CN107005022B

CN107005022B - 光学单元、光学单元的固定结构及半导体激光器模块

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Publication number: CN107005022B
Application number: CN201580063624.0A
Authority: CN
Inventors: 谷口英广; 吉田顺自
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: JP6655287B2; WO2016104449A1; US10944236B2; CN107005022A; JP2016122785A; US20170288367A1

Abstract

在基座(19)上设置电路导体(25)。在电路导体(25)上连接半导体激光器(5)。在基座(19)的例如四个角落附近设置不形成电路导体(25)的缺口部，在该部位分别设置孔(20)。孔(20)贯穿基座(19)。孔(20)中插通固定构件(21)。固定构件(21)例如是外螺纹。由于固定构件(21)的头部位于缺口部，因此固定构件(21)与电路导体(25)不接触。底座(17)的与光学单元(23)的孔(20)对应的部位形成孔，并且在孔的内表面形成内螺纹。因此，固定构件(21)与底座(17)接合。其结果，光学单元(23)被固定在底座(17)上。

Description

光学单元、光学单元的固定结构及半导体激光器模块

技术领域

本发明涉及在基座上固定有半导体激光器的光学单元等。

背景技术

有一种半导体激光器模块，其使从半导体激光器输出的光与光纤耦合。在这种半导体激光器模块中使用将半导体激光器固定在基座(基板，submount)上的光学单元(例如，专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013－12708号公报

发明内容

发明要解决的问题

通常，光学单元用软钎料固定在底座或者封装件或者冷却设备等。因此，不能拆卸已组装在半导体激光器模块中的光学单元。所以，当光学单元发生故障时，需要更换整个半导体激光器模块。特别是，在具有多个光学单元的半导体激光器模块中，当一个光学单元发生故障时，不能只更换发生故障的光学单元。

本发明是鉴于上述问题而提出的，目的在于提供一种能够容易装卸的光学单元等。

用于解决问题的方案

为了达到上述的目的，第一发明提供一种光学单元，其特征在于，具备基座和配置在所述基座上的半导体激光器，在所述基座上形成有能够插通固定构件的孔。

优选为，接合有透镜，该透镜对从所述半导体激光器射出的光进行准直。

也可以在所述基座的表面，金属层露出在所述孔的周围，所述金属层与所述基座上的电路图案绝缘。

优选为，所述孔配置在所述半导体激光器的两侧。

根据第一发明，由于在基座上形成有固定构件用孔，因此能够用固定构件将基座固定在底座上。因此，无需用软钎料固定基座和底座。因此，与现有技术的软钎焊接合的情况相比，在选择材质时就不用那么考虑基座的材质与底座的材质的热膨胀系数差。另外，由于用固定构件将光学单元固定在底座等，因此可以实现光学单元的装卸。因此，还能够容易更换光学单元。

另外，透镜一体地接合在光学单元上，因此光学单元的更换变得更加容易。

另外，通过使金属层在孔的周围露出，将固定构件插通到孔时，固定构件的支撑面与金属层接触。因此，金属层作为垫圈发挥作用，从而能够防止固定构件的松动。

第二发明提供一种光学单元的固定结构，其特征在于，使用具有基座和配置在所述基座上的半导体激光器的光学单元，或者使用在所述光学单元上接合有底座的带底座光学单元，在所述基座或者所述底座上形成有能够插通固定构件的孔，所述光学单元用所述固定构件固定在底座、封装件或冷却器上，或者所述带底座光学单元用所述固定构件固定在封装件或冷却器上。

根据第二发明，在底座等上能够容易装卸光学单元，不存在软钎料等破损的弊端。

第三发明提供一种半导体激光器模块，其特征在于，具备：第一发明的光学单元；耦合从所述半导体激光器射出的激光的光纤；以及收容所述光学单元的封装件，所述光学单元用所述固定构件直接或者间接地固定在所述封装件上。

多个所述光学单元可以收容在所述封装件中，还可以具备：分别反射从各个所述半导体激光器射出的激光的多个反射镜；以及对被多个所述反射镜反射的激光进行聚光的聚光透镜，能够单独地装卸多个所述光学单元中的每个光学单元。

也可以在所述基座的下表面配置有导热片，所述光学单元经由所述导热片与连接对象接触。

优选为，所述光纤是多模光纤。

根据第三发明，在底座等上能够容易装卸光学单元，不存在软钎料等破损的弊端。特别是，在配置有多个光学单元时，一个光学单元发生故障的情况下，能够容易更换光学单元。

另外，通过在基座的下表面与底座等之间配置导热片，能够提高基座的散热性。

另外，就半导体激光器和光纤而言，如果是多模用，则与单模相比，调芯精度要求不高，因此，能够允许用固定构件进行固定时产生较小的芯偏移。

发明効果

根据本发明，能够提供容易装卸的光学单元等。

附图说明

图1是表示半导体激光器模块1的立体图。

图2是表示半导体激光器模块1的俯视图。

图3a是表示光学单元23的俯视图。

图3b是图3a的A－A线剖视图。

图4a是表示另一光学单元23的俯视图。

图4b是图4a的B－B线剖视图。

图5是表示另一光学单元23的俯视图。

图6是表示另一光学单元23的固定结构的剖视图。

图7是表示带底座光学单元23a的固定结构的主视图。

图8是表示半导体激光器模块1a的剖视图。

具体实施方式

下面，一边参照附图一边说明本发明的第一实施方式。图1是表示半导体激光器模块1的图，图1是立体图，图2是俯视图。此外，图1是透视了封装件3的上表面和图中跟前侧的侧壁的图。半导体激光器模块1主要包括封装件3、透镜7、9、13、反射镜11、光纤15、底座17、光学单元23等。

封装件3由底部和侧壁构成。封装件3例如由铜、铜合金、铝、具有高热导率的陶瓷(例如氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO))等构成。

在封装件3内部，底座17以高度逐渐变高的方式形成为台阶状，每个台阶的上表面成为光学单元23的设置面。此外，封装件3和底座17可以是分体构件，也可以通过将封装件3的底部形成为台阶状而使两者成为一体。另外，也可以将光学单元23直接固定在封装件3上。在该情况下，封装件3的底部成为光学单元23的设置面。即，光学单元23直接或者间接地固定在封装件3上。下面，说明光学单元23配置在底座17上的例子。

在每个底座17上固定光学单元23(带基板的芯片：Chip On Submount，COS)。光学单元23由基座19(基板，submount)、半导体激光器5、透镜7等构成。半导体激光器5固定在基座19上。另外，在半导体激光器5前方(射出方向)的基座19的端面固定透镜7。此外，在后面叙述光学单元23和底座17的固定方法。

在光学单元23的比透镜7更靠前方的位置配置透镜9。透镜7、9用于对从半导体激光器5射出的光分别向纵向和横向进行准直。透镜7可以在调整相对于半导体激光器5的位置之后固定在基座19的端面上。

之所以优选带有准直透镜的光学单元，是因为在底座17上固定光学单元时，相对于耦合效率的位置偏移容许度变高。另外，在装卸光学单元23时，由于不产生光学单元23和透镜7的耦合偏差，因此优选带有准直透镜的光学单元。

在透镜9的前方固定反射镜11。反射镜11大致垂直地反射被上述的透镜7、9准直的光。此外，透镜7、9和反射镜11针对每个半导体激光器5配置在底座17上。

被反射镜11反射的激光进一步被透镜13(聚光透镜)聚光。透镜13固定在封装件3的底部。另外，在透镜13的前方，以贯穿封装件3的方式设置光纤15。被透镜13聚光的激光与光纤15耦合。

即，多个光学单元23并列设置在不同高度的底座17上，并且分别朝向大致同一方向射出激光。在半导体激光器5的射出方向上，透镜7、9和反射镜11沿同一方向依次配置。因此，激光经由透镜7、9向反射镜11照射。此外，在各个反射镜11中，朝向大致同一方向反射激光。被各个反射镜11反射的激光，被透镜13聚光并与光纤15耦合。

在此，本发明所适用的光纤15优选为多模光纤。在多模光纤的情况下，与单模光纤相比，其芯径大(例如，100μm～200μm)，调芯容易，并且所允许的芯偏移量也大。另外，作为半导体激光器5，优选高温驱动时的特性恶化较小的半导体激光器5。作为这种半导体激光器5，例如具有量子阱层、阻挡层或者光导层，该阻挡层或者该光导层在厚度方向上夹着该量子阱层形成，与该量子阱层相比，带隙能量在100meV以上。

此外，光学单元23的数量、配置等不限于图示的例子。但是，本发明能够特别适用于半导体激光器模块1具有多个光学单元23的情况。在具有多个光学单元23的情况下，在一个光学单元23发生了故障时，如果像现有技术那样用软钎料固定光学单元23，则不能只更换发生故障的光学单元23，但根据本发明，能够只更换发生故障的光学单元23。另外，只要反射镜11的反射面由曲面、球面等形成，且利用反射镜11对从半导体激光器5射出的激光的纵向或者横向的扩散进行准直，就不一定需要对应的透镜7、9。

图3a是光学单元23的俯视图，图3b是图3a的A－A线剖视图。在基座19的上表面设置电路导体25。在电路导体25上连接半导体激光器5。此外，一对电路导体25彼此隔开间隔形成，分别与半导体激光器5的正面和背面的端子部电连接。此外，省略了用于连接半导体激光器5和电路导体25的引线等的图示。

基座19可以使用例如现有技术中所使用的氮化铝，也可以使用其他材质。像现有技术那样，用软钎料固定光学单元23时，例如作为基座和底座的材质，如果选择使用彼此的热膨胀系数差大的组合，则存在使用时因热膨胀而过剩的应力施加在软钎料上，导致破损等弊端。因此，在现有技术中，因为作为基座等材质没有多项选择，因此，通常在较昂贵的氮化铝的表面上实施镀金来使用。

但是，根据本实施方式，无需如此考虑热膨胀系数差，而且也不需要实施镀金等。

如此，基座的材质的选择项数增多，可以选择较廉价的材质，还能够得到冷却效率高的光学单元。也就是说，即使对光学单元和底座等使用热膨胀系数差大的两种材质的组合，也可以得到无破损等的光学单元。

下面，说明光学单元23和底座17的固定方法。此外，在以下的说明中，首先说明基座19为绝缘体的情况。

在基座19中例如四个角落附近设置不形成电路导体25的缺口部，在该部位分别设有孔20(图3b)。孔20贯穿基座19，孔20中插通固定构件21。固定构件21例如是外螺纹。由于固定构件21的头部位于缺口部，因此固定构件21与电路导体25不接触。即，电路导体25(电路图案)与固定构件21绝缘。

此外，固定构件21用铜、铝等高导热性构件构成，由此能够得到高散热性。另外，在用绝缘性构件构成固定构件21的情况下，可以不使电路导体25的局部形成为缺口状。

在底座17的与光学单元23的孔20对应的部位形成有孔，孔的内表面形成有内螺纹。因此，能够使固定构件21和底座17接合。其结果，光学单元23固定在底座17上。此外，在光学单元23直接固定于封装件3的情况下，只要在封装件3上设置能够与固定构件21连接的内螺纹即可。另外，虽未图示，但在冷却设备上固定光学单元23的情况下，只要在冷却设备上设置能够与固定构件21连接的内螺纹即可(以下，将光学单元23的固定对象简称为“底座17等”)。

此外，可以在固定构件21的外周面涂覆软钎料或者粘接剂，由此防止固定构件21的松动。

如此，根据本实施方式，光学单元23利用固定构件21固定在底座17等。因此，光学单元23在底座17上能够容易装卸。因此，当光学单元23发生故障时，能够只更换发生故障的光学单元23。

另外，在本实施方式中，无需用软钎料或者粘接剂来接合光学单元23和底座17等。如此，由于不使用软钎料或者粘接剂，因此即使基座19的材质与底座17等的材质之间的热膨胀系数差大，过剩的应力也不会施加在软钎料等，因此不存在因软钎料等的破损而引起光学单元23脱落、散热性下降等弊端。

另外，在本发明中，作为基座19，还可以使用导热性优异的金属、碳、金刚石等。即，可以使用现有技术中软钎焊接合困难、或者因与底座17等的热膨胀系数差大而应用困难的材质。通过选择这种材质，可以得到例如散热性优异的光学单元23。其结果，还可以应用输出更高的半导体激光器5。

此外，在作为基座19的材质应用导电材料的情况下，只要是电路导体25与基座19或者底座17不导电的结构即可。例如，可以在电路导体25与基座19之间形成绝缘层，而且，可以在基座19与底座17之间形成绝缘层。在电路导体25与基座19导电的情况下，可以将固定构件21构成为绝缘物，或者对该固定构件21实施绝缘涂覆。

下面，说明其他实施方式。此外，在下面的说明中，对于起到与上述的实施方式相同功能的结构标注相同的附图标记，省略重复说明。图4a是光学单元23的俯视图，图4b是图4a的B－B线剖视图。

在第二实施方式中，形成于基座19的四个角落附近的电路导体25的缺口部形成金属层27。在金属层27与电路导体25之间形成间隙而彼此不导通。

固定构件21的支撑面与金属层27接触。因此，在拧紧固定构件21时，露出在孔的周围的金属层27作为固定构件21的垫圈发挥作用。此外，金属层27优选比基座19的材质软的材质。另外，由于金属层27与电路导体25绝缘，因此固定构件21不与电路导体25导通。另外，金属层27和电路导体25也可以采用相同材料构成，通过如此，能够同时形成金属层27和电路导体25。

根据第二实施方式，能够得到与第一实施方式的效果相同的效果。另外，由于能够将金属层27作为固定构件21的垫圈来利用，因此能够防止固定构件21的松动。

接着，说明第三实施方式。图5是表示第三实施方式的光学单元23的俯视图。第三实施方式与上述的实施方式相比，不同之处是固定构件21的固定位置。

在图5所示的例子中，固定构件21配置在半导体激光器5的两侧。此外，“半导体激光器5的两侧”是指靠近半导体激光器5的部位，例如比半导体激光器5的侧部与基座19的侧部之间的中心更靠近半导体激光器5的位置。即，固定构件21配置在半导体激光器5的附近，而不是配置在基座19的四个角落附近。

在这种情况下，在固定构件21的固定位置形成电路导体25的缺口部。即，固定构件21与电路导体25绝缘。此外，可以在缺口部形成金属层27。

根据第三实施方式，能够得到与第一实施方式的效果相同的效果。另外，通过将固定构件21配置在半导体激光器5的附近，在基座19发生热膨胀时，能够抑制对半导体激光器5施加的影响。

接着，说明第四实施方式。图6是表示第四实施方式的光学单元23的剖视图。第四实施方式与上述的实施方式相比，不同之处是配置导热片29。

在图6所示的例子中，导热片29在基座19的大致整个面的范围夹在基座19与底座17之间。固定构件21贯穿基座19和导热片29并与下部的底座17等(连接对象)接合。此外，导热片29例如是碳片。在作为基座19的材质使用导电材料时，只要导热片29具备绝缘性即可。

根据第四实施方式，能够得到与第一实施方式的效果相同的效果。另外，通过在基座的下表面配置导热片29，能够进一步提高从基座19向底座17等的散热性。

接着，说明第五实施方式。图7是表示第五实施方式的带底座光学单元23a的主视图。第五实施方式的不同之处是，用固定构件21将底座17a固定在封装件3上，而不是用固定构件21将基座19固定在底座17等。

在上述的各个实施方式中，在基座19设置孔20，并在孔20中插通固定构件21，由此固定在底座17等。但是，在光学单元23的尺寸较小的情况或者没有孔20的空间的情况下，可以应用在光学单元的下部设有副底座17a的带底座光学单元23a。即，在本实施方式的带底座光学单元23a中，光学单元用软钎料31与底座17a固定，在底座17a的不与基座19干涉的位置设置孔20a。

在孔20a中插通固定构件21，并与固定对象即封装件3接合。即，带底座光学单元23a用固定构件21固定在封装件3上。因此，固定带底座光学单元23a和封装件3时不需要使用软钎料或者粘接剂。

此外，带底座光学单元23a也可以固定在未图示的冷却设备上，而不是固定在封装件3上。

根据第五实施方式，能够得到与第一实施方式的效果相同的效果。另外，通过拆卸固定构件21，能够容易装卸带底座光学单元23a。此外，在本实施方式中，可以用高导热性材料(例如金属)构成基座19和底座17a，因此能够得到高散热性。

此外，上述的光学单元23和带底座光学单元23a不限于图1所示的半导体激光器模块1那样的并列设置有多个的情况。如图8所示的半导体激光器模块1a那样，本实施方式可以适用于配置一个光学单元的情况。

在半导体激光器模块1a的封装件3上载置冷却器33。在冷却器33上固定底座17。而且，在底座17上固定载置有半导体激光器5的基座19。

光纤15经由封装件3的筒状孔部插入封装件3内。在半导体激光器5的前方(射出方向)的基座19上设置光纤15的固定部，用于固定光纤15。光纤15例如是透镜光纤。此外，在半导体激光器5与光纤15之间还可以配置透镜等光学部件。

受光部35接受半导体激光器5的光输出，监控半导体激光器5的光输出。受光部35设置在半导体激光器5的高反射膜侧。受光部35例如是光电二极管。

在本实施方式中，基座19利用固定构件21固定在底座17上。即，在接合基座19与底座17等时，不需要使用软钎料等。此外，可以用固定构件21固定底座17和冷却器33。

如此，本发明对光学单元23或者带底座光学单元23a不用软钎料进行固定，而是用固定构件21进行固定，因此可以装卸，而且材质选择自由度高。因此，散热性优异，发生故障时能够仅更换光学单元等。

以上，一边参照附图，一边以典型的尺寸为基础说明了本发明的实施方式，但是本发明的技术范围不受上述的实施方式的影响。只要是本领域技术人员，可以在权利要求书所记载的技术思想范围内想到各种变形例或者修改例，这些各种变形例或者修改例理应属于本发明的技术范围。

例如，上述的各种实施方式可以彼此组合。另外，在各个实施方式中，各结构的配置、方式不限于图示的例子。

附图标记说明

1、1a 半导体激光器模块

3 封装件

5 半导体激光器

7 透镜

9 透镜

11 反射镜

13 透镜

15 光纤

17、17a 底座

19、基座

20、20a 孔

21 固定构件

23 光学单元

23a 带底座光学单元

25 电路导体

27 金属层

29 导热片

31 软钎料

33 冷却部

35 受光部

Claims

1.一种光学单元，其特征在于，具备：

导热性优异的矩形的基座；

设置在所述基座上的电路导体；以及

连接至所述电路导体的矩形的半导体激光器，

所述半导体激光器的射出方向相对于所述基座的上表面水平，

所述基座的一边的一侧接合有透镜，该透镜对从所述半导体激光器射出的光进行准直，

未形成所述电路导体的4个缺口部设置在所述基座上，

在所述基座的4个所述缺口部的位置形成有能够插通固定构件的4个贯穿孔，

4个所述缺口部和4个所述贯穿孔，形成在所述半导体激光器的两侧的四个角落，并且形成在比所述半导体激光器的侧部与所述基座的侧部之间的中心更靠近所述半导体激光器的位置，

4个所述缺口部中的两个和4个所述贯穿孔中的两个配置在所述半导体激光器的前方，4个所述缺口部中的另外两个和4个所述贯穿孔中的另外两个配置在所述半导体激光器的后方，

所述贯穿孔的方向垂直于所述半导体激光器的所述射出方向，

所述固定构件经过所述贯穿孔并贯穿所述基座，

所述电路导体从所述固定构件被绝缘，

在所述电路导体与所述基座之间具有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于，

在所述基座的表面，金属层露出在所述贯穿孔的周围，所述金属层与所述基座上的电路图案绝缘。

3.一种光学单元的固定结构，其特征在于，

使用具备导热性优异的矩形的基座、设置在所述基座上的电路导体以及连接至所述电路导体的矩形的半导体激光器的光学单元，

未形成所述电路导体的4个缺口部设置在所述基座上，

所述固定构件经过所述贯穿孔并贯穿所述基座，

所述电路导体从所述固定构件被绝缘，

在所述电路导体与所述基座之间具有绝缘层，

所述光学单元用所述固定构件固定在底座、封装件或冷却器上。

4.一种半导体激光器模块，其特征在于，具备：

权利要求1所述的光学单元；

耦合从所述半导体激光器射出的激光的光纤；以及

收容所述光学单元的封装件，

所述光学单元用所述固定构件直接或者间接地固定在所述封装件上。

5.根据权利要求4所述的半导体激光器模块，其特征在于，

多个所述光学单元收容在所述封装件中，

还具备：分别反射从各个所述半导体激光器射出的激光的多个反射镜；以及

对被多个所述反射镜反射的激光进行聚光的聚光透镜，

能够单独地装卸多个所述光学单元中的每个光学单元。

6.根据权利要求4所述的半导体激光器模块，其特征在于，

在所述基座的下表面配置有导热片，所述光学单元经由所述导热片与连接对象接触。

7.根据权利要求4所述的半导体激光器模块，其特征在于，

所述光纤是多模光纤。

8.一种光学单元的固定结构，其特征在于，

使用在光学单元上接合有底座的带底座光学单元，所述光学单元具备导热性优异的矩形的基座、设置在所述基座上的电路导体、以及连接至所述电路导体的矩形的半导体激光器，

所述底座上形成有能够插通固定构件的4个贯穿孔，

4个所述贯穿孔中的两个配置在所述半导体激光器的前方，4个所述贯穿孔中的另外两个配置在所述半导体激光器的后方，

所述固定构件经过所述贯穿孔并贯穿所述基座，

在所述电路导体与所述基座之间具有绝缘层，

所述带底座光学单元用所述固定构件固定在封装件或冷却器上。