JP2005109401A - レーザモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 レーザ特性の劣化を抑制し、信頼性の高いレーザモジュールと、そのレーザモジュールを製造する方法とを得る。
【解決手段】 ３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザＬＤ７を気密封止部材４０、４１で封止したレーザモジュールにおいて、封止体積中の有機系接着剤の使用量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすることにより、脱気処理を行って接着剤からのアウトガス成分の飽和濃度を１０００ｐｐｍ未満とする。また、気密封止部材４０、４１内の少なくとも一つの光学部品（例えばコリメータレンズ１７）とそれを固定する固定部材（例えばコリメータレンズホルダ４４）との間に、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を、接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより光学部品１７を固定部材４４に固定する。【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザモジュールおよびその製造方法に関し、特に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザを含む構成部材を気密封止したレーザモジュールと、その製造方法とに関する。
従来、波長４００ｎｍ以下の紫外線を照射または発生させる光学モジュールにおいては、照射または発生された紫外線により光学モジュールに含まれる光学部品の光学損失が増加して、光学部品の特性が低下するという問題があった。このような光学損失は、大気中の水分や油分が紫外線により分解され、その分解物が光学部品の表面に堆積するために発生すると考えられる。
このため、特許文献１に記載された紫外線照射光学系等では、光学部品が置かれる雰囲気（封止雰囲気）を９９．９％以上の高純度の窒素、９９．９％以上の高純度の乾燥空気、水分が０．１％以下の気体、または炭化水素化合物が０．１％以下の気体等として分解物の堆積を防止し、紫外レーザ光の出力低下を防止している。
特開平11-167132号公報
しかしながら、本発明者等が発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザを含むモジュールの封止雰囲気を分析した結果、以下に説明する通り、封止雰囲気中には種々の化合物が含有されており、その中でも、モジュール中に用いられる光学部材や機械部材に付着している固形有機物から発生する特定の有機ガス成分が、主にレーザ特性を劣化させることが判明した。
従来のレーザモジュールにおいては、レーザ素子および光学系を固定するために、例えば、特開2001-177166号公報に開示されている接着剤や、ノーランド社製「品番ＮＯＡ６１」等のエポキシ系接着剤等の有機系接着剤が使用されていた。また、モジュール中に用いられる光学部材や機械部材に付着している固形有機物の多くはモジュール作製工程雰囲気から混入するものであり、洗浄を実施しても有機系残査が発生する。これらの固形有機物からは有機系ガスが発生し、発生したガス（所謂アウトガス）は封止されたレーザモジュール中に一定量充満している。さらに、このアウトガスには、固形有機物の種類に応じて、ケイ素原子、リン原子、イオウ原子等を有する化合物が含まれる場合がある。
さらに、封止工程では、イソプロピルアルコール（分子量：６０．１０、沸点：８２．４℃）、アセトン（分子量：５８．０８、沸点：５６．１〜５６．５℃）等、モジュール内部を構成する部品の洗浄に使用する溶剤等の低分子且つ低沸点の有機ガス成分が、乾燥窒素や乾燥空気等の封止ガスに不純物として混入する。
このため、封止雰囲気中には、固形有機物から発生した有機ガス成分（以下、「アウトガス成分」という）と、封止工程で混入する有機ガス成分（以下、「不純物成分」という）とが存在している。両成分をガスクロマトグラフィーにより分析すると、図５および図６に示すように、両成分は分子量および沸点の分布が明らかに異なっている。
図５は、不純物成分とアウトガス成分の各々についてＧＣ−ＭＡＳＳ（ガスクロマトグラフ質量分析計）により検出された成分の索量を１００％とし、分子量に対し分布をとったものであり、図６は、ＧＣ−ＭＡＳＳにより検出された成分の沸点の分布を、不純物成分とアウトガス成分の各々について総量を１００％とし、沸点の割合を分布で示したものである。
即ち、アウトガス成分の分子量は７０以上の範囲に分布しているのに対し、不純物成分の分子量は７０未満の範囲に分布している。また、アウトガス成分の沸点は７０℃以上の範囲に分布しているのに対し、不純物成分の分子量は１００℃未満の範囲に分布している。
次に、有機系接着剤を使用した以外は、後述する図１〜図４に示すレーザモジュールと同じ構成のレーザモジュールを用いて、封止雰囲気中の上記２種類の有機ガスの濃度とモジュールの劣化速度との関係を調べた。結果を図７に示す。モジュールの劣化速度は、レーザモジュールの各発光点を１００ｍＷで駆動した場合に、全素子を駆動するために必要な駆動電流の１時間当りの上昇量で表している。
プロット◆は、アウトガス成分の濃度とモジュールの劣化速度との関係を示し、プロット□は、不純物成分の濃度とモジュールの劣化速度との関係を示す。不純物成分の濃度は、封止ガス中のアセトン濃度を人為的に操作して調整した。
図７から分かるように、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上になると、駆動電流の上昇率が急増し、モジュールの劣化が顕著に促進される。このように劣化が促進される原因は、アウトガス成分の光分解により発生した固形物が、モジュール中に含まれる発光部や光学部品の表面に堆積するためであると推定される。
一方、不純物成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上になっても、モジュール中に含まれる発光部や光学部品への固形物の堆積は見られない。不純物成分が光分解されても、分解物は常温では固体にならず堆積することは無いからである。なお、不純物成分をアセトンからイソプロピルアルコールに変えても、アセトンと同様に固形物の堆積は見られなかった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、レーザ特性の劣化を効果的に抑制し、信頼性の高いレーザモジュールと、そのレーザモジュールを製造する製造方法とを提供することにある。
本発明による第１のレーザモジュールは、
３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザと、
内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、該空間内に前記半導体レーザを気密封止した気密封止部材とを含み、
前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品が前記固定部材に固定されていることを特徴とするものである。
また、本発明による第２のレーザモジュールは、
３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ、１本の光ファイバー、および前記複数の半導体レーザの各々から出射したレーザビームを集光し前記光ファイバーに結合させる集光光学系を備えた合波レーザと、
内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、該空間内に前記半導体レーザ、前記光ファイバーの結合側部位、および前記集光光学系を気密封止した気密封止部材とを含み、
前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品が前記固定部材に固定されていることを特徴とするものである。
なお、上記構成を有する本発明の第１および第２のレーザモジュールにおいて、光学部品と固定部材との間に挿入する接着性組成物は、接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入することが望ましい。また、これらのレーザモジュールにおいて、気密封止前の封止体積中の固形有機物の含有量は、１ｇ／ｍｌ以下としておくことが望ましい。
また、上記の固形有機物から発生した有機ガス成分は、分子量が７０以上または沸点が７０℃以上の有機ガス成分とすることができる。また、固形有機物から発生した有機ガス成分は、ケイ素原子、リン原子、およびイオウ原子の少なくとも１種を含有する化合物を含んでいてもよい。
さらに上記封止雰囲気は、酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスであることが好ましい。
他方、前記接着性組成物は、シランカップリング剤を含有するものであることが望ましい。
さらに上記接着性組成物は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下の平均直径を有する球状シリカ粒子を含有していることが望ましい。
また、前記固定部材は金属製部材からなり、前記光学部品は無機透明部材からなるものであることが望ましい。
また、前記オキセタニル基を有する化合物は、下記一般式（１）で表されるものであることが好ましい。
Figure 2005109401
式（１）中Ｒ１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ2は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。
一方、本発明によるレーザモジュールの製造方法は、
３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザを気密封止部材内部の封止空間内に収納すると共に、封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とし、
前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品を前記固定部材に固定し、
前記空間を、固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満になるまで脱気処理し、
該脱気処理後に、前記空間内に前記半導体レーザを気密封止することを特徴とするものである。
なお、この本発明によるレーザモジュールの製造方法において、光学部品と固定部材との間に挿入する接着性組成物は、接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入することが望ましい。
また、この本発明によるレーザモジュールの製造方法においては、前記接着性組成物として、室温における粘度が１０mPa・s 以上１，０００mPa・s 以下であって、被着体との接触角が４０度以下であるものを用いることが望ましい。さらに、この接着性組成物としては、シランカップリング剤を含有するものや、０．１μｍ以上１．０μｍ以下の平均直径を有する球状シリカ粒子を含有するものを好適に用いることができる。
また、本発明によるレーザモジュールの製造方法においても、前記オキセタニル基を有する化合物としては、前記一般式（１）で表されるものを好適に用いることができる。
なお、本発明において用いられる上記接着性組成物については、特開2001-177166号公報に詳しい記載がなされているが、以下、詳しく説明する。
この接着性組成物は、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合物、および、触媒量のオニウム塩光反応開始剤を必須成分として含有する。これらの化合物および開始剤はいずれも１種類でも、２種以上の混合物でも良い。
また本発明には、１分子内に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物が使用できるが、このエポキシ化合物としては、１分子内に２個以上のエポキシ基を有し脂環式構造を有しないグリシジル化合物よりも、１分子内に２個以上のエポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物が好ましく用いられる。「エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物」とは、シクロペンテン基、シクロヘキセン基等のシクロアルケン環の二重結合を過酸化水素、過酸等の適当な酸化剤でエポキシ化した部分構造を１分子内に２個以上有する化合物を言う。本発明のエポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物としては、シクロヘキセンオキシド基またはシクロペンテンオキシド基を１分子内に２個以上有する化合物が好ましい。このような脂環式エポキシ化合物の具体例としては、４−ビニルシクロヘキセンジオキサイド、（３，４−エポキシシクロヘキシル）メチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、ジ（３，４−エポキシシクロヘキシル）アジペート、ジ（３，４−エポキシシクロヘキシルメチル）アジペート、ビス（２，３−エポキシシクロペンチル）エーテル、ジ（２，３−エポキシ−６−メチルシクロヘキシルメチル）アジペート、ジシクロペンタジエンジオキサイド、が挙げられる。エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物は１種類を使用しても、２種以上の混合物を使用しても良い。種々の脂環式エポキシ化合物が市販されており、ユニオンカーバイド日本（株）、ダイセル化学工業（株）等から入手できる。
また、１分子内に２個以上のエポキシ基を有し脂環式構造を有しないグリシジル化合物を前記脂環式エポキシ化合物とほぼ等重量以下併用することもできる。このようなグリシジル化合物としては、グリシジルエーテル化合物やグリシジルエステル化合物を挙げることができるが、グリシジルエーテル化合物を併用することが好ましい。グリシジルエーテル化合物の具体例を挙げると、１，３−ビス（２，３−エポキシプロピロキシ）ベンゼン、ビスフェーノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポシキ樹脂、フェノール・ノボラック型エポキシ樹脂、クレゾール・ノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂等の芳香族グリシジルエーテル化合物、１，４−ブタンジオールグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリトリグリシジルエーテル等の脂肪族グリシジルエーテル化合物が挙げられる。グシシジルエステルとしては、リノレン酸ダイマーのグリシジルエステルを挙げることができる。脂環式エポキシ化合物に併用するグリシジル化合物は、１種類でも良く、または２種以上を混合使用しても良い。グリシジルエーテル類は油化シェルエポキシ（株）等から市販品を入手できる。
また、前記オキセタニル基を有する化合物（以下、単に「オキセタン化合物」ともいう。）は、１分子中にオキセタニル基を１個以上有する化合物である。このオキセタニル基含有化合物は、１分子中に１個のオキセタニル基を有する化合物と、１分子中に２個以上のオキセタニル基を有する化合物に大別される。
１分子中に１個のオキセタニル基を有する単官能オキセタン化合物としては、以下の一般式（１）で表される化合物が好ましい。
Figure 2005109401
式（１）中Ｒ１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ2は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。Ｒ2の炭化水素基としては、フェニル基やベンジル基も採りうるが、炭素数６ないし８のアルキル基が好ましく、２−エチルへキシル基等の分岐アルキル基が特に好ましい。Ｒ2がフェニル基であるオキセタン化合物の例は、特開平11-140279号公報に記載されている。Ｒ2が置換されていても良い、ベンジル基であるオキセタン化合物の例は、特開平6-16804号公報に記載されている。Ｒ1がエチル基であり、Ｒ2が２−エチルへキシル基であるオキセタン化合物は、優れた希釈剤、硬化促進剤、柔軟性付与剤、および表面張力低下剤として本発明に好ましく使用される。
本発明においては、１分子中に２個以上のオキセタニル基を有する多官能オキセタン化合物が使用できるが、好ましい化合物群は、下記の一般式（２）で表される。
Figure 2005109401
式（２）中、ｍは２、３または４の自然数を示し、Ｚは酸素原子、硫黄原子、またはセレン原子を表す。Ｒ3は水素原子、フッ素原子、炭素数が１ないし６の直鎖もしくは分岐状のアルキル基、炭素数が１ないし６のフルオロアルキル、アリル基、フェニル基またはフリル基である。Ｒ4は、ｍ価の連結基であり、炭素数が１ないし２０の基であることが好ましく、１個以上の酸素原子、硫黄原子を含んでいても良い。Ｚは酸素原子が好ましく、Ｒ3はエチル基が好ましく、ｍは２が好ましく、Ｒ4としては、炭素数が１ないし１６の線形または分岐アルキレン基、線形または分岐ポリ（アルキレンオキシ）基が好ましく、Ｒ3、Ｒ4、Ｚ、およびｍに対する好ましい例の内から任意の２つ以上を組み合わせた化合物はさらに好ましい。
本発明で用いるオニウム塩光反応開始剤は、活性エネルギー線が接着性組成物に照射されることにより、活性な化学種を生成すると考えられるオニウム塩を言う。オニウム塩光反応開始剤としては、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルフォニウム塩等が、熱的に比較的安定であるために、好ましい。ここで、活性エネルギー線とは、オニウム塩に作用して化学反応を開始しうる化学的活性種（ルイス酸、ブレンステッド酸等のカチオン種）を生成しうるエネルギー線であり、紫外線、電子線、ガンマー線、Ｘ線等が含まれるが、紫外線が好ましく用いられる。
芳香族スルフォニウム塩および芳香族ヨードニウム塩をオニウム塩光反応開始剤として使用する場合、その対アニオンとしては、ＢＦ4 −、ＡｓＦ6 −、ＳｂＦ6 −、ＰＦ6 −、ＰＦ6 −、Ｂ（Ｃ6Ｆ5）4 −などが挙げられる。開始剤としては、芳香族スルフォニウムのＰＦ6塩またはＳｂＦ6塩が、溶解性と適度の重合活性を有するために好ましく使用できる。また、溶解性を改良するために、芳香族基ヨードニウム塩または芳香族スルフォニウム塩の芳香族基、通常はフェニル基に、１ないし１０の炭素を有する、アルキル基またはアルコキシ基を１つ以上導入した化学構造が好ましい。芳香族スルフォニウム塩のＰＦ6塩またはＳｂＦ6塩は、ユニオンカーバイド日本（株）等から市販されている。旭電化工業（株）からも、アデカオプトマーＳＰシリーズの商品名で芳香族スルフォニウムのＰＦ6塩が市販されている。芳香族スルフォニウム塩は約３６０ｎｍまでに吸収を有し、芳香族ヨードニウム塩は約３２０ｎｍまでに吸収を有するので、硬化させるには、この領域の分光エネルギーを含む紫外線を照射するのが良い。
以下に示す化学構造式の中でもスルフォニウム塩PI-3およびPI-4は、光の吸収効率が高いために、好ましく使用される。
Figure 2005109401
本発明で用いるオニウム塩光反応開始剤は、活性エネルギー線の作用により、活性なカチオン種を生成して、脂環式エポキシ化合物およびオキセタニル基を有する化合物をカチオン重合させることにより、本発明の接着性組成物を硬化させると考えられる。
本発明で用いる接着性組成物において、脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の重量比は、（９５ないし６５）重量部対（５ないし３５）重量部であり、好ましくは、（８０ないし７０）重量部対（２０ないし３０）重量部である。単官能オキセタン化合物が少なすぎると接着性組成物の粘度、表面張力等の液物性が良好でなく、逆に単官能オキセタン化合物の添加量が多すぎると、硬化物が柔軟になりすぎ、接着強度が低下する。また、オニウム塩光反応開始剤は触媒量使用すれば良く、その添加量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、０．３ないし１０重量部であり、０．５ないし５重量部が好ましい範囲である。
本発明においては、光学部品と固定部材との間に接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように接着性組成物を挿入する。この接着厚さ以下では、接着強度が不足し、この厚さ以上では、接着剤の硬化収縮の悪影響が生じやすい。０．０５μｍ以上２μｍ以下の接着厚さが好ましく、０．２μｍ以上１μｍ以下の接着厚さが特に好ましい。
本発明においては、上記接着性組成物に、さらにシランカップリング剤を添加することが好ましい。シランカップリング剤は、光学部品およびその被着体である無機の部材や金属製部材と接着性組成物とを化学的に結合する性質を有していると考えられる。このシランカップリング剤の併用により、接着強度および接着耐久性を改良することができる。本発明に併用するシランカップリング剤としては、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く用いられる。このようなカップリング剤は、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。
また本発明では、接着性組成物に球状シリカ粒子を含有させることが好ましい。シリカ粒子は、０．１μｍないし２μｍの直径を有し、粒度分布ができるだけ均一であると良い。平均粒度が０．２μｍ以上０．８μｍ以下である粒子が本発明に好ましく使用され、形状が真球状に近く、イオン性の不純物が少ないシリカ粒子が特に好ましく使用される。このシリカ粒子を添加することにより硬化させた接着性組成物の熱耐久性を改良することができる。球状シリカ粒子の添加量は接着性組成物１００重量部に対し、１ないし２０重量部の範囲で適宜選択できる。合成石英球状シリカは（株）龍森等から市販されている。
本発明において上記接着性組成物は、レンズ、反射ミラー等の無機透明部材とこれを接着固定する金属（銅、銅合金、アルミニウム等）製ホルダ等の金属製固定部材との接着に好ましく使用される。
本発明者は鋭意検討の結果、接着性組成物の室温（２５℃）における粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上、１，０００ｍＰａ・ｓ以下に調節することが好ましく、粘度を８０ｍＰａ・ｓ以上、３００ｍＰａ・ｓ以下に調節することがさらに好ましく、加えて、この接着性組成物と被着体との接触角を４０度以下すること、より好ましくは３０度以下とすることが良好な接着固定を与えることを見いだした。組成物粘度を調節するするためには、単官能オキセタン化合物の添加が有効である。また、必要に応じて、フッ素系界面活性剤を添加することにより接触角の調節を行うことができる。フッ素系界面活性剤は、疎水基としてフッ化炭素を有する界面活性剤であり、アニオン、カチオンおよびノニオンの３種があるが、本発明にはフッ素化アルキルエステル系のノニオン界面活性剤の使用が好ましい。このノニオン界面活性剤の添加量は、接着性組成物の１００重量部に対して０．１ないし１重量部である。このノニオン界面活性剤は住友スリーエム（株）等からフロラード（ＦＣ１７０Ｃ、同１７１、同４３０、同４３１等）の商品名で市販されている。
また本発明で用いる接着性組成物には、上記の添加剤の他に、染料、顔料等の不活性成分を適宜添加することができる。また、光硬化性を向上させる目的で、ピレン、ペリレン、アクリジンオレンジ、チオキサントン、２−クロロチオキサントン、ベンゾピラン等の光増感剤を添加しても良い。紫外線により硬化させるために紫外線照射光源として種々の光源を使用することができ、例えば、水銀アークランプ、キセノンアークランプ、炭素アークランプ、タングステン−ハロゲン複写ランプが挙げられる。
本発明の第１のレーザモジュールによれば、３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザを、固形有機物から発生した有機ガス成分（アウトガス成分）の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気内に配置したので、有機ガス成分がレーザ光と反応して生成する分解堆積物が減少し、レーザ特性の劣化が効果的に抑制される。これにより該レーザモジュールは、信頼性の高いものとなり得る。
また本発明の第２のレーザモジュールによれば、３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ、光ファイバーの結合側部位、および集光光学系を、固形有機物から発生した有機ガス成分（アウトガス成分）の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気内に配置したので、この場合も、有機ガス成分がレーザ光と反応して生成する分解堆積物が減少し、レーザ特性の劣化が効果的に抑制される。これにより該レーザモジュールも、信頼性の高いものとなり得る。
上記第１および第２のレーザモジュールにおいて、気密封止前の封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とした場合は、気密封止前に脱気処理を実施して、固形有機物から発生した有機ガス成分の封止雰囲気中の濃度を１０００ｐｐｍ未満にすることができる。ここで、固形有機物とは、有機系接着剤等の常温で固体の有機物質である。
また、固形有機物から発生した有機ガス成分はレーザ光により分解して、その分解物が光学部品等に堆積するが、上記封止雰囲気が、酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスである場合は、この分解堆積物が酸化分解されて、レーザ特性の劣化が一層抑制される。
また、本発明において、光学部品と固定部材との接着に前述の接着性組成物を使用すると、接着剤の硬化時の硬化収縮率（線収縮率）は２％程度に抑えることができる。そこで、レーザモジュールを構成する半導体レーザ素子、コリメータレンズ、集光レンズ、および光ファイバ等の光学部品を該接着性組成物によって固定部材に固定する場合、接着性組成物の層厚が５μｍ以下に調整されていれば、この接着性組成物の未硬化部分の硬化収縮が進行しても収縮は５×０．０２＝０．１μｍ程度と極めて少なく抑えられる。さらに上述の接着性組成物は、光学部品と固定部材との間が１μｍ程度に狭くなっても、均一に浸透して、紫外線等により硬化した後も強力かつ柔軟性のある硬化物を生成するために、低温（−２５℃）から高温（７０℃）にわたる広い温度範囲ではがれの発生の無い接着が実現できる。以上により、上述のような光学部品の相対位置精度が高く保たれるので、本発明のレーザモジュールはこの点からも高い信頼性を備えたものとなり得る。
また、本発明のレーザモジュールの製造方法において、前記接着性組成物として、室温における粘度が１０mPa・s 以上１，０００mPa・s 以下であって、被着体との接触角が４０度以下であるものを用いた場合は、先に説明した通り、特に良好な接着固定を実現できる。
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。
［モジュールの構成］
本実施の形態に係るレーザモジュールは、図１に示す合波レーザ光源を備えている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して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。
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が全て共通（例えば４０５ｎｍ）であり、最大出力も全て共通（例えば、１００ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いることができる。
上記の合波レーザ光源は、図２および図３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、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ー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ４６とが取り付けられている。また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダ４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横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ＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
なお、図２においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
図４は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７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１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図４の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、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ビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、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。
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７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。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが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、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ1＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
集光レンズ２０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て、コリメータレンズ１１〜１７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２０は、焦点距離ｆ2＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ２０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。
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好適に用いることができる。この光ファイバは、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。
パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、後述する脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に、上記の合波レーザ光源が他の光学要素と共に気密封止される。
上述した通り、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上でモジュールの劣化が促進されるので、モジュールの劣化を抑制するために、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満になるように気密封止する。このためには、例えば、有機系接着剤等による光学部品の固定は一切行わず、固定には無機系接着剤を用いる等して、接着剤の投入量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすればよい。
封止ガスを封入して気密封止を実施する前には、封止空間内の雰囲気を排気する脱気処理を行う。モジュール中に光学系を固定するために有機系接着剤を用いた場合でも、接着剤で各部品を固定後、封止前に脱気処理を行うことにより、有機系接着剤からのアウトガスを抑制することができる。
接着剤の機械的性質を損なわない観点から通常２００℃以下でこの脱気処理は行われるが、脱気後、モジュールの封止を実施し、その封止雰囲気中に含まれるアウトガス成分量を測定すると、投入される接着剤の量が多ければ多いほどモジュール中に放出される有機ガスの量は一定のレベル以下にならないことが確認されている。
所定量の有機系接着剤（固形有機物）をレーザモジュール中に投入することにより、封止体積中に含まれる固形有機物の単位体積当りの量を０．５ｇ／ｍｌ（ｇ／ｃｃ）から１０ｇ／ｍｌまで変更して、脱気処理後のアウトガス成分の濃度を調べた。９０℃で脱気処理を実施した後に、９９．９９９％以上の純度の窒素ガスを封入してレーザモジュールを気密封止した。２４時間放置した後に、封止モジュール中のアウトガス成分の濃度をガスクロマトグラフィにより測定した。
アウトガス成分の濃度が一定のレベルに達すると、脱気時間をそれ以上長くしても封止雰囲気中のアウトガス成分は減少しない。このような飽和状態に到達するのは、接着剤の未硬化成分の脱気が終了しても接着剤の母材となる成分が脱気過程で分解して接着剤中に残留し、封止後にアウトガスとなるためである。
有機系接着剤の投入量が１．２ｇ／ｍｌ以上の場合には、この飽和値が高く、長時間脱気処理を実施しても、モジュール中のアウトガス成分の濃度は１０００ｐｐｍ未満にならないが、有機系接着剤の投入量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすることにより、脱気処理でモジュール中のアウトガス成分の飽和濃度を１０００ｐｐｍ未満にすることができる。
有機系接着剤の投入量を１．０ｇ／ｍｌ以下とした場合でも、飽和濃度に到達するためには、脱気時間は１３０〜２００時間が好ましく、脱気温度は８０〜１５０℃が好ましい。
封止ガスとしては、乾燥した窒素等の不活性ガスや乾燥空気を用いることができる。不活性ガス中に微量の酸素を含有する封止ガスを用いるのが特に好ましい。封止雰囲気中に微量の酸素が含まれると、レーザモジュールの劣化をさらに抑制することができる。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酸素が、アウトガス成分の光分解により発生した固形物を分解・酸化するためである。封止雰囲気中の酸素濃度は１〜１００ｐｐｍの範囲が好ましい。酸素濃度が１００ｐｐｍあれば、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ程度でも堆積物を十分に分解除去できる。
［モジュールの動作］
次に、上記レーザモジュールの動作について説明する。合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々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の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７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〜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３０ａの入射端面に収束する。
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、その集光光学系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。即ち、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に入射して光ファイバ内を伝搬し、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。
上記のレーザモジュールでは、レーザビームＢ１〜Ｂ７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。従って、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が１００ｍＷの場合には、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。
以上説明した通り、本実施の形態のレーザモジュールでは、封止体積中の有機系接着剤の使用量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすることにより、脱気処理を行って接着剤からのアウトガス成分の飽和濃度を１０００ｐｐｍ未満とすることができる。これにより、アウトガス成分がレーザ光により分解されて発生する分解物の量が減少し、モジュールの劣化が顕著に抑制される。即ち、レーザモジュールの信頼性が向上し、長期間高出力を維持することができる。また、封止雰囲気中に微量の酸素を含有させることにより、レーザモジュールの劣化をさらに抑制することができる。
次に、銅等の金属からなる固定部材であるコリメータレンズホルダ４４に対するコリメータレンズ１１〜１７の接着について説明する。コリメータレンズ１１〜１７の接着面（図３中の下端面）をコリメータレンズホルダ４４の接着面に密着させて、その隙間に以下に詳述する接着性組成物を挿入した後、紫外線照射により硬化させた。脂環式エポキシ化合物としてユニオンカーバイド日本（株）製ＵＶＲ６１２８（ビス（３，４−エポキシシクロヘキシル）アジペート）を使用し、単官能オキセタン化合物として東亜合成（株）のアロンオキセタンＯＸＴ−２１２（ＥＨＯＸ）を使用し、また光反応開始剤としてユニオンカーバイド日本（株）製のＵＶＩ−６９９０（トリアリ−ルスルフォニウムのＰＦ5塩）を使用し、これらの成分の重量比を下記の表１に示すように設定して、接着性組成物実施例１〜３および比較例１を調製した。
Figure 2005109401
接着性組成物を紫外線照射により硬化させた後、接着均一性を光学顕微鏡により目視観察したところ、オキセタン化合物ＥＨＯＸを併用した実施例１〜３の接着剤が、併用しない比較例１の接着剤よりも優れた接着面の均一性を示した。
次に、コリメータレンズホルダ４４に対するコリメータレンズ１１〜１７の接着を、別の接着性組成物を用いて行った実施例について説明する。コリメータレンズ１１〜１７の接着面（図３中の下端面）をコリメータレンズホルダ４４の接着面に密着させて、その隙間に以下に詳述する接着性組成物を挿入した後、紫外線照射により硬化させた。脂環式エポキシ化合物としてユニオンカーバイド日本（株）製ＵＶＲ６１２８を使用し、さらに２官能グリシジル化合物として油化シェルエポキシ（株）製のビスフェノールＦ型系のエピコート８０６を併用し、単官能オキセタン化合物として東亜合成（株）のアロンオキセタンＯＸＴ−２１２（ＥＨＯＸ）を必要に応じて併用し、また光反応開始剤としてユニオンカーバイド日本（株）製のＵＶＩ−６９９０（トリアリ−ルスルフォニウムのＰＦ5塩）を使用し、シランカップリング剤として信越化学工業（株）製のＫＢＭ３０３、および（株）龍森の合成石英球状シリカ１−ＦＸ（平均粒径０．３８μｍ）を必要に応じて併用し、これらの成分の重量比を下記の表２に示すように設定して、接着性組成物実施例４〜１０を調製した。
Figure 2005109401
接着性組成物を紫外線照射により硬化させ、−２５℃〜７０℃の保存試験を行った後に、接着面のハガレ発生率を測定したところ、表２中に示す結果が得られた。単官能オキセタン化合物ＥＨＯＸを増量した接着性組成物を用いた実施例５および６が実施例４よりも低いハガレ発生率を示し、さらにシランカップリング剤を併用した接着剤を使用した実施例７および８はさらにハガレ発生率が低くなり、特に実施例８においてはハガレの発生が認められなかった。また、実施例９は、ビスフェノールＦ型のジグリシジル化合物を脂環式エポキシ化合物に任意的に併用した実施態様であり、さらに実施例１０は、合成石英球状シリカを任意的に添加した実施態様であるが、いずれも、強制保存試験によってもコリメータレンズホルダ４４と接着層の間のハガレを生じていない。
また、上記接着性組成物に紫外線を照射して硬化させた後に、コリメータレンズホルダ４４とコリメータレンズ１１〜１７との間の各接着剤の層厚を測定したところ、約０．３〜０．６μｍであった。そしてこの接着剤は、体積硬化収縮が４〜５％であり、−２５℃〜７０℃の保存試験を行なった後の各接着剤層の厚さ変化は、０．０３μｍ以下に抑えられた。したがって、光軸調整されたＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７とコリメータレンズ１１〜１７との相対位置関係が、上記接着のために狂うようなことがなく、良好な合波効果が得られる。
なお、上述のような接着方法は、パッケージ４０内のその他の光学部品と固定部材との接着、例えば集光レンズ２０と集光レンズホルダ４５との接着、マルチモード光ファイバ３０とファイバホルダ４６との接着等にも適用可能であり、そのようにした場合も、基本的に上述と同様の効果を奏するものである。
さらに上述のような接着方法は、図１〜４に示したレーザモジュールに限らず、一般に光源、レンズ、ミラー、ハーフミラー、凹面鏡、凸面鏡、回折格子、等の光学部品を有するレーザモジュールにおいて、それらの光学部品とそれらの固定部材との接着固定に広く適用することができ、そのようにした場合も、基本的に上述と同様の効果を奏するものである。
本発明の第１の実施形態によるレーザモジュールの要部を示す概略構成図 上記レーザモジュールを示す平面図 上記レーザモジュールを示す側面図 上記レーザモジュールの部分立面図 アウトガス成分及び不純物成分の分子量分布を示すグラフ アウトガス成分及び不純物成分の沸点分布を示すグラフ アウトガス成分濃度及び不純物成分とモジュール劣化速度との関係を示すグラフ
符号の説明
１０ 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
３０ａ コア
４０ パッケージ
４１ パッケージ蓋
４４ コリメータレンズホルダ
４５ 集光レンズホルダ
ＬＤ１〜ＬＤ７ ＧａＮ系半導体レーザ

Claims (12)

  1. ３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザと、
    内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、該空間内に前記半導体レーザを気密封止した気密封止部材とを含み、
    前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品が前記固定部材に固定されていることを特徴とするレーザモジュール。
  2. ３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ、１本の光ファイバー、および前記複数の半導体レーザの各々から出射したレーザビームを集光し前記光ファイバーに結合させる集光光学系を備えた合波レーザと、
    内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、該空間内に前記半導体レーザ、前記光ファイバーの結合側部位、および前記集光光学系を気密封止した気密封止部材とを含み、
    前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品が前記固定部材に固定されていることを特徴とするレーザモジュール。
  3. 気密封止前の封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とした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. 前記固形有機物から発生した有機ガス成分が、分子量が７０以上または沸点が７０℃以上の有機ガス成分であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のレーザモジュール。
  5. 前記固形有機物から発生した有機ガス成分が、ケイ素原子、リン原子、およびイオウ原子の少なくとも１種を含有する化合物を含む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. 前記封止雰囲気が酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載のレーザモジュール。
  7. 前記接着性組成物がシランカップリング剤を含有することを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のレーザモジュール。
  8. 前記接着性組成物が０．１μｍ以上１．０μｍ以下の平均直径を有する球状シリカ粒子を含有することを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載のレーザモジュール。
  9. 前記固定部材が金属製部材からなり、前記光学部品が無機透明部材からなることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のレーザモジュール。
  10. 前記オキセタニル基を有する化合物が、下記一般式（１）で表されるものであることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のレーザモジュール。
    Figure 2005109401
     式（１）中Ｒ１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ2は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。
  11. ３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザを気密封止部材内部の封止空間内に収納すると共に、封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とし、
    前記気密封止部材内の少なくとも一つの光学部品とそれを固定する固定部材との間に、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を挿入した後、活性エネルギー線により硬化させることにより前記光学部品を前記固定部材に固定し、
    前記空間を、固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満になるまで脱気処理し、
    該脱気処理後に、前記空間内に前記半導体レーザを気密封止することを特徴とするレーザモジュールの製造方法。
  12. 前記接着性組成物が、室温における粘度が１０mPa・s 以上１，０００mPa・s 以下であって、被着体との接触角が４０度以下であることを特徴とする請求項１１記載のレーザモジュールの製造方法。
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