JP2004253783A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザ素子と、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを集光し光ファイバの入射端に結合させる集光光学系とを備えてなるレーザモジュールにおいて、高い信頼性を得る。
【解決手段】 半導体レーザ素子ＬＤと、コリメータレンズ19と、集光レンズ12と、光ファイバ13とが、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢがコリメータレンズ19で平行光化され、集光レンズ12で集光されて光ファイバ13の入射端面で収束する位置関係に配置されてなるレーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子ＬＤを内包して気密封止されてなる第１のパッケージとしてＣＡＮパッケージ10を備え、さらに、光ファイバ13の入射端面を内包して気密封止されてなる第２のパッケージＰ２を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明はレーザモジュールに関し、特に、半導体レーザ素子と、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射したレーザビームを光ファイバの一端面に結合させる集光光学系とを備えたレーザモジュールに関するものである。

従来より、パッケージ内に収容された半導体レーザ素子と、一端（光入射端面）がこのパッケージの内部を臨む状態にして該パッケージに固定された光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを光ファイバの光入射端面に結合させる集光光学系とを備えてなるレーザモジュールは、いわゆるピッグテール型レーザモジュールとして、光通信部品として一般的に知られている。

レーザモジュール内部においては、半導体レーザと光ファイバの光入射端面とが光学的に結合された状態をマイクロメートルオーダで安定的に維持するために、光ファイバおよび集光光学系等は、通常、半田もしくは接着剤等の接着手段を用いて固定されている。

また、通信用レーザモジュールでは、外気の湿気などによるレーザ劣化を防ぐために、パッケージを気密封止することが一般的に行われている、いわゆるＣＡＮパッケージに代表される構造は、半導体レーザ素子、およびレーザ端面を保護する封止構造として代表的である。このレーザモジュールにおいて、気密封止されたパッケージ内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、集光光学系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。特に、光密度の高い部分において物質が付着する効果（集塵効果）が顕著である。さらに、ＧａＮ系半導体レーザ素子等の350〜500ｎｍ（400ｎｍ帯）の波長のレーザビームを出射する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールにおいては、光子エネルギーが高く、物質との光化学反応がより起きやすくなるために、集塵効果がより顕著に現れる。

汚染物質の１つとしては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素化合物等が挙げられ、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分解物が付着し、出力の向上を妨げることが知られている。

また、空中を浮遊している低分子シロキサンが紫外線による光化学反応で酸素と反応し、光学ガラス窓部品にＳｉＯxの形で堆積、付着することが開示されており、このため、大気と接する「窓」部材の定期的な交換を推奨している（例えば、特許文献１参照）。

そこで、この集塵効果を防止するために、種々の提案がなされている。例えば、炭化水素化合物等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提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、400ｎｍ以下の紫外線を光学部品に照射する光学系において、光学部品の雰囲気を99.9％以上の窒素とすることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、パッケージを封止する直前に、パッケージ内部の脱気処理を行うことが集塵効果の防止に効果があることも知られている。
特開平11-54852号公報 米国特許5392305号公報 特開平11-167132号公報

しかしながら、一般に市販されているＵＶ硬化樹脂による１次被膜およびポリマーによる２次被膜が施された光ファイバを備えた、パッケージに光ファイバが固定されたレーザモジュールの場合、パッケージに光ファイバが固定された状態で脱気処理を行うため、脱気処理装置中にファイバ被膜が存在することとなり、脱気処理中にこの被膜から脱ガス成分が発生し、このガスによりかえってモジュール内部が汚染されることになる。

この汚染を防ぐために、予め光ファイバの被覆を全て除去することが考えられるが、被覆のない光ファイバは簡単に折れてしまうため扱い辛く実用性が低い。

本発明は上記事情に鑑み、汚染物質の付着を抑制した高信頼性が得られるレーザモジュールおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザモジュールは、
１つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
集光光学系と、
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ビームを前記集光光学系により前記光ファイバの入射端面に結合する相対的な位置に、前記半導体レーザ素子、前記集光光学系および前記光ファイバを固定する固定手段と、
前記半導体レーザ素子を内包して気密封止されてなる第１のパッケージと、
前記光ファイバの入射端面を大気から保護する入射端面保護手段とが設けられていることを特徴とするものである。

前記第１のパッケージは、フラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含有しない接着剤を使用して、あるいは融着もしくは溶接により気密封止されていることが望ましい。

第１のパッケージが、内部が不活性ガスで満たされているものであることが望ましく、該不活性ガスには、１ｐｐｍ以上の濃度の酸素、ハロゲン族ガス、および／またはハロゲン化合物ガスが混入されていることがより望ましい。すなわち第１のパッケージの内部雰囲気としては、（１）不活性ガスと１ｐｐｍ以上の濃度の酸素との混合ガス、（２）不活性ガスと、ハロゲン族ガスおよびハロゲン化合物ガスのうち少なくともいずれか一方のガスとの混合ガス（３）不活性ガスと、１ｐｐｍ以上の濃度酸素と、ハロゲン族ガスおよびハロゲン化合物ガスのうち少なくともいずれか一方のガスとの混合ガスのいずれかであることがより望ましい。

前記保護手段としては、前記入射端面に固着された、少なくとも固着される面と対向する他方の面を有する透明体を用いることができる。

前記保護手段としては、前記光ファイバの入射端面を内包して気密封止されてなる、前記第１のパッケージとは異なる第２のパッケージを用いることができる。またこの際、前記第２のパッケージは、フラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含有しない接着剤を使用して、あるいは融着もしくは溶接により気密封止されていることが望ましい。あるいは、前記第１もしくは第２のパッケージの少なくとも一方がＳｉ系有機物を含まない樹脂を用いて圧着されて気密封止されていてもよい。

さらに、第２のパッケージが、内部が前記第１のパッケージの内部と同様に、不活性ガスで満たされているものであることが望ましく、該不活性ガスに、１ｐｐｍ以上の濃度の酸素、ハロゲン族ガス、および／またはハロゲン化合物ガスが混入されていることがより望ましい。

また、保護手段が第２のパッケージである場合には、前記第１のパッケージが前記第２のパッケージに内包されていてもよいし、逆に、前記第２のパッケージが前記第１のパッケージに内包されていてもよい。

なお、前記第１のパッケージ、前記光ファイバの入射端面および前記入射端面保護手段を内包して気密封止されてなる第３のパッケージをさらに備えることが望ましい。

なお、前記半導体レーザ素子の発振波長が350ｎｍ〜500ｎｍのレーザモジュールに本発明は好適である。このような半導体レーザ素子としては、GaN系半導体から構成されたものが挙げられる。

前記半導体レーザ素子は、アレイ状に並べられた複数のシングルキャビティ半導体レーザ素子、１つのマルチキャビティ半導体レーザ素子、アレイ状に並べられた複数のマルチキャビティ半導体レーザ素子、およびシングルキャビティ半導体レーザ素子とマルチキャビティ半導体レーザ素子との組み合わせのうちのいずれかであることが望ましい。

なお、ここで、第１のパッケージ、第２のパッケージ、第３のパッケージはそれぞれ、１つの部材から構成されるものに限らず、気密封止空間を構成する複数の部材から構成されるものであってもよい。また、第１のパッケージと第２のパッケージは１つの部材を一部で共有して構成されていてもよい。

本発明のレーザモジュールは、前記半導体レーザ素子を内包して気密封止されてなる第１のパッケージと、前記光ファイバの入射端面を大気から保護する入射端面保護手段とが設けられており、半導体レーザ素子を内包する第１のパッケージの脱気処理および気密封止の際には光ファイバを装着していないため、第１のパッケージ内において、光ファイバの樹脂皮膜からの脱ガスによる汚染が生じない。したがって、光密度が高く集塵効果が高い半導体レーザ素子の端面への集塵を抑制することができる。また、同様に光密度が高い光ファイバの入射端面には入射端面保護手段が設けられているので集塵を防止することができ、信頼性の高いレーザモジュールを提供できる。

光密度が特に高くなる半導体レーザ素子端面、光ファイバ端面もしくはそれら両者に対して、半導体レーザ素子を保護する第１のパッケージと、光ファイバの入射端面を保護する入射端面保護手段とを個別に設けたことにより、その他の光学部材の固定で使用する接着剤、あるいはモジュール製造工程で混入する揮発汚染成分の影響をより小さくでき、モジュール全体の信頼性を向上させることができる。また、このように、光密度の高くなる部位の汚染対策を予め施しておけば、光密度の低い部位に対しては、脱気処理などの信頼性向上対策を省略することができ、モジュール全体の製造プロセスを簡略化することもできる。

上述のように汚染効果（集塵効果）は、光密度が高いほど起きやすくなる。ピッグテール型モジュールでは、一般的には半導体レーザ素子出射端が最も光密度が高くなり、次いで光ファイバ入射端が高くなる。半導体レーザ素子からの出射光は、大きく広がる特性を持っている。そこで、半導体レーザ素子ではいわゆるＣＡＮパッケージに代表されるように、半導体レーザ素子端面からある距離の間は、高いクリーン度を維持して光密度の高い半導体レーザ素子端面を保護した構成とすれば、半導体レーザ素子からのレーザビームが外部に放射されるＣＡＮパッケージ窓面ではレーザ光が発散しているために汚染効果が起きにくい。ファイバへの入出射光も同様に集光・放射光となる。そこで、同様に端面からある距離の範囲では高いクリーン度を維持して大気から保護すれば、保護部から放射される境界面の光密度は低く抑えられ、汚染効果は低くなる。

光ファイバの入射端面を保護する保護手段として、入射端面に固着された、少なくとも固着される面と対向する他方の面を有する透明体を用いた場合には、簡単な構成で光ファイバの入射端面を効果的に大気から保護することができる。

また、光ファイバの入射端面を保護する保護手段として、光ファイバの入射端面を内包して気密封止されてなる、前記第１のパッケージとは異なる第２のパッケージを用いた場合には、光ファイバの入射端面を大気から効果的に保護することができる。

第１のパッケージ、第２のパッケージもしくは両パッケージをフラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤を使用して、あるいは融着もしくは溶接により気密封止すれば、汚染の原因となる揮発成分の発生を抑制することができ汚染物質の付着を抑制することができる。

なお、第１のパッケージ、光ファイバの入射端面および入射端面保護手段を内包して気密封止されてなる第３のパッケージをさらに備えれば、半導体レーザ素子および光ファイバの入射端面への汚染物質の付着をさらに低減することができ効果的である。

なお、特に、半導体レーザ素子が350ｎｍ〜500ｎｍの波長を出射するものである場合、エネルギーが高くなり、集塵効果が大きくなるため、本発明を適用することは、汚染物質の付着を防止するために効果的である。また、複数の半導体レーザ素子あるいはマルチキャビティ半導体レーザ素子からの複数のレーザ光を一本のファイバに合波するレーザモジュールにおいては、ファイバ端面上の光強度が非常に高くなるために、本発明を適用する効果が非常に高い。

以下、本発明の実施の形態の図面を用いて詳細に説明する。

まず、本発明の第１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。図１はその概略構成を示す側面図である。

本実施形態のレーザモジュールは、半導体レーザ素子ＬＤを内部に備え、気密封止されたＣＡＮパッケージ10と、集光レンズ12と、光ファイバ13と、該光ファイバ13の入射端面14に融着された直方体のガラスブロック15とから構成されている。本実施形態においては、ＣＡＮパッケージ10が第１のパッケージＰ１であり、このファイバ13の入射端面14に融着されたガラスブロック15が、入射端面保護部材である。

ＣＡＮパッケージ10、集光レンズ12および光ファイバ13を備えたガラスブロック15は共通のベース板５上の各固定部材５ａ、５ｂおよび５ｃに、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢが集光レンズ12により光ファイバ13の入射端面14に収束するように配置固定されている。それぞれの固定には、フラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤７が用いられている。なお、融着もしくは溶接により固定されてもよい。

半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢはＣＡＮパッケージ10のガラス窓からＣＡＮパッケージ10外部に出射され、集光レンズ12で集光されてガラスブロック15を介して光ファイバ13のコアに入射してファイバ内を伝播し、光ファイバ13の図示しない出射端面から出射するものである。

ＣＡＮパッケージ10は、内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止されたものである。また、光ファイバ13の入射端面14は、ガラスブロック15に押し当てて融着されている。半導体レーザ素子ＬＤは、脱気処理され気密封止されたＣＡＮパッケージ10内に備えられており、ＣＡＮパッケージ10の脱気処理時には、光ファイバ13を脱気処理装置内に配することはないので、光ファイバ13の樹脂皮膜からの脱ガスによる影響を受けない。したがって、ＣＡＮパッケージ10内部の汚染物質が十分低減され、汚染物質の半導体レーザ素子端面への付着を抑制することができる。また、光ファイバ13の入射端面14はガラスブロック15に融着されているため、大気から保護されており、光ファイバ13入射端面14への汚染物質の付着を効果的に防止することができる。

集光レンズ12は光密度がそれほど高くならないため、外部に露出されていてもよい。しかしながら、モジュールの信頼性をさらに向上させるためには、図中点線で示すような、ベース基板上に配置されたそれぞれの部材を覆い気密封止されたパッケージ（第三のパッケージ）Ｐ３を備えていることが望ましい。

なお、上記実施形態においては入射端面保護部材として、ガラスブロックを用いたが、透明体であればよくプラスチックを用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、光ファイバ13の入射端面14にガラスブロック15を融着により固着したが、図２に示すように、光ファイバ13の入射端面近傍の周囲をメタライズして金属層16を形成し、さらにガラスブロック15の光ファイバ13の固着面をメタライズして金属層17を形成し、半田18により光ファイバ13とガラスブロック15を固着してもよい。なお、ガラスブロックの入射面にはビーム透過率を上げるため、レーザビームの発振波長に対して無反射となる端面コートを施すのが望ましい。

また、図３に示すように、光ファイバ13の入射端側の樹脂被膜13ｂを剥がしてガラス製フェルール33を装着し、これをガラスブロック15に押し当てて、光ファイバ13の素線13ａのコア全体をガラスブロック15と接触されるように保持してもよい。フェルール33の先端は球面状に研磨を施すことが望ましい。また、図３に示すように、フェルール33と嵌合し、該フェルール33を保持する保持部材であるレセプタクル30を半田18によりガラスブロック15に固着し、さらに、レセプタクル30に嵌合しフェルール22をガラス面に押圧するばね32を備えたコネクタ31を備えるようにするとよい。このようにすると、光ファイバ13を分離して取り扱うことができるので、レーザモジュールの取り扱い性が向上する。

なお、いずれの場合にも、光ファイバ13の入射端を保護した上で、光ファイバ13のモジュール組込みを実施するものとする。

上記第１の実施形態は、光ファイバ13の入射端面14を保護する保護部材として入射端面14に固着された透明体を用いるものであるが、以下には、保護部材として、入射端面14を内包する第２のパッケージＰ２を備えた実施形態について説明する。

本発明の第２の実施形態の半導体レーザモジュールは、基本的に、半導体レーザ素子ＬＤと、集光光学系と、光ファイバ13と、それらを所定の位置関係に保持して固定する固定部材と、半導体レーザ素子ＬＤを内包して気密封止された第１のパッケージＰ１と、光ファイバ13の入射端面14を内包して気密封止された第２のパッケージＰ２とを備えてなるものである。本実施形態は、第１のパッケージＰ１と第２のパッケージＰ２がそれぞれ、半導体レーザ素子ＬＤ、光ファイバの入射端面以外の何を内包するか、および何を内包しないかによって、大きく８つのパターンに分類することができる。図４に各パターン（１）〜（８）に模式図を示して説明する。

図４において、半導体レーザ素子をＬＤ、光ファイバをＦ、集光光学系を含む光学部品をＬで示している。なお、それぞれのパッケージには、図示しない光入射窓あるいは光出射窓部材（封止窓部材）が備えられているが、光学部品が窓部材を兼ねる場合もある。光学部品は１つもしくは２以上の要素から構成される。第１のパッケージＰ１が半導体レーザ素子ＬＤを内包し、第２のパッケージＰ２が光ファイバ13の入射端面14を内包しそれぞれ気密封止されている点は共通であり、それぞれのパターンについて特徴部分および相違点のみを説明する。

パターン（１）は、第１のパッケージＰ１と第２のパッケージＰ２が完全に独立して封止されており、光学部品Ｌはいずれのパッケージにも内包されていない。

パターン（２）は、第２のパッケージＰ２が光学部品Ｌの少なくとも一部を内包するものである。

パターン（３）は、第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ１の少なくとも１部および光学部品Ｌを内包するものである。

パターン（４）は、第１のパッケージＰ１が光学部品Ｌの少なくとも一部を内包するものである。

パターン（５）は、第１のパッケージＰ１および第２のパッケージＰ２がそれぞれ光学部品Ｌの一部を内包するものである。

パターン（６）は、第１のパッケージＰ１が光学部品Ｌの少なくとも一部を内包し、第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ１の少なくとも一部および光学部品Ｌを内包するものである。

パターン（７）は、第１のパッケージＰ１が光学部品Ｌおよび第２のパッケージＰ２の少なくとも一部を内包するものである。

パターン（８）は、第２のパッケージＰ２が光学部品Ｌの少なくとも一部を内包し、第１のパッケージＰ１が第２のパッケージＰ２の少なくとも一部および光学部品Ｌを内包するものである。

なお、パターン（３）、（６）、（７）、（８）のように、いずれか一方のパッケージが他方のパッケージの少なくとも一部を含むとは、他方のパッケージを一部含んで封止されていればよいことを意味し、例えば、パターン（３）は、図５に模式図で示す（ａ）〜（ｃ）のようなものを含むものである。すなわち、図
５（ａ）に示すように、第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ１を全部含む状態のみならず、同図（ｂ）のように、第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ１の一部を含み該第１のパッケージＰ１により封止された状態や、同図（ｃ）のように、第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ２の封止窓ガラス部分Ｗで封止されている状態をも含むものである。

なお、いずれのパターン（１）〜（８）においても、第１のパッケージＰ１および第２のパッケージＰ２をさらに内包する第３のパッケージＰ３を備えてもよい。第３のパッケージＰ３を備えることにより、光密度の高い部分への集塵効果をさらに抑制することができ、レーザモジュールの信頼性を高めることができる。

図６は、上述のパターン（１）の具体的なレーザモジュールの実施形態の側断面図ある。また、図７はこのレーザモジュールの第２のパッケージの部分拡大断面図である。このレーザモジュールは、半導体レーザ素子ＬＤを内包して気密封止された第１のパッケージＰ１であるＣＡＮパッケージ10と、ＣＡＮパッケージ10から出射されたレーザビームＢを平行光化するコリメータレンズ19と、集光レンズ12と、光ファイバ13および該光ファイバ13の入射端面14を内包して気密封止された第２のパッケージＰ２とが筐体38の各固定部材に固定されてなるものである。なお、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢが集光レンズ12により光ファイバ13の入射端面14に収束するように調芯されて配置固定されている。また、それぞれの固定には、フラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤７が用いられている。なお、融着もしくは溶接により固定されてもよい。

半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢはＣＡＮパッケージ10のガラス窓からＣＡＮパッケージ10外部に出射され、集光レンズ12で集光されて光ファイバ13のコアに入射してファイバ13内を伝播し、光ファイバ13の図示しない出射端面から出射するものである。

ＣＡＮパッケージ10は、内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止されたものである。半導体レーザ素子ＬＤは、脱気処理され気密封止されたＣＡＮパッケージ10内に備えられており、ＣＡＮパッケージ10の脱気処理時には、光ファイバ13を脱気処理装置内に配することはないので、光ファイバ13の樹脂皮膜13ｂからの脱ガスによる影響を受けない。したがって、ＣＡＮパッケージ内部の汚染物質が十分低減され、汚染物質の半導体レーザ素子端面への付着を抑制することができる。

第２のパッケージＰ２は、円筒状のフェルール保持部を有するフェルール保持部品37と、ガラス製フェルール33とフェルール保持部品37のフェルール33に対向する側に設けられたガラス板35とから構成されている。

第２のパッケージＰ２の封止は次のようにして行う。光ファイバ13の入射端面14近傍の樹脂被膜を除去した後に、フェルール33の中心の細孔に通し、フェルール33に融着して封止する。フェルール33の周囲には蒸着、あるいはメッキによりいわゆるメタライズ加工を施し、ファイバ素線13ａを通したフェルール33の端面は、研磨して球面もしくは平面に加工し、その後蒸着によりＡＲコーティングを施す。なお、ＡＲコーティングの際には、ファイバ被膜を冷却する治具を使用し、蒸着時のファイバ端面の高温状態が被膜に伝わらないようにする。フェルール保持部品37は、前面に金メッキが施され、脱気処理が施されている。この保持部品37に、フラックスフリー半田39にてフェルール33を封止固定する。さらに、両面にＡＲコーティングを施したガラス板35を、同じくフラックスフリー半田にて封止固定する。封止内部は、クリーンエアとすることが望ましい。なお、窒素、不活性ガスでもよい。これにより、光ファイバ13の入射端面14は大気から保護され、光ファイバ13入射端面14への汚染物質の付着を効果的に防止することができる。

本実施形態においては、ＣＡＮパッケージ10、コリメータレンズ19および集光レンズ12を覆い、壁面に開口を有する筐体38の開口部に第２のパッケージＰ２がそのフェルール保持部品37の部分で半田固定されている。筐体38は必ずしも気密封止されている必要はないが、気密封止することにより、さらに効果的に集塵効果が抑制される。

次にパターン（５）の実施形態であるレーザモジュールについて説明する。図８は、このレーザモジュールの概略構成を示す側断面図である。

このレーザモジュールは、半導体レーザ素子ＬＤとコリメータレンズがＣＡＮパッケージ10内に収容されており、このＣＡＮパッケージ10および集光レンズ12および光ファイバ13の入射端面14が１つのパッケージ60に内包されている。集光レンズ12を保持する固定部66は、集光レンズ12を収容する円筒部状に形成されており、この円筒部に集光レンズ12がフラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤７により固定されている。集光レンズ12は、パッケージ60内を二つの空間に分離する機能を有している。すなわち、パッケージ60は、ＣＡＮパッケージ10を内包する第１のパッケージ部分Ｐ１と光ファイバ13の入射端面14を内包する第２のパッケージ部分Ｐ２とが一体的に構成されたものとみなすことができる。光ファイバ13は、パッケージ60の第２のパッケージ部分Ｐ２の壁面に設けられた孔に挿入されてフラックスフリー半田39により封止固定されている。このレーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子ＬＤおよびコリメータレンズ19がＣＡＮパッケージ10内に内包されていなくても第１のパッケージ部分Ｐ１に内包されているので集塵防止の効果を十分得ることができる。しかしながら、ＣＡＮパッケージ10を備えたことにより、より効果的に集塵防止がなされる。

次にパターン（７）の実施形態であるレーザモジュールについて説明する。図９および図１０はこのレーザモジュールの概略構成を示す平面図および側面図である。

本実施の形態によるレーザモジュールは、図９および図１０に示すように、銅または銅合金からなるヒートブロック（放熱ブロック）50上に配列固定された一例として８個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜８と、コリメータレンズアレイ46と、集光レンズ12とが、光出射開口36を有する第１のパッケージＰ１であるパッケージ40内に収容され、光出射開口36を覆うようにして、光ファイバ13を内包して気密封止された第２のパッケージＰ２が第１のパッケージ40に固着されてなるものである。

第２のパッケージＰ２は、図６および図７に示したものと同様の構成であり、円筒状のフェルール保持部を有するフェルール保持部品37と、ガラス製フェルール33とフェルール保持部品37のフェルール33に対向する側に設けられたガラス板35とから構成されている。第２のパッケージＰ２は、この第２のパッケージＰ２のガラス板35により光出射開口36を封止するようにして第１のパッケージ40に固着されている。すなわち、ガラス板35は、第２のパッケージＰ２の光入射窓部材であるとともに、第１のパッケージＰ１の光出射部材でもある。

なおこの図９および１０は、本実施の形態のレーザモジュールの基本構成を示すものであり、コリメータレンズアレイ11および集光レンズ12の形状は概略的に示してある。また図の煩雑化を避けるため、ＧａＮ系半導体レーザ素子のうち両端に配されている素子ＬＤ１およびＬＤ８にのみ符号を付し、またレーザビームＢ１〜Ｂ８のうちＢ１およびＢ８にのみ符号を付してある。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜８は、例えばＡｌＮからなるサブマウント上に固設されたものをヒートブロックに取付けてもよい。

これらのＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ１〜８から発散光状態で出射したレーザビームＢ１〜８は、それぞれレンズアレイ46によって平行光化される。平行光とされたレーザビームＢ１〜８は、集光レンズ12によって集光され、光ファイバ13の入射端面14で収束する。

本例ではレンズアレイ11および集光レンズ12によって集光光学系が構成され、それと光ファイバ13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12によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜８がこの光ファイバ13のコアに入射して光ファイバ13内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されて光ファイバ13の図示しない出射端面から出射する。

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にレンズアレイ11を保持す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12を保持する集光レンズホルダ45が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザ素子ＬＤ１〜８に駆動電流を供給する配線類47は、パッケージ40の光出射窓16が設けられた壁面と対向する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。

本実施形態のレーザモジュールにおいては、複数の半導体レーザ素子ＬＤ１〜８から出射されたレーザビームＢ１〜８が、光ファイバ13の入射端面に収束するので、光ファイバ13の入射端面の光密度が非常に高くなる。本実施形態のように、光ファイバ13の入射端面14が第２のパッケージ内に気密封止されることにより、大気から保護されるので、入射端面14への集塵の抑制効果が大きい。

なお、本実施形態においては、シングルキャビティの８つの半導体レーザ素子ＬＤ１〜８を備えるものとしたが、例えば、２キャビティの半導体レーザ素子を４つなどマルチキャビティを有するチップを実装してもよいし、８キャビティを有する半導体レーザバー１素子を実装してもよい。また、GaN系半導体レーザ素子に限るものではない。

図１１は、パターン（３）の具体的なレーザモジュールの実施形態の側断面図ある。このレーザモジュールは、第１のパッケージＰ１である、半導体レーザ素子ＬＤを内包したＣＡＮパッケージ10と、光ファイバ13の入射端面14を内包するとともに、集光レンズ12およびＣＡＮパッケージ10を収容する第２のパッケージＰ２とを備えている。ＣＡＮパッケージ10および第２のパッケージは共に気密封止されており、したがって、半導体レーザ素子ＬＤは２重に封止された状態となっている。半導体レーザ素子端面は特に光密度が高く集塵効果が高いため、このように２重に封止されることが集塵効果の抑制により効果がある。また、パターン（６）の場合であって第２のパッケージＰ２が第１のパッケージＰ１を完全に内包する形態を取れば同様の効果がある。

なお、パターン（７）、パターン（８）の場合であって、光ファイバ入射端面を内包する第２のパッケージＰ２が、第１のパッケージに完全に内包される構成は、特に、複数の半導体レーザ素子を備え、該複数の半導体レーザ素子から出射された光を１本の光ファイバに合波する合波型のレーザモジュールに適応すると効果がある。複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザビームが合波される光ファイバの入射端面は、個々の半導体レーザ素子端面以上に光密度が高くなることもあり、集塵効果も高くなることがある。したがって、合波型のレーザモジュールにおいては、光ファイバの入射端面を２重に封止する構造が適する。

また、パターン（３）の別のレーザモジュールの実施形態を図１２および図１３に示す。それぞれのレーザモジュールは、ＣＡＮパッケージ10と、集光レンズ12と、光ファイバ13を備えており、第２のパッケージＰ２が、第１のパッケージであるＣＡＮパッケージ10、集光レンズ12および光ファイバ13の入射端面14を内包して気密封止されている構造である。

図１２において、第２のパッケージＰ２は、ＣＡＮパッケージ10および集光レンズ12を収容した円筒体21と、該円筒体21に対してＯリング23を介して螺装によりＯリング23を用いた圧着封止構造を構成する蓋体22とから構成されるものである。光ファイバ13は蓋体22に設けられた孔に挿入されて封止固定されている。一方、図１３において、第２のパッケージＰ２は、メタルスリーブ25による封止構造を有するものであり、内周にネジ溝を備えたメタルスリーブ25と、ＣＡＮパッケージ10を保持するとともにスリーブ25の一部25ａと当接する面26ａを備えたフランジを有する保持体26と、集光レンズ12を収容する円筒体27とから構成され、メタルスリーブ25の一部25ａをフランジの当接面26ａに当接させて、円筒体27と螺合させることにより、円筒体27を保持体26側に圧入し、両者の斜面部27ｂおよび26ｂにて空間が封止されるものである。また、光ファイバ13は円筒体27の底に設けられた孔に挿入されて封止固定されている。

図１２および図１３のように、第２のパッケージＰ２を、Ｏリング、メタルスリーブを用いた螺子構造を有するものとすると、半導体レーザ素子ＬＤの故障、光ファイバ13の汚染等による透過率の低下が生じた場合であっても簡便に交換できるというメリットがある。但し、溶接、半田、接着剤等による封止構造と比較して封止の信頼性に劣り、汚染によるファイバー部の劣化が早いというデメリットがある。なお、Ｏリングとしては、Ｓｉ系有機物を含まないものを用いることが望ましく、特にフッ素系樹脂を用いることが望ましい。

なお、各実施形態において、第１のパッケージ、第２のパッケージおよび第３のパッケージに充填するガスとしては、主として不活性化ガスからなるものであることが望ましい。不活性ガスとしては、窒素、希ガスなどが挙げられる。また、不活性ガスと、１ｐｐｍ以上の濃度の酸素、ハロゲン族ガスおよびハロゲン化合物ガスの少なくとも１種類のガスとの混合ガスであってもよく、例えば、大気と同じ比率の窒素、酸素混合ガスであるクリーンエアを用いてもよい。

封止雰囲気中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素が含まれれば、レーザモジュールの劣化をより効果的に抑制することができる。このような劣化抑制効果の向上が得られるのは、封止雰囲気中に含有される酸素が、炭化水素成分の光分解により発生した固形物を酸化分解するためである。

ハロゲン族ガスとは、塩素ガス（Ｃｌ₂）、フッ素ガス（Ｆ₂）等のハロゲンガスであり、ハロゲン化合物ガスとは、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、フッ素原子（Ｆ）等のハロゲン原子を含有するガス状の化合物である。

ハロゲン化合物ガスとしては、ＣＦ₃Ｃｌ、ＣＦ₂Ｃｌ₂、ＣＦＣｌ₃、ＣＦ₃Ｂｒ、ＣＣｌ₄、ＣＣｌ₄−Ｏ₂、Ｃ₂Ｆ₄Ｃｌ₂、Ｃｌ−Ｈ₂、ＣＦ₃Ｂｒ、ＰＣｌ₃、ＣＦ₄、ＳＦ₆、ＮＦ₃、ＸｅＦ₂、Ｃ₃Ｆ₈、ＣＨＦ₃等が挙げられるが、フッ素又は塩素と炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）、キセノン（Ｘｅ）との化合物が好ましく、フッ素原子を含有するものが特に好ましい。

ハロゲン系ガスは微量でも劣化抑制効果を発揮するが、顕著な劣化抑制効果を得るためには、ハロゲン系ガスの含有濃度を１ｐｐｍ以上とするのが好ましい。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有されるハロゲン系ガスが有機珪素化合物ガスの光分解により発生した堆積物を分解するためである。

また、パッケージ内部における半導体レーザ素子、集光光学系および光ファイバの固定、パッケージの封止の形態として、部分的にフラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤を用いた例を挙げたが、各部品の固定および封止は全てフラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤を用いるか、あるいは融着もしくは溶接により行うことが望ましい。

Ｓｉ系有機物を含まない接着剤としては、例えば、特開2001-177166号公報記載の脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および触媒量のオニウム塩光反応開始剤を含有する接着性組成物であって、シランカップリング剤を含まない接着性組成物からなるものが挙げられる。

また、フラックスフリー半田としては、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ等が挙げられる。通常の半田材に含まれるフラックスは汚染の要因となるが、フラックスフリーの半田を用いれば汚染物質を発生させる虞がない。なお、環境に配慮して鉛フリー半田を使用することが望ましい。

溶接は市販のシーム溶接機、例えば日本アビオニクス社製のシーム溶接機を利用して行うことができる。具体的には、パッケージに蓋を載せ、パッケージの蓋と筐体の境界部にシーム溶接機により高電圧を印加することでパッケージの溶接封止を行うことができる。また、融着は市販の融着機、例えば、FITEL S-2000を用いて行うことができる。

次に、上記実施形態において用いられる半導体レーザ素子の一例としてＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法について説明する。図１４は、ＧａＮ系半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。

図１４（ａ）に示すように、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニアを成長用原料に用い、ｎ型ドーパントガスとしてシランガスを用い、ｐ型ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用い、（０００１）Ｃ面サファイヤ基板121上に、温度500℃でＧａＮバッファ層122を20ｎｍ程度の膜厚で形成する。続いて、温度を1050℃にしてＧａＮ層133を２μｍ程度成長させる。その上に、ＳｉＯ₂膜124を形成し、レジスト125を塗布後、通常のリソグラフィを用いて、

方向に３μｍ幅のＳｉＯ₂膜124を除去して、幅７μｍ程度のＳｉＯ₂膜124のライン部を形成することにより、10μｍ程度の周期のラインアンドスペースのパターンを形成する。

次に、図１４（ｂ）に示すように、レジスト125とＳｉＯ₂膜124をマスクとして、塩素系のガスを用いてバッファ層122とＧａＮ層123をドライエッチングによりサファイヤ基板121上面まで除去した後、レジスト125とＳｉＯ₂膜124を除去する。このとき、サファイヤ基板121が少しエッチングされてもよい。

次に、図１４（ｃ）に示すように、ＧａＮ層126を20μｍ程度選択成長させる。この時、横方向の成長により、最終的にストライプが合体して、表面が平坦化する。この時点で、バッファ層122とＧａＮ層123からなる層のライン部上部には貫通転位が発生しているが、そのライン部間のＧａＮ層126には貫通転位は発生していない。

次いで、ＧａＮ層126上にＳｉＯ₂膜127を形成し、図１４（ｄ）に示すように、前記バッファ層122とＧａＮ層123が残ってできたライン部間のスペース部の中央に位置するＳｉＯ₂膜127を３μｍ程除去する。

次に、図１４（ｅ）に示すように、成長温度を1050℃にしてＧａＮ層128を20μｍ程度選択成長させる。この時横方向の成長により、最終的にストライプが合体し、表面が平坦化する。

次いで、ＧａＮ層128上にＳｉＯ₂膜129を形成し、図１４（ｆ）に示すように、残ったＳｉＯ₂膜127の中央に位置するＳｉＯ₂膜129を幅３μｍ程度除去し、その上に、成長温度を1050℃にして、ＧａＮ層130を20μｍ程度選択成長させる。

最後に、図１４（ｇ）に示すように、上記のように作成したＧａＮ基板上に、ｎ−ＧａＮ層131を100〜200μｍ程度成長させた後、サファイア基板からＧａＮ層130までを除去し、ｎ‐ＧａＮ層131を図１５に示すｎ型ＧａＮ基板141とする。図１５は、半導体レーザ素子の層構造を説明するための、劈開前のウェハの一部の断面図である。

次に、図１５に示すように、上記のようにして作製されたｎ型ＧａＮ基板141上に、ｎ−ＧａＮバッファ層142、１５０ペアのｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ（2.5ｎｍ）／ＧａＮ（2.5ｎｍ）超格子クラッド層143、ｎ−ＧａＮ光導波層144、ｎ−Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ（10.5ｎｍ）／ｎ−Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（3.5ｎｍ）三重量子井戸活性層145、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層146、ｐ−ＧａＮ光導波層147、１５０ペアのｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ（2.5ｎｍ）／ＧａＮ（2.5ｎｍ）超格子クラッド層148、ｐ−ＧａＮコンタクト層149を積層する。ここでは、ｐ型の不純物としてＭｇを使用する。このＭｇの活性化のために成長後窒素雰囲気中で熱処理するか、または窒素リッチ雰囲気で成長を実施するかのいずれかの方法を用いてもよい。

次に、横シングルモード半導体レーザを作製する場合は、横モードがシングルとなるストライプ領域を形成するため幅１〜３μｍのストライプ状の開口を有するＳｉＯ₂マスク150を100〜500μｍピッチで形成し、横マルチモードのブロード半導体レーザを作製する場合は、幅数〜50μｍのストライプ状の開口を有するＳｉＯ₂マスク150を100〜500μｍピッチで形成する。数〜50μｍの幅のストライプ領域を有する横マルチモードのブロード半導体レーザからは数百〜2000ｍＷ程度の出力が得られる。

次に、ストライプ状の開口を覆うようにしてＮｉ／Ａｕよりなるストライプ状のｐ電極151を形成する。次に、基板141を研磨し、Ｔｉ／Ａｕよりなるｎ電極152を形成し、劈開して形成した共振器面に高反射コート、低反射コートを行い、その後、さらに劈開して所望の数のキャビティ、振器長を有する半導体レーザ素子ＬＤを完成させる。

マルチキャビティの半導体レーザ素子とする場合には、共振器長100〜1500μｍ好ましくは400μｍとなり、発光点配列方向の長さが例えば１ｃｍとなるように劈開し、キャビティ面に高反射、低反射コートを行い、例えば、20個のキャビティを有するバー状の素子を完成させる。なお、マルチキャビティを形成する場合は、必要キャビティ数に応じて発光点配列方向の素子幅にて劈開を実施し、素子形成する。

シングルキャビティの半導体レーザ素子を形成する場合は、ストライプ領域の形成ピッチと同等の100〜500μｍピッチで劈開し、シングルキャビティを有する共振器長400μｍの素子とする。

このようなGaN系半導体レーザから出力される500ｎｍ以下の波長のレーザビームは高エネルギーであるために、レーザ端面や光ファイバの入射端面において光密度が非常に高くなり、そのために、集塵効果も高いものとなる。したがって、このような高エネルギーのレーザビームを発生する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールにおいて、本発明のように、半導体レーザ素子および入射端面をそれぞれ大気から保護する構造とすることが、効果的に集塵を抑制することができ好ましい。

なお、本発明のレーザモジュールにおいてパッケージ内に収容される半導体レーザ素子の形態としては、上記実施形態に示したディスクリートなシングルキャビティチップをアレイ状に配置したもののほか、１つのマルチキャビティ半導体レーザ素子（ＬＤバー）、複数のマルチキャビティ半導体レーザ素子をアレイ状に配置したもの、あるいはシングルキャビティ半導体レーザ素子とマルチキャビティ半導体レーザ素子の組み合わせなどであってもよい。

第１の実施形態のレーザモジュールの側断面図 ガラスブロック封止の他の例 ガラスブロック封止のさらに別の例 第２の実施形態のレーザモジュールの封止形態模式図（その１） 第２の実施形態のレーザモジュールの封止形態模式図（その２） パターン（１）の実施形態のレーザモジュールの側断面図 図６に示したレーザモジュールの一部拡大図 パターン（５）の実施形態のレーザモジュールの側断面図 パターン（７）の実施形態のレーザモジュールの平面図 図９に示したレーザモジュールの側断面図 パターン（３）の実施形態のレーザモジュールの側断面図 パターン（３）の実施形態のレーザモジュールの側断面図 パターン（３）の実施形態のレーザモジュールの側断面図 半導体レーザ素子の基板の製造方法 半導体レーザ素子の層構成を示すための断面図

符号の説明

10 ＣＡＮパッケージ
12 集光レンズ
13 光ファイバ
19 コリメータレンズ
Ｂ、Ｂ１〜８ レーザビーム
ＬＤ、ＬＤ１〜８ 半導体レーザ素子
Ｐ１ 第１のパッケージ
Ｐ２ 第２のパッケージ

Claims (15)

1. １つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
   集光光学系と、
   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ビームを前記集光光学系により前記光ファイバの入射端面に結合する相対的な位置に、前記半導体レーザ素子、前記集光光学系および前記光ファイバを固定する固定手段と、
   前記半導体レーザ素子を内包して気密封止されてなる第１のパッケージと、
   前記光ファイバの入射端面を大気から保護する入射端面保護手段とが設けられていることを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記第１のパッケージが、フラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤を使用して、あるいは融着もしくは溶接により気密封止されてい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. 前記第１のパッケージが、内部が不活性ガスで満たされているもの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。
4. 前記不活性ガスに、１ｐｐｍ以上の濃度の酸素、ハロゲン族ガス、および／またはハロゲン化合物ガスが混入していることを特徴とする請求項３記載のレーザモジュール。
5. 前記保護手段が、前記入射端面に固着された、少なくとも固着される面と対向する他方の面を有する透明体であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザモジュール。
6. 前記保護手段が、前記光ファイバの入射端面を内包して気密封止されてなる、前記第１のパッケージとは異なる第２のパッケージであること特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のレーザモジュール。
7. 前記第２のパッケージがフラックスフリー半田もしくはＳｉ系有機物を含まない接着剤を使用して、あるいは融着もしくは溶接により気密封止されていることを特徴とする請求項６記載のレーザモジュール。
8. 前記第１もしくは第２のパッケージの少なくとも一方がＳｉ系有機物を含まない樹脂を用いて圧着されて気密封止されていることを特徴とする請求項６記載のレーザモジュール。
9. 前記第２のパッケージが、内部が不活性ガスで満たされているものであることを特徴とする請求項６から８いずれか１項記載のレーザモジュール。
10. 前記不活性ガスに、１ｐｐｍ以上の濃度の酸素、ハロゲン族ガス、および／またはハロゲン化合物ガスが混入されていることを特徴とする請求項９項記載のレーザモジュール。
11. 前記第１のパッケージが前記第２のパッケージに内包されていることを特徴とする請求項６から１０いずれか１項記載のレーザモジュール。
12. 前記第２のパッケージが前記第１のパッケージに内包されていることを特徴とする請求項６から１０いずれか１項記載のレーザモジュール。
13. 前記第１のパッケージ、前記光ファイバの入射端面および前記入射端面保護手段を内包して気密封止されてなる第３のパッケージをさらに備えたことを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載のレーザモジュール。
14. 前記半導体レーザ素子の発振波長が、350ｎｍ〜500ｎｍであることを特徴とする請求項１から１３いずれか１項記載のレーザモジュール。
15. 前記半導体レーザ素子が、アレイ状に並べられた複数のシングルキャビティ半導体レーザ素子、１つのマルチキャビティ半導体レーザ素子、アレイ状に並べられた複数のマルチキャビティ半導体レーザ素子、およびシングルキャビティ半導体レーザ素子とマルチキャビティ半導体レーザ素子との組み合わせのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から１４いずれか１項記載のレーザモジュール。

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