JP2004134641A

JP2004134641A - レーザモジュール

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Publication number: JP2004134641A
Application number: JP2002298932A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamanaka; 山中　英生; Kazuhiko Nagano; 永野　和彦
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】金属部品と他の部品とが有機接着剤により接着されたレーザモジュールにおいて、高温環境下における光量低下を抑制し、高い信頼性を得る。
【解決手段】ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７と、マルチモード光ファイバ３０と、半導体レーザから出射される複数のレーザビームを平行光化するコリメータレンズ１１〜１７と、平行光化されたレーザビームをマルチモード光ファイバ３０に合波する集光レンズ２０とからなるレーザモジュールにおいて、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７が配列固定されたＣｕＴｅからなるヒートブロック１０に、コリメータレンズ１１〜１７を保持するガラスからなるコリメータレンズホルダ４４を、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により固定する。ＣｕＴｅからなるヒートブロック１０として、Ｐ原子の含有率（ａｔｍ％）が３１０ｐｐｍ以下のものを使用する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シランカップリング剤を含む有機系接着剤により金属部材と他の部品とが接着されたレーザモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
紫外域のレーザビームを発生させる装置として、密閉容器内に複数の半導体レーザ素子と、１本のマルチモード光ファイバと、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザビームをマルチモード光ファイバに結合する集光光学系とを備えてなる高出力化が可能な合波レーザ光源、および複数の前記合波レーザ光源からなる露光光源が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のようなレーザモジュールにおいて、光学部品と金属部品とを接着する場合、その接着強度を向上させるために、例えば、シランカップリング剤を数〜数十％含有する有機接着剤が用いられる場合がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このような有機接着剤を用いた接着面では、シランカップリング剤に含まれるアルコシキ基が加水分解されてできたシラノ−ル基（Ｓｉ−ＯＨ）と金属部品表面のＭ−ＯＨ（Ｍは金属原子を示す）との間の脱水縮合反応により形成されたメタロキサン結合（Ｓｉ−ＯＭ）により化学的に強固に結合されていると考えられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−１７７１６６号公報
【０００７】
【非特許文献１】
Ｂ．Ａｒｋｌｅｓ　“Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”　１９７７年１２月　第７６５巻，
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、金属部品と光学部品との接着にシランカップリング剤を用いたレーザモジュールを高温環境試験すると、その接着部において、接着強度が低下するという問題がある。これは、高温環境下では、金属部品中の酸化性不純物が前記メタロキサン結合部へ拡散して結合の一部を破壊することにより、接合状態が変化するためと推定されている。
【０００９】
レーザモジュールに最も多く使用されている金属部品の材料としては、銅を主成分とする合金を挙げることができる。例えば、銅１００％のもの、あるいは、銅部品に光学部品を固定する場合には銅部材に高い表面平坦性が必要とされるので、切削加工性向上を目的として、Ｔｅが添加されたＣｕＴｅ（Ｔｅを最大０．７％含有する）等が用いられている。しかし、銅１００％からなる銅部材中には不純物が微量存在することが確認されており、またＣｕＴｅ中にも酸化性の不純物が微量存在することが確認されている。
【００１０】
一般的に銅部材に含まれる不純物として、Ｂｉ（Ｖ族）、Ｃｄ（ＩＩ族）、Ｐｂ（ＩＶ族）、Ｈｇ（ＩＩ）族、Ｏ（ＶＩ族）、Ｐ（Ｖ族）、Ｓｅ（ＶＩ族）、Ｓ（ＶＩ族）、Ｚｎ（ＩＩ族）、Ａｓ（Ｖ族）、Ｓｂ（Ｖ族）、Ｓｎ（ＩＶ族）、Ｍｎ等がある。特に、接着強度低下に影響する不純物はＩＶ族およびＶ族であり、部材に含まれる不純物量の増加に伴って接着強度の変化は大きくなり、光学特性の変化に影響することが確認されている。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて、金属部品の接着にシランカップリング剤を含有する有機接着剤が用いられたレーザモジュールにおいて、高温環境下においても光量変化の小さい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。
【００１２】
【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、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして銅を主成分とする金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、
銅を主成分とする金属部品中のＰ（リン）原子の含有率（ａｔｍ％）が、３１０ｐｐｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、前記「銅を主成分とする金属部品」とは、銅１００％からなるもの、あるいは、Ｃｕに加工性向上等のある目的のために意図的に他の原子が１％以下程度添加されたものを示す。
【００１４】
【発明の効果】
本発明のレーザモジュールによれば、シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして銅を主成分とする金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、銅を主成分とする金属部品中のＰ原子の含有率（ａｔｍ％）が３１０ｐｐｍ以下であることにより、高温環境下におけるＰ原子によるメタロキサン結合（Ｓｉ−ＯＭ）の切断を抑制することができるので、接着強度の低下を防止することができる。すなわち、部材間の接着強度低下によって生じる光量変化を小さくすることができ、高い信頼性を得ることができる。これにより、高温環境下でのエージング試験において、歩留りを向上させることができ、製造コストの削減をも実現することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
本発明の実施例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平面図および概略側面図を図１に示す。
【００１７】
本実施例によるレーザモジュールは、図１に示すように、ＣｕＴｅ（０．３〜０．７ａｔｍ％含有）からなるヒートブロック１０上に配列固定された一例として７個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７と、各ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７に対してそれぞれ設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。
【００１８】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜７は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７は、それぞれコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６および１７によって平行光化される。
【００１９】
平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコアの入射端面上で収束する。本例ではコリメータレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７がこのマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０から出射する。なおマルチモード光ファイバ３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００２０】
レーザモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が形成する閉空間内に密閉保持される。
【００２１】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面に前記ヒートブロック１０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック１０にコリメータレンズ１１〜１７を保持するガラス（ＢＫ７）からなるコリメータレンズホルダ４４が固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダ４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００２２】
なお、図においては、図の煩雑化を避けるために、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７のうち１つのＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、同様にコリメータレンズ１１〜１７のうち１つのコリメータレンズ１７にのみ番号を付してある。
【００２３】
ＣｕＴｅヒートシンク１０には、不純物としてＰが含まれていることが確認されている。
【００２４】
ＣｕＴｅヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４との接着（図中符号９の部分）には厚さ６００ｎｍ以下のカップリング剤を含有する有機接着剤を用いた。
【００２５】
この有機接着剤には、特開２００１−１７７１６６号公報に記載の、エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化号物、触媒量のオニウム塩光反応開始剤および１〜２重量部のシランカップリング剤を含有する接着剤を用いた。
【００２６】
シランカップリング剤としては、上記公報記載のように、１分子中にエポキシ基およびトリメトキシシリル基を有するエポキシシラン類が好ましい。このようなシランカップリング剤は、信越化学工業（株）からＫＢＭ３０３、ＫＢＭ４０３、ＫＢＥ４０２等の商品名で入手できる。シランカップリング剤の好ましい使用範囲は、脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の合計１００重量部に対して、０．５ないし５重量部とすれば良く、１ないし３重量部が好ましい。
【００２７】
上記レーザモジュールにおいて、高温環境試験を行い、光量低下量について評価した。この試験における光量低下量とＣｕＴｅヒートシンク１０内に含まれるＰ（リン）濃度（ａｔｍ％）との関係を図２に示す。なお、ここでいう結合効率とは、半導体レーザ素子の出力に対するファイバ出力の比率を示す。また、光量低下量（％）は結合効率の変化量から求めたものであり、次式で示される。光量低下量（％）＝｛１−（保存後の結合効率／保存前の結合効率）｝×１００
この試験は、Ｐ濃度が異なる５つのＣｕＴｅヒートシンク（Ｐ濃度が、１００ｐｐｍ、１９０ｐｐｍ、３００ｐｐｍ、３２５ｐｐｍあるいは５７５ｐｐｍの場合）を用意し、そのヒートシンクを上記レーザモジュール中に用いた５つのレーザモジュールについて、９０℃環境下で、２００時間保存し、その前後で結合効率を測定することにより実施した。図２に示す光量低下量（％）は、各７素子あるＬＤ１〜ＬＤ７のうち、最も光量低下量が大きいものについてプロットしたものである。
【００２８】
レーザモジュールの安定性および信頼性を確保する上では、光量低下量は、２％以下に留めることが望ましく、図２に示すように、Ｐ濃度を約３１０ｐｐｍ以下とすることが望ましいことが分かる。また、ＣｕＴｅヒートシンク中のＰ濃度が３２５ｐｐｍから３００ｐｐｍに低下する付近では、急激に光量低下量が低下している。
【００２９】
光量変化は、ファイバに入力するビームがファイバ中心から周辺方向に移動することを意味しており、ヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４に用いられている接着剤の結合状態が変化することによるものであると考えられる。具体的には、２％より大きい光量変化は、接着剤の結合力が弱まりヒートシンクとコリメータレンズホルダ４４の自重によりホルダが傾ぐことにより、ファイバ入力部中央にあった集光ビームが熱処理中に５μｍ以上重力方向（ベース板４２方向）に動いていることによると考えられる。
【００３０】
なお、本実施例においては、ヒートシンク１０とコリメータレンズホルダ４４との接着部分９について述べたが、レーザモジュール中の、例えば、ベース板４２に銅部材を用いた場合、ベース板４２とガラス（ＢＫ７）からなる集光レンズホルダ４５との接着部分についても、ベース板から接着部分へのＰ（リン）の拡散によりホルダの接着状態に変化が生じ、光量の低下が生ずることが考えられる。従って、ベース板４２のＰ濃度も同様に３１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３１】
コリメータレンズホルダ４４および集光レンズホルダ４５において、部材およびその接着には高い精度が要求される。このため、接着部の小さな接着強度変化は光量に大きく影響する。このような光学部材と金属部品との高精度な接着箇所に限らず、レーザモジュールにおける、銅部材と他の部材との接着にシランカップリング剤を含有する有機接着剤を用いた場合においても、銅部材のＰ濃度を３１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
また、本実施例においては、加工性向上のためにＴｅが０．３〜０．７ａｔｍ％添加されたＣｕＴｅからなるヒートシンクを用いた場合について記載したが、Ｔｅを含まないＣｕ１００％からなるヒートシンク、Ｗ（タングステン）が１％程度添加されたＣｕ部材、ＴｅおよびＷ以外の原子が１％以下程度添加されたＣｕ部材に関しても、Ｐ濃度を３１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３３】
また、本実施例においては、Ｐ原子について光量低下量の濃度依存性を調べたが、銅部材に不純物として含まれるＰと同族の、Ｂｉ、ＡｓあるいはＳｂについても３１０ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００３４】
また、さらに、銅部材中に不純物として含まれるＩＶ族原子において、Ｐ原子と同等若しくはそれ以上にメタロキサン結合を切断する力が強いものについては、３１０ｐｐｍ以下をより好ましい濃度範囲とし、同等以上の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザモジュールを示す概略平面図
【図２】ヒートシンク中のＰ濃度とレーザモジュールの光量低下量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
ＬＤ１〜ＬＤ７　　ＧａＮ系半導体レーザ素子
Ｂ１〜Ｂ７　　レーザビーム
１０　　ＣｕＴｅヒートブロック
１１〜１７　　コリメータレンズ
２０　　集光レンズ
３０　　マルチモード光ファイバ
４０　　パッケージ
４１　　パッケージ蓋
４２　　ベース板
４４　　コリメータレンズホルダ
４５　　集光レンズホルダ
４６　　ファイバホルダ
４７　　配線類

Claims

シランカップリング剤を含有する有機接着剤により接着される複数の被着体の少なくとも１つとして銅を主成分とする金属部品を備えたレーザモジュールにおいて、
前記銅を主成分とする金属部品中のＰ原子の含有率（ａｔｍ％）が、３１０ｐｐｍ以下であることを特徴とするレーザモジュール。