JP2004235535A

JP2004235535A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004235535A
Application number: JP2003024002A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Kuramachi; 照彦蔵町; Hideo Yamanaka; 英生山中; Yoji Okazaki; 洋二岡崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

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半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子端面等への汚染物質の付着を防止し、良好な特性および信頼性を得る。
【解決手段】密閉容器２内に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子６が設置されてなる半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子６の駆動温度を５０〜８０℃の範囲に保つ。温度調節手段は例えば半導体レーザ素子６を加温するヒータ５０と、その温度を検出するサーミスタ５１と、温調回路５２とから構成する。
【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半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特許文献１に示されるように、半導体レーザ素子、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内に収容されてなる半導体レーザ装置が知られている。この種の半導体レーザ装置においては、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認められている。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が挙げられ、この炭化水素が、レーザ光により重合あるいは分解されて上記光学部品等に付着することが分かっている。
【０００３】
上述のような用途に好適に用いられる半導体レーザ素子の一つとして、上記特許文献１には、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にあるＧａＮ系半導体レーザ素子が示されているが、このような範囲の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を重合あるいは分解させる作用が高い。したがって、このような半導体レーザ素子を密閉容器内に収容して用いる場合は、上記の問題が特に顕著となる。
【０００４】
上述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。例えば特許文献２には、炭化水素の光分解による光学部品等への堆積を防止するためには容器内の炭化水素量を０．１％以下にすることが効果的であり、これにより波長４００ｎｍ以下のレーザ光の出力低下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。
【０００５】
また特許文献３には、炭化水素の光分解による半導体レーザ素子端面への炭化水素の付着を防止するために、このガスを分解する酸素を１００ｐｐｍ以上封止ガスに混入させることが記載されている。
【０００６】
また特許文献４には、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、長期信頼性が確保できることが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１１−１６７１３２号公報
【０００９】
【特許文献３】
米国特許第５３９２３０５号明細書
【００１０】
【特許文献４】
特開平１１−８７８１４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光と炭化水素の反応により生成される炭化水素系の堆積物は、上記特許文献３に示されるように、一定量以上の酸素を含んだガス雰囲気においてＣＯ_２とＨ_２Ｏとに分解される。
【００１２】
しかしながら、この種の堆積物としては炭化水素化合物だけでなく、ケイ素化合物の存在も確認されており、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でき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する。炭化水素化合物およびケイ素化合物等の堆積物は、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ものである。なお、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。
【００１３】
Ｓｉを含有した有機化合物ガス発生源は、主として半導体レーザ装置製造工程に使用されているシリコーン系材料である。すなわち、これが半導体レーザ装置内の各部品の表面に付着している場合があり、また、半導体レーザ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は、通常のクリーンルームや封止ガス精製機では完全に除去することができず、完全な除去には多大な設備投資が必要となる。特許文献４に開示されている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できない。
【００１４】
特に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にあるレーザでは、酸素濃度に対するモジュールの経時劣化速度の依存性は赤外の半導体レーザ素子の場合と異なり、赤外波長レーザに見られるような酸素濃度増加に伴う改良が見られない。すなわち、赤外波長のレーザ光については、レーザ光路上に依存する光学部品（半導体レーザ素子端面、光学部品、モジュール内ファイバ入射端面等）の表面に堆積する炭化水素化合物の分解反応が酸素濃度の増加と共に活発になり、経時信頼性の向上が見られるが、発振波長が上記範囲にあるレーザの場合は、酸素濃度が１００ｐｐｍ以上では逆に信頼性が悪くなる。これは１００ｐｐｍ以上の領域では、ケイ素化合物の堆積が顕在化するためである。
【００１５】
本発明は上記の事情に鑑みて、半導体レーザ素子が密閉容器内に配置されてなる半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子端面や光学部品等への汚染物質の堆積を防止して、信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することを目的するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザ装置は、前述したように密閉容器内に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子が設置されてなる半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子の駆動温度を５０〜８０℃の範囲に保つ温度調節手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
なお上記の温度調節手段は、前記密閉容器内における半導体レーザ素子の近傍部分のみを５０〜８０℃の範囲に保つように構成されていることが望ましい。
【００１８】
また本発明による半導体レーザ装置は、上記密閉容器内に、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を該光ファイバに入力するための光学部材とを備えた構成を前提とするものであることが望ましい。
【００１９】
【発明の効果】
図３は、一般的な半導体レーザ素子の駆動温度と劣化率との関係を示すものであり、このように駆動温度を上げるほど経時特性が悪化することが分かっている。また図４は、密閉容器内に半導体レーザ素子が設置されてなる半導体レーザ装置において、ＧＣ−ＭＡＳで揮発有機物量を同定した場合の揮発有機物の換算定量値（ヘキサデカンの揮発ガス量〔ｇ〕に対する揮発有機物総量〔μｇ〕）と環境温度との関係を示すものである。このように、揮発有機物は環境温度が高いほど増える。以上の点、並びに環境温度が一般に２０℃程度を下回ると結露の問題が生じることから、従来の半導体レーザ装置において半導体レーザ素子は、通常２０〜３０℃の温度下で駆動されていた。
【００２０】
ところが本発明者の研究によると、図４のような傾向が有るにも拘わらず、密閉容器内に設置された半導体レーザ素子の出射端面に実際に付着する有機物の厚みと駆動温度との関係を実際に調べてみると、図５に一例を示すように、駆動温度が高いほど有機物付着厚みが小さくなる傾向が有ることが分かった。なお図５の特性は、１００℃に加熱したときに発生する揮発有機物の総量が１０μｇ／ｇである部材によって構成された半導体レーザ素子からなる半導体レーザ装置について測定したものである。
【００２１】
上述の新しい知見に基づいて本発明では、従来よりも著しく高い５０〜８０℃という温度範囲で半導体レーザ素子を駆動するようにしたものである。なお上記図５に示される通り、半導体レーザ素子の出射端面における有機物の付着厚みは、駆動温度が５０℃以上になると特に小さくなるので、本発明では駆動温度の最低値をこの５０℃とするものである。一方、図３に示す半導体レーザ素子の劣化率は、実使用においては一般に７×１０^−５（１／ｈ）以下程度であることが望まれるので、本発明では駆動温度の最高値を、若干の余裕もみて８０℃とするものである。
【００２２】
以上により本発明によれば、半導体レーザ素子の駆動温度上昇による経時劣化も比較的少なく、また該素子の出射端面やその他の光学部材等への汚染物質の付着も抑えられた、信頼性の高い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２３】
図６は、半導体レーザ素子から所定出力のレーザ光が出射するようにＡＰＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）駆動するとき、規格化駆動電流（駆動電流／初期駆動電流）の値が、該素子の出射端面における有機物付着の有無に応じて変わる様子の一例を示すものである。ここに示される通り、有機物が付着している場合は、半導体レーザの駆動時間が増えるのにつれて規格化駆動電流が増大するのに対し、有機物が付着していない場合は、半導体レーザの駆動時間が増えても規格化駆動電流はほとんど増大することがない。なお、この比較に供した有機物の付着厚みは１００ｎｍである。本発明の半導体レーザ装置は、上述した通り半導体レーザ素子の出射端面への有機物の付着を抑えることができるので、所定出力のレーザ光を出射させる上で必要な駆動電流が増大することを防止可能となる。
【００２４】
なお本発明による半導体レーザ装置において、上記の温度調節手段が、密閉容器内における半導体レーザ素子の近傍部分のみを５０〜８０℃の範囲に保つように構成されている場合は、半導体レーザ素子以外の素子や光学部材を、室温あるいはその程度の所定温度に保つことができるので、それらが高温になることによって信頼性が低下したり、有機物の揮発量が増えることを防止できる。
【００２５】
また本発明による半導体レーザ装置が、密閉容器内に、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を該光ファイバに入力するための光学部材とを備えた構成を前提とするものである場合は、半導体レーザ素子の出射端面や光ファイバの入射端面、さらには光学部材の光通過面への汚染物質の付着を少なく抑えて、光ファイバから出射するレーザ光の出力を高く安定に維持することが可能になる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１の実施形態によるキャン封止型半導体レーザ装置の概略構成を示すものである。図示の通りこの半導体レーザ装置は、ステム１と、無反射コーティングが施された窓ガラス３を有して上記ステム１の上に封止固定された円筒形の密閉容器（キャン）２とを備えている。そしてこの密閉容器２内においてステム１の上にはヒートブロック４が固定され、該ヒートブロック４にサブマウント５を介してチップ状態のＧａＮ系半導体レーザ素子６が接着されている。
【００２８】
またステム１には電極端子８が固定され、この電極端子８と半導体レーザ素子６とがワイヤ９によって接続されている。またステム１にはモニタ用フォトダイオード１０が固設され、このモニタ用フォトダイオード１０と別の電極端子１１とがワイヤ１２によって接続されている。
【００２９】
なお図１では、容器内の部品構成を解りやすくするため、密閉容器２の手前半分については省略してある。
【００３０】
本実施形態の半導体レーザ装置においては、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある（例えば４１０ｎｍ）ＧａＮ系半導体レーザ素子６が用いられており、この半導体レーザ素子６の前方出射光であるレーザ光７が窓ガラス３から密閉容器２の外に出射する。また、半導体レーザ素子６の後方出射光の光量がモニタ用フォトダイオード１０によって検出され、その光量検出信号が図示外のＡＰＣ回路に入力されて、レーザ光７の出力が一定となるように半導体レーザ素子６の駆動電流が制御される。
【００３１】
また上記ステム１の裏側表面には、ヒートブロック４に対応する位置において電熱体からなるヒータ５０が固定され、さらにそのヒータ５０の近傍においてサーミスタ５１が固定されている。ヒータ５０は温調回路５２から供給される駆動電流Ｓ１によって駆動されて、ヒートブロック４の近傍部分を加温する。サーミスタ５１はヒートブロック４の近傍部分の温度を検出し、温度検出信号Ｓ２を温調回路５２に入力する。温調回路５２は入力された温度検出信号Ｓ２に応じてヒータ５０の駆動電流Ｓ１を調節することにより、ヒートブロック４の近傍部分の温度を、５０〜８０℃の範囲内の所定温度に制御する。
【００３２】
以上の構成により、半導体レーザ素子６もほぼ上記所定温度に制御される。そこで、前述した理由により、半導体レーザ素子６の出射端面や窓ガラス３の内表面への炭化水素化合物やケイ素化合物等の堆積、付着が抑えられ、出力が安定した信頼性の高い半導体レーザ装置を得ることができる。また、半導体レーザ素子６の出射端面に対する汚染物質の付着を抑えることができるので、ＡＰＣ駆動により所定出力のレーザ光７を出射させる上で必要な半導体レーザ素子６の駆動電流が増大することも防止可能となる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態による半導体レーザ装置について説明する。図３の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、ファイバ合波レーザモジュールとして構成された本実施形態の半導体レーザ装置の平面形状、側面形状を示すものである。本装置においては、密閉容器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、ヒートブロック２０と、集光レンズホルダ４５と、ファイバホルダ４６とが固設されている。
【００３４】
上記ヒートブロック２０には、一例として７個のチップ状態のＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７が接着されている。またヒートブロック２０に取り付けられたコリメータレンズホルダ４４には、各ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７に対応させて７個のコリメータレンズ３１〜３７が保持されている。そして集光レンズホルダ４５には集光レンズ４３が保持され、ファイバホルダ４６にはマルチモード光ファイバ３０の一端部が保持されている。
【００３５】
なお図３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。
【００３６】
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。容器４０内に上述の各要素が収容、固定された後、その開放した上部には蓋４１が固定され、それにより該容器４０の内部が気密封止される。
【００３７】
ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７としては、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある（例えば４１０ｎｍ）ものが用いられている。これらのＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７は、それぞれ発光幅が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°の状態で各々レーザ光Ｂ２１〜Ｂ２７を発する。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。
【００３８】
一方、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３１〜３７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向きにして、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００３９】
したがって、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７から発せられたレーザ光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。本例では、各コリメータレンズ３１〜３７の幅は１．１ｍｍ、長さは４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザ光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＝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＝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、グレーデ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く、例えば三菱電線工業株式会社製のグレーデ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３０は、コア中心部がグレーデ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。また、マルチモード光ファイバの代わりに、シングルモード光ファイバが用いられてもよい。
【００４２】
上記の構成において、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の各々から発散光状態で出射したレーザ光Ｂ２１〜Ｂ２７は、対応するコリメータレンズ３１〜３７によって平行光化される。平行光化されたレーザ光Ｂ２１〜Ｂ２７は、集光レンズ４３によって集光され、マルチモード光ファイバ３０の入射端面上で収束する。これらのレーザ光Ｂ２１〜Ｂ２７は、マルチモード光ファイバ３０に入射して該光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザ光に合波されてマルチモード光ファイバ３０から出射する。
【００４３】
本実施の形態では、レーザ光Ｂ２１〜Ｂ２７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．９となる。したがってＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜ＬＤ２７の各出力が１００ｍＷの場合には、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザ光を得ることができる。
【００４４】
ここでヒートブロック２０の上面には、７個のＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７に近接して延びる細長い電熱体からなるヒータ５０が固定され、さらにそのヒータ５０の近傍においてサーミスタ５１が固定されている。ヒータ５０は温調回路５２から供給される駆動電流Ｓ１によって駆動されて、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の近傍部分を加温する。サーミスタ５１はＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の近傍部分の温度を検出し、温度検出信号Ｓ２を温調回路５２に入力する。温調回路５２は入力された温度検出信号Ｓ２に応じてヒータ５０の駆動電流Ｓ１を調節することにより、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の近傍部分の温度を、５０〜８０℃の範囲内の所定温度に制御する。
【００４５】
以上の構成により、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７もほぼ上記所定温度に制御される。そこで、前述した理由により、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の出射端面、レンズ２０、３１〜３７、さらにはマルチモード光ファイバ３０の入射端面への炭化水素化合物やケイ素化合物等の堆積、付着が抑えられるので、この半導体レーザ装置は合波レーザ光の出力が高く安定した、信頼性の高いものとなる。また、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の出射端面に対する汚染物質の付着を抑えることができるので、ＡＰＣ駆動により所定出力の合波レーザ光を出射させる上で必要なＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の駆動電流が増大することも防止可能となる。
【００４６】
さらに、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の温度を上述のような比較的高い範囲に維持しておくと、それらをＯＮ−ＯＦＦスイッチングして駆動する場合には、ＯＮ時とＯＦＦ時の温度差が小さくなるので、ＯＮ時の立ち上がり特性も向上する。
【００４７】
なお、上述のように所定出力の合波レーザ光を出射させるためには、例えばマルチモード光ファイバ３０から出射した合波レーザ光をハーフミラー等により一部分岐してその光量を検出し、その光量検出信号をＡＰＣ回路に入力し、該信号に基づいてＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の駆動電流を制御すればよい。
【００４８】
先に説明した図３〜５の特性は、上記第２の実施形態による半導体レーザ装置において、各ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７毎の出力が３０ｍＷとなるようにＡＰＣ駆動した場合について測定したものである。
【００４９】
また図６の特性は、上記第２の実施形態による半導体レーザ装置において上記と同様にＡＰＣ駆動して、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７の出射端面に有機物付着が認められなかった場合と、ＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ２１〜２７を温度調節しない以外は上記第２の実施形態と同様に構成した半導体レーザ装置を同様にＡＰＣ駆動して、厚み１００ｎｍの有機物付着が認められた場合とについて測定したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体レーザ装置を示す一部破断斜視図
【図２】本発明の第２の実施形態による半導体レーザ装置を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）
【図３】半導体レーザ素子の駆動温度と、その劣化率との関係を示すグラフ
【図４】半導体レーザ装置の環境温度と、その密閉容器内で発生する有機物の量との関係を示すグラフ
【図５】半導体レーザ素子の駆動温度と、その出射端面に付着する有機物の厚みとの関係を示すグラフ
【図６】半導体レーザ素子の駆動時間と、所定出力を得るのに必要な規格化駆動電流との関係を、素子端面に有機物が付着している場合と付着していない場合とで比較して示すグラフ
【符号の説明】
１ステム
２密閉容器
４ヒートブロック
６ＧａＮ系半導体レーザ素子
２０ヒートブロック
３０マルチモード光ファイバ
３１〜３７コリメータレンズ
４０密閉容器
４３集光レンズ
５０ヒータ
５１サーミスタ
５２温調回路
ＬＤ２１〜ＬＤ２７ＧａＮ系半導体レーザ素子

Claims

密閉容器内に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子が設置されてなる半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子の駆動温度を５０〜８０℃の範囲に保つ温度調節手段を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記温度調節手段が、前記密閉容器内における前記半導体レーザ素子の近傍部分のみを５０〜８０℃の範囲に保つように構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
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出射されたレーザ光を該光ファイバに入力するための光学部材とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。