JP2004235567A

JP2004235567A - レーザモジュール

Info

Publication number: JP2004235567A
Application number: JP2003024697A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Kuramachi; 照彦蔵町; Kazuhiko Nagano; 和彦永野
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】レーザビームと、光ファイバと、レーザビームを光ファイバに入射させる光学系とを備えたレーザモジュールにおいて、光学要素の位置精度が高めてレーザビームのファイバへの結合効率を高くする。
【解決手段】冷却媒体が流動する通路１０を内部に有するヒートシンク９と、ＳｉＣからなり、ヒートシンク９と一体的に形成された基板１９と、ヒートシンク９上に固定された、７本のレーザビームを発する半導体レーザ８と、基板１９上にレンズホルダー１７を介して設置されたマルチモード光ファイバ１６と、半導体レーザ８から発せられた７本のレーザビームを平行光化させるレンズホルダー１３に保持されたコリメータレンズアレイ１２と、平行光化されたレービームをマルチモード光ファイバ１６に合波して入射させるレンズホルダー１５に保持された集光レンズ１４と、通路１０に冷却媒体を流動させるためのポンプを備えた冷却器３２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、１以上のレーザビームを発する半導体レーザと、光ファイバと、前記半導体レーザから発せられたレーザ光を前記光ファイバに入射させる光学系とから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】
レーザの高出力化のため、複数のレーザビームと、光ファイバと、前記複数のレーザビームを光ファイバに合波するコリメートレンズおよび集光レンズからなる光学系とを備えたレーザモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来、半導体レーザモジュールは、パッケージ内部、またはパッケージ外部の底板にペルチェ等の冷却機能を持つデバイスが取り付けられ、その上にステム、ヒートシンク等の半導体素子、および光学素子等が配置されている。しかし、ペルチェ等の冷却機能を持つデバイスを取り付けることにより、部分点数が増えるので、小型化および低コスト化が困難である。また、冷却機能部から発熱体までの距離を小さくすることが必要となるため、熱膨張による部材変形を抑制することが困難である。
【０００４】
このため、ヒートシンク内部に水路を形成し冷却する方法が提案されている。（例えば、特許文献２および３参照）。しかし、これらは冷却効果を考慮して熱伝導率の高いＣｕを用いているため、このような構造を上記レーザモジュールに用いた場合、ヒートシンク自体の熱膨張によって数μｍの発光点変化が生じる。
【０００５】
さらに、窒化物系化合物半導体レーザの電気−光変換効率は、赤〜赤外の波長領域で発振する半導体レーザのそれが４０〜５０％程度に対し、一般に１５％と低く、かつ紫外〜青の高エネルギーの光を放出するため、非常に発熱量が大きくなる。また、半導体レーザは、駆動温度が高くなるほど素子寿命を低下させてしまう。このため窒化物系半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザに比べ、よりチップの放熱を十分に行うことができる実装構造が望まれる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−５１９９４０２号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開２０００−４５８７８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に放熱板あるいはレーザモジュールの基板等には、Ｃｕ（熱膨張係数１７×１０⁻ ^６（ｄｅｇ^−１）、熱伝導率Ｗ／（ｍ・ｋ））あるいはＣｕ合金製ブロック等の熱伝導率の大きい部材が用いられているが、これらは、熱膨張係数が大きいため、上記のようなレーザモジュールの場合、駆動温度により半導体レーザ素子のミクロンオーダーの位置ずれが生じる。この位置ずれのため、半導体レーザから出射され、複数のレンズを経由してファイバに結像されたビームにおいて出力低下が生じる。
【００１０】
さらに、複数の半導体レーザを実装すると、熱分布を持ち、中央部が周辺部より比較的高くなる傾向を示し、均一な温度分布にすることが困難である。このため、上記のような合波レーザモジュールでは、光ファイバへの結合効率が低下し、出力低下を招く。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて、レーザビームと、光ファイバと、レーザビームを光ファイバに入射させる光学系とを備えたレーザモジュールにおいて、光学要素の位置精度が高くレーザビームのファイバへの結合効率が高い半導体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、冷却媒体が流動する通路を内部に有するヒートシンクと、
熱膨張係数が５．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１）以下の材料からなり、ヒートシンクと一体的に形成された基板と、
ヒートシンク上に固定された１本以上のレーザビームを発する半導体レーザと、
基板上に直接あるいは保持部材を介して設置された光ファイバと、
基板上に直接あるいは保持部材を介して設置された、半導体レーザから発せられたレーザビームを該光ファイバに入射させる光学系と、
通路に冷却媒体を流動させるための手段とからなることを特徴とするものである。
【００１３】
材料は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮまたはコバールであることが望ましい。
【００１４】
レーザビームの波長帯は、３５０ｎｍから４５０ｎｍの範囲であることが望ましい。
【００１５】
半導体レーザが、発光点が１本の線状に並んだ複数の発光点から複数のレーザビームを発するものである場合は、該各発光点から該発光点の並び方向に対して垂直な方向の前記通路の壁面までの距離が、発光点並び方向中央から離れるに従って大きくなるものであることが望ましい。
【００１６】
通路内に、冷却媒体の流動方向を制御する手段が設けられていることが望ましい。
【００１７】
なお、「コバール」とは、ＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ社製の鉄合金「Ｋｏｖａｒ」（Ｎｉ２８％、Ｃｏ１８％、残りＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）を示す。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のよるレーザモジュールによれば、冷却媒体が流動する通路を内部に有するヒートシンクを用いているので、半導体レーザからの発熱を良好に放熱させることができ、半導体レーザおよびレーザモジュールの経時信頼性を高いものとすることができる。さらに、熱膨張係数が５．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１）以下の材料からなり、ヒートシンクと一体的に形成された基板を用いているので、半導体レーザ、光ファイバおよび光学部材の熱膨張によるこれらの位置ズレを防止することができるので、光ファイバへの結合効率を高いものとすることができる。
【００１９】
基板の材料としてＳｉ、ＳｉＮ、ＡｌＮまたはコバールを用いた場合は、熱膨張係数が、Ｃｕの４分の１から３分の１程度であるので、良好に位置ズレを防止できファイバへの結合効率が高いものとすることができる。
【００２０】
レーザビームの波長帯が、３５０ｎｍから４５０ｎｍの範囲である場合は、エネルギーが高く、電気−光変換効率が１５％程度であるため発熱量が高いので、本発明を適用することは効果的である。
【００２１】
半導体レーザが、発光点が１本の線状に並んだ複数の発光点から複数のレーザビームを発するものであり、該各発光点から該発光点の並び方向に対して垂直な方向の通路の壁面までの距離が、発光点並び方向中央から離れるに従って大きくなるものとした場合は、半導体レーザの熱分布に対応して、高い発熱量の領域は冷却効果が高くなるので、複数のレーザビームの出力を略同等にすることができる。レーザビームの出力制御を容易なものとすることができる。
【００２２】
通路内に、冷却媒体の流動方向を制御する手段が設けられている場合は、冷却媒体の流動性を高めることが可能となるので、より放熱性を高めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
本発明のレーザモジュールの一実施形態について説明する。図１にそのレーザモジュールの側面図を示し、図２にレーザモジュール全体の概略構成図を示し、図３に平面図を示す。
【００２５】
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、冷却媒体としての純水が流動する冷却媒体通路１０を内部に有するＳｉＣ（熱膨張係数；３．７×１０^−６（ｄｅｇ^−１）、熱伝導率２７０（Ｗ／（ｍ・ｋ））からなるヒートシンク９と、ＳｉＣからなり、ヒートシンク９と一体的に形成された基板１９と、ヒートシンク９上に固定された、合計７本のレーザビームを発する半導体レーザ８と、基板１９上にレンズホルダー１７を介して設置されたマルチモード光ファイバ１６と、半導体レーザ８から発せられた７本のレーザビームを平行光化させるレンズホルダー１３に保持されたコリメータレンズアレイ１２と、平行光化されたレービームをマルチモード光ファイバ１６に合波して入射させるレンズホルダー１５に保持された集光レンズ１４と、前記冷却媒体通路１０に冷却媒体を流動させるためのポンプ３３を備えた冷却器３２（図２に示す）とからなるものである。
【００２６】
ヒートシンク９内部の通路１０は、基板１９が取付けられるモジュール取付け台２３の内部に形成された冷却媒体通路２９に連結されている。冷却器３２からポンプ３３によって、配管２４側からモジュール取付け台内部の冷却媒体通路２９、ヒートシンク内部の冷却媒体通路１０および配管２５方向へ、一定温度の冷却媒体が供給される。
【００２７】
半導体レーザ８は、１本のレーザビームを発する半導体レーザチップＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６およびＬＤ７が、ヒートシンク９上に配列固定されている。７個の半導体レーザチップは、すべてＧａＮ系の半導体からなるものであり、発振波長４０５±１０ｎｍ、出力１００ｍＷのレーザビームＢ１、Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６およびＢ７を発するものである。７本レーザービームは、７つの半導体レーザチップのそれぞれの発光点Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６およびＥ７から発せられる。半導体レーザチップは、発光点ピッチが、１２５０μｍで配列固定されている。
【００２８】
ヒートシンク９は、半導体レーザ８固定面と対応する面から内部がくりぬかれた形状となっており、そのくりぬかれた領域が冷却媒体通路１０となっている。また、このヒートシンク９は、図４に示すように、発光点の並び方向Ｘに対して、発光点から冷却媒体通路１０の壁面１１までの垂直方向の距離が、中央の半導体レーザチップＬＤ４から端の半導体レーザチップＬＤ１およびＬＤ７へ離れるに従って大きくなるものである。すなわち、半導体レーザチップＬＤ４における前記距離ｌ_１と端の半導体レーザチップＬＤ１およびＬＤ７における前記距離ｌ_２との関係は、ｌ_１＜ｌ_２となる。これにより、半導体レーザの熱分布に対応して、発熱量が高い領域は冷却効果を高くできるので、複数の半導体レーザを均一な温度に制御できる。従って、複数のレーザビームの出力を略同等にすることができ、レーザビームの出力制御を容易なものとすることができる。
【００２９】
このように、ヒートシンク内部の冷却媒体通路１０を、単純な１つの溝とすることにより、流量を上げることができ、冷却能力を上げることができる。また、このような単純な構造とすることにより、加工も容易であるため安価にレーザモジュールを作製することができる。
【００３０】
レーザモジュール取付け台２３は、図１に示すように、底面に半導体レーザの並び方向に長い板２６が形成されており、この板２６が冷却媒体通路１０内中央部に位置するように、パッケージ２０と、ゴムパッキング２７およびねじ２８で固定される。この板２６は、図５に示すように、壁面抵抗を小さくし冷却媒体を流動させやすくするために流線形状に形成されている。この板２６によって冷却媒体が、半導体レーザ素子の出射面側から、該出射面と対向する面側へ流れるように制御される。これにより、冷却媒体の流動性を高めることが可能となるので、より放熱性を高めることができる。
【００３１】
図３を参照して、半導体レーザチップ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アレイ１２の各コリメータレンズ１２ａによって平行光化される。
【００３２】
平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ１４によって集光され、マルチモード光ファイバ１６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１２ａおよび集光レンズ１４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１６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１４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１６のコアに入射してそこを伝搬し、１本のレーザビームに合波されてマルチモード光ファイバ１６から出射する。なおマルチモード光ファイバ１６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。
【００３３】
レーザモジュールを構成する光学要素は、基板１９と壁面１８とからなる上方が開口した箱状のパッケージ２０内に収容され、このパッケージ２０の上記開口がパッケージ蓋２１によって閉じられることにより、該パッケージ２０およびパッケージ蓋２１が画成する閉空間内に密閉保持される。
【００３４】
また半導体レーザチップＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線類２２は、壁面１８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。
【００３５】
なお、図３においては、図の煩雑化を避けるために、半導体レーザチップＤ１〜７のうち端の半導体レーザチップＬＤ１およびＬＤ７にのみ、レーザビームＢ１〜Ｂ７までのうちレーザビームＢ１とＢ７にのみ番号を付してある。
【００３６】
一方、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が一例としてそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するものが用いられている。これらの半導体レーザチップＬＤ１〜ＬＤ７は、平坦な表面を有するヒートシンク９上に、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００３７】
したがって、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長い形状とされた各コリメータレンズ１２ａに対して、拡がり角最大の方向が開口径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細長い形状とされた各コリメータレンズ１２ａは、入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の楕円形の断面形状に対応して、非有効部分を極力少なくして使用されることになる。本実施の形態では具体的に、各コリメータレンズ１２ａの開口径は水平方向、垂直方向で各々１．１ｍｍ、４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、各コリメータレンズ１２ａの各焦点距離ｆ_１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ光軸ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００３８】
集光レンズ１４も、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取って、各コリメータレンズ１２ａの並び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とされている。そして該集光レンズ１４の焦点距離ｆ_２＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ１４も、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。
【００３９】
他方、マルチモード光ファイバ１６としては、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基本として、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る、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上のものが用いられている。本例の場合、先に述べたコア径×ＮＡの値は７．５μｍである。
【００４０】
本実施の形態の構成においては、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ１６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ＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が１００ｍＷのときには、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザビームが得られることになる。
【００４１】
本発明のレーザモジュールによれば、ヒートシンクと一体的に形成された基板に熱膨張係数がＣｕの約５分の１であるＳｉＣを用いることにより、半導体レーザ、光ファイバおよび光学部材の、熱膨張による位置ズレを防止することができるので、光ファイバへの結合効率を高いものとすることができる。
【００４２】
また、冷却媒体が流動する通路を内部に有するヒートシンクを用いているので、熱伝導率がＣｕに比べて小さいものであっても、半導体レーザからの発熱を良好に放熱させることができ、半導体レーザおよびレーザモジュールの経時信頼性を高いものとすることができる。
【００４３】
また、特に本実施の形態では、モジュール取付け台２３に設けられた冷却媒体通路２９は、レーザモジュールすべての光学部材（半導体レーザ、コリメータレンズ、集光レンズおよび光ファイバ）の下部に位置し、これらの部材を冷却することができるので、モジュール全体を均一に冷却することが可能である。これにより、レーザビームと光ファイバとの結合効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態では、基板１９の材質としてＳｉＣを用いて説明したが、ヒートシンクと一体的に形成された基板１９の材料としては、ＳｉＣの他に、Ｓｉ（熱膨張係数４．２×１０^−６（ｄｅｇ^−１）、熱伝導率１５１（Ｗ／（ｍ・ｋ））、ＡｌＮ（４．５×１０^−６（ｄｅｇ^−１）、熱伝導率１７０〜２００（Ｗ／（ｍ・ｋ））、またはコバール（５．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１、熱伝導率１７（Ｗ／（ｍ・ｋ））のような、熱膨張係数が５．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１）以下のものを用いることができる。このような材料を用いることにより、モジュールの光学部材の位置精度を高くでき、また、半導体レーザからの発熱を良好に放熱させることができ、半導体レーザおよびレーザモジュールの経時信頼性を高いものとすることができる。
【００４５】
また、半導体レーザとして、１つのチップに１つの発光点を有する複数の半導体レーザチップを用いて説明したが、これに限らず、１つの発光点を有する１つの半導体レーザチップからなるものであってもよく、複数の発光点を有する１つ以上の半導体レーザチップからなるものであってもよい。
【００４６】
冷却媒体は、純水の他に、メタノール、エタノール、アセトンまたはＨＦＣおよびＨＣＦＣ等の代替フロンガスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザモジュールの一実施の形態を示す側面図
【図２】レーザモジュールの概略構成図
【図３】本発明のレーザモジュールの一実施の形態を示す平面図
【図４】図１における３０−３０断面図
【図５】図１における３１−３１断面図
【符号の説明】
８半導体レーザ
９ヒートシンク
１０，２９冷却媒体通路
１１冷却媒体通路壁面
１２コリメータレンズアレイ
１３コリメータレンズホルダー
１４集光レンズ
１５集光レンズホルダ
１６マルチモード光ファイバ
１７光ファイバホルダ
１８パッケージ横壁面
１９基板
２０パッケージ
２１パッケージ蓋
２２配線類
２３モジュール取付け台
２４，２５配管
２６板
２７ゴムパッキング
２８ねじ
３２冷却器
３３ポンプ

Claims

冷却媒体が流動する通路を内部に有するヒートシンクと、
熱膨張係数が５．３×１０^−６（ｄｅｇ^−１）以下の材料からなり、前記ヒートシンクと一体的に形成された基板と、
前記ヒートシンク上に固定された１本以上のレーザビームを発する半導体レーザと、
前記基板上に直接あるいは保持部材を介して設置された光ファイバと、
前記基板上に直接あるいは保持部材を介して設置された、前記半導体レーザから発せられたレーザビームを該光ファイバに入射させる光学系と、
前記通路に冷却媒体を流動させるための手段とからなることを特徴とするレーザモジュール。
前記材料が、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮまたはコバール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。
前記レーザビームの波長帯が、３５０ｎｍから４５０ｎｍの範囲である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。
前記半導体レーザが、発光点が１本の線状に並んだ複数の発光点から複数のレーザビームを発するものであり、
該発光点から該発光点の並び方向に対して垂直な方向の前記通路の壁面までの距離が、前記発光点並び方向中央から離れるに従って大きくなるもの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。
前記通路内に、冷却媒体の流動方向を制御する手段が設けられていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のレーザモジュール。