JP2009111230A - Laser module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザを用いて構成されるレーザモジュールに関する。 The present invention relates to a laser module configured using a semiconductor laser.
プロジェクションディスプレイは、比較的小さな装置で大きな画面が得られる特徴があり、最近の家庭用テレビの大型化の流れの中で、注目されている画像表示システムである。従来、プロジェクションディスプレイの光源には超高圧水銀ランプが用いられてきたが、その寿命の短さや演色性の悪さなどから、最近はLED(Light Emitting Diode)やレーザを光源に用いるものも増えてきている。 The projection display has a feature that a large screen can be obtained with a relatively small device, and is an image display system which has been attracting attention in the recent trend of increasing the size of home televisions. Conventionally, ultra-high pressure mercury lamps have been used as light sources for projection displays, but due to their short lifetime and poor color rendering properties, LED (Light Emitting Diode) and lasers have recently been used as light sources. Yes.
LEDは、低価格で製造できるものの、発光面積が大きいため、小さなパネル(光空間変調素子)用には不向きである。その点、レーザは、発光点の小ささや、スペクトルの鋭さ(演色性のよさ)から、最近注目を集めている光源である。 Although an LED can be manufactured at a low price, it has a large light emitting area and is not suitable for a small panel (light spatial modulation element). In this respect, a laser is a light source that has recently attracted attention because of its small emission point and sharp spectrum (good color rendering).
ただし、レーザを光源として使用する場合に、どうしても避けられない問題が、スペックルノイズと呼ばれるスクリーンのギラギラ感である。レーザのようなコヒーレントな光がスクリーンに当たると、その干渉効果により、遠近感をもったギラギラ感となって認識される。 However, when a laser is used as a light source, a problem that cannot be avoided is the glare of the screen called speckle noise. When coherent light such as a laser hits the screen, it is recognized as a glare with a sense of perspective due to the interference effect.
スペックルノイズの対策としては、光学素子やスクリーンを機械的に動かす手法が知られている。また、具体的な対策としては、主に光源や光学系に光路多重の機構を設けて、光源のコヒーレンシーを落とす提案がさまざまなされている。 As a countermeasure against speckle noise, a method of mechanically moving an optical element or a screen is known. As specific measures, various proposals have been made to reduce the coherency of the light source by mainly providing an optical path multiplexing mechanism in the light source or optical system.
例えば、特許文献1〜7には、レーザ光源自身に変調をかけるものが記載されている。
For example,
また、特許文献8〜13には、光源の光路をファイバーなどで分割するものが記載されている。 Patent Documents 8 to 13 describe what divides an optical path of a light source with a fiber or the like.
また、特許文献14〜19には、拡散板(もしくは拡散効果があるもの)を入れて光路を乱すものが記載されている。 Patent Documents 14 to 19 describe what disturbs the optical path by inserting a diffusion plate (or one having a diffusion effect).
また、特許文献20,21には、偏光方向を合成するものが記載されている。
また、特許文献22〜24には、拡散板を回転、振動させるものが記載されている。 Patent Documents 22 to 24 describe what rotates and vibrates the diffusion plate.
また、特許文献25には、投影レンズを振動させるものが記載されている。 Patent Document 25 describes what vibrates the projection lens.
しかしながら、光学素子やスクリーンを動かすといった対策では、それを実現するための部材が必要になる。このため、プロジェクションディスプレイの構成が大掛かりなものになってしまう。また、スペックルノイズ対策として光学素子やスクリーンを動かすと、スクリーン上で画像のボケが生じてしまう。さらに、光学素子やスクリーンを動かすには可動部が必須となるため、可動部の故障などによる信頼性の低下が懸念される。 However, measures such as moving an optical element or a screen require a member for realizing it. For this reason, the configuration of the projection display becomes large. Further, when the optical element or the screen is moved as a measure against speckle noise, the image is blurred on the screen. Furthermore, since the movable part is indispensable for moving the optical element and the screen, there is a concern that reliability may be lowered due to a failure of the movable part.
本発明の目的は、複数の発光点を有する半導体レーザアレイを備えたレーザモジュールにおいて、半導体レーザの内部構造を変えることなく、発振波長の多重化(多波長化)を実現することにある。 An object of the present invention is to realize multiplexing of oscillation wavelengths (multiple wavelengths) without changing the internal structure of a semiconductor laser in a laser module including a semiconductor laser array having a plurality of light emitting points.
本発明に係るレーザモジュールは、複数の発光点を有する半導体レーザアレイと、前記半導体レーザアレイを実装する実装体とを備え、前記実装体は、前記発光点の並び方向で前記半導体レーザアレイに異なる応力を印加してなることを特徴とするものである。 A laser module according to the present invention includes a semiconductor laser array having a plurality of light emitting points, and a mounting body for mounting the semiconductor laser array, and the mounting body is different from the semiconductor laser array in the arrangement direction of the light emitting points. It is characterized by applying stress.
本発明に係るレーザモジュールにおいては、半導体レーザアレイが実装される実装体を用いて、発光点の並び方向で半導体レーザアレイに異なる応力を印加することにより、半導体レーザアレイ内の発振波長が、各々の発光点部分に作用する応力の大きさに応じて変化する。 In the laser module according to the present invention, by using the mounting body on which the semiconductor laser array is mounted, by applying different stresses to the semiconductor laser array in the arrangement direction of the light emitting points, the oscillation wavelengths in the semiconductor laser array are respectively It changes according to the magnitude of the stress acting on the light emitting point portion.
本発明によれば、半導体レーザアレイが実装される実装体を用いて、発光点の並び方向で半導体レーザアレイに異なる応力を印加することにより、半導体レーザの内部構造を変えることなく、発振波長の多重化を実現することができる。 According to the present invention, by using the mounting body on which the semiconductor laser array is mounted, by applying different stresses to the semiconductor laser array in the arrangement direction of the light emitting points, the oscillation wavelength can be changed without changing the internal structure of the semiconductor laser. Multiplexing can be realized.
これにより、例えばプロジェクションディスプレイの光源としてレーザモジュールを用いる場合に、光学素子やスクリーンを機械的に動かさなくても、レーザ光源の多波長化に伴うコヒーレンシーの低下によってスペックルノイズを低減することができる。 As a result, for example, when a laser module is used as a light source for a projection display, speckle noise can be reduced due to a decrease in coherency associated with the increase in the number of wavelengths of the laser light source without mechanically moving an optical element or a screen. .
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、半導体レーザ素子の特性として、下記の参照文献で報告されているように、半導体材料のバンドギャップは格子歪によって変化し、圧縮歪を受けた際にはバンドギャップが拡大する方向に変化する。また、半導体レーザ素子内部の組成の違いによる応力だけではなく、半導体レーザ素子に外部から応力をかけることで、バンド構造が変化し、発振波長が変化することが知られている。 First, as reported in the following references, the characteristics of semiconductor laser elements change the band gap of the semiconductor material due to lattice strain, and change in the direction in which the band gap expands when subjected to compressive strain. . Further, it is known that not only the stress due to the difference in the composition inside the semiconductor laser element but also the band structure is changed and the oscillation wavelength is changed by applying external stress to the semiconductor laser element.
<参照文献>
「Effect of mismatch strain on band gap in III-V semiconductors」、Journal of Applied Physics、米国、1985、Vol.57 p.5428-5432
<References>
`` Effect of mismatch strain on band gap in III-V semiconductors '', Journal of Applied Physics, USA, 1985, Vol. 57 p.5428-5432
本発明では、上記の性質を利用して複数の半導体レーザ素子にそれぞれ異なる応力を加えることにより、当該複数の半導体レーザ素子を含む半導体レーザアレイの発振波長を多重化する。 In the present invention, by applying different stresses to the plurality of semiconductor laser elements by utilizing the above properties, the oscillation wavelengths of the semiconductor laser array including the plurality of semiconductor laser elements are multiplexed.
ここで、出願人による実験結果等においては、スペックルノイズと発振波長のスペクトル幅との間に相関があり、スペックルノイズを低減するには、スペクトル幅を拡大することが有効であることが分かっている。また、発振波長を多重化するにあたって、スペックルノイズの低減効果を得るには、スペクトルの半値幅が2nm以上必要であることが明らかになっている。 Here, in the experimental results by the applicant, there is a correlation between the speckle noise and the spectrum width of the oscillation wavelength, and in order to reduce the speckle noise, it is effective to increase the spectrum width. I know it. In addition, it has been clarified that when the oscillation wavelength is multiplexed, the half width of the spectrum is required to be 2 nm or more in order to obtain the effect of reducing speckle noise.
このため、半導体レーザアレイ全体で発振波長差が2nm以上であることが、スペックルノイズを低減するうえで必要な特性となる。ただし、半導体レーザアレイ全体の発振波長差を無制限に拡大すると、例えばプロジェクションディスプレイの光源として使用する場合に、発振波長差の影響で何らかの不具合(例えば、色再現領域の狭窄など)が生じることも懸念される。このため、発振波長差の下限値を2nm以上で規定する一方、発振波長差の上限値を例えば30nm以下で規定することが望ましい。 For this reason, an oscillation wavelength difference of 2 nm or more in the entire semiconductor laser array is a necessary characteristic for reducing speckle noise. However, if the oscillation wavelength difference of the entire semiconductor laser array is expanded indefinitely, for example, when used as a light source for a projection display, there is a concern that some trouble (for example, narrowing of the color reproduction region) may occur due to the influence of the oscillation wavelength difference. Is done. For this reason, it is desirable to define the lower limit value of the oscillation wavelength difference at 2 nm or more, while defining the upper limit value of the oscillation wavelength difference at 30 nm or less, for example.
活性層にGaInP(ガリウム・インジウム、リン)を用いたAlGaInP系640nm帯の半導体レーザアレイの場合を考える。仮に基準として発振波長を643nmとすると、光のエネルギー[eV]=1240/波長[nm]の関係式から、643nm=1.928[eV]となる。これを2nm増やして641nmとすると、上記の関係式から、641[nm]=1.934[eV]となる。このため、発振波長差に対応する光エネルギーの差は、0.006[eV]=6[meV]となる。 Consider a case of an AlGaInP-based 640 nm band semiconductor laser array using GaInP (gallium indium, phosphorus) as an active layer. If the oscillation wavelength is 643 nm as a reference, 643 nm = 1.928 [eV] from the relational expression of light energy [eV] = 1240 / wavelength [nm]. If this is increased by 2 nm to 641 nm, 641 [nm] = 1.934 [eV] from the above relational expression. For this reason, the difference in light energy corresponding to the oscillation wavelength difference is 0.006 [eV] = 6 [meV].
活性層材料となるGaInPにおいて、6[meV]分のエネルギーを広げるための応力の大きさとしては、上記の参照文献の報告によれば、およそ1000ppmの圧縮歪が必要となる。 In GaInP as an active layer material, as the magnitude of the stress for expanding the energy of 6 [meV], a compressive strain of about 1000 ppm is required according to the report of the above reference.
ここで、複数の発光点を有する半導体レーザアレイに対して、当該半導体レーザアレイを構成する各々の半導体レーザ素子ごとに、端面領域に対して異なる値の外部応力が恒常的に印加される構成を簡便に実現するには、例えば、半導体レーザアレイのチップ(以下、「レーザアレイチップ」と記す)をヒートシンクにはんだ付けする工程で生じる次のような現象を利用することができる。 Here, with respect to a semiconductor laser array having a plurality of light emitting points, a structure in which different values of external stress are constantly applied to the end face region for each semiconductor laser element constituting the semiconductor laser array. In order to realize it simply, for example, the following phenomenon that occurs in the process of soldering a semiconductor laser array chip (hereinafter referred to as “laser array chip”) to a heat sink can be used.
はんだ付けの際には、まずレーザアレイチップをはんだ材料を介してヒートシンクに重ねた状態で加熱し、はんだ材料の融点及び凝固点温度より高い温度Tにまで昇温する。ここでレーザアレイチップ及びヒートシンクはそれぞれの線膨張係数κL及びκHに応じて異なる膨張量となるκL(T−TR)及びκH(T−TR)で独立に膨張する。ここで、TRは室温(常温)である。 In soldering, the laser array chip is first heated in a state of being superimposed on a heat sink via a solder material, and the temperature is raised to a temperature T higher than the melting point and freezing point temperature of the solder material. Here, the laser array chip and the heat sink expand independently with κ L (T−T R ) and κ H (T−T R ), which have different expansion amounts according to the respective linear expansion coefficients κ L and κ H. Here, T R is the room temperature (normal temperature).
続いて、はんだ材料が溶融しレーザアレイチップ・ヒートシンクの双方に十分馴染み、熱平衡状態に達した後、室温TRまで降温する。この降温過程ではんだ材料は凝固点温度TSに達した時に凝固するが、凝固前(TS<T)まではレーザアレイチップ・ヒートシンクは独立して収縮するのに対し、凝固後(T<TS)にはレーザアレイチップがヒートシンクに接合され、以降両者は一体となって収縮する。 Subsequently, after the solder material has reached a sufficiently familiar thermal equilibrium in both the molten laser array chip heat sink, it lowered to room T R. In this temperature-decreasing process, the solder material solidifies when it reaches the freezing point temperature T S , but before the solidification (T S <T), the laser array chip heat sink contracts independently, whereas after the solidification (T <T In S ), the laser array chip is bonded to the heat sink, and thereafter both shrink together.
この結果、レーザアレイチップは自身よりも数十倍の厚みを持つヒートシンク材の収縮量であるκH(TS−TR)にならう形で収縮し、最終的には室温において以下の式で表される量の外部応力が恒常的に印加された状態となる。 As a result, the laser array chip contracts in the form of κ H (T S −T R ), which is the contraction amount of the heat sink material having a thickness several tens of times larger than itself, and finally the following formula at room temperature: The external stress of the amount represented by is constantly applied.
{κL(TS−TR)}−{κH(TS−TR)}=(κL−κH)(TS−TR) {Κ L (T S −T R )} − {κ H (T S −T R )} = (κ L −κ H ) (T S −T R )
ここで、レーザアレイチップとヒートシンクの線膨張係数差κL−κHの符号が負の場合には圧縮応力、正の場合には引っ張り応力、零の場合には無応力となる。 Here, when the sign of the linear expansion coefficient difference κ L −κ H between the laser array chip and the heat sink is negative, it is a compressive stress, when it is positive, it is a tensile stress, and when it is zero, there is no stress.
したがって、ヒートシンクの線膨張係数又ははんだ材料の凝固点を調整することで、レーザアレイチップの材料に与える歪の量を制御することができる。 Therefore, the amount of strain applied to the material of the laser array chip can be controlled by adjusting the linear expansion coefficient of the heat sink or the freezing point of the solder material.
本発明では、半導体レーザアレイを実装する実装体の線膨張係数をパラメータとして、半導体レーザアレイに異なる応力を印加することにより、半導体レーザアレイに生じる歪量を制御する。 In the present invention, the amount of strain generated in the semiconductor laser array is controlled by applying different stresses to the semiconductor laser array using the linear expansion coefficient of the mounting body on which the semiconductor laser array is mounted as a parameter.
具体的な実装形態として、半導体レーザアレイをダイレクトにヒートシンクに実装する場合は、ヒートシンクが実装体となり、半導体レーザアレイをサブマウントを介してヒートシンクに実装する場合は、サブマウント及び/又はヒートシンクが実装体となる。 As a specific mounting form, when the semiconductor laser array is directly mounted on the heat sink, the heat sink becomes a mounting body, and when the semiconductor laser array is mounted on the heat sink via the submount, the submount and / or the heat sink is mounted. Become a body.
本発明に係るレーザモジュールは、例えばプロジェクションディスプレイ用の光源として用いられるものである。ただし、レーザモジュールの用途は、これに限らず、例えばレーザ加工用の光源、医療用のレーザ光源などに用いてもよい。 The laser module according to the present invention is used, for example, as a light source for a projection display. However, the use of the laser module is not limited to this, and may be used for a laser processing light source, a medical laser light source, and the like.
<第1実施形態>
図1は本発明の第1実施形態に係るレーザモジュールの構成を示すもので、(A)はレーザモジュールの上面図、(B)はレーザモジュールの正面図である。
<First Embodiment>
1A and 1B show a configuration of a laser module according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view of the laser module, and FIG. 1B is a front view of the laser module.
図示したレーザモジュールは、半導体レーザアレイ1と、ヒートシンク2とを備えた構成となっている。図中のX方向は半導体レーザアレイ1の長手方向に相当し、図中のY方向は半導体レーザアレイ1の短手方向に相当する。また、図中のZ方向は半導体レーザアレイ1及びヒートシンク2の厚み方向に相当する。これらX方向、Y方向及びZ方向は、互いに直交する方向となっている。
The illustrated laser module includes a
半導体レーザアレイ1は、一体構造をなす棒状のレーザアレイチップによって構成されている。半導体レーザアレイ1は、複数(図例では10個)の発光点3を有している。1つの半導体レーザアレイ1に設けられる発光点3の個数は、必要に応じて増減される。
The
半導体レーザアレイ1は、例えばGaAs(ガリウム−ヒ素)からなるn型の伝導性基板上に、AlGaInP(アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン)系化合物半導体からなる、GaInP活性層を含む半導体層を有する半導体レーザ素子を、1つのレーザアレイチップ内に複数並べて設けることにより、当該複数の半導体レーザ素子と1:1の対応関係をなす複数の発光点3を有するものである。
The
各々の発光点3は、半導体レーザアレイ1の短手方向(Y方向)の前端面に設けられている。また、各々の発光点3は、半導体レーザアレイ1の長手方向(X方向)に所定の間隔で並べて設けられている。
Each
半導体レーザアレイ1は、例えば発振波長が640nm帯の赤色レーザや、赤外線レーザなどを構成するものである。半導体レーザアレイ1を構成する各半導体レーザ素子の発振波長は、当該半導体レーザアレイ1を製造する段階では等しく設定されている。このため、半導体レーザアレイ1単体(外部から応力が加えられていない状態)の発振特性は、基準となる発振波長に対して、レーザアレイ全体での発振波長のスペクトル幅が1nm程度に収まっている。
The
半導体レーザアレイ1の長手寸法(X方向のレーザアレイチップ寸法)は、例えば10mm程度に設定され、半導体レーザアレイ1の短手方向(Y方向)における各半導体レーザ素子の共振器長は、例えば700μm程度に設定されている。また、半導体レーザアレイ1の厚み寸法(Z方向のレーザアレイチップ寸法)は、例えば100μm程度に設定されている。
The longitudinal dimension (laser array chip dimension in the X direction) of the
半導体レーザアレイ1は、例えば、AuSn(金−スズ)系のはんだ材料を接合材料に用いて、ヒートシンク2の上面に実装(接合固定)されている。ヒートシンク2の上面では、複数の発光点3が並ぶ半導体レーザアレイ1の端面部分とこれに対応するヒートシンク2の端面部分が互いに同一面状に揃えて配置されている。
The
ヒートシンク2は、高い熱伝導性を有するヒートシンク材料として、例えば、CuW(銅−タングステン)などの焼結体を用いて構成されている。ヒートシンク2の熱伝導性は、半導体レーザアレイ1で発生する熱を効率良く逃がして、半導体レーザアレイ1を適度な温度に維持するために必要な特性である。
The
ヒートシンク2を構成するCuWの組成(成分比率)は、発光点3の並び方向となるX方向で異なっている。例えば、ヒートシンク2における半導体レーザアレイ1の実装領域では、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、CuWの組成が徐々に変化している。
The composition (component ratio) of CuW constituting the
このようにCuWの組成を変化させることにより、半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ等で接合する際に、半導体レーザ材料とヒートシンク材料の線膨張係数の違いにより、半導体レーザアレイ1に応力が加わる。この場合、半導体レーザアレイ1に加わる応力の大きさは、CuWの組成に応じて変わる。すなわち、Cuの線膨張係数はWの線膨張係数よりも大きいため、半導体レーザアレイ1の長手方向でCuの組成(%)が高い部分ほど大きな応力が加わり、その分だけ歪量も多くなる。
By changing the composition of CuW in this way, when the
その結果、半導体レーザアレイ1内では、当該半導体レーザアレイ1に加わる応力と、これに伴う各半導体レーザ素子のバンド構造の変化によって、発振波長が変化する。また、半導体レーザアレイ1全体の発振波長差は、当該半導体レーザアレイ1に加わる応力の最大値及び最小値の差分に対応したものとなる。
As a result, in the
一例として、GaAs基板上に作成され、GaInP活性層を持つAlGaInP系の発振波長640nm帯の半導体レーザアレイ1を、CuWからなるヒートシンク2に、融点が280℃のAuSnはんだを用いて、室温の環境で実装した場合を考える。
As an example, an AlGaInP-based
図2はCu組成とCuW線膨張係数の相関を示すもので、横軸にCuの組成(成分比率)[%]をとり、縦軸にCuWの線膨張係数[ppm/K]をとっている。この図2においては、Cuが0%(Wが100%)のときのCuWの線膨張係数が、Wの線膨張係数(4.5ppm/K)と同じ値になっており、Cuが100%(Wが0%)のときのCuWの線膨張係数が、Cuの線膨張係数(16.8ppm/K)と同じ値になっている。 FIG. 2 shows the correlation between the Cu composition and the CuW linear expansion coefficient. The horizontal axis represents the Cu composition (component ratio) [%], and the vertical axis represents the CuW linear expansion coefficient [ppm / K]. . In FIG. 2, the linear expansion coefficient of CuW when Cu is 0% (W is 100%) is the same value as the linear expansion coefficient of W (4.5 ppm / K), and Cu is 100%. The linear expansion coefficient of CuW when (W is 0%) is the same value as the linear expansion coefficient of Cu (16.8 ppm / K).
ヒートシンク2のCuWの組成として、例えば、半導体レーザアレイ1の長手方向(X方向)の一端部1Aに対応する部分で、Cuを16%、Wを84%含んだものを用いるとすると、その部分のヒートシンク2の線膨張係数は、上記図2に示す相関を表す式から6.5ppm/Kと求まる。
As the composition of CuW of the
この場合、加熱によって半導体レーザアレイ1とヒートシンク2をはんだ接合すると、これを室温(25℃)に戻したときに、ヒートシンク2から受ける応力によって半導体レーザアレイ1が変化する割合は、半導体レーザアレイ1の主材料となるGaAs基板の線膨張係数が5.9ppm/Kであることから、下記の計算式によって“−153ppm”と求まる。前述のように、符号が正の場合には引張り応力、負の場合は圧縮応力に対応する。
In this case, when the
(5.9−6.5)×(280−25)=−153[ppm] (5.9−6.5) × (280−25) = − 153 [ppm]
先に述べたようにGaInPを活性層に用いた場合に、ピーク波長差を2nm以上つけるとすると、半導体レーザアレイ1の長手方向の他端側では、上記参照文献の報告から1000ppmに対応する圧縮歪が必要となる。そこで、半導体レーザアレイ1の長手方向の他端部1Bに対応する部分で、1000ppmの圧縮歪を生じさせるために必要なCuWの線膨張係数(κH)を下記の計算式によって求める。
As described above, when GaInP is used for the active layer, assuming that the peak wavelength difference is 2 nm or more, the other end side in the longitudinal direction of the
(5.9−κH)×(280−25)≦−153−1000[ppm]
κH≧10.4[ppm/K]
(5.9−κ H ) × (280−25) ≦ −153−1000 [ppm]
κ H ≧ 10.4 [ppm / K]
この線膨張係数の条件を満たすCuWの組成は、上記図2に示す相関を表す式からCu48%以上と求まる。したがって、ヒートシンク2を構成するCuWの組成として、例えば、上述のように半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aに対応する部分で、Cuを16%、Wを84%含んだものを用いた場合は、半導体レーザアレイ1の長手方向の他端部1Bに対応する部分で、Cuを48%、Wを52%含んだもの用いることにより、半導体レーザアレイ1全体で2nmの発振波長差をもたせることができる。また、半導体レーザアレイ1の長手方向の他端部1Bに対応する部分で、Cuを48%以上含んだものを用いることにより、半導体レーザアレイ1全体で2nm以上の発振波長差をもたせることができる。
The composition of CuW that satisfies the condition of the linear expansion coefficient is found to be 48% or more from the formula showing the correlation shown in FIG. Therefore, as the composition of CuW constituting the
したがって、半導体レーザアレイ1とヒートシンク2を有するレーザモジュールをプロジェクションディスプレイの光源に用いる場合に、半導体レーザアレイ1の多波長化に伴うコヒーレンシーの低下によってスペックルノイズを低減することができる。
Therefore, when a laser module having the
具体例として、図3に示すように、半導体レーザアレイ1の実装領域において、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、ヒートシンク2の線膨張係数が徐々に小さくなるように、CuWの組成を連続的に変化させた場合は、はんだ接合によってヒートシンク2に半導体レーザアレイ1を実装した際に、各々の発光点3部分に作用する応力の大きさが異なるものとなる。また、各々の発光点3部分に作用する応力の大きさに応じて、半導体レーザアレイ1の一端部1Aには相対的に大きな圧縮歪が生じ、半導体レーザアレイ1の他端部1Bには相対的に小さな圧縮歪が生じる。
As a specific example, as shown in FIG. 3, in the mounting region of the
これに対して、半導体レーザアレイ1に含まれる各々の半導体レーザ素子の発振波長は、当該半導体レーザ素子の発光点3部分に生じる圧縮歪が大きくなると短くなる。このため、半導体レーザアレイ1の一端部1Aに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に短くなり、半導体レーザアレイ1の他端部1Bに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に長くなる。
On the other hand, the oscillation wavelength of each semiconductor laser element included in the
したがって、半導体レーザアレイ1の一端部1Aに対応する部分のCuWの組成を、Cu=48%、W=52%とし、半導体レーザアレイ1の他端部1Bに対応する部分のCuWの組成を、Cu=16%、W=84%として、ヒートシンク材料の組成をX方向で徐々に変化させた構成を採用することにより、半導体レーザアレイ1に加わる応力の差を利用して発振波長を多重化させ、半導体レーザアレイ1全体で2nmの発振波長差をもたせることができる。
Therefore, the composition of CuW in the portion corresponding to one
なお、ヒートシンク2に適用するヒートシンク材料としては、CuWに限らず、互いに線膨張係数差があり、半導体レーザアレイ1にかかる応力を変化させ得るものであればよい。具体的には、CuW以外のヒートシンク材料として、Cu−Mo、Al−SiC、ダイヤモンドなどが考えられる。またこれらの材料を複合したものでもよい。
The heat sink material applied to the
また、上記第1実施形態においては、ヒートシンク2にダイレクトに半導体レーザアレイ1を実装する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば図4に示すように、ヒートシンク2にサブマウント(応力緩和部材)4を介して半導体レーザアレイ1を実装する場合は、ヒートシンク材料に代えて、又はヒートシンク材料と併せて、サブマウント材料の組成をX方向で徐々に変化させた構成を採用すればよい。
In the first embodiment, the
<第2実施形態>
図5は本発明の第2実施形態に係るレーザモジュールの構成を示すもので、(A)はレーザモジュールの上面図、(B)はレーザモジュールの正面図である。なお、本第2実施形態においては、上記第1実施形態で挙げた構成要素と相対応する部分に同じ符号を付して説明する。
Second Embodiment
FIG. 5 shows a configuration of a laser module according to the second embodiment of the present invention, in which (A) is a top view of the laser module and (B) is a front view of the laser module. In the second embodiment, the same reference numerals are given to the portions corresponding to the constituent elements mentioned in the first embodiment.
図示したレーザモジュールは、半導体レーザアレイ1と、サブマウント4と、ヒートシンク2とを備えた構成となっている。
The illustrated laser module includes a
サブマウント4は、応力緩和部材として半導体レーザアレイ1とヒートシンク2との間に介装されるものである。サブマウント4は、ヒートシンク材料よりも線膨張係数が小さいサブマウント材料、例えばSiCなどのサブマウント材料によって構成されている。
The
ヒートシンク2は、熱伝導性の高いヒートシンク材料、例えばCuなどのヒートシンク材料によって構成されている。このヒートシンク2に対しては、サブマウント4を介して半導体レーザアレイ1が実装されている。
The
半導体レーザアレイ1の実装領域では、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、ヒートシンク2とサブマウント4の肉厚比(厚みの割合)が徐々に変化している。
In the mounting region of the
具体的には、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4の肉厚は階段状に厚くなっているのに対して、ヒートシンク2の肉厚は階段状に薄くなっている。ただし、サブマウント4とヒートシンク2を合わせたトータルの肉厚は、半導体レーザアレイ1の長手方向で一定になっている。
Specifically, the thickness of the
このように半導体レーザアレイ1の実装領域でサブマウント4とヒートシンク2の肉厚比を変えることにより、サブマウント4を間に挟んで半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ等で接合する際に、半導体レーザアレイ1に加わる応力の大きさが、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比に応じて変わる。すなわち、ヒートシンク2の線膨張係数はサブマウント4の線膨張係数よりも大きいため、半導体レーザアレイ1の長手方向でヒートシンク2の肉厚比が高い部分ほど大きな応力が加わり、その分だけ歪量も多くなる。
In this way, by changing the thickness ratio of the
その結果、半導体レーザアレイ1内では、当該半導体レーザアレイ1に加わる応力と、これに伴う各半導体レーザ素子のバンド構造の変化によって、発振波長が変化する。また、半導体レーザアレイ1全体の発振波長差は、当該半導体レーザアレイ1に加わる応力の最大値及び最小値の差分に対応したものとなる。
As a result, in the
一例として、GaAs基板上に作成され、GaInP活性層を持つAlGaInP系の発振波長640nm帯の半導体レーザアレイ1を、SiCからなるサブマウント4を介して、Cuからなるヒートシンク2に、融点が280℃のAuSnはんだを用いて、室温の環境で実装した場合を考える。
As an example, an AlGaInP-based
また、長手寸法が10mmの半導体レーザアレイ1の実装領域の直下において、サブマウント4の肉厚寸法は、半導体レーザアレイ1の一端部1Aから他端部1Bに向かって、2.5mmおきに、1.0mm→1.5mm→2.0mm→2.5mmと、0.5mmずつ厚くなっているのに対して、ヒートシンク2の肉厚寸法は、半導体レーザアレイ1の一端部1Aから他端部1Bに向かって、2.5mmおきに、4.0mm→3.5mm→3.0mm→2.5mmと、0.5mmずつ薄くなっている。この場合、サブマウント4とヒートシンク2を合わせた厚みは5.0mmで一定となる。
Further, immediately below the mounting region of the
上記の例で、まず、サブマウント4の肉厚寸法が1.0mm、ヒートシンク2の肉厚寸法が4.0mmの部分で、半導体レーザアレイ1に加わる応力を計算する。この部分をSiCとCuの複合体と考えると、当該複合体の線膨張係数は、それぞれの材料の線膨張係数に肉厚比をかけて足したものと考えられる。このため、上記複合体の線膨張係数は、下記の計算式によって“14.04ppm/K”となる。
In the above example, first, the stress applied to the
3×1.0/(1.0+4.0) + 16.8×4.0/(1.0+4.0) = 14.04 [ppm/K] 3 × 1.0 / (1.0 + 4.0) + 16.8 × 4.0 / (1.0 + 4.0) = 14.04 [ppm / K]
したがって、サブマウント4=1.0mm、ヒートシンク2=4.0mmの複合体に対応する部分で半導体レーザアレイ1に加わる応力は、下記の計算式から“−2076ppm”となる。
Therefore, the stress applied to the
(5.9−14.04)×(280−25) = -2076[ppm] (5.9-14.04) x (280-25) = -2076 [ppm]
一方、上記同様の手法で、サブマウント4の肉厚寸法が2.5mm、ヒートシンク2の肉厚寸法が2.5mmの部分で、半導体レーザアレイ1に加わる応力を計算すると、その複合体の線膨張係数は、下記の計算式によって“9.9ppm/K”となる。
On the other hand, when the stress applied to the
3×2.5/(2.5+2.5) + 16.8×2.5/(2.5+2.5) = 9.9 [ppm/K] 3 × 2.5 / (2.5 + 2.5) + 16.8 × 2.5 / (2.5 + 2.5) = 9.9 [ppm / K]
したがって、サブマウント4=2.5mm、ヒートシンク2=2.5mmの複合体に対応する部分で半導体レーザアレイ1に加わる応力は、下記の計算式から“−1020ppm”となる。
Therefore, the stress applied to the
(5.9−9.9)×(280−25) = -1020[ppm] (5.9−9.9) × (280−25) = -1020 [ppm]
これにより、GaInP活性層をもつ半導体レーザアレイ1については、その一端部1Aと他端部1Bで相対的に1000ppm以上の応力(歪量)差を生じさせ、半導体レーザアレイ1全体で2nmの発振波長差をもたせることができる。
As a result, for the
この場合、半導体レーザアレイ1の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4の肉厚寸法は段階的に厚く、ヒートシンク2の肉厚寸法が段階的に薄くなっているため、図6に示すように、半導体レーザアレイ1の一端部1Aには相対的に大きな圧縮歪が生じ、半導体レーザアレイ1の他端部1Bには相対的に小さな圧縮歪が生じることになる。このため、半導体レーザアレイ1の一端部1Aに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に短くなり、半導体レーザアレイ1の他端部1Bに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に長くなる。
In this case, the thickness of the
ちなみに、サブマウント4を介して半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ材料などを用いて接合した場合の最終形態としては、上記図5(B)にも示すように、サブマウント4の上面(半導体レーザアレイ1が搭載される面)とヒートシンク2の底面とが互いに平行になるように、それぞれの厚みを調整したものが好ましい。
Incidentally, as a final form when the
図7は本発明の第2実施形態に係るレーザモジュールの第1変形例を示す正面図である。図示したレーザモジュールにおいては、半導体レーザアレイ1の長手方向(X方向)でサブマウント4とヒートシンク2の肉厚比がスロープ状に変化している。
FIG. 7 is a front view showing a first modification of the laser module according to the second embodiment of the present invention. In the illustrated laser module, the thickness ratio of the
具体的には、半導体レーザアレイ1の長手方向の中心部から両端部1A,1Bに向かって、サブマウント4の肉厚はスロープ状に厚くなっているのに対して、ヒートシンク2の肉厚はスロープ状に薄くなっている。ただし、サブマウント4とヒートシンク2を合わせたトータルの肉厚は、半導体レーザアレイ1の長手方向で一定になっている。
Specifically, the thickness of the
かかる構成を採用した場合は、半導体レーザアレイ1の実装領域において、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4の肉厚寸法は連続的に厚く、ヒートシンク2の肉厚寸法が連続的に薄くなっているため、サブマウント4を間に挟んで半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ等で接合する際に、半導体レーザアレイ1の一端部1Aには相対的に大きな圧縮歪が生じ、半導体レーザアレイ1の他端部1Bには相対的に小さな圧縮歪が生じることになる。
When such a configuration is adopted, in the mounting region of the
このため、半導体レーザアレイ1の一端部1Aに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に短くなり、半導体レーザアレイ1の他端部1Bに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に長くなる。したがって、半導体レーザアレイ1の一端部1Aと他端部1Bで相対的に1000ppm以上の応力(歪量)差を生じるように、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比を変えることにより、半導体レーザアレイ1全体で2nm以上の発振波長差をもたせることができる。
For this reason, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element arranged at one
図8は本発明の第2実施形態に係るレーザモジュールの第2変形例を示す正面図である。図示したレーザモジュールにおいては、半導体レーザアレイ1の長手方向(X方向)の中心部から両端部1A,1Bに向かって、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比が、左右対称なかたちで徐々に変化している。
FIG. 8 is a front view showing a second modification of the laser module according to the second embodiment of the present invention. In the illustrated laser module, the wall thickness ratio of the
具体的には、半導体レーザアレイ1の長手方向の中心部から両端部1A,1Bに向かって、サブマウント4の肉厚は階段状に厚くなっているのに対して、ヒートシンク2の肉厚は階段状に薄くなっている。ただし、サブマウント4とヒートシンク2を合わせたトータルの肉厚は、半導体レーザアレイ1の長手方向で一定になっている。
Specifically, the thickness of the
かかる構成を採用した場合は、半導体レーザアレイ1の長手方向の中心部から両端部1A,1Bに向かって、ヒートシンク2の肉厚寸法が段階的に薄くなっているため、サブマウント4を間に挟んで半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ等で接合する際に、半導体レーザアレイ1の長手方向の中心部では相対的に大きな圧縮歪が生じ、半導体レーザアレイ1の長手方向の両端部1A,1Bでは相対的に小さな圧縮歪が生じることになる。
When such a configuration is adopted, the thickness of the
このため、半導体レーザアレイ1の長手方向の中心部に配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に短くなり、半導体レーザアレイ1の両端部1A,1Bに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に長くなる。したがって、半導体レーザアレイ1の中央部と両端部1A,1Bで相対的に1000ppm以上の応力(歪量)差を生じるように、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比を変えることにより、半導体レーザアレイ1全体で2nm以上の発振波長差をもたせることができる。
For this reason, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element arranged at the center in the longitudinal direction of the
図9は本発明の第2実施形態に係るレーザモジュールの第3変形例を示す正面図である。図示したレーザモジュールにおいては、半導体レーザアレイ1の長手方向(X方向)の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比が徐々に変化している。
FIG. 9 is a front view showing a third modification of the laser module according to the second embodiment of the present invention. In the illustrated laser module, the thickness ratio of the
具体的には、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4の肉厚は階段状に厚くなっているのに対して、ヒートシンク2の肉厚は階段状に薄くなっている。ただし、サブマウント4とヒートシンク2を合わせたトータルの肉厚は、半導体レーザアレイ1の長手方向で一定になっている。
Specifically, the thickness of the
また、サブマウント4は、第1のサブマウント材料からなる薄膜層4Aと、第1のサブマウント材料と線膨張係数が異なる第2のサブマウント材料からなる薄膜層4Bを、交互に積層した積層体によって構成されている。
Further, the
薄膜層4Aは、例えばSiCを第1のサブマウント材料に用いて形成されている。薄膜層4Bは、例えばAlNを第2のサブマウント材料に用いて形成されている。各々の薄膜層4A,4Bは、同じ厚みで積層されている。
The
サブマウント4の層数は、最多で7層(薄膜層4Aが4層+薄膜層4Bが3層)となっている。また、長手寸法が10mmの半導体レーザアレイ1の実装領域の直下において、サブマウント4の層数は、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、1.25mmおきに、0層→1層→2層→3層→4層→5層→6層→7層と、1層ずつ順に増えている。
The maximum number of layers of the
こうしたサブマウント4の積層構造に対応して、サブマウント4の上面は、半導体レーザアレイ1の一端部1Aから他端部1Bに向かって階段状に低く(サブマウント4の肉厚が薄く)なるように形成されている。また、半導体レーザアレイ1の長手方向において、各々の薄膜層4A,4Bの一端部は、ヒートシンク2の一端部と揃えて配置されている。
Corresponding to the laminated structure of the
かかる構成を採用した場合は、半導体レーザアレイ1の実装領域において、半導体レーザアレイ1の長手方向の一端部1Aから他端部1Bに向かって、サブマウント4の肉厚寸法は段階的に厚く、ヒートシンク2の肉厚寸法が段階的に薄くなっているため、サブマウント4を間に挟んで半導体レーザアレイ1をヒートシンク2にはんだ等で接合する際に、半導体レーザアレイ1の一端部1Aには相対的に大きな圧縮歪が生じ、半導体レーザアレイ1の他端部1Bには相対的に小さな圧縮歪が生じることになる。
When such a configuration is adopted, in the mounting region of the
このため、半導体レーザアレイ1の一端部1Aに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に短くなり、半導体レーザアレイ1の他端部1Bに配置された半導体レーザ素子の発振波長は相対的に長くなる。したがって、半導体レーザアレイ1の一端部1Aと他端部1Bで相対的に1000ppm以上の応力(歪量)差を生じるように、サブマウント4とヒートシンク2の肉厚比を変えることにより、半導体レーザアレイ1全体で2nm以上の発振波長差をもたせることができる。
For this reason, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element arranged at one
なお、上記各実施形態においては、半導体レーザアレイ1の構成として、1つのレーザアレイチップ(レーザバー)内に複数の半導体レーザ素子を並設した一体型のものを例示したが、本発明はこれに限らず、互いに独立(分離)した複数の半導体レーザ素子をX方向に一次元状に並べてアレイ化したものでもよい。
In each of the above embodiments, as an example of the configuration of the
1…半導体レーザアレイ、2…ヒートシンク、3…発光点、4…サブマウント
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記半導体レーザアレイを実装する実装体とを備え、
前記実装体は、前記発光点の並び方向で前記半導体レーザアレイに異なる応力を印加してなる
ことを特徴とするレーザモジュール。 A semiconductor laser array having a plurality of emission points;
A mounting body for mounting the semiconductor laser array;
The mounting body is formed by applying different stresses to the semiconductor laser array in the arrangement direction of the light emitting points.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザモジュール。 The laser module according to claim 1, wherein a linear expansion coefficient of the mounting body is different depending on an arrangement direction of the light emitting points.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザモジュール。 The laser module according to claim 1, wherein a composition of the mounting body is different in an arrangement direction of the light emitting points.
前記発光点の並び方向で前記第1の実装体と前記第2の実装体の肉厚比が異なる
ことを特徴とする請求項1記載のレーザモジュール。 The mounting body includes a first mounting body and a second mounting body having different linear expansion coefficients,
2. The laser module according to claim 1, wherein a thickness ratio of the first mounting body and the second mounting body is different in an arrangement direction of the light emitting points.
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