JP2015128193A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コリメートレンズを固定する樹脂の収縮や膨張による影響を低減し、コリメートレンズを調心された状態に保持することが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は、Ｚ方向に沿った光軸を有するレーザ光Ｌを出射する半導体レーザ素子３０と、レーザ光Ｌの成分のうちファースト軸方向（Ｙ方向）の成分をコリメートするコリメートレンズ４０と、半導体レーザ素子３０に対して固定されたレンズ固定ブロック５０とを備えている。レンズ固定ブロック５０は、Ｘ方向に垂直なレンズ取付面５０Ａを有している。コリメートレンズ４０のＸ方向における端部４０Ａがレンズ固定ブロック５０のレンズ取付面５０Ａにレンズ固定用樹脂４２により固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに係り、特に半導体レーザ素子と半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズとを含む半導体レーザモジュールに関するものである。

一般に、半導体レーザ素子のｐｎ接合に垂直な方向はファースト軸と呼ばれ、ｐｎ接合に平行な方向はスロー軸と呼ばれるが、半導体レーザ素子のファースト軸方向の開口数はスロー軸方向の開口数に比べてはるかに大きい。このため、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、ファースト軸方向に大きな広がりを有することとなる。したがって、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光のファースト軸方向の成分をコリメートするコリメートレンズを半導体レーザ素子の出射面の近傍に配置する必要がある（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

このようなコリメートレンズを用いて所望の光学系を構成するためには、光軸に沿った方向及びファースト軸に沿った方向においてコリメートレンズを半導体レーザ素子に対して高い精度で固定し、半導体レーザ素子とコリメートレンズとの間の位置関係の変動を抑える必要がある。具体的には、半導体レーザ素子とコリメートレンズとの間の位置関係はミクロンオーダで固定及び維持する必要がある。

例えば、特許文献１の第４図に開示された光ファイバ取付装置では、コリメートレンズ（光ファイバレンズ２６）がその軸線に沿って摺動可能に取り付けられているが、光ファイバレンズ２６を摺動可能とするためには円筒形クランプ５２と光ファイバレンズ２６との間に一定の隙間を形成する必要がある。したがって、半導体レーザ素子バー１０から出射されるレーザ光の光軸方向及びファースト軸方向の両方において光ファイバレンズ２６の位置の変動をミクロンオーダで抑えることは不可能である。

また、特許文献１の光ファイバレンズ２６はエポキシ樹脂５０により取付部材４０に固定されているが、このエポキシ樹脂５０の硬化収縮に伴い、光ファイバレンズ２６がレーザ光の光軸方向にずれてしまう。さらに、この光ファイバレンズ２６はエポキシ樹脂５０により直接取付部材４０に固定されているので、光ファイバレンズ２６の調心を行うために少なくとも調心アライメント分以上のエポキシ樹脂５０を取付部材４０と光ファイバレンズ２６との間に設ける必要がある。このエポキシ樹脂５０の温度や湿度による収縮や膨張によって光ファイバレンズ２６はファースト軸方向にもずれてしまう。

また、特許文献２には、半導体レーザ素子１とコリメーティングレンズ６とをそれぞれロウ付け層５，８により１つの補助物体４に固定することにより、半導体レーザ素子１のたわみとコリメーティングレンズ６のたわみとを連動させて両者間の位置関係の変動を抑制する半導体レーザモジュールが開示されている。半導体レーザ素子１の位置を調整する際には、ロウ付け層５，８のロウ付けのために例えば約４００℃の高温下で半導体レーザ素子１の位置決めを行う必要がある。しかしながら、そのような温度下では半導体レーザ素子１からレーザ光を出射させることができないため、半導体レーザ素子１からレーザ光を出射させながらコリメーティングレンズ６を調心すること（いわゆるアクティブ調心）ができないという問題がある。

この場合において、ロウ付け層５，８に代えて樹脂などを用いて半導体レーザ素子１及びコリメーティングレンズ６を固定すればアクティブ調心が可能になるが、その場合であっても、樹脂の収縮や膨張によって半導体レーザ素子１に対して補助物体４及びコリメーティングレンズ６の位置が大きく変動してしまうため、コリメーティングレンズ６が調心位置からずれてしまうという問題がある。

特開２００４−２００６３４号公報 特許第３４２３７２３号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、コリメートレンズを固定する樹脂の収縮や膨張による影響を低減し、コリメートレンズを高精度に調心された状態に保持することが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。

本発明の一態様によれば、コリメートレンズを固定する樹脂の収縮や膨張による影響を低減し、コリメートレンズを高精度に調心された状態に保持することができる半導体レーザモジュールが提供される。この半導体レーザモジュールは、第１の方向に沿った光軸を有するレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、上記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の成分のうち上記第１の方向に垂直な第２の方向の成分をコリメートするが上記第１の方向及び上記第２の方向に垂直な第３の方向の成分はコリメートしないコリメートレンズと、上記半導体レーザ素子に対して固定されるレンズ固定ブロックとを備えている。このレンズ固定ブロックは、上記第３の方向に対して垂直なレンズ取付面を有している。上記レンズ固定ブロックは、基板上にブロック固定用樹脂により固定される。上記コリメートレンズを上記レンズ固定ブロックに固定するレンズ固定用樹脂の収縮又は膨張による上記コリメートレンズの位置の変化が上記第１の方向及び上記第２の方向よりも上記第３の方向に生じるように、上記コリメートレンズの上記第３の方向における端部の少なくとも一方が上記レンズ固定ブロックのレンズ取付面に上記レンズ固定用樹脂により固定されている。

このように、本発明の一態様によれば、コリメートレンズを固定するレンズ固定用樹脂が、コリメートレンズの第３の方向における端部と第３の方向に垂直なレンズ取付面との間に設けられているため、レンズ固定用樹脂の硬化収縮や温度又は湿度によるレンズ固定用樹脂の収縮や膨張によるコリメートレンズの位置の変化が主として第３の方向のみとなる。さらに、コリメートレンズは第３の方向には位置を調整する必要がなく光学的にはどの位置でもよいため、コリメートレンズとレンズ取付面との間のレンズ固定用樹脂の厚さを薄くすることも可能であり、レンズ固定用樹脂の収縮又は膨張による変化量自体を小さくすることができる。このため、コリメートレンズの位置が第１の方向及び第２の方向にはほとんど変化することがない。したがって、コリメートレンズを固定するレンズ固定用樹脂の収縮や膨張による影響を低減しコリメートレンズを高精度に調心された状態に保持することができる。

ここで、上記第２の方向を、上記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のファースト軸の方向とすることができる。また、上記レンズ固定用樹脂として、ＵＶ硬化樹脂を用いることができる。さらに、上記半導体レーザ素子と上記レンズ固定ブロックとを同一の基板に固定することが好ましい。また、上記基板と上記半導体レーザ素子との間にスペーサを配置してもよい。

また、上記コリメートレンズを挟んで上記第１の方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂の量を互いに等しくすることが好ましい。このようにすることで、コリメートレンズを挟んで第１の方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂の収縮量又は膨張量が等しくなり互いに相殺し合うため、レンズ固定用樹脂の収縮や膨張によるコリメートレンズの第１の方向への影響を実質的になくすことができる。同様に、上記コリメートレンズを挟んで上記第２の方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂の量を互いに等しくすることが好ましい。このようにすることで、コリメートレンズを挟んで第２の方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂の収縮量又は膨張量が等しくなり互いに相殺し合うため、レンズ固定用樹脂の収縮や膨張によるコリメートレンズの第２の方向への影響を実質的になくすことができる。

さらに、レンズ固定ブロックと基板との間のブロック固定用樹脂の厚さが２０μｍよりも厚くなると、温度又は湿度によるブロック固定用樹脂の収縮や膨張によってレンズ固定ブロック及びそれに固定されたコリメートレンズが第２の方向に動いてしまい、コリメートレンズから出射されるレーザ光の光路がずれて悪影響が生じるので、厚さが２０μｍ以下のブロック固定用樹脂を介して上記レンズ固定ブロックを上記基板に固定することが好ましい。

本発明によれば、コリメートレンズを固定する樹脂の収縮や膨張による影響を低減し、コリメートレンズを高精度に調心された状態に保持することができる半導体レーザモジュールを提供することができる。

本発明の第１の実施形態における半導体レーザモジュールを示す平面図である。 図１の半導体レーザモジュールの正面図である。 図１の半導体レーザモジュールの側面図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造方法を説明する図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造方法を説明する図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造方法を説明する図である。 図１の半導体レーザモジュールの製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザモジュールを示す平面図である。 図８の半導体レーザモジュールの正面図である。

以下、本発明に係る半導体レーザモジュールの実施形態について図１から図９を参照して詳細に説明する。なお、図１から図９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は本発明の第１の実施形態における半導体レーザモジュール１を示す平面図、図２は正面図、図３は側面図である。図１から図３に示すように、本実施形態における半導体レーザモジュール１は、第１の基板１０と、第１の基板１０上に固定された第２の基板２０と、第２の基板２０上に実装された半導体レーザ素子（レーザダイオード）３０と、半導体レーザ素子３０から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ４０と、第１の基板１０上にブロック固定用樹脂５２により固定されたレンズ固定ブロック５０とを備えている。図１において、半導体レーザ素子３０はＺ方向に沿ってレーザ光Ｌを出射する。なお、以下では、図２に示すＹ方向がレーザ光Ｌのファースト軸方向であるものとして説明する。

コリメートレンズ４０は、半導体レーザ素子３０から出射されるレーザ光Ｌの成分のうちファースト軸方向（Ｙ方向）の成分をコリメートして平行光を生成するものである。本実施形態では、図２に示すように、ＹＺ平面におけるコリメートレンズ４０の断面は、レーザ光Ｌが入射する側がＹ軸に平行になっており、レーザ光が出射する側が凸面状になっている。コリメートレンズ４０は、このような断面形状を有してレーザ光Ｌのスロー軸方向（Ｘ方向）に延びている。例えば、コリメートレンズ４０のＸ方向の長さは２ｍｍ程度である。コリメートレンズ４０は、所望の平行光を生成するために調心され、Ｙ方向及びＺ方向に関して高精度に位置決めされる。

レンズ固定ブロック５０は、例えばガラスなどからなる略直方体状の部材であり、レーザ光Ｌの光軸に平行なレンズ取付面５０Ａを有している。本実施形態におけるレンズ取付面５０Ａは、レーザ光Ｌのファースト軸（Ｙ方向）にも平行になるように、すなわちＸ方向に垂直に構成されている。

図１及び図３に示すように、レンズ固定ブロック５０は、第２の基板２０の近傍に配置され、第１の基板１０の上面にブロック固定用樹脂５２により固定されている。このブロック固定用樹脂５２としては例えばＵＶ硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができる。

コリメートレンズ４０のＸ方向の端部４０Ａは、レンズ固定ブロック５０のレンズ取付面５０Ａにレンズ固定用樹脂４２により固定されている。コリメートレンズ４０は、第１の基板１０に接触しないようになっており、レンズ固定ブロック５０に片持ち梁状に固定されている。このレンズ固定用樹脂４２としては例えばＵＶ硬化樹脂又は熱硬化樹脂を用いることができる。レンズ固定用樹脂４２は、コリメートレンズ４０の端部４０ＡをＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向から固定している。ここで、コリメートレンズ４０を挟んでＸ方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の量が互いに等しいことが好ましく、また、コリメートレンズ４０を挟んでＹ方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の量が互いに等しいことが好ましい。さらに、コリメートレンズ４０とレンズ取付面５０Ａとの間のレンズ固定用樹脂４２の厚さを薄くすることが好ましい。

ここで、コリメートレンズ４０を固定するレンズ固定用樹脂４２が、コリメートレンズ４０のＸ方向の端部４０ＡとＸ方向に垂直なレンズ取付面５０Ａとの間に設けられているため、レンズ固定用樹脂４２の硬化収縮や温度又は湿度によるレンズ固定用樹脂４２の収縮や膨張によるコリメートレンズ４０の位置の変化は主としてＸ方向、すなわちスロー軸方向のみとなる。さらに、コリメートレンズ４０とレンズ取付面５０Ａとの間のレンズ固定用樹脂４２の厚さを薄くすれば、レンズ固定用樹脂４２の収縮又は膨張による変化量自体を小さくすることができる。したがって、コリメートレンズ４０の位置がＹ方向及びＺ方向にはほとんど変化することがなく、コリメートレンズ４０を高精度に調心された状態に保持することができる。

なお、図１から図３に示す例では、コリメートレンズ４０の端部４０ＡのＸ方向の端面全体がレンズ固定用樹脂４２によりレンズ取付面５０Ａに固定されているが、コリメートレンズ４０の端部４０ＡのＸ方向の端面の少なくとも一部がレンズ固定用樹脂４２によりレンズ取付面５０Ａに固定されていればよい。

また、コリメートレンズ４０を挟んでＸ方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の量を互いに等しくすることにより、コリメートレンズ４０の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の収縮量又は膨張量が等しくなり互いに相殺し合うため、レンズ固定用樹脂４２の収縮や膨張によるコリメートレンズ４０のＸ方向への影響を実質的になくすことができる。また、コリメートレンズ４０を挟んでＹ方向の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の量を互いに等しくすることにより、コリメートレンズ４０の両側に存在するレンズ固定用樹脂４２の収縮量又は膨張量が等しくなり互いに相殺し合うため、レンズ固定用樹脂４２の収縮や膨張によるコリメートレンズ４０のＹ方向への影響を実質的になくすことができる。

次に、本実施形態における半導体レーザモジュール１を製造する方法について説明する。半導体レーザモジュール１を製造する際には、まず、半導体レーザ素子３０が実装された第２の基板２０を第１の基板１０上に固定する（図４）。

次に、第１の基板１０上の所定の箇所にブロック固定用樹脂５２を塗布し（図５）、そのブロック固定用樹脂５２の上にレンズ固定ブロック５０を置く（図６）。そして、レンズ固定ブロック５０と第１の基板１０との間のブロック固定用樹脂５２の厚さがなるべく薄くなるように、レンズ固定ブロック５０を第１の基板１０に押圧しつつ、ブロック固定用樹脂５２を硬化させてレンズ固定ブロック５０を第１の基板１０に固定する。このとき、レンズ固定ブロック５０の取付面５０ＡはＸ方向に垂直になっている。

次に、レンズ固定ブロック５０のレンズ取付面５０Ａにレンズ固定用樹脂４２を塗布し、コリメートレンズ４０のＸ方向の端部４０ＡをＸ方向からレンズ固定用樹脂４２に挿入する（図７）。

そして、半導体レーザ素子３０からレーザ光を出射させ、その状態でコリメートレンズ４０を移動させて位置決めを行う（アクティブ調心）。このとき、コリメートレンズ４０とレンズ取付面５０Ａとの間のレンズ固定用樹脂４２の厚さがなるべく薄くなるようにすることが好ましい。コリメートレンズ４０が高精度に位置決めされた状態で、レンズ固定用樹脂４２を硬化させてコリメートレンズ４０をレンズ固定ブロック５０に固定する。このようにして、半導体レーザモジュール１が完成する（図１）。

上述したように、本実施形態における半導体レーザモジュール１の製造方法によれば、レンズ固定用樹脂４２を用いてコリメートレンズ４０をレンズ固定ブロック５０に固定しているため、特許文献２のはんだ接合のように高温に保つ必要がない。したがって、半導体レーザ素子３０からレーザ光を出射させながらコリメートレンズ４０の位置決め（アクティブ調心）をすることができる。

また、コリメートレンズ４０のＸ方向の端部４０ＡをＸ方向に垂直なレンズ取付面５０Ａに固定しているので、レンズ固定用樹脂４２の硬化収縮や温度又は湿度によるレンズ固定用樹脂４２の収縮や膨張によるコリメートレンズ４０の位置の変動がＹ方向及びＺ方向にはほとんど生じることがない。また、コリメートレンズ４０とレンズ取付面５０Ａとの間のレンズ固定用樹脂４２の厚さを薄くすれば、レンズ固定用樹脂４２の収縮又は膨張による変化量自体を小さくすることができる。したがって、コリメートレンズ４０を高精度に調心された状態に保持することができる。

ここで、レンズ固定ブロック５０と第１の基板１０との間のブロック固定用樹脂５２の厚さが２０μｍ以下となるようにレンズ固定ブロック５０を固定することが好ましい。レンズ固定ブロック５０と第１の基板１０との間のブロック固定用樹脂５２の厚さが２０μｍよりも厚くなると、温度又は湿度によるブロック固定用樹脂５２の収縮や膨張によってレンズ固定ブロック５０及びそれに固定されたコリメートレンズ４０がＹ方向（ファースト軸方向）に動いてしまい、コリメートレンズ４０から出射されるレーザ光の光路がずれて悪影響が生じてしまうからである。

図８は本発明の第２の実施形態における半導体レーザモジュール１０１を示す平面図、図９は正面図である。図８及び図９に示すように、本実施形態における半導体レーザモジュール１０１は、第１の基板１０と第２の基板２０との間にスペーサとしての第３の基板１２０を備えている。このように、第１の基板１０と第２の基板２０との間に適切な厚さのスペーサ１２０を設けることにより、半導体レーザ素子３０を所望の高さに設置することができる。

また、本実施形態における半導体レーザモジュール１０１は、例えばガラスなどからなる略直方体状のレンズ固定ブロック１５０を備えている。このレンズ固定ブロック１５０は、Ｘ方向に垂直なレンズ取付面１５０Ａを有している。レンズ取付面１５０Ａにはコリメートレンズ４０のＸ方向の端部４０Ａがレンズ固定用樹脂４２により固定される。

なお、上述した各実施形態において、レンズ固定ブロック５０は、半導体レーザ素子３０に対して固定的に設けられていればよく、第１の基板１０とは別の部材に固定されていてもよいが、上述した第１及び第２の実施形態のように、レンズ固定ブロック５０を半導体レーザ素子３０が固定される基板と同一の基板（第１の基板１０）に固定することが好ましい。

また、上述した各実施形態では、コリメートレンズ４０のＸ方向の端部の一方のみを固定する構成を説明したが、他方の端部に対しても同様のレンズ固定ブロック５０を設け、コリメートレンズ４０のＸ方向の両端部を固定するようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態におけるコリメートレンズ４０は、レーザ光Ｌの成分のうちファースト軸方向（Ｙ方向）の成分をコリメートするものであったが、レーザ光Ｌの成分のうちスロー軸方向（Ｘ方向）の成分をコリメートするレンズを用いる場合にも本発明を適用することができる。その場合には、レンズ固定ブロックのレンズ取付面をＸＺ平面に平行に配置し、このレンズ取付面にコリメートレンズのＹ方向の端部を固定すればよい。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

Ｌ レーザ光
１ 半導体レーザモジュール
１０ 第１の基板
２０ 第２の基板
３０ 半導体レーザ素子
４０ コリメートレンズ
４０Ａ 端部
４２ レンズ固定用樹脂
５０ レンズ固定ブロック
５０Ａ レンズ取付面
５２ ブロック固定用樹脂
１２０ 第３の基板（スペーサ）
１５０ レンズ固定ブロック
１５０Ａ レンズ取付面

Claims (7)

1. 第１の方向に沿った光軸を有するレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の成分のうち前記第１の方向に垂直な第２の方向の成分をコリメートするが前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な第３の方向の成分はコリメートしないコリメートレンズと、
   前記第３の方向に対して垂直なレンズ取付面を有し、前記半導体レーザ素子に対して固定され、基板上にブロック固定用樹脂により固定されたレンズ固定ブロックと、
   を備え、
   前記コリメートレンズを前記レンズ固定ブロックに固定するレンズ固定用樹脂の収縮又は膨張による前記コリメートレンズの位置の変化が前記第１の方向及び前記第２の方向よりも前記第３の方向に生じるように、前記コリメートレンズの前記第３の方向における端部の少なくとも一方が、前記レンズ固定ブロックのレンズ取付面に前記レンズ固定用樹脂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の方向は、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のファースト軸の方向であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記レンズ固定用樹脂は、ＵＶ硬化樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記コリメートレンズを挟んで前記第１の方向の両側に存在する前記レンズ固定用樹脂の量が互いに等しく、
   前記コリメートレンズを挟んで前記第２の方向の両側に存在する前記レンズ固定用樹脂の量が互いに等しい、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記半導体レーザ素子と前記レンズ固定ブロックは、同一の基板に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記レンズ固定ブロックは、厚さが２０μｍ以下のブロック固定用樹脂を介して前記基板に固定されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記基板と前記半導体レーザ素子との間に配置された、所定の厚さのスペーサをさらに備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体レーザモジュール。

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