JP2007324412A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低コストにて、透過部材の外れや割れを防止することのできる半導体レーザモジュールを提供する。
【解決手段】半導体レーザモジュール１においては、窓部材３ｆをキャップ３に取り付け、キャップ３をパッケージ２の側壁１２の外面１２ｂに抵抗溶接にて固定する。これにより、窓部材３ｆとリッド４の縁部４ａとの距離が確保されるので、印加電流によりリッド４の縁部４ａ周辺に瞬間的に熱が発生しても、その熱がキャップ３の円筒状部３ａに伝達されるまでに十分に放熱されるようになる。また、キャップ３肉厚を薄く形成しているのでキャップ３自体が放熱し易くなっている。その結果、窓部材３ｆと封止部３ｄとの間の熱応力が緩和されるので、安価なホウ珪酸ガラスを用いた場合でも窓部材３ｆの割れや外れ等が防止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を照射する半導体レーザモジュールに関するものである。

従来の半導体レーザモジュールとして、発光素子と、発光素子を収容する箱状のパッケージと、パッケージの上面を覆うように設けられた蓋体と、パッケージに設けられた取り出し孔（孔）を封止するように、直接パッケージに取り付けられた窓部材（透過部材）とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような半導体レーザモジュールでは一般的に、パッケージ内に発光素子等を配置し、パッケージに窓部材を取り付けた後に、パッケージと蓋体とをシームシールで溶接することにより、パッケージ内の気密性を確保している。
特開２００１−６０６３５号公報

しかし、上述した半導体レーザモジュールにおいては、パッケージに蓋体を溶接する際、印加する大電流により溶接部に瞬間的に熱が発生する。この溶接による熱が十分に放熱されずに取り出し孔周辺にこもると、パッケージと窓部材（透過部材）との熱膨脹差により、その境界部に熱応力がかかる場合があった。そのため、窓部材が割れたり、パッケージから外れるなどして、パッケージ内の気密性が損なわれるという問題があった。また、そのような不具合を防止するため、窓部材として熱応力（熱衝撃）に強いサファイアガラスを使用した場合は、コストが高くなるという問題があった。特に、パッケージの小型化の傾向が進む近年においては、そのような不具合が顕著に起きている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、低コストにて、透過部材の外れや割れを防止することのできる半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザモジュールは、レーザ光を発生する発光素子と、発光素子を搭載し、レーザ光を取り出す孔が形成された側壁を有する箱状のパッケージと、側壁に固定された一端、レーザ光を透過する透過部材を有する他端、一端と他端とを接続する筒状部を有するキャップとを備え、一端は筒状部から外方に張り出し、他端側の第１の面、一端側の第２の面を有するフランジを備え、キャップは、フランジが孔を囲む様に側壁に抵抗溶接により固定されていることを特徴とする。

この半導体レーザモジュールでは、レンズ又は窓部材（平板ガラス）等の透過部材がキャップに取り付けられた状態で、キャップのフランジが側壁の孔を囲む様に抵抗溶接にて固定されることにより、キャップがパッケージに取り付けられる。このため、例えばパッケージの上面を蓋体等で封止し、その蓋体等をシームシールなどで溶接するときは、パッケージの側壁に透過部材を直接取り付ける場合に比べて、透過部材と溶接部との距離が短くなるので、印加電流により溶接部に瞬間的に熱が発生しても、その熱が十分に放熱されるようになる。また、キャップの筒状部及びフランジを薄く形成した場合には、キャップ自体が熱伝導しにくくなる。以上により、透過部材とキャップとの間の熱応力が緩和される。従って、透過部材として高価なサファイアガラスを用いなくても、透過部材が外れたり割れたりすることを防止できる。

また、第２の面と側壁が抵抗溶接され、筒状部はパッケージの外側に突き出していることが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、パッケージの上面を蓋体等で封止し、その蓋体等をシームシールなどで溶接するときに、透過部材と溶接部との距離を最も効果的に稼ぐことができる。従って、溶接時に発生する熱が一層放熱されるため、透過部材とキャップとの間の熱応力を更に緩和することができる。

また、第１の面と側壁とが抵抗溶接され、筒状部がパッケージ内に突き出ていることが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、キャップの筒状部がパッケージ内に突き出ているため、半導体レーザモジュールの小型化を図ることができる。特に、透過部材としてレンズをキャップに取り付け、１レンズ系の半導体レーザモジュールとした場合、発光素子とレンズとの距離を短くすることができるため、小さなレンズを使用することで、キャップの小型化を図ることができる。

また、透過部材の法線が、レーザ光の進行方向に対して傾斜していることが好ましい。この半導体レーザモジュールによれば、レーザ光が透過部材にて反射して発光素子に戻ることが防止されるため、安定した波長のレーザ光を得ることができる。

このように本発明によれば、低コストにて、透過部材の外れや割れを防止することができる。これにより、近年のパッケージの小型化に対応することが可能となる。

以下、本発明に係る半導体レーザモジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の斜視図である。図１に示すように、半導体レーザモジュール１は、発光素子等が収容される箱状のパッケージ２を備えている。図１及び図２に示すように、パッケージ２は、ＣｕＷ等の高放熱性金属からなる略板状の底板７と、底板７上に設けられたコバール製の側壁８，９，１１，１２とから構成されている。側壁８，１１同士は互いに対向しており、側壁９，１２同士は互いに対向している。側壁１２には、レーザ光（後述）を取り出すための孔１２ａが設けられている。パッケージ２の上面２ｂには、発光素子等を気密封止するようにリッド４が固定されている。また、側壁９，１１には、複数本のリードピン６がそれぞれ固定されている。

また、底板７の上面中央部には凸部７ａが設けられており、その凸部７ａ上には電子冷却器１３が設けられている。電子冷却器１３は、下基盤１３ａと、複数のＰ型ペルチェ素子及びＮ型ペルチェからなるペルチェ素子群１３ｂと、上基盤１３ｃとから構成されている。電子冷却器１３の上基盤１３ｃ上には、キャリア１４がハンダ付けにより取り付けられている。そして、キャリア１４上には、レーザ光を発生させる発光素子１６と、発光素子１６から射出されたレーザ光を通過させるレンズ１７とが実装される。このように、発光素子１６とレンズ１７はいずれもキャリア１４に設けられているため、キャリア１４が熱膨張した場合であっても、発光素子１６とレンズ１７がどちらもキャリア１４の熱膨張に伴って移動する結果、発光素子１６から発生するレーザ光とレンズ１７の光軸の位置関係のずれが防止される。なお、発光素子１６から発生するレーザ光と、レンズ１７の光軸は一致している。

発光素子１６は、電子冷却器１３により冷却あるいは加熱される。発光素子１６の設定温度より発光素子１６周辺の気温が高い場合、電子冷却器１３は上基盤１３ｃから下基盤１３ａへ熱を移動させ、下基板１３ａから底板７を介してパッケージ２の外部へ放熱させることにより、発光素子１６をキャリア１４ごと冷却する。また、発光素子１６の設定温度より発光素子１６周辺の気温が低い場合は下基盤１３ａから上基盤１３ｃへ熱を移動させることにより、発光素子１６をキャリア１４ごと加熱する。

側壁１２の外面１２ｂには、孔１２ａを封止するようにキャップ３が抵抗溶接により固定されている。キャップ３は、例えばＳＦ２０Ｔ、Ｎｉ−Ｆｅ、あるいはコバール等で形成されている。側壁１２に取り付けられる前のキャップ３の拡大断面図を図３（ａ）に示す。

図３（ａ）に示すように、キャップ３は円筒状部（筒状部）３ａを有し、円筒状部３ａの一方の端（他端）３ｂ側には、略円形状のキャップ孔３ｅを有する封止部３ｄが円筒状部３ａの中心軸３ｃと垂直な面に対して６〜８°程度傾けて設けられている。また、封止部３ｄにはホウ珪酸ガラスからなる窓部材（透過部材）３ｆがそのキャップ孔３ｅを封止するように固定されている。このとき、窓部材３ｆはレーザ光の光軸と垂直な面に対して傾くことになるため、発光素子１６から発生したレーザ光が窓部材３ｆにて反射して発光素子１６に戻ることが防止される。円筒状部３ａの他方の端（一端）には、円筒状部３ａの外周面３ｐから外側に張り出すような、環状のフランジ３ｈが形成されている。なお、円筒状部３ａ、封止部３ｄ及びフランジ３ｈはいずれも肉厚が０．３ｍｍとなっている。

フランジ３ｈの取付面（第２の面）３ｋには、環状の抵抗溶接用突起部３ｑが設けられている。キャップ３をパッケージ２に取り付ける際は、図４に示すように、側壁１２の外面１２ｂにおける孔１２ａを取り囲む周辺領域１２ｃとキャップ３の取付面３ｋとを接合させる。そして、図３（ｂ）に示すように、キャップ３の取付面（第１の面）３ｎに電極１８を接触させ、電極１８から電流を流す。この印加された電流により、抵抗溶接用突起部３ｑが融解し、その後凝固することにより、パッケージ２の周辺領域１２ｃとキャップ３の取付面３ｋとが抵抗溶接により固定される。なお、キャップ３の中心軸３ｃと発光素子１６から発生するレーザ光の光軸は一致している。

パッケージ２の内部に発光素子１６等を取り付け、側壁１２にキャップ３を取り付けた後、リッド４をパッケージ２の上面２ｂに固定することにより、パッケージ２の内部の気密性を確保する。リッド４は、図４に示すように、パッケージ２の上面２ｂの取付部２ｅにシームシールで溶接接合されている。

具体的には、リッド４の縁部４ａとパッケージ２の取付部２ｅとの間に必要に応じてシールリングを配置し、ローラ電極をリッド４の縁部４ａに接触させ、瞬間的に大電流（９０Ａ〜１４０Ａ）を流しながら、リッド４の縁部４ａの全周に沿って転がすことにより、リッド４とパッケージ２とをシームシールで溶接している。

ここで、従来の半導体レーザモジュールにおいて、リッド４とパッケージ２をシームシールにて溶接する際の問題点について、図５を用いて説明する。

従来の半導体レーザモジュールにおいては、側壁１２の孔１２ａに段差が設けられることにより、取付面１２ｃが形成され、この取付面１２ｃに、窓部材３ｆが直接取り付けられる。そして、リッド４の縁部４ａとパッケージ２の上面２ｂの取付部２ｅとの間にシールリング１９を配置し、ローラ電極２１の電極面２１ａとリッド４の縁部４ａとを接触させ、瞬間的に大電流（９０Ａ〜１４０Ａ）を流すことによりシームシールを施す。このとき、印加された大電流により、リッド４の縁部４ａ周辺に瞬間的に熱が発生する。この溶接による熱が十分に放熱されずに孔１２ａ周辺にまで伝達され蓄積されると、取付面１２ｃと窓部材３ｆとの間の熱膨脹差により、その境界部分に熱応力がかかる。そのため、窓部材３ｆが割れたり、取付部１２ｃから外れる等して、パッケージ２内の気密性が損なわれるという場合があった。そのため、窓部材３ｆの材質として、熱衝撃に強い、高価なサファイアガラスを用いており、半導体レーザモジュールのコストが上がるという問題が生じていた。

これに対し、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１では、キャップ３に窓部材３ｆを取り付けた状態で、キャップ３をパッケージ２の側壁１２に抵抗溶接により固定している。このため、窓部材３ｆとリッド４の縁部４ａとの距離がある程度確保されることになるので、印加電流によりリッド４の縁部４ａ周辺に瞬間的に熱が発生しても、その熱がキャップ３の円筒状部３ａに伝達されるまでに十分に放熱されるようになる。また、キャップ３の円筒状部３ａ、封止部３ｄ及びフランジ３ｈは肉厚が０．３ｍｍと薄く形成されているので、キャップ３自体が放熱し易くなっている。その結果、窓部材３ｆと封止部３ｄとの間の熱応力が緩和されるので、安価なホウ珪酸ガラスを用いた場合でも、窓部材３ｆの割れや外れ等の発生を防止することができる。以上により、半導体レーザモジュールの小型化及び低コスト化を図ることができる。

なお、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザモジュール１の外部に第２レンズを設置し、２レンズ系の半導体レーザ装置として使用してよい。また、キャリア１４上にレンズ１７を設けず、外部のみに第１レンズを設置し、１レンズ系の半導体レーザ装置として使用してもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、以下の点で第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と主に相違している。

すなわち、第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、図６に示すように、キャップ３の封止部３ｄを円筒状部３ａの中心軸３ｃと垂直に設け、パッケージ２の側壁１２の周辺領域１２ｃを溝状とすることにより、キャップ３の窓部材３ｆをレーザ光の光軸と垂直な面に対して傾けている。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、以下の点で第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と主に相違している。

すなわち、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、キャリア１４上にレンズ１７を設ける代わりに、図７に示すように封止部３ｄのキャップ孔３ｅを封止するように、レンズ２３を封止部３ｄに固定している。

なお、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザモジュール１の外部に第２レンズを設置し、２レンズ系の半導体レーザ装置として使用してよく、あるいは、キャリア１４上にレンズ１７を設けることにより、２レンズ系の半導体レーザ装置として使用してもよい。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、以下の点で第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と主に相違している。

すなわち、第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、図８に示すように、キャップ３のフランジ３ｈの取付面３ｎとパッケージ２の側壁１２の周辺領域１２ｃとを抵抗溶接で固定することにより、キャップ３の封止部３ｄ及びレンズ２３がパッケージ２の外側から取り出し穴１２ａを貫通してパッケージ２内部に入り込むようにしている。

このように構成することによって、第３の実施形態と比較して、発光素子１６とレンズ２３との距離が短くなるため、焦点距離の短い小さなレンズを使用することができる。この場合には、キャップ３の小型化を図ることができる。また、キャリア１４上にレンズ１７を設けることにより、２レンズ系の半導体レーザ装置として使用する場合は、第３の実施形態にかかる半導体レーザモジュール１を２レンズ系の半導体レーザ装置として使用する場合に比べて、光学系全体の長さを短くすることができる。

なお、第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザモジュール１の外部に第２レンズを設け、２レンズ系の半導体レーザ装置として使用してもよい。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、以下の点で第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と主に相違している。

すなわち、第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１においては、図９に示すように、キャップ３のフランジ３ｈの取付面３ｎとパッケージ２の側壁１２の周辺領域１２ｃとを抵抗溶接で固定することにより、キャップ３の封止部３ｄ及び窓部材３ｆがパッケージ２の外側から取り出し穴１２ａを貫通してパッケージ２内部に入り込むようにしている。
また、キャップ３に固定された窓部材３ｆが円筒状部３ａの中心軸３ｃと垂直な面に対して傾けて設けられている。

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。

例えば、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１では、パッケージ２の側壁８，９，１１は、セラミックを積層させることにより形成してもよい。このとき、リッド４を溶接する際は、パッケージ２の上面２ｂにコバール製のリングを設けておくことにより、パッケージ２内の気密性を確保する。

第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールを示す斜視図である。 図１に示されるII−II線に沿っての断面図である。 キャップの拡大断面図であり、（ａ）に抵抗溶接前のキャップを示し、（ｂ）に抵抗溶接施行中のキャップの様子を示す。 第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールにおいて、キャップとリッドを取り外した状態を示す斜視図である。 従来の半導体レーザモジュールにおいて、シームシール施行中の様子を示す部分断面図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールにおける、図２に対応する断面図である。 第３の実施形態に係る半導体レーザモジュールにおける、図２に対応する断面図である。 第４の実施形態に係る半導体レーザモジュールにおける、図２に対応する断面図である。 第５の実施形態に係る半導体レーザモジュールにおける、図２に対応する断面図である。

符号の説明

１…半導体レーザモジュール、２…パッケージ、３…キャップ、３ａ…円筒状部（筒状部）、３ｂ…端（他端）、３ｆ…窓部材（透過部材）、３ｈ…フランジ、３ｋ…取付面（第２の面）、３ｎ…取付面（第１の面）、１２…側壁、１２ａ…孔、１６…発光素子。

Claims (4)

1. レーザ光を発生する発光素子と、
   前記発光素子を搭載し、前記レーザ光を取り出す孔が形成された側壁を有する箱状のパッケージと、
   前記側壁に固定された一端、前記レーザ光を透過する透過部材を有する他端、前記一端と前記他端とを接続する筒状部を有するキャップと、を備え、
   前記一端は前記筒状部から外方に張り出し、前記他端側の第１の面、前記一端側の第２の面を有するフランジを備え、
   前記キャップは、前記フランジが前記孔を囲む様に前記側壁に抵抗溶接により固定されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記第２の面と前記側壁が抵抗溶接され、前記筒状部は前記パッケージの外側に突き出していることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記第１の面と前記側壁とが抵抗溶接され、前記筒状部が前記パッケージ内に突き出ていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記透過部材の法線が、前記レーザ光の進行方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
   

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