JP2007067271A - Laser module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のレーザ素子がパッケージ内に気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールに係り、特に、そのレーザパッケージ構造に関するものである。 The present invention relates to a laser module including a laser package in which a plurality of laser elements are hermetically sealed in a package, and more particularly to the laser package structure.
特許文献1及び2には、光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内にレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージと、レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとがユニット化された、いわゆるピッグテール型のレーザモジュールが開示されている。
レーザ素子を気密封止する上記パッケージとしては、板状のパッケージベースと、パッケージベースに固定された筒状のパッケージフレームと、パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージが広く使用されている。一般に、レーザ素子は放熱ブロックに実装された形態で、透光性窓に向けて光を出射するようパッケージベースに固定されて、パッケージ内に気密封止される。 The above-mentioned package for hermetically sealing the laser element includes a plate-shaped package base, a cylindrical package frame fixed to the package base, and a package lid fixed to the package frame and attached with a light-transmitting window. The package is widely used. In general, a laser element is mounted on a heat dissipation block, and is fixed to a package base so as to emit light toward a translucent window and hermetically sealed in the package.
レーザ素子としては、従来、発振波長980nm/出力90mWの赤外半導体レーザ素子など、比較的低出力のレーザ素子が用いられていたが、より高出力、例えば出力350〜500mWのGaN系等の紫外半導体レーザ素子(ブロードエリア半導体レーザ素子)を用いることが検討されている。さらに、1個のパッケージ内に複数の高出力レーザ素子を気密封止し、複数のレーザ素子からの出射光を合波して光ファイバに入射させ、高輝度光を出力する合波レーザモジュールが検討されている。
上記レーザパッケージにおいては、気密封止のために、パッケージベースとパッケージフレームとを抵抗熔接(シーム熔接)等により熔接固定することがなされている。熔接固定では、熔接に伴う局所的な熱塑性変化によって、パッケージベースに僅かながらも歪みが発生することがある。本発明者は、高出力レーザ素子用の汎用パッケージでは、最大で3〜6μm程度の熔接歪みが発生することを見出している(図4の比較例を参照)。 In the laser package, for hermetic sealing, the package base and the package frame are welded and fixed by resistance welding (seam welding) or the like. In welding fixation, a slight distortion may occur in the package base due to local thermoplastic changes accompanying welding. The present inventor has found that a welding distortion of about 3 to 6 μm at maximum occurs in a general-purpose package for a high-power laser element (see a comparative example in FIG. 4).
1個のレーザ素子を用いるレーザモジュールでは、パッケージベースとパッケージフレームとを熔接固定してから、熔接歪みを考慮した上で、レーザ素子をパッケージベースに固定することができる。 In a laser module using a single laser element, the package base and the package frame are welded and fixed, and then the laser element can be fixed to the package base in consideration of welding distortion.
これに対して、複数のレーザ素子を用いる合波レーザモジュールでは、工程容易性から、パッケージベースに複数のレーザ素子を固定した後、パッケージベースとパッケージフレームとを熔接固定して、気密封止することが好ましい。かかる手順では、個々のレーザ素子の出射光の出射方向が、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みによって、パッケージベースへの取付け時とは僅かながらもずれてしまう。すなわち、ある光学設計でレーザ素子をパッケージベースに固定したにもかかわらず、取付け後に個々のレーザ素子の出射光の出射方向が、それぞれ光学設計から僅かながらもずれてしまう。複数のレーザ素子からの出射方向がそれぞれ光学設計からずれると、複数のレーザ素子からの出射方向がばらつくことになり、光学精度に影響を与える恐れがある。 On the other hand, in the combined laser module using a plurality of laser elements, for ease of process, after fixing the plurality of laser elements to the package base, the package base and the package frame are welded and fixed, and hermetically sealed. It is preferable. In such a procedure, the emission direction of the emitted light of each laser element is slightly shifted from the time of attachment to the package base due to welding distortion between the package base and the package frame. That is, although the laser element is fixed to the package base with a certain optical design, the emission direction of the emitted light of each laser element after installation is slightly shifted from the optical design. If the emission directions from the plurality of laser elements are deviated from the optical design, the emission directions from the plurality of laser elements vary, which may affect the optical accuracy.
また、複数のレーザ素子からの出射光を合波して光ファイバに入射する合波レーザモジュールでは、高輝度出力を得るために、例えば、8個等の複数のレーザ素子からの出射光が束ねられたビーム径の大きい光束が、集光光学系を介して集光されて、コア径50〜60μm等の小コア径の光ファイバに入射される。かかる合波レーザモジュールでは、1個のレーザ素子を用いるレーザモジュールに比して、集光光学系として高倍率の拡大光学系を用いる必要があるため、熔接歪みによる個々のレーザ素子の出射光の出射方向の光学設計からのずれによる光ファイバの光入射面上における集光点の位置ずれが無視できないレベルとなり、光ファイバのコアに入射する光量が低下する恐れがある。 Further, in a combined laser module that combines light emitted from a plurality of laser elements and enters the optical fiber, for example, the light emitted from a plurality of laser elements, such as eight, is bundled in order to obtain a high luminance output. The light beam having a large beam diameter is condensed through a condensing optical system and is incident on an optical fiber having a small core diameter such as a core diameter of 50 to 60 μm. In such a combined laser module, it is necessary to use a high-magnification optical system as a condensing optical system as compared with a laser module using a single laser element. There is a possibility that the position shift of the condensing point on the light incident surface of the optical fiber due to the deviation from the optical design in the emission direction becomes a level that cannot be ignored, and the amount of light incident on the core of the optical fiber may be reduced.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みが安定的に抑制され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好な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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, the welding distortion between the package base and the package frame is stably suppressed, the positional accuracy of the optical system constituting the module is good, and the optical characteristics such as output luminance are excellent. An object of the present invention is to provide a good laser module.
本発明のレーザモジュールは、板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの板厚をT1(mm)とし、前記パッケージフレームの高さをT2(mm)としたとき、T1+T2≧22を充足することを特徴とするものである。
The laser module of the present invention is a package comprising a plate-like package base, a cylindrical package frame welded and fixed to the package base, and a package lid fixed to the package frame and having a light-transmitting window attached thereto. A laser module including a laser package in which a plurality of laser elements are hermetically sealed by being fixed to the package base so as to emit light toward the translucent window,
When the thickness of the package base is T1 (mm) and the height of the package frame is T2 (mm), T1 + T2 ≧ 22 is satisfied.
上記構成の本発明のレーザモジュールによれば、板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの底面における、前記パッケージベースと前記パッケージフレームとの熔接で発生した最大熔接歪みが、1.0μm以下であることを特徴とするレーザモジュールを実現することができる。
According to the laser module of the present invention configured as described above, a plate-shaped package base, a cylindrical package frame welded and fixed to the package base, and a package fixed to the package frame and attached with a translucent window In a laser module including a laser package in which a plurality of laser elements are fixed to the package base and hermetically sealed so as to emit light toward the light-transmissive window, inside a package made of a lid,
It is possible to realize a laser module characterized in that a maximum welding strain generated by welding of the package base and the package frame on the bottom surface of the package base is 1.0 μm or less.
本明細書において、「レーザ素子のパッケージベースへの固定」は、直接固定だけでなく、放熱ブロック等を介した固定も含まれる。 In this specification, “fixing the laser element to the package base” includes not only direct fixing but also fixing via a heat dissipation block or the like.
「パッケージベースの底面」は、パッケージベースのレーザ素子を取り付ける側と反対側の面を意味するものとする。また、「パッケージベースの底面における最大熔接歪み」は、パッケージベースの底面の表面粗さを、(株)ミツトヨ社製3次元非接触式表面粗さ計「QV404-PR06F」にて計測し、熔接前のデータを差し引いて得られるデータ(図4参照)から求めるものとする。 The “bottom surface of the package base” means a surface opposite to the side on which the package base laser element is attached. “Maximum welding strain at the bottom of the package base” is measured by measuring the surface roughness of the bottom of the package base with a 3D non-contact surface roughness meter “QV404-PR06F” manufactured by Mitutoyo Corporation. It is determined from data (see FIG. 4) obtained by subtracting the previous data.
本発明のレーザモジュールは、前記レーザパッケージが、前記パッケージの内部に、前記複数のレーザ素子と、該複数のレーザ素子からの出射光を平行光束化する複数のコリメートレンズとが気密封止された構造を有するモジュールに好ましく適用できる。 In the laser module of the present invention, the laser package is hermetically sealed in the package with the plurality of laser elements and a plurality of collimating lenses for collimating the emitted light from the plurality of laser elements. It can be preferably applied to a module having a structure.
本発明のレーザモジュールにおいては、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、該集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとをさらに備えた構成が好ましい。 In the laser module of the present invention, it is preferable to further include a condensing optical system that condenses the light emitted from the laser package and an optical fiber into which the light condensed by the condensing optical system enters.
本発明のレーザモジュールにおいて、前記パッケージベースの主成分としてはCuW合金が挙げられ、前記パッケージフレームの主成分としてはFeNiCo合金及び/又はFeNi合金が挙げられる。 In the laser module of the present invention, the main component of the package base is a CuW alloy, and the main component of the package frame is a FeNiCo alloy and / or a FeNi alloy.
ここで、パッケージベースあるいはパッケージフレームが、上記合金を「主成分とする」とは、上記合金の物性(例えば熱伝導率)がレーザモジュールの組立てに対して実質的に影響を与えない程度まで、上記合金が含まれていることを意味する。FeNiCo合金の組成としては、Ni29質量%/Co16質量%が好ましい。 Here, the package base or the package frame has the above-mentioned alloy as the “main component” to the extent that the physical properties (for example, thermal conductivity) of the alloy do not substantially affect the assembly of the laser module. It means that the above alloy is included. The composition of the FeNiCo alloy is preferably 29 mass% Ni / 16 mass% Co.
本発明のレーザモジュールは、前記レーザ素子の発振波長が350〜500nmの範囲にある系などに好適である。 The laser module of the present invention is suitable for a system in which the oscillation wavelength of the laser element is in the range of 350 to 500 nm.
本発明のレーザモジュールは、パッケージベースの板厚をT1(mm)とし、パッケージフレームの高さをT2(mm)としたとき、T1+T2≧22を充足することを特徴とするものである。本発明者は、かかる構成とすることで、パッケージベースの底面における、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接で発生する最大熔接歪みを、1.0μm以下に安定的に抑制できることを見出している。 The laser module of the present invention is characterized by satisfying T1 + T2 ≧ 22 when the thickness of the package base is T1 (mm) and the height of the package frame is T2 (mm). The inventor has found that such a configuration can stably suppress the maximum welding distortion generated by the welding of the package base and the package frame on the bottom surface of the package base to 1.0 μm or less.
本発明によれば、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みを安定的に抑制することができるので、気密封止前のレーザ素子の出射光の出射方向が気密封止後にも高精度に維持され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好なレーザモジュールを提供することができる。 According to the present invention, since the welding distortion between the package base and the package frame can be stably suppressed, the emission direction of the emitted light of the laser element before hermetic sealing is maintained with high accuracy even after hermetic sealing. It is possible to provide a laser module in which the optical system constituting the module has good positional accuracy and optical characteristics such as output luminance.
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザモジュールについて説明する。図1は、レーザモジュールをなす後記レーザパッケージのパッケージベースとパッケージフレームとを取り出して示す斜視図及び上面図である。図2及び図3は各々、レーザモジュール全体のモジュール中心軸を通るx方向断面図及びy方向断面図である。図中、x〜z軸は便宜上付したものである。 A laser module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view and a top view showing a package base and a package frame of a later-described laser package forming a laser module. 2 and 3 are an x-direction sectional view and a y-direction sectional view, respectively, passing through the module central axis of the entire laser module. In the drawing, the x to z axes are given for convenience.
本実施形態は、レーザ素子11を気密封止するパッケージ20の寸法を特定したことが特徴的である。
This embodiment is characterized in that the dimensions of the
(全体構造)
本実施形態のレーザモジュール1はいわゆるピッグテール型の合波レーザモジュールであり、光源である複数のレーザ素子11が気密封止されたレーザパッケージ10を含むレーザユニット2と、レーザパッケージ10からの出射光Lを集光する集光レンズ(集光光学系)41、42を含む集光光学系ユニット3と、集光光学系ユニット3により集光された光Lが入射する光ファイバ51を含む光ファイバユニット4とがユニット化されたモジュールである。
(Overall structure)
The
レーザパッケージ10は、パッケージ20内に、複数のレーザ素子11と複数のレーザ素子11からの出射光を平行光束化する複数のコリメートレンズ14とが気密封止されたものである。パッケージ20は、パッケージベース21と、パッケージベース21に熔接固定されたパッケージフレーム22と、パッケージフレーム22に固定され、透光性窓23aが取り付けられたパッケージリッド23とから構成されている。
The
パッケージベース21は、y方向がx方向よりも長い略矩形の板状部材であり、パッケージフレーム22は、一辺の長さがパッケージベース21のx方向の長さと略等しい平面視略正方形の角筒状部材である。パッケージベース21とパッケージフレーム22のx方向とy方向の寸法の例を図1(b)に示してある(寸法の単位はmm)。気密性を考慮すれば、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接は、抵抗熔接(シーム熔接)が好ましい。パッケージ20内には、不活性ガスが封入されている。
The
パッケージベース21の主成分としては制限なく、放熱性を考慮すれば、熱伝導性が高いCuW合金(熱伝導率:200W/mK)等が好ましく用いられる。パッケージフレーム22及びパッケージリッド23の主成分としては制限なく、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接時の熱拡散を抑えるために、熱伝導率が低い、FeNiCo合金(熱伝導率:10W/mK)及び/又はFeNi合金(熱伝導率:10W/mK)等が好ましく用いられる。
The main component of the
レーザ素子11としては特に制限なく、GaN系(370〜450nm)、AlGaInP系(580〜690nm)、InGaP系(650〜1000nm)、AlGaAs系(700〜1000nm)、GaAsP系(700〜1000nm)、InGaAs系(1000〜3500nm)、InAsP系(1000〜3500nm)等の半導体レーザ素子等が挙げられる。()内の数字は発振波長域を示す。
The
高出力半導体レーザ素子を用いる系では、光密度が大きいため、レーザ素子11の光出射面や複数のレーザ素子11からの出射光が集光されて入射する光ファイバ51の光入射面等が、集塵効果等により汚染されやすい傾向にある。
In a system using a high-power semiconductor laser element, since the light density is large, the light exit surface of the
本実施形態では、レーザ素子11及びコリメートレンズ14をパッケージ20内に気密封止すると共に、パッケージ20内に不活性ガスを封入し、光ファイバユニット4についても気密封止構造及び不活性ガス封入構造(詳細については後記)を採用している。すなわち、本実施形態では、光密度の大きい部分については気密封止構造を採用して、外部からの埃等の異物の侵入を抑制し、レーザ素子11の光出射面や光ファイバ51の光入射面等における汚染を抑制する構成を採用している。したがって、本実施形態のレーザモジュール1は、従来一般に使用されている比較的低出力の赤外半導体レーザ素子はもちろんのこと、高出力の紫外半導体レーザ素子(例えば、GaN系等、発振波長350〜500nm、出力200〜500mW)の使用にも対応可能なものである。
In this embodiment, the
複数のレーザ素子11は、レーザ素子基板13に突設された複数の放熱ブロック12に各々、公知方法にてろう材(AuSnやIn等)を介して実装されている。レーザ素子11は、光出射面が透光性窓23aと対向するよう配置されている。放熱ブロック12の材質としては、Cu等が好ましく用いられる。レーザ素子基板13の材質としては、AlN等が好ましく用いられる。レーザ素子基板13がパッケージベース21の内面にろう材(AuSnやIn等)を介して固定されている。すなわち、複数のレーザ素子11は、放熱ブロック12及びレーザ素子基板13を介して、パッケージベース21に固定されている。
The plurality of
複数のコリメートレンズ14は、レーザ素子基板13に固定されたレンズ保持ブロック15に保持されて、パッケージ20内に固定されている。
The plurality of
レーザ素子11の個数及び配列パターンに制限はなく、レーザ素子11をx方向に4個y方向に2個マトリクス状に配列し、計8個のレーザ素子11を用いた合波レーザモジュールを例として図示してある。図示例では、コリメートレンズ14は、レーザ素子11の個数と配列パターンに対応して、計8個備えられている。
The number and arrangement pattern of the
レーザ素子11に駆動電流を供給するリード線等の配線類16が、パッケージフレーム22から外部に引き出されている。
レーザパッケージ10の製造手順としては制限なく、あらかじめレーザ素子11を放熱ブロック12に実装した後、レーザ素子基板13に対して放熱ブロック12の実装を行い、このレーザ素子基板13をパッケージベース21に固定し、次いで、レーザ素子11に対してコリメータレンズ14の位置を高精度に調整して、レンズ保持ブロック15及びこれに保持されたコリメータレンズ14をレーザ素子基板13に固定し、その後、パッケージベース21とパッケージリッド23があらかじめ熔接固定されたパッケージフレーム22とを熔接固定する手順が好ましい。
The manufacturing procedure of the
レーザユニット2には、レーザパッケージ10の他に、レーザパッケージ10を集光光学系ユニット3と連結するための連結部材31(図3参照)が備えられている。連結部材31は、パッケージベース21上であってパッケージフレーム22より外側の部分に突設され、パッケージフレーム22のx方向に平行な両側面を覆う部材である。連結部材31は、パッケージベース21に固定ネジ32により固定されている。
In addition to the
集光光学系ユニット3は、レーザ素子11からの出射光のx方向成分を集光する第1の集光レンズ41と、レーザ素子11からの出射光のy方向成分を集光する第2の集光レンズ42と、これら集光レンズ41、42を共に保持する略円筒状の集光レンズホルダ43と、集光レンズホルダ43の光出射側端面に取り付けられ、光ファイバユニット4との連結用である連結部材45とから構成されている。
The condensing
第1の集光レンズ41は、光入射面にy軸を対称軸とする対称凸面を有するシリンドリカルレンズであり、第2の集光レンズ42は、光入射面にx軸を対称軸とする対称凸面を有するアナモルフィックレンズである。集光レンズ41、42の光入射面の端部にはいずれも、これらレンズの位置合わせを高精度に行う際の基準面となる平坦な参照面が設けられている。集光レンズ41、42としては、精密ガラスモールドで製作されたレンズが好ましい。集光レンズ41、42の組合せは適宜設計できる。
The
集光レンズホルダ43は、ホルダ本体43aとレーザユニット2との連結用である連結部材43bとから構成され、これらホルダ本体43aと連結部材43bとは固定ネジ44により固定されている。ホルダ本体43aの内部に、集光レンズ41、42を各々保持する、レンズ保持面が平坦な保持台43c、43dが設けられており、集光レンズ41、42は、高精度に位置合わせがなされた後、保持台43c、43dに固定されている。
The condensing
比較的光密度の小さい集光光学系ユニット3は、それ程高い気密性は要求されず、ある程度、外部からの埃等の異物の侵入が抑制されればよいので、集光レンズホルダ43をなすホルダ部材43aと連結部材43bとの連結、及びレーザユニット2と集光光学系ユニット3との連結については、O−リングORを用いた封止構造が採用されている。接着剤(光硬化性接着剤等)を用いた接着固定等の他の封止構造を採用することもできる。集光光学系ユニット3は、それ程高い気密性は要求されないので、集光レンズ41、42の保持台43c、43dへの固定は、接着剤(光硬化性接着剤等)を用いた接着固定等を採用することができる。
The condensing
光ファイバ51は、光ファイバ51の光入射側端部がフェルール52に挿入固定され、フェルール52がフェルール52の外径に略等しい内径の略筒状の光ファイバパッケージ53に挿入固定された光ファイバユニット4の形態で、集光光学系ユニット3に取り付けられるようになっている。
The
光ファイバパッケージ53の光入射側端面は、フェルール52の光入射側端面よりレーザユニット2側に突出しており、光ファイバパッケージ53内において、光ファイバパッケージ53の光入射側端面とフェルール52の光入射側端面との間はテーパ状に拡径され、集光光学系ユニット3により集光された光Lが通る光通過孔54が設けられている。光ファイバパッケージ53の光入射側端面には、光通過孔54を閉じる透光性窓55が取り付けられている。透光性窓55は光ファイバ51の光入射面を保護する機能を有する。
The light incident side end face of the
光ファイバ51としては制限なく、コア径50〜60μmのマルチモード光ファイバ等が好ましく用いられる。
The
集光光学系ユニット3に設けられた、光ファイバユニット4との連結用である連結部材45は、集光レンズホルダ43の光出射側開口端を閉じる円板状部45aと、円板状部45aを貫通する形態で円板状部45aと一体形成された円筒状部45bとからなり、円筒状部45bの内径が光ファイバパッケージ53の外径に略等しく設定されている。
A connecting
なお、集光光学系ユニット3と光ファイバユニット4との固定前においては、連結部材45が集光レンズホルダ43の光出射側端面上においてx方向及びy方向に移動自在とされ、光ファイバユニット4が連結部材45の円筒状部45b内をz方向に摺動自在とされ、光ファイバ51の光入射面におけるコア中心と光Lの集光点とが略一致する位置(例えば、光ファイバ51の光入射面上の集光ビーム径:30μm)に調整された後、集光レンズホルダ43と連結部材45との固定、及び連結部材45の円筒状部45bと光ファイバユニット4との固定(いずれも熔接固定や接着固定等)が実施される。
Before the condensing
本実施形態の光学設計例を以下に示す。
コリメートレンズ14:NA0.6、焦点距離3mm
集光レンズ41:シリンドリカルレンズ、NA0.165、焦点距離45.12mm
集光レンズ42:アナモルフィックレンズ、NA0.095、焦点距離14.68mm
コリメートレンズ14の光出射面から光ファイバ51の光入射面までの距離:60mm
光ファイバ51:NA0.22、コア径50〜60μmφ
光ファイバ51の光入射面上の集光ビーム径:30μm
An optical design example of this embodiment is shown below.
Collimating lens 14: NA 0.6,
Condensing lens 41: Cylindrical lens, NA 0.165, focal length 45.12 mm
Condensing lens 42: Anamorphic lens, NA 0.095, focal length 14.68 mm
Distance from light emitting surface of collimating
Optical fiber 51: NA 0.22, core diameter 50-60 μmφ
Condensed beam diameter on the light incident surface of the optical fiber 51: 30 μm
(パッケージ20の寸法)
本実施形態では、レーザ素子11を気密封止するパッケージ20の寸法を特定したことが特徴的であることを述べた。以下、この特徴点について詳述する。
(Dimensions of package 20)
In this embodiment, it has been described that it is characteristic that the dimensions of the
本実施形態では、パッケージ20が、パッケージベース21の板厚をT1(mm)とし、パッケージフレーム22の高さをT2(mm)としたとき(図1参照)、T1+T2≧22(好ましくはT1+T2≧24)を充足するよう、設計されている。
In the present embodiment, when the
本発明者は、T1+T2が上記式を充足するよう構成すれば、パッケージベース21の底面21aにおける、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接で発生する最大熔接歪みを、1.0μm以下に安定的に抑制できることを見出している。
If the present inventor is configured so that T1 + T2 satisfies the above formula, the maximum welding strain generated by the welding of the
従来、発振波長350〜500nm等の高出力用レーザ素子用に使用されているパッケージとしては、T1=3、T2=10のものが汎用品として市販されている。すなわち、従来使用されていた汎用パッケージでは、T1+T2=13<22である。汎用パッケージのx方向とy方向の寸法は、本実施形態と同様であり、図1(b)に示す通りである。汎用パッケージのパッケージベースの材質はCuW合金、パッケージフレームの材質はFeNiCo合金(商品名Kovar)である。 Conventionally, as a package used for a high-power laser element having an oscillation wavelength of 350 to 500 nm or the like, packages with T1 = 3 and T2 = 10 are commercially available as general-purpose products. That is, in the conventional general-purpose package, T1 + T2 = 13 <22. The dimensions of the general-purpose package in the x and y directions are the same as in this embodiment, as shown in FIG. 1 (b). The material of the package base of the general-purpose package is CuW alloy, and the material of the package frame is FeNiCo alloy (trade name Kovar).
上記汎用パッケージを用いて、パッケージベースとパッケージフレームとをシーム熔接した際のパッケージベースの熔接歪みを測定した実測例を図4に破線で示す(比較例)。図示横軸は、パッケージのy方向位置(y方向の一端を基準(0mm)としたy方向位置)である。縦軸は、(株)ミツトヨ社製3次元非接触式表面粗さ計「QV404-PR06F」にて計測し、熔接前のデータを差し引いて得られたデータである。 An actual measurement example in which the welding distortion of the package base when the package base and the package frame are seam welded using the general-purpose package is shown by a broken line in FIG. 4 (comparative example). The horizontal axis in the figure represents the y-direction position of the package (y-direction position with one end in the y direction as a reference (0 mm)). The vertical axis is data obtained by measuring with a three-dimensional non-contact surface roughness meter “QV404-PR06F” manufactured by Mitutoyo Corporation and subtracting the data before welding.
図示するように、T1+T2=13<22の汎用パッケージを用いた場合、熔接により中央部が端部より外側に突出した湾曲歪みが生じることが示されている。最大熔接歪み(外側に最も突出した点と最も奥まった点との差)は5μm程度であり、パッケージベースの底面に最大で5μm/10mm(=5/10000)程度の傾斜が生じることが示されている。この値は、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、1個のレーザ素子を用いた従来のレーザモジュールでは特に問題とならないレベルであるが、本実施形態のように複数のレーザ素子11を用いた合波レーザモジュールでは、拡大集光光学系を用いるため、光学精度の低下を招いてしまう。
As shown in the figure, it is shown that when a general-purpose package of T1 + T2 = 13 <22 is used, a bending distortion in which the central portion protrudes outward from the end portion is generated by welding. The maximum welding strain (difference between the most protruding point and the deepest point) is about 5 μm, and it is shown that a maximum inclination of about 5 μm / 10 mm (= 5/10000) occurs on the bottom of the package base. ing. As described in the section “Problems to be Solved by the Invention”, this value is at a level that does not cause a problem in the conventional laser module using one laser element. In the combined laser module using the
レーザ素子11とコリメートレンズ14とを共に同一のパッケージ20内に収容し、光密度の大きい部分を気密封止する本実施形態では、熔接歪みが光学精度に与える影響が特に大きい。本実施形態の構成では、レーザ素子11とコリメートレンズ14との位置を高精度に調整して、レーザ素子11とコリメートレンズ14とをパッケージベース21に取り付け、その後、パッケージベース21とパッケージフレーム22とを熔接固定する。そのため、先に高精度に調整したレーザ素子11とコリメートレンズ14との位置が熔接歪みによってずれてしまい、レーザ素子11からの出射光の出射方向及びコリメートレンズ14からのコリメート光の出射方向にずれが生じ、光学精度が低下してしまう。「出射方向がずれる」とは、出射位置及び/又は出射方向の方向ベクトルがずれることを意味する。
In this embodiment in which both the
例えば、8個のレーザ素子11を用い、30μmに絞った集光ビームをコア径60μmφのマルチモードの光ファイバ51に結合する場合、コリメートレンズ14の光出射面から光ファイバ51の光入射面までの距離は約60mmに設計される。この場合、熔接によりパッケージベース21の底面に5μm/10mm(=5/10000)の傾斜歪みが発生すると、コリメートレンズ14からのコリメート光の出射方向が熔接歪みと同レベル(5μm/10mm)ずれ、コア径60μmφの光ファイバ51に対して、光ファイバ51の光入射面上におけるビーム集光点の中心位置がコア中心から30μm程度ずれてしまう計算になる。
For example, when eight
上記系では、光ファイバ51の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれは、コア径の1/10以下(6μm以下)に抑えられることが好ましい。これは最大熔接歪みを1μm以下に抑えることに相当する。
In the above system, it is preferable that the positional deviation from the core center of the beam condensing point on the light incident surface of the
光ファイバ51の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれは、コア径の1/20以下(3μm以下)に抑えられることが特に好ましい。これは最大熔接歪みを0.5μm以下に抑えることに相当する。
It is particularly preferable that the positional deviation from the core center of the beam condensing point on the light incident surface of the
本発明は上記系に限定されるものではないが、本実施形態と同様のピッグテール型の合波レーザモジュールであれば、最大熔接歪みを1μm以下、好ましくは0.5μm以下に抑えれば、光ファイバ51の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれを上記系と同様のレベルに抑えることができる。
The present invention is not limited to the above system, but if it is a pigtail type combined laser module similar to the present embodiment, if the maximum welding strain is suppressed to 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less, The positional deviation from the core center of the beam condensing point on the light incident surface of the
なお、レーザ素子基板13のパッケージベース21への固定(半田固定等)に際しても、パッケージベース21には全体的に熱がかかり、数〜10数μmの歪みが発生するが、レーザ素子11とコリメートレンズ14との位置合わせを行う際に上記歪みによる光軸ズレの補正を行った上で固定を行うので、特に問題とはならない。レーザ素子11とコリメートレンズ14との位置合わせ後に、パッケージベース21に熔接歪みが発生することが問題なのである。
In addition, when the
本発明者は、市販の熔接解析ソフト(株)計算力学センター製「Qwick Welder」を用い、T1とT2を変化させたときの最大熔接歪みを評価した。この結果を図5に示す。横軸がT2であり、T1=3、6、12と変えた時の最大熔接歪みをシミュレーション評価した。シミュレーション条件は、パッケージベース21:CuW合金(Cu20質量%/W80質量%、熱伝導率:200W/mK)、パッケージフレーム22:FeNiCo合金(熱伝導率:16W/mK)とした。
This inventor evaluated the maximum welding distortion when T1 and T2 were changed using "Qwick Welder" made from a commercial welding analysis software Co., Ltd. calculation dynamics center. The result is shown in FIG. The horizontal axis is T2, and the maximum welding distortion when T1 = 3, 6, 12 was changed was evaluated by simulation. The simulation conditions were package base 21: CuW alloy (
図5に示すように、T2と最大熔接歪みとの間には、最大熔接歪みを対数表示したときに略直線的な関係を示し、これらの間には指数関数的な関係があることが明らかとなった。本発明者は、図5に示す評価結果から、T1の値が大きくなる程、最大熔接歪みは抑制される傾向にあり、T2の値が大きくなる程、最大熔接歪みは抑制される傾向にあり、最大熔接歪みが1.0μmとなる条件は概ねT1+T2=22であることを見出した。T1+T2=22の条件が、パッケージ20全体が熔接に伴う熱塑性変化による局所的な応力の発生に耐え得る最小限の大きさと考えられる。本発明者は、T1+T2≧22を充足することで、最大熔接歪みを安定的に1.0μm以下に抑えることができることを見出した。
As shown in FIG. 5, between T2 and the maximum welding strain, it shows a substantially linear relationship when the maximum welding strain is logarithmically displayed, and it is clear that there is an exponential relationship between these. It became. From the evaluation results shown in FIG. 5, the inventor tends to suppress the maximum welding strain as the value of T1 increases, and tends to suppress the maximum welding strain as the value of T2 increases. It has been found that the condition under which the maximum welding strain is 1.0 μm is approximately T1 + T2 = 22. The condition of T1 + T2 = 22 is considered to be the minimum size that the
また、最大熔接歪みが0.5μmとなる条件は概ねT1+T2=24であることを見出した。そして、T1+T2≧24を充足することで、最大熔接歪みを安定的に0.5μm以下に抑えることができることを見出した。 Further, the inventors have found that the condition under which the maximum welding strain is 0.5 μm is approximately T1 + T2 = 24. And it discovered that the maximum welding distortion could be stably suppressed to 0.5 μm or less by satisfying T1 + T2 ≧ 24.
実際に、T1=6、T2=16(T1+T2=22)として、それ以外の条件は上記比較例と同様にして、熔接歪みを実測した結果を図4に実線で示す(実施例)。T1+T2=22とすることで、最大熔接歪みが1.0μm以下に抑えられることが実測で確認された。 Actually, T1 = 6, T2 = 16 (T1 + T2 = 22), and the other conditions are the same as in the comparative example, and the result of actually measuring the welding strain is shown by a solid line in FIG. 4 (Example). It was confirmed by actual measurement that the maximum welding strain can be suppressed to 1.0 μm or less by setting T1 + T2 = 22.
本実施形態では、レーザ素子11を、放熱ブロック12及びレーザ素子基板13を介してパッケージベース21に固定し、コリメータレンズ14を、レンズ保持ブロック15及びレーザ素子基板13を介してパッケージベース21に固定する構成としている。かかる態様は、レーザ素子基板13の板厚T3分、パッケージベース21が補強されて熔接歪みが抑制されるので、特に好ましい。T3は例えば6mmである。なお、T1+T2≧22の条件では、必然的にT1+T2+T3≧22をも充足することとなる。
In this embodiment, the
本実施形態のレーザモジュール1は、以上のように構成されている。
The
本実施形態のレーザモジュール1は、パッケージベース21の板厚をT1(mm)とし、パッケージフレーム22の高さをT2(mm)としたとき、T1+T2≧22を充足することを特徴とするものである。先に詳述したように、本発明者は、かかる構成とすることで、パッケージベース21の底面21aにおける、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接で発生する最大熔接歪みを、1.0μm以下に安定的に抑制できることを見出している。
The
本実施形態によれば、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接歪みを安定的に抑制することができるので、気密封止前のレーザ素子11からの出射光の出射方向が気密封止後にも高精度に維持され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好なレーザモジュール1を安定的に提供することができる。
According to this embodiment, since the welding distortion between the
本実施形態では、レーザ素子11とコリメータレンズ14とを同一パッケージ20内に気密封止する構成を採用しているので、光密度の大きい部分が気密封止され、高出力半導体レーザを用いる場合も光学部品の汚染が抑制され、好ましい。本実施形態では、パッケージベース21とパッケージフレーム22との熔接歪みを安定的に抑制することができるので、レーザ素子11とコリメータレンズ14とを高精度に位置合わせをし、その精度を維持したまま、気密封止を行うことができ、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好で、光学部品の汚染が抑制され、長期信頼性にも優れたレーザモジュール1を安定的に提供することができる。
In the present embodiment, since the configuration in which the
(設計変更)
本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within a range not departing from the gist of the present invention.
上記実施形態ではピッグテール型のレーザモジュールについて説明したが、本発明は、板状のパッケージベースと、パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、透光性窓に向けて光を出射するようパッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールであれば、いかなる構造のレーザモジュールにも適用可能である。 In the above embodiment, the pigtail type laser module has been described. However, the present invention relates to a plate-shaped package base, a cylindrical package frame welded to the package base, and a light-transmitting window fixed to the package frame. A laser module including a laser package in which a plurality of laser elements are fixed to a package base and hermetically sealed so that light is emitted toward a light-transmitting window inside a package including an attached package lid. The present invention can be applied to any structure of the laser module.
本発明のレーザモジュールは、光通信、レーザ加工機、固体レーザ励起用光源等の用途に好ましく利用できる。 The laser module of the present invention can be preferably used for applications such as optical communication, a laser processing machine, a light source for exciting a solid laser.
1 レーザモジュール
10 レーザパッケージ
11 レーザ素子
14 コリメートレンズ
20 パッケージ
21 パッケージベース
21a パッケージベースの底面
22 パッケージフレーム
23 パッケージリッド
23a 透光性窓
41、42 集光レンズ(集光光学系)
51 光ファイバ
L 光
T1 パッケージベースの板厚
T2 パッケージフレームの高さ
DESCRIPTION OF
51 Optical fiber L Light T1 Package base plate thickness T2 Package frame height
Claims (6)
前記パッケージベースの板厚をT1(mm)とし、前記パッケージフレームの高さをT2(mm)としたとき、T1+T2≧22を充足することを特徴とするレーザモジュール。 A plurality of lasers are provided inside a package including a plate-shaped package base, a cylindrical package frame welded and fixed to the package base, and a package lid fixed to the package frame and attached with a light-transmitting window. In a laser module comprising a laser package in which an element is hermetically sealed to be fixed to the package base so as to emit light toward the translucent window,
A laser module characterized by satisfying T1 + T2 ≧ 22 when the thickness of the package base is T1 (mm) and the height of the package frame is T2 (mm).
前記パッケージベースの底面における、前記パッケージベースと前記パッケージフレームとの熔接で発生した最大熔接歪みが、1.0μm以下であることを特徴とするレーザモジュール。 A plurality of lasers are provided inside a package including a plate-shaped package base, a cylindrical package frame welded and fixed to the package base, and a package lid fixed to the package frame and attached with a light-transmitting window. In a laser module comprising a laser package in which an element is hermetically sealed to be fixed to the package base so as to emit light toward the translucent window,
2. A laser module according to claim 1, wherein a maximum welding strain generated by welding the package base and the package frame on the bottom surface of the package base is 1.0 [mu] m or less.
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