東ソー（株）製の「ゼオラムＦ９ＨＡ」が好ましく、この「ゼオラムＦ９ＨＡ」は、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の結晶性含水アルミノケイ酸塩（Ｍｅ／ｘ・Ａｌ_２Ｏ_３・ｍＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏ：Ｍｅはｘ価の金属イオン）からなるものである。ゼオライト吸着剤１１の量は、容器の内容積、推定される汚染物質量および吸着剤１１の吸着能力等を考慮して決定されることが望ましい。
【００２７】
なお、本実施の形態ではゼオライト吸着剤１１を接着する接着剤として、無機接着剤を用いたが、有機接着剤および無機接着剤のいずれであってもよい。
【００２８】
また、図１は、容器内の部品構成を解りやすくするため、円筒形の容器２の手前半分については記載していない。
【００２９】
本実施の形態によるキャン型封止レーザモジュールは、半導体レーザ素子６の前方出射光であるレーザ光７が無反射コーティングされた窓ガラス３から出射するものであり、半導体レーザ素子６の後方出射光はモニタフォトダイオード１０によってその発光量が感知されて、レーザ光７の出力が一定となるように電流が自動的に制御されるものである。
【００３０】
次に、本発明によるレーザモジュールと従来例のレーザモジュールの経時信頼性について評価を行った。図３に従来例のレーザモジュールにおける駆動電流の経時変化のグラフを示し、図４に本発明のレーザモジュールにおける駆動電流の経時変化のグラフを示す。なお、グラフの縦軸は駆動電流を初期駆動電流で規格化した値である。
【００３１】
本発明のレーザモジュールには、上記第１の実施の形態によるレーザモジュールであって、半導体レーザ素子６の発振波長を４０５ｎｍとしたものを用いた。従来例のレーザモジュールには、ゼオライト吸着剤１１を備えないこと以外は上記第１の実施の形態と同一のレーザモジュールを用いた。従来例および本発明のレーザモジュール内の封止雰囲気は、共にドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）である。環境温度２５℃で、光出力を３０ｍＷとなるように駆動電流を調整して評価を行った。
【００３２】
従来例のレーザモジュールでは、図３に示すように、経時で駆動電流の変化が見られるが、本発明のレーザモジュールでは、図４に示すように、駆動電流の増加は見られず経時で安定している。このことから、吸着剤をモジュール内に内蔵したことにより、炭化水素化合物等の汚染物質が半導体レーザ素子の端面あるいは光学部品等へ付着することを良好に防止でき、安定したレーザ特性を得ることができることが分かった。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態によるレーザモジュールについて説明する。そのレーザモジュールの概略側面図および上面図を図５に示す。
【００３４】
本実施の形態によるレーザモジュールは、図５に示すように、容器４０の底面にベース板４２が固定されており、このベース板４２上に、７個のＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７が接着されたヒートブロック２０と、該ヒートブロック２０に取付けられたコリメータレンズホルダ４４に保持されたコリメータレンズ３１〜３７と、集光レンズホルダ４５に保持された集光レンズ４３と、ファイバーホルダ４６に保持されたマルチモード光ファイバ３０とが固設されている。容器４０の壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７に駆動電流を供給する配線４７が容器外に引き出されている。
【００３５】
また、容器４０はその開口を閉じるように作製された蓋４１を備えており、蓋４１の裏面の領域５１には、直径１．５ｍｍ高さ１．５ｍｍの円柱状のゼオライト吸着剤５０が１２０個、１０個×１２個の配列で、無機接着剤により固定されている。容器内に半導体レーザ素子および光学部材等を配置した後、ドライエア（Ｎ_２＝８０％、Ｏ_２＝２０％）雰囲気で、容器４０は蓋４１を接着されて封止される。容器４０の内容積は、８１６０ｍｍ^３であり、ゼオライト吸着剤５０は上記第１の実施の形態と同様、東ソー（株）製の「ゼオラムＦ９ＨＡ」を用いた。
【００３６】
また、コリメータレンズ３１〜３７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ３１〜３７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７の発光点の配列方向と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００３７】
なお、図５（ａ）においては、図の複雑化を避けるために。複数のＧａＮ系半導体レーザ素子のうち、半導体レーザ素子ＬＤ２１およびＬＤ２７にのみ符号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ３１および３７にのみ符号を付している。
【００３８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々のレーザビームＢ２１〜Ｂ２７を発するレーザが用いられている。これらの半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７は活性層と平行な方向に発光点が一列に並ぶように配設されている。
【００３９】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ２１〜Ｂ２７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ３１〜３７に対して拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ３１〜３７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ２１〜Ｂ２７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。コリメータレンズ３１〜３７の各々は、焦点距離ｆ_１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００４０】
集光レンズ４３は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ３１〜３７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ４３は、焦点距離ｆ_２＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ４３も、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００４１】
マルチモード光ファイバ３０は、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバのいずれでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のグレーテッドインデックス型光ファイバを用いることができる。この光ファイバは、コア中心部がグレーテッドインデックスで外周部がステップインデックスであり、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上である。
【００４２】
第２の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様、経時で駆動電流の増加は見られず安定していることが確認されている。
【００４３】
吸着剤の接着に有機接着剤を用いた場合、該接着剤から発生する有機ガス成分がモジュール内に存在することとなるが、第２の実施の形態によるレーザモジュールにおいては、特願２００２−１０１７１４号公報に、脱気処理により有機系ガス等を除去することが提案されているが、前記直径１．５ｍｍ高さ１．５ｍｍの円柱状のゼオライト吸着剤１１を１５０個内蔵させれば、脱気処理を行わなず封止しても、有機ガス等は良好に吸着剤により吸着される。このため、製造工程および製造コストを増やすことなく、良好なレーザ特性および経時信頼性を得ることができる。
【００４４】
上記第１および第２の実施の形態においては、吸着剤として、ゼオライト吸着剤を用いたが、活性炭、あるいはゼオライト吸着剤と活性炭との両方を用いてもよく、ゼオライト吸着剤の場合と同様の効果を得ることができる。活性炭を用いる場合も、無機系あるいは有機系の接着剤を用いて容器内に固着すればよい。ガス吸着機能を有する物質として他の化合物からなる吸着剤を用いてもよい。
【００４５】
本発明により、半導体レーザ素子が封止されている容器内に存在する炭化水素化合物等の汚染物質を良好に除去することができるので、信頼性の高いレーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールを示す概略構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールを示す平面図および側面図
【図３】従来例によるレーザモジュールにおける駆動電流の経時変化を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールにおける、駆動電流の経時変化を示すグラフ
【図５】本発明の第２の実施の形態によるレーザモジュールを示す概略構成図
【符号の説明】
１　　ステム
２　　蓋
３　　窓ガラス
４　　ヒートシンク
５　　サブマウント
６　　半導体レーザ素子
７　　レーザ光
８　　電極端子
９　　ワイヤ
１０　　モニタフォトダイオード
１１　　ゼオライト吸着剤
１２　　電極端子
１３　　ワイヤ

Claims (4)

1. 半導体レーザ素子が密閉容器内に設置されてなるレーザモジュールにおいて、
   前記密閉容器内にガス吸着機能を有する物質が配置されていることを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記ガス吸着機能を有する物質が、ゼオライト吸着剤および活性炭の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
3. 前記密閉容器内に、光ファイバと、前記半導体レーザ素子からのレーザ光を該ファイバに入力するための光学系とを備えたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザモジュール。
4. 前記半導体レーザ素子の発振波長が４５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載のレーザモジュール。

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