JP2016122785A - 光学ユニット、光学ユニットの固定構造および半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱性の高い基台を適用可能な光学ユニット等を提供する。【解決手段】 基台１９上には、回路導体２５が設けられる。回路導体２５には半導体レーザ５が接続される。基台１９の例えば四隅近傍には、回路導体２５が形成されない切欠き部が設けられ、当該部位には、それぞれ、孔２０が設けられる。孔２０は基台１９を貫通する。孔２０には、固定部材２１が挿通される。固定部材２１は、例えば雄ねじである。固定部材２１の頭部は切欠き部に位置するため、固定部材２１と回路導体２５とは接触しない。台座１７には、光学ユニット２３の孔２０に対応した部位に孔が形成され内面に雌ねじが形成される。したがって、固定部材２１と台座１７とが接合される。この結果、光学ユニット２３が台座１７に固定される。【選択図】図３

Description

本発明は、基台上に半導体レーザが固定された光学ユニット等に関するものである。

半導体レーザから出力された光を、光ファイバに結合する半導体レーザモジュールがある。このような、半導体レーザモジュールには、半導体レーザが基台（サブマウント）上に固定された光学ユニットが用いられる（例えば特許文献１）。

特開２０１３−１２７０８号公報

通常、光学ユニットは、台座やパッケージ、または冷却機器等に半田で固定される。したがって、半導体レーザモジュールに一度組み込まれた光学ユニットを取り外すことはできなかった。このため、光学ユニットが故障した場合には、半導体レーザモジュールの全体を交換する必要があった。特に、複数の光学ユニットを有する半導体レーザモジュールの場合には、一つの光学ユニットが故障した場合に、故障した光学ユニットのみを交換することができなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、容易に着脱が可能な光学ユニット等を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために第１の発明は、基台と、前記基台上に配置される半導体レーザと、を具備し、前記基台には、固定部材を挿通可能な孔が形成されることを特徴とする光学ユニットである。

前記半導体レーザから出射する光をコリメートするレンズが接合されていることが望ましい。

前記基台の表面であって、前記孔の周囲には金属層が露出し、前記金属層は、前記基台上の回路パターンと絶縁されていてもよい。

前記孔は、前記半導体レーザの両側方に配置されることが望ましい。

第１の発明によれば、基台に固定部材用の孔を形成するため、台座に対して基台を固定部材で固定することができる。このため、基台と台座とを半田で固定する必要がない。このため、従来の半田接合の場合と比較して、基台の材質と台座の材質の熱膨張係数差をあまり考慮せずに材質選択を行うことができる。また、固定部材によって、光学ユニットを台座等に固定するため、光学ユニットの脱着が可能である。このため、光学ユニットを容易に交換することもできる。

また、光学ユニットにレンズが一体で接合されることで、光学ユニットの交換がさらに容易である。

また、孔の周囲に金属層を露出させることで、固定部材を孔に挿通した際に、固定部材の座面が金属層と接触する。このため、金属層が座金として機能し、固定部材の緩みを防止することができる。

第２の発明は、基台と、前記基台上に配置される半導体レーザと、を具備する光学ユニット、または、前記光学ユニットに台座が接合された台座付光学ユニットを用い、前記基台または前記台座には、固定部材を挿通可能な孔が形成され、前記光学ユニットが、台座、パッケージまたは冷却器に対して、前記固定部材で固定されるか、または、前記台座付光学ユニットが、パッケージまたは冷却器に対して、前記固定部材で固定されることを特徴とする光学ユニットの固定構造である。

第２の発明によれば、光学ユニットを台座等に対して容易に脱着可能であり、半田等の破損の恐れがない。

第３の発明は、第１の発明にかかる光学ユニットと、前記半導体レーザから出射されるレーザ光が結合される光ファイバと、前記光学ユニットを収容するパッケージと、を具備し、前記光学ユニットが、直接または間接的に前記パッケージに対して、前記固定部材で固定されることを特徴とする半導体レーザモジュールである。

複数の前記光学ユニットが前記パッケージに収容され、それぞれの前記半導体レーザから出射されるレーザ光を、それぞれ反射する複数の反射ミラーと、複数の前記反射ミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、をさらに具備し、複数のそれぞれの前記光学ユニットを、個々に脱着可能であってもよい。

前記基台の下面には、熱伝導性シートが配置され、前記光学ユニットが前記熱伝導性シートを介して接続対象と接触してもよい。

前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであることが望ましい。

第３の発明によれば、光学ユニットを台座等に対して容易に脱着可能であり、半田等の破損の恐れがない。特に、複数の光学ユニットが配置された際には、一つの光学ユニットが故障した場合に、容易に光学ユニットを交換することができる。

また、基台の下面と台座等との間に、熱伝導性シートを配置することで、基台の放熱性を高めることができる。

また、半導体レーザおよび光ファイバがマルチモード用であれば、シングルモードと比較して、高い調芯精度が要求されないため、固定部材による固定で生じるわずかな芯ずれを許容することができる。

本発明によれば、容易に着脱が可能な光学ユニット等を提供することができる。

半導体レーザモジュール１を示す斜視図。 半導体レーザモジュール１を示す平面図。 （ａ）は、光学ユニット２３を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 （ａ）は、他の光学ユニット２３を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 他の光学ユニット２３を示す平面図。 他の光学ユニット２３の固定構造を示す平面図。 台座付光学ユニット２３ａの固定構造を示す側面図。 半導体レーザモジュール１ａを示す断面図。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、半導体レーザモジュール１を示す図であり、図１は斜視図、図２は平面図である。なお、図１は、パッケージ３の上面および図中手前側の側壁を透視した図である。半導体レーザモジュール１は、主に、パッケージ３、レンズ７、９、１３、反射ミラー１１、光ファイバ１５、台座１７、光学ユニット２３等から構成される。

パッケージ３は、底部と、側壁から構成される。パッケージ３は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、高熱伝導率を有するセラミック（例えば、窒化アルミ：ＡｌＮ、酸化ベリリウム：ＢｅＯ）等で構成される。

パッケージ３の内部において、徐々に高さが高くなるように、階段状に台座１７が形成される。それぞれの段上が、光学ユニット２３の設置面となる。なお、パッケージ３と台座１７とは別部材であってもよく、パッケージ３の底部を階段状に形成して両者を一体化してもよい。また、光学ユニット２３を直接パッケージ３に固定してもよい。この場合は、パッケージ３底部が光学ユニット２３の設置面となる。すなわち、光学ユニット２３は、直接または間接的にパッケージ３に固定される。以下、光学ユニット２３が台座１７上に配置される例について説明する。

それぞれの台座１７には、光学ユニット２３（チップオンサブマウント：ＣＯＳ）が固定される。光学ユニット２３は、基台１９（サブマウント）と、半導体レーザ５、レンズ７等からなる。半導体レーザ５は基台１９上に固定される。また、半導体レーザ５の前方（出射方向）の基台１９の端面には、レンズ７が固定される。なお、光学ユニット２３と台座１７との固定方法については後述する。

光学ユニット２３のレンズ７のさらに前方には、レンズ９が配置される。レンズ７、９は、半導体レーザ５から出射した光を、縦方向および横方向それぞれにコリメートするものである。レンズ７は、半導体レーザ５に対する位置を調整後、基台１９の端面に固定してもよい。
コリメートレンズ付き光学ユニットの場合、光学ユニットを台座１７に固定する際の、結合効率に対する位置ずれ許容度が高くなるので好ましい。また、光学ユニット２３を脱着時に、光学ユニット２３とレンズ７との結合ずれが起きないため好ましい。

レンズ９の前方には、反射ミラー１１が固定される。反射ミラー１１は、前述したレンズ７、９によってコリメートされた光を略垂直に反射する。なお、レンズ７、９、反射ミラー１１は、それぞれの半導体レーザ５毎に配置され、台座１７上に配置される。

反射ミラー１１によって反射されたレーザ光は、さらにレンズ１３で集光される。レンズ１３は、パッケージ３の底部に固定される。また、レンズ１３の前方には、パッケージ３を貫通するように、光ファイバ１５が設けられる。レンズ１３で集光されたレーザ光は光ファイバ１５に結合される。

すなわち、複数の光学ユニット２３が、それぞれの高さの台座１７に併設され、それぞれ略同一方向にレーザ光を出射する。半導体レーザ５の出射方向には、同一方向に、順に、レンズ７、９、反射ミラー１１が配置される。したがって、レーザ光は、レンズ７、９を介して、反射ミラー１１に照射される。さらに、それぞれの反射ミラー１１では、略同一方向に向けてレーザ光が反射される。それぞれの反射ミラー１１で反射されたレーザ光は、レンズ１３で集光されて光ファイバ１５に結合される。

ここで、本発明が適用される光ファイバ１５は、マルチモード光ファイバであることが望ましい。マルチモード光ファイバの場合には、シングルモード光ファイバと比較してコア径が大きく（たとえば、１００μｍ〜２００μｍ）、調芯が容易であり、許容される芯ずれ量も大きい。また、半導体レーザ５としては、高温駆動時の特性劣化が小さい半導体レーザ５であることが好ましい。このような半導体レーザ５としては、たとえば、量子井戸層と、障壁層または光ガイド層とを有し、該障壁層または該光ガイド層は、該量子井戸層を厚さ方向より挟んで形成され、該量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが１００ｍｅＶ以上である。

なお、光学ユニット２３の数や配置等は、図示した例に限られない。ただし、本発明は、半導体レーザモジュール１が光学ユニット２３を複数個備える場合に特に好適に用いることができる。光学ユニット２３を複数個備える場合、１つの光学ユニット２３が故障した場合に、従来のように光学ユニット２３が半田で固定されていると、故障した光学ユニット２３のみを取り替えることができなかったが、本発明によれば故障した光学ユニット２３のみを取り替えることが可能である。また、反射ミラー１１の反射面が曲面、球面等で形成され、半導体レーザ５から出射されたレーザ光の縦方向または横方向の広がりを、反射ミラー１１によってコリメートすることが可能であれば、対応するレンズ７、９は必ずしも必要ではない。

図３（ａ）は、光学ユニット２３の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。基台１９の上面には、回路導体２５が設けられる。回路導体２５には半導体レーザ５が接続される。なお、回路導体２５は、互いに離間して一対形成され、半導体レーザ５の表裏の端子部にそれぞれ電気的に接続される。なお、半導体レーザ５と回路導体２５とを接続するためのリード線等は図示を省略する。

基台１９は、例えば、従来から使用されている窒化アルミを使用することもできるが、他の材質であってもよい。従来のように光学ユニット２３を半田を用いて固定する場合は、例えば基台と台座の材質として、互いの熱膨張係数差の大きな組み合わせを選択すると、使用時の熱膨張によって、半田に過剰な応力が加わり、破損等の恐れがあった。このため、従来は基台等の材質の選択肢がないため、通常は、比較的高価な窒化アルミの表面に金めっきを施して用いられていた。

しかしながら、本実施形態によれば、このように熱膨張係数差を考慮する必要がなく、また、金めっき等も不要である。

このように、基台の材質の選択肢が広がることで、より安価な材質を選択することも可能であり、冷却効率の高い光学ユニットを得ることも可能となる。すなわち、光学ユニットと台座等に対して、熱膨張係数差の大きな材質同士の組合せでも破損等のない光学ユニットが得られる。

以下に、光学ユニット２３と台座１７との固定方法について説明する。なお、以下の説明では、まず、基台１９が絶縁体である場合について説明する。

基台１９の例えば四隅近傍には、回路導体２５が形成されない切欠き部が設けられ、当該部位には、それぞれ、孔２０（図３（ｂ））が設けられる。孔２０は基台１９を貫通する。孔２０には、固定部材２１が挿通される。固定部材２１は、例えば雄ねじである。固定部材２１の頭部は切欠き部に位置するため、固定部材２１と回路導体２５とは接触しない。すなわち、回路導体２５と固定部材２１とは絶縁される。

なお、固定部材２１を銅、アルミニウムなどの高熱伝導性部材で構成することで、高い放熱性を得ることができる。また、固定部材２１が絶縁性部材で構成する場合には、回路導体２５の一部を切欠き状に形成しなくてもよい。

台座１７には、光学ユニット２３の孔２０に対応した部位に、孔が形成され内面に雌ねじが形成される。したがって、固定部材２１と台座１７とを接合することができる。この結果、光学ユニット２３が台座１７に固定される。なお、光学ユニット２３が直接パッケージ３に固定される場合には、パッケージ３に固定部材２１と接続可能な雌ねじを設ければよい。また、図示は省略するが、冷却機器上に光学ユニット２３を固定する場合には、冷却機器に固定部材２１と接続可能な雌ねじを設ければよい（以下、光学ユニット２３の固定対象を、単に「台座１７等」とする。）。

なお、固定部材２１の外周面には、半田や接着剤を塗布しておき、固定部材２１の緩み止めとしてもよい。

このように、本実施形態によれば、台座１７等に対して、光学ユニット２３が固定部材２１によって固定される。このため、光学ユニット２３は、容易に台座１７に対して脱着することが可能である。このため、光学ユニット２３が故障した際には、故障した光学ユニット２３のみを交換することができる。

また、本実施形態では、光学ユニット２３と台座１７等とを半田や接着剤で接合する必要がない。このように半田や接着剤を使用しないため、基台１９の材質と台座１７等の材質との熱膨張係数差が大きくても、半田等に過剰な応力が加わることがなく、半田等の破損による光学ユニット２３の脱落や、放熱性の低下などの恐れがない。

また、本発明では、基台１９として、熱伝導性に優れる金属やカーボン、ダイヤなどを用いることもできる。すなわち、従来、半田接合が困難であったり、台座１７等との熱膨張係数差が大きくて、適用が困難であった材質を適用することができる。このような材質を選択することで、例えば、放熱性に優れた光学ユニット２３を得ることができる。この結果、より高出力の半導体レーザ５を適用することも可能である。

なお、基台１９の材質として導電材を適用する場合には、回路導体２５と、基台１９または台座１７と電気的に導通されない構造とすればよい。たとえば、回路導体２５と基台１９とのあいだに絶縁層を形成してもよく、また、基台と１９と台座１７との間に絶縁層を形成してもよい。回路導体２５と基台１９とが電気的に導通している場合は、固定部材２１を絶縁物にするか、絶縁コートすればよい。

以下、他の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、前述した実施形態と同様の機能を奏する構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図４（ａ）は、光学ユニット２３の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

第２の実施形態では、基台１９の四隅近傍に形成された回路導体２５の切欠き部に、金属層２７が形成される。金属層２７と回路導体２５との間には隙間が形成されて互いに導通しない。

固定部材２１の座面は金属層２７と接触する。このため、固定部材２１をねじ込んだ際に、金属層２７は、固定部材２１の座金として機能する。なお、金属層２７は、基台１９の材質よりも柔らかいことが望ましい。また、金属層２７と回路導体２５とは絶縁されているため、固定部材２１が回路導体２５と導通することはない。また、金属層２７と回路導体２５とは、同じ材料からなるものとしてもよい。このようにすることで、金属層２７と回路導体２５とを同時に形成できる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、金属層２７を固定部材２１の座金として利用できるため、固定部材２１の緩みを防止することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態を示す光学ユニット２３の平面図である。第３の実施形態は、前述した実施形態とは、固定部材２１の固定位置が異なる。

図５に示す例では、固定部材２１は半導体レーザ５の両側方に配置される。なお、半導体レーザ５の両側方とは、半導体レーザ５に対して近い部位を指し、例えば、半導体レーザ５の側部と基台１９の側部との間隔の中心よりも、半導体レーザ５に近い位置である。すなわち、固定部材２１は、基台１９の四隅近傍ではなく、半導体レーザ５の近傍に配置される。

この場合には、固定部材２１の固定位置に、回路導体２５の切欠き部が形成される。すなわち、固定部材２１と回路導体２５とは絶縁される。なお、切欠き部に金属層２７を形成してもよい。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、固定部材２１を半導体レーザ５の近傍に配置することで、基台１９が熱膨張した際に、半導体レーザ５へ加わる影響を抑制することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。図６は、第４の実施形態を示す光学ユニット２３の断面図である。第４の実施形態は、前述した実施形態に対し、熱伝導性シート２９が配置される点で異なる。

図６に示す例では、基台１９と台座１７との間に、基台１９の略全面にわたって熱伝導性シート２９が挟み込まれる。固定部材２１は、基台１９および熱伝導性シート２９を貫通して、下部の台座１７等に接合される。なお、熱伝導性シート２９は、例えば、カーボンシートである。また、基台１９の材質として導電材を適用する場合には、熱伝導性シート２９は、絶縁性であればよい。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、熱伝導性シート２９を配置することで、基台１９から台座１７等への放熱性をさらに高めることができる。

次に、第５の実施形態について説明する。図７は、第５の実施形態を示す台座付光学ユニット２３ａの正面図である。第５の実施形態は、固定部材２１で基台１９を台座１７等に固定するのではなく、固定部材２１によって台座１７ａをパッケージ３に固定する点で異なる。

前述した各実施形態では、基台１９に孔２０を設け、孔２０に固定部材２１を挿通して、台座１７等に固定した。しかし、光学ユニット２３のサイズが小さい場合や、孔２０のスペースがない場合には、光学ユニットの下部にサブの台座１７ａを設けた台座付光学ユニット２３ａに適用することができる。すなわち、本実施形態における台座付光学ユニット２３ａは、光学ユニットが台座１７ａと半田３１で固定され、台座１７ａには、基台１９と干渉しない位置に孔２０ａが設けられる。

孔２０ａには、固定部材２１が挿通され、固定対象であるパッケージ３と接合される。すなわち台座付光学ユニット２３ａが、固定部材２１によってパッケージ３に固定される。したがって、台座付光学ユニット２３ａとパッケージ３との固定には、半田や接着剤が不要である。

なお、台座付光学ユニット２３ａは、パッケージ３ではなく、図示しない冷却機器に固定することもできる。

第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、固定部材２１を取り外すことで、台座付光学ユニット２３ａを容易に脱着することができる。なお、本実施形態では、基台１９および台座１７ａを高熱伝導材（例えば金属）で構成することができる。このため、高い放熱性を得ることができる。

なお、上述した光学ユニット２３および台座付光学ユニット２３ａは、図１に示すような半導体レーザモジュール１のように、複数が併設される場合には限られない。図８に示す半導体レーザモジュール１ａのように、光学ユニットを一つ配置する場合にも適用可能である。

半導体レーザモジュール１ａのパッケージ３上には、冷却器３３が載置される。冷却器３３上には、台座１７が固定される。さらに、台座１７上には、半導体レーザ５が搭載された基台１９が固定される。

光ファイバ１５は、パッケージ３の筒状孔部を介してパッケージ３内に挿入される。半導体レーザ５の前方（出射方向）の基台１９上には、光ファイバ１５の固定部が設けられ、光ファイバ１５が固定される。光ファイバ１５は、例えばレンズドファイバである。なお、半導体レーザ５と光ファイバ１５との間にさらにレンズ等の光学部品を配置してもよい。

受光部３５は、半導体レーザ５の光出力を受光して、半導体レーザ５の光出力をモニタする。受光部３５は、半導体レーザ５の高反射膜側に設けられる。受光部３５は、例えばフォトダイオードである。

本実施形態において、基台１９は固定部材２１によって台座１７に固定される。すなわち、基台１９と台座１７等の接合には、半田等は不要である。なお、台座１７と冷却器３３とを固定部材２１で固定してもよい。

このように、本発明は、光学ユニット２３または台座付光学ユニット２３ａを半田ではなく、固定部材２１によって固定するため、脱着が可能であり、また、材質選択の自由度が高い。このため、放熱性に優れ、故障時には光学ユニット等のみを交換することもできる。

以上、添付図を参照しながら、典型的なサイズを基に、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、前述した各種の実施形態は、互いに組み合わせることもできる。また、各実施形態における、各構成の配置や形態は、図示した例には限られない。

１、１ａ………半導体レーザモジュール
３………パッケージ
５………半導体レーザ
７………レンズ
９………レンズ
１１………反射ミラー
１３………レンズ
１５………光ファイバ
１７、１７ａ………台座
１９………基台
２０、２０ａ………孔
２１………固定部材
２３………光学ユニット
２３ａ………台座付光学ユニット
２５………回路導体
２７………金属層
２９………熱伝導性シート
３１………半田
３３………冷却部
３５………受光部

Claims (9)

1. 基台と、
   前記基台上に配置される半導体レーザと、
   を具備し、
   前記基台には、固定部材を挿通可能な孔が形成されることを特徴とする光学ユニット。
2. 前記半導体レーザから出射する光をコリメートするレンズが接合されていることを特徴とする請求項１記載の光学ユニット。
3. 前記基台の表面であって、前記孔の周囲には金属層が露出し、前記金属層は、前記基台上の回路パターンと絶縁されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記孔は、前記半導体レーザの両側方に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学ユニット。
5. 基台と、前記基台上に配置される半導体レーザと、を具備する光学ユニット、または、前記光学ユニットに台座が接合された台座付光学ユニットを用い、
   前記基台または前記台座には、固定部材を挿通可能な孔が形成され、
   前記光学ユニットが、台座、パッケージまたは冷却器に対して、前記固定部材で固定されるか、または、前記台座付光学ユニットが、パッケージまたは冷却器に対して、前記固定部材で固定されることを特徴とする光学ユニットの固定構造。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学ユニットと、
   前記半導体レーザから出射されるレーザ光が結合される光ファイバと、
   前記光学ユニットを収容するパッケージと、
   を具備し、
   前記光学ユニットが、直接または間接的に前記パッケージに対して、前記固定部材で固定されることを特徴とする半導体レーザモジュール。
7. 複数の前記光学ユニットが前記パッケージに収容され、
   それぞれの前記半導体レーザから出射されるレーザ光を、それぞれ反射する複数の反射ミラーと、
   複数の前記反射ミラーで反射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   をさらに具備し、
   複数のそれぞれの前記光学ユニットを、個々に脱着可能であることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザモジュール。
8. 前記基台の下面には、熱伝導性シートが配置され、前記光学ユニットが前記熱伝導性シートを介して接続対象と接触することを特徴とする請求項６または請求項７記載の半導体レーザモジュール。
9. 前記光ファイバは、マルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。

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