JP2017162965A - マルチ波長レーザ光源モジュール、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール、及び半導体レーザ光源ユニットの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源モジュールを小型化しても放熱効率が高い構成のマルチ波長レーザ光源モジュールを提供して、例えば、実用的な円柱型の立体形状のレーザ光源実装体を実現する。【解決手段】マルチ波長レーザ光源モジュールは、柱形状の一方の端の壁面から前記柱形状の延在方向に延びる孔が設けられた、半導体レーザ光源ユニットのホルダーと、前記孔に配置され、前記孔の壁面と対向し、熱を前記壁面に伝達する熱伝達面を備える少なくとも１つ以上の熱伝導ブロックと、前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、前記熱伝導ブロックと接合した複数の半導体レーザ光源ユニットと、を備える。前記半導体レーザ光源ユニットによるレーザ光の発光時、前記熱伝導ブロックには、前記熱伝導ブロックの、前記半導体レーザ光源ユニットと接する接合面から前記熱伝達面に向かって温度が低くなる温度勾配が設けられる。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットを実装したマルチ波長レーザ光源モジュール、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール、及びマルチ波長レーザ光源モジュールに実装された複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットの冷却方法に関する。

従来光通信に分野では、複数の波長の光の合波にアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ＝Array Wave-Guide Grating）が多く用いられている。一方、投射型の小型レーザディスプレイにおいては、携帯端末や車に使用するために、小型化された光源モジュールが用いられることが好ましい。光源モジュールには、半導体レーザ素子が用いられる。

このような半導体レーザ素子を用いたレーザ光源モジュールは、小型化されるので、放熱は十分でなく光源モジュールが冷却されにくい。
また、レーザ光源モジュールでは、波長が異なる複数のレーザ光を１つの点光源とするために、レーザ光の発光点同士を互いに近づけている。このため、複数の半導体レーザ素子もお互いに近づけて高密度に実装しなければならず、レーザ光源モジュールでは、半導体レーザ素子の発する熱が局所的に集まりやすく、放熱し難い構成となっていた。

レーザ光源モジュールの一例として、各半導体レーザ素子の発光点間の距離が短く光学設計が容易で放熱特性に優れ、且つ製造が容易な多波長半導体レーザ装置が知られている（特許文献１）。
この多波長半導体レーザ装置では、ブロックと、発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子とを有し、上記ブロックには底面と２つの側面を有する断面コの字型の溝が所定の方向に形成され、半導体レーザ素子は、レーザ光の出射方向が所定の方向に沿うように溝の底面上および側面上に配置される。

特開２０１０−２８７６１３号公報

上記構成では、半導体レーザ素子の発する熱を柱形状のブロックを経由して外部に放熱することができるので、レーザ光源モジュールは優れた放熱特性を備える。しかし、レーザ光源モジュールを小型化して、半導体レーザ素子を高密度で実装した場合、放熱効率がよりいっそう高くなることが好ましい。

そこで、本発明は、上記構成とは異なる新たな構成により、レーザ光源モジュールを小型化しても、放熱効率が高い構成のマルチ波長レーザ光源モジュール及び合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールを提供するとともに、放熱効率の高い半導体レーザ光源ユニットの冷却方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットを実装したマルチ波長レーザ光源モジュールである。当該マルチ波長レーザ光源モジュールは、
熱伝導材料で構成され、柱形状を成し、前記柱形状の一方の端の壁面から前記柱形状の延在方向に延びる孔が設けられたホルダーと、
前記孔に配置され、前記孔の壁面と対向し、熱を前記壁面に伝達する熱伝達面を備える、熱伝導材料で構成された少なくとも１つ以上の熱伝導ブロックと、
前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、前記熱伝導ブロックと接合した複数の半導体レーザ光源ユニットと、を備える。
前記半導体レーザ光源ユニットは、前記柱形状の延在方向に延びる中心軸の周りに配置され、
前記半導体レーザ光源ユニットによるレーザ光の発光時、前記熱伝導ブロックには、前記熱伝導ブロックの、前記半導体レーザ光源ユニットと接する接合面から前記熱伝達面に向かって温度が低くなる温度勾配が設けられる。
前記半導体レーザ光源ユニットは、前記熱伝導ブロック上に、例えばダイボンディングで接合されることが好ましい。また前記熱伝達面も前記ホルダーと例えばダイボンディングで接合されることが好ましい。

前記マルチ波長レーザ光源モジュールの一形態として、
前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、前記熱伝導ブロックを複数備え、
前記複数の熱伝導ブロックのそれぞれには、前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、波長が互いに異なるレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットが１つずつ接合され、
前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれの発光点の位置は、前記熱伝導ブロックが前記半導体レーザ光源ユニットと接合する接合面の位置に比べて前記柱形状の前記中心軸に近く、前記接合面の位置は、前記熱伝達面の少なくとも一部の面の位置に比べて前記中心軸に近い、ことが好ましい。
前記熱伝導ブロックのそれぞれには、例えば、前記半導体レーザ光源ユニットが１つずつダイボンディングされる。

その際、前記熱伝導ブロックそれぞれの前記熱伝達面の、前記柱形状の周方向における位置は、前記柱形状の延在方向からみて、前記熱伝導ブロックのそれぞれに設けられた前記半導体レーザ光源ユニットの発光点の前記周方向の両側の場所にある、ことが好ましい。

前記熱伝導ブロックの前記延在方向からみた断面形状は、前記中心軸から遠ざかるに連れて前記熱伝導ブロックの幅が広がる形状であり、前記孔の前記延在方向からみた形状は、前記熱伝導ブロックの前記断面形状に対応する形状である、ことが好ましい。
また、１つの点光源としてレーザ光を出射するように、前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれの発光点の位置を接近させる、ことが好ましい。

また、前記マルチ波長レーザ光源モジュールの他の一形態として、
前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、前記熱伝導ブロックを１つ備え、
前記熱伝導ブロックには、前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、波長が互いに異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ光源ユニットが接合され、
前記半導体レーザ光源ユニットは、前記熱伝導ブロックの前記柱形状の側面の外周上に設けられ、前記熱伝達面の、前記孔の内周に沿った周方向の位置は、隣り合う半導体レーザ光源ユニットの間に位置する、ことが好ましい。
前記熱伝導ブロックには、前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれが、例えばダイボンディングで接合される。

前記熱伝導ブロックの前記半導体レーザ光源ユニットと接合する接合面の位置は、前記熱伝達面の位置に比べて、前記中心軸に近い、ことが好ましい。

前記接合面は、前記熱伝導ブロックの前記柱形状の延在方向に延びる溝の底面にある、ことが好ましい。
また、前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、筐体で覆われたパッケージであって、
前記ホルダーは、前記筐体である、ことが好ましい。

本発明の他の一態様は、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールである。当該合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールは、
前記マルチ波長レーザ光源モジュールと、
前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれから出射したレーザ光を合波して点光源として出射する合波器と、
前記半導体レーザ光源ユニットと前記合波器の間に設けられ、前記レーザ光を前記合波器に入射させる結合レンズと、を有する。
前記合波器は、前記レーザ光の入射口と、前記レーザ光の入射口に入射した前記レーザ光をガイドする、壁面が前記レーザ光を全反射するように反射膜が前記壁面に設けられた連続孔で構成された複数の光導波路と、前記光導波路が１つに結合することにより、前記レーザ光を合波する結合部と、合波されたレーザ光を出射する出射口と、を備える。

本発明の他の一態様も、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールである。当該合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールは、
前記マルチ波長レーザ光源モジュールと、
前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれから出射したレーザ光を合波して点光源として出射する合波器と、
前記半導体レーザ光源ユニットと前記合波器の間に設けられ、前記レーザ光を前記合波器に入射させる結合レンズと、を有する。
前記合波器は、コア及びクラッドで構成され、入射した前記レーザ光それぞれを伝送する複数の光ファイバ素線と、前記光ファイバ素線のそれぞれを集め、前記コア同士が当接するようにレーザ光を近接させて出射させる出射端部と、を有する。

本発明のさらに他の一態様は、マルチ波長レーザ光源モジュールに実装された複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットの冷却方法である。当該冷却方法で用いる前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、
熱伝導材料で構成されて柱形状を成し、前記柱形状の一方の端の壁面から前記柱形状の延在方向に延びる孔が設けられたホルダーと、
前記孔に配置され、前記孔の壁面と対向し、熱を前記壁面に伝達する熱伝達面を備える、熱伝導材料で構成された少なくとも１つ以上の熱伝導ブロックと、
前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、前記熱伝導ブロックと接合した複数の半導体レーザ光源ユニットと、を備える。
前記半導体レーザ光源ユニットは、前記柱形状の延在方向に延びる中心軸の周りに配置され、
前記半導体レーザ光源ユニットによるレーザ光の発光時、前記半導体レーザ光源ユニットの熱を、前記熱伝導ブロックの、前記半導体レーザ光源ユニットと接する接合面から前記熱伝達面に向かって流し、前記ホルダーの外周から放射させることにより、前記半導体レーザ光源ユニットを冷却する。
前記半導体レーザ光源ユニットは、前記熱伝導ブロック上に、例えばダイボンディングで接合されることが好ましい。また前記熱伝達面も前記ホルダーと例えばダイボンディングで接合されることが好ましい。

上述のマルチ波長レーザ光源モジュール、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール、及び半導体レーザ光源ユニットの冷却方法によれば、レーザ光源モジュールを小型化しても、放熱効率が高くすることができる。

第１実施形態の合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの外観斜視図である。 図１に示すマルチ波長レーザ光源モジュールの一部分の分解斜視図である。 （ａ）は、第１実施形態で用いる半導体レーザ光源ユニットが接合した熱伝導ブロックの外観斜視図であり、（ｂ）は、第１実施形態の半導体レーザ光源ユニットの分解斜視図である。 第１実施形態で用いる合波器の一例の構成を示す図である。 第２実施形態の合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの一部分の分解斜視図である。 図５に示す合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの熱伝導ブロックから半導体レーザ光源ユニットを分離した斜視図である。

以下、本発明のマルチ波長レーザ光源モジュール、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール、及び半導体レーザ光源ユニットの冷却方法について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの外観斜視図であり、図２は、図１に示す合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの一部分の分解斜視図であり、図３（ａ）は、第１実施形態で用いる半導体レーザ光源ユニットが接合した熱伝導ブロックの外観斜視図であり、図３（ｂ）は、第１実施形態の半導体レーザ光源ユニットの分解斜視図である。

図１に示す合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール１０は、マルチ波長レーザ光源モジュール１２と、合波器１４と、を備える。
マルチ波長レーザ光源モジュール１２は、１つの半導体レーザ光源ユニット１６が１つの熱伝導ブロック１８に接合された組立体２０が３セットあり、この３セットの組立体２０がホルダー２２に固定されるように構成されている。

ホルダー２２は、半導体レーザ光源ユニット１６を含んだ組立体２０を固定する部材であり、半導体レーザ光源ユニット１６を固定する部材である。ホルダー２２は、例えば銅やアルミニウムあるいは銅タングステン合金等の熱伝導材料で構成され、柱形状を成している。本実施形態で用いるホルダー２２の熱伝導材は、熱伝導率が１７０〜２３０（Ｗ／ｍ／Ｋ）、あるいは２００（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上であることが好ましく、例えば２００〜４００（Ｗ／ｍ／Ｋ）であることがより好ましい。ホルダー２２には、柱形状の一方の端の壁面から柱形状の延在方向、すなわち、図２中のｘ方向に延びる孔２２ａが設けられている。この孔２２ａに、半導体レーザ光源ユニット１６を含んだ組立体２０を挿入して孔２２ａの壁面（孔２２ａを囲む壁面）に組立体２０を固定することにより、半導体レーザ光源ユニット１６をホルダー２２内に固定することができる。

熱伝導ブロック１８は、ホルダー２２に設けられた孔２２ａに挿入されて配置される。熱伝導ブロック１８は、孔２２ａの壁面（孔２２ａを囲む壁面）と対向し、熱を壁面に伝達する熱伝達面１８ａ，１８ｂを備える。熱伝導ブロック１８の熱伝達面１８ａ，１８ｂは、孔２２ａの壁面と直接接し、熱伝達面１８ａ，１８ｂ以外の部分と孔２２ａの壁面とが接合して固定される構成でもよいし、熱伝達面１８ａ，１８ｂは、熱伝導性が良いはんだ材（接着材）からなる接合層を介して孔２２ａの壁面と対向するように固定される構成であってもよい。熱伝導ブロック１８は、銅あるいはアルミニウムあるいは銅タングステン合金等の熱伝導材料で構成されている。熱伝導ブロック１８の熱伝導材料は、熱伝導率が１７０〜２３０（Ｗ／ｍ／Ｋ）、あるいは２００（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上であることが好ましく、例えば２００〜４００（Ｗ／ｍ／Ｋ）であることが好ましい。

半導体レーザ光源ユニット１６は、ホルダー２２の柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、熱伝導ブロック１８と接合して、ホルダー２２内に配置される。半導体レーザ光源ユニット１６は、ＣｏＳ（Chip on Submount）型半導体レーザ素子で構成される。具体的には、半導体レーザ光源ユニット１６は、半導体レーザ素子１６ａと、サブマウント１６ｂと、電極１６ｃ，１６ｄと、を含み、さらに、結合レンズ１６ｅを含む。半導体レーザ光源ユニット１６は、熱伝導ブロック１８と、ダイボンダを用いてダイボンディングにより接合されることが好ましい。以降、接合という場合、ダイボンダを用いてダイボンディングにより接合することを含む。ダイボンディングでは、熱伝導性が良いはんだ材（接着材）、例えば、ＡｕＳｎ（金錫）合金やＳｎＡｇＣｕ（錫銀銅）合金のはんだ材（接着材）を用いることが好ましい。

半導体レーザ素子１６ａは、シングル横モード型であり、例えば１００ｍＷ以上の高出力のレーザ光を発光する。半導体レーザ素子１６ａは、シングル横モード型であるが、シングル横モード型に限定されず、マルチ横モード型であってもよい。ホルダー２２に固定される３つの半導体レーザ素子１６ａは、お互いに波長が異なるレーザ光を発光する。レーザ光は、例えば、６３８ｎｍ、５２０ｎｍ及び４５０ｎｍ等の赤、緑、及び青の三波長の光である。シングル横モード型の半導体レーザ素子１６ａの場合、例えば、発散全角ＦＡＨＭ（Full Angle at Half Maximum）＝２５°のファスト軸ＦＡ（Fast Axis）に沿った発光点（エミッタ）幅は約１．５μｍ以下、例えば１μｍであり、ＦＡＨＭ＝１０°のスロー軸ＳＡ（Slow Axis）に沿った発光点幅は約５μｍであり、ビーム品質指数エムスクエアＭ^２は、大よそ１．２である。

サブマウント１６ｂは、半導体レーザ素子１６ａを載置する部材であり、材料として窒化アルミニウムが用いられることが好ましい。
電極１６ｃ，１６ｄは、熱伝導ブロック１８に載置され、図示されない電源に接続されて、半導体レーザ素子１６ａに電力を供給する。
結合レンズ１６ｅは、半導体レーザ素子１６ａと後述する合波器１４との間に設けられ、発光したレーザ光のそれぞれを後述する合波器１４の入射口１４ａに入射させるものである。

第１実施形態の３つの半導体レーザ光源ユニット１６は、図２に示されるように、柱形状の延在方向に延びる中心軸Ａｘｉｓの周りに間隔をあけて、好ましくは周方向に等間隔（１２０度間隔）で、配置される。半導体レーザ光源ユニット１６によるレーザ光の発光時、熱伝導ブロック１８には、熱伝導ブロック１８の、半導体レーザ光源ユニット１６と接する接合面１８ｃから熱伝達面１８ａ，１８ｂに向かって温度が低くなる温度勾配が設けられる。接合面１８ｃから熱伝達面１８ａ，１８ｂに向かって半導体レーザ素子１６ａが発する熱が温度勾配に沿って流れるので、ホルダー２２に向かって効率よく熱が流れ、ホルダー２２から外部に放熱される。したがって、本実施形態のレーザ光源モジュールを小型化しても、放熱効率が高い。

本実施形態では、図１に示すように、合波器１４が、３つの結合レンズ１６ｅのレーザ光の出射方向前方に設けられている。図４は、第１実施形態で用いる合波器１４の一例の構成を示す図である。合波器１４は、レーザ光の入射口１４ａと、３つのレーザ光のそれぞれをガイドする、壁面がレーザ光を全反射するように反射膜が壁面に設けられた連続孔で構成された３つの光導波路１４ｂと、光導波路１４ｂが１つに結合することにより、異なる波長のレーザ光を合波する結合部１４ｃと、合波されたレーザ光を出射する出射口１４ｄと、を有する。

なお、図１、２、４に示す合波器１４の光導波路の断面寸法は、理解し易いように、拡大して描かれている。
レーザ光は、シングル横モード型なので、合波器１４の光導波路１４ｂの断面形状は、特に制限されず、円形状あるいは矩形形状であってもよい。実用化レベルでは、例えば数μｍ程度の辺を備える矩形形状、あるいは数μｍ程度の直径の円形形状である。

なお、合波器１４の光導波路１４ｂは中空の連続孔で構成された形態であるが、中空の連続孔で構成された光導波路１４ｂの代わりに、コア及びクラッドで構成され、レーザ光それぞれを入射させて伝送する複数の光ファイバ素線を用いることもできる。この場合、光ファイバ素線のそれぞれを集め、コア同士が当接するようにレーザ光を近接させて出射させる出射端部を有することが好ましい。
すなわち、シングル横モード型の場合、光ファイバ素線の開口径ＮＡは、０．１２〜０．２５であって、コア径が３〜７μｍのものであることが好ましい。光ファイバ素線は、低融点無機ガラスあるいは樹脂を材質とするものを用いることが好ましい。３つの発光点は、正三角形の頂点に位置するように設けられ、この状態でバンドルされた３つの光ファイバ素線の隣り合うコアが互いに当接するように、コア間の距離は１０μｍ以下、特に７μｍ以下になっていることが好ましい。

なお、マルチ波長レーザ光源モジュール１０は、図２に示すように、熱伝導ブロック１８を複数備える場合、複数の熱伝導ブロック１８ａのそれぞれには、ホルダー２２の柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、波長が互いに異なるレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニット１６ａが接合される。このとき、半導体レーザ素子１６ａそれぞれの発光点１６ｆの位置は、熱伝導ブロック１８が半導体レーザ光源ユニット１６と接合する接合面１６ａの位置に比べて、ホルダー２２の柱形状の中心軸Ａｘｉｓに近く、接合面１６ａの位置は、熱伝達面１８ａ，１８ｂの少なくとも一部の面の位置に比べて中心軸Ａｘｉｓに近いことが好ましい。このような形態により、３つの半導体レーザ素子１６ａの発光点１６ｆの位置を互いに近づけつつ、例えば、３つの発光点を直径１００μｍの１つの円内に入るように接近させることができ、合波器１４を使わなくても、そのまま、３つの発光点１６ｆを一つの光源としてレーザ光を出射させることもできる。このように、半導体レーザ素子１６ａ同士が中心軸Ａｘｉｓに近づいて半導体レーザ素子１６ａの発する熱が局所的に集中しても、熱伝導ブロック１８ａの機能により半導体レーザ素子１６ａの発する熱の放熱性を向上させることができる。

また、熱伝導ブロック１８それぞれの熱伝達面１８ａ，１８ｂの、ホルダー２２の外周に沿った周方向、すなわち図２中のθ方向における位置は、ホルダー２２の柱形状の延在方向からみて、熱伝導ブロック１８のそれぞれに設けられた半導体レーザ素子１６ａの発光点１６ｆの周方向の両側の場所にあることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１６ａが発する熱を効率よく周方向の両側の熱伝達面１８ａ，１８ｂからホルダー２２に移動させることができる。

熱伝導ブロック１８の延在方向からみた断面形状は、中心軸Ａｘｉｓから遠ざかるに連れて熱伝導ブロック１８の幅が広がる形状であり、ホルダー２２に設けられる孔２２ａの延在方向（ｘ方向）からみた断面形状は、熱伝導ブロック１８の断面形状に対応する形状であることが好ましい。このため、熱伝導ブロック１８を孔２２ａの所定の位置に位置ずれすることなく位置決めできるので、３つの半導体レーザ素子１６ａの発光点１６ｆの位置を正確に位置決めすることができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの一部分の分解斜視図であり、図６は、図５に示す合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュールの熱伝導ブロックから半導体レーザ光源ユニットを分離した斜視図である。
図５に示す合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール１１０は、組立体１２０がホルダー１２２から取り出されている状態にある。合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール１１０は、マルチ波長レーザ光源モジュール１１２と、合波器１１４と、を備える。マルチ波長レーザ光源モジュール１１２は、４つの半導体レーザ光源ユニット１１６が１つの熱伝導ブロック１１８に接合された組立体１２０が、ホルダー１２２の孔１２２ａに挿し込んで固定されるように構成される。

ホルダー１２２は、孔１２２ａの形状が異なる以外、ホルダー１２と同様の構成を有するので孔１２２ａ以外の説明は省略する。ホルダー１２２は柱形状を成している。ホルダー１２２には、柱形状の延在方向（図５のｘ方向）の一方の端の壁面から延在方向に延びる孔１２２ａが設けられている。孔１２２ａの延在方向と直交する断面形状は円形状である。

熱伝導ブロック１１８は、第１実施形態の複数の熱伝導ブロック１８と異なり１つである。熱伝導ブロック１１８は、ホルダー１２２に設けられた孔１２２ａに挿入されて配置される。熱伝導ブロック１１８は、孔１２２ａの壁面（孔１２２ａを囲む壁面）と対向し、熱を壁面に伝達する熱伝達面１１８ａを備える。熱伝導ブロック１１８の熱伝達面１１８ａは、孔１２２ａの壁面と直接接し、熱伝達面１１８ａ以外の部分と孔１２２ａの壁面とがはんだで固定される構成でもよいし、熱伝達面１１８ａは、はんだからなる接合層を介して孔１２２ａの壁面と対向するように固定される構成であってもよい。熱伝導ブロック１１８は、銅あるいはアルミニウムあるいは銅タングステン合金等の熱伝導材料で構成されている。熱伝導ブロック１１８の熱伝導材料は、熱伝導率が１７０〜２３０（Ｗ／ｍ／Ｋ）、あるいは２００（Ｗ／ｍ／Ｋ）以上であることが好ましく、例えば２００〜４００（Ｗ／ｍ／Ｋ）であることが好ましい。

４つの半導体レーザ光源ユニット１１６は、ホルダー１２２の柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、熱伝導ブロック１１８と接合して、ホルダー２２内に配置される。４つの半導体レーザ光源ユニット１１６は、ＣｏＳ（Chip on Submount）型半導体レーザ素子で構成され、それぞれ、半導体レーザ素子１１６ａと、サブマウント１１６ｂと、電極１１６ｃ，１１６ｄとを含み、さらに、結合レンズ１１６ｅを含む。

４つの半導体レーザ素子１１６ａは、互いに異なる波長のレーザ光を出射する。４つのレーザ光は、例えば、６３８ｎｍ、５２０ｎｍ及び４５０ｎｍ等の赤、緑、及び青の三波長の光と、７００ｎｍ超の波長を有する赤外光（近赤外光、中赤外光、遠赤外光を含む）である。４つの半導体レーザ素子１１６ａが、１つの熱伝導ブロック１１８に接合するように設けられている。半導体レーザ素子１１６ａは、１つの熱伝導ブロック１１８の外周にθ方向に間隔をあけて、好ましくは等間隔で、配置されている。半導体レーザ素子１１６ａは、シングル横モード型であり、１００ｍＷ以上の高出力のレーザ光を発光する。半導体レーザ素子１１６ａは、シングル横モード型であるが、シングル横モード型に限定されず、マルチ横モード型であってもよい。シングル横モード型の半導体レーザ素子１１６ａの場合、例えば、発散全角ＦＡＨＭ（Full Angle at Half Maximum）＝２５°のファスト軸ＦＡ（Fast Axis）に沿った発光点（エミッタ）幅は約１．５μｍ以下、例えば１μｍであり、ＦＡＨＭ＝１０°のスロー軸ＳＡ（Slow Axis）に沿った発光点幅は約５μｍであり、ビーム品質指数エムスクエアＭ^２は、大よそ１．２である。

サブマウント１１６ｂと、電極１１６ｃ，１１６ｄ、結合レンズ１１６ｅは、第１実施形態のサブマウント１６ｂと、電極１６ｃ，１６ｄ、結合レンズ１６ｅと同様の構成を有するので、これらの説明は省略する。

第２実施形態の半導体レーザ光源ユニット１１６は、熱伝導ブロック１１８の柱形状の側面の外周上に設けられ、熱伝達面１１８ａの、孔１２２ａの内周に沿った周方向、すなわち図５に示すθ方向の位置は、隣り合う半導体レーザ光源ユニット１１６，１１６の間に位置している。このような形態においても、半導体レーザ素子１１６ａによるレーザ光の発光時、熱伝導ブロック１１８には、熱伝導ブロック１１８の、半導体レーザ光源ユニット１１６と接する接合面から熱伝達面１１８ａに向かって温度が低くなる温度勾配が設けられる。このため、半導体レーザ素子１１６aが発する熱は、周方向の両側にある熱伝達面１１８ａからホルダー１２２に効率よく伝達される。

図５に示すように、第２実施形態の、半導体レーザ光源ユニット１１６と接合する熱伝導ブロック１１８の接合面の位置は、熱伝達面１１８ａの位置に比べて、中心軸Ａｘｉｓに近いことが好ましい。
また、半導体レーザ光源ユニット１１６と接合する、熱伝導ブロック１１８の接合面は、熱伝導ブロック１１８の柱形状の延在方向に延びる溝の底面にあることが好ましい。４つの半導体レーザ光源ユニット１１６は熱伝導ブロック１１８の溝の底面で接合するので、４つの半導体レーザ素子１１６ａの発光点１１６ｆの位置を正確に位置決めすることができる。

第１実施形態では、合波器１４を用いて複数のレーザ光の点光源を形成するが、合波器１４を用いなくてよい場合もある。例えば、図１中において、３つの半導体レーザ素子１６ａの発光点１６ｆの離間距離を１００μｍ以下に近づける場合、実質的に３つの発光点１６ｆを１つの点光源として機能させることができるので、合波器１４を用いる必要がなくなる。

以上のように、第１実施形態、第２実施形態の半導体レーザ光源ユニット１６，１１６は、ホルダー２２，１２２の柱形状の延在方向に延びる中心軸Ａｘｉｓの周りに間隔をあけて配置され、半導体レーザ光源ユニット１６，１１６によるレーザ光の発光時、半導体レーザ光源ユニット１６，１１６の熱を、熱伝導ブロック１８，１１８の、半導体レーザ光源ユニット１６，１１６と接する接合面から熱伝達面１８ａ，１８ｂに向かって流し、ホルダー２２，１２２の外周から放射させることにより、半導体レーザ光源ユニット１６，１１６を冷却する。このため、レーザ光源モジュール１０，１１０を小型化しても、放熱効率を高くすることができる。

第１実施形態及び第２実施形態で示されるマルチ波長レーザ光源モジュールは、筐体で覆われた立体形状のパッケージ、例えば円柱形状の金属カンで周りが覆われたΦ３ｍｍ、Φ５．６ｍｍ、Φ９ｍｍ等のコンパクトな立体形状のカン型パッケージとすることができる。この場合、ホルダー２２，１２２は、パッケージの筐体であることが好ましい。このような立体形状のパッケージは、熱伝達性がよく、より多い高出力（大電流で高発熱）のレーザ光源ユニットを実装することができる。特に、第１実施形態及び第２実施形態で示されるマルチ波長レーザ光源モジュールをコンパクトな立体形状のカン型パッケージとして、時計型あるいはめがね型ウェアラブル端末、レーザ表示装置を備えた玩具ロボット等のデバイスへ実装される場合、このマルチ波長レーザ光源モジュールは、デバイスへの実装のし易さ、放熱に対する設計の容易さ、デバイスの形態に合わせた形状変更の容易さの点で優れている。

以上、本発明のマルチ波長レーザ光源モジュール、合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール、及び半導体レーザ光源ユニットの冷却方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０，１１０ 合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール
１２，１１２ マルチ波長レーザ光源モジュール
１４，１１４ 合波器
１４ａ 入射口
１４ｂ 光導波路
１４ｃ 結合部
１４ｄ 出射口
１６，１１６ 半導体レーザ光源ユニット
１６ａ，１１６ａ 半導体レーザ素子
１６ｂ，１１６ｂ サブマウント
１６ｃ，１６ｄ，１１６ｃ，１１６ｄ 電極
１６ｅ，１１６ｅ 結合レンズ
１６ｆ，１１６ｆ 発光点
１８，１１８ 熱伝導ブロック
１８ａ，１８ｂ，１１８ａ 熱伝達面
１８ｃ 接合面
２０，１２０ 組立体
２２，１２２ ホルダー
２２ａ，１２２ａ 孔

Claims (12)

1. 複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットを実装したマルチ波長レーザ光源モジュールであって、
   熱伝導材料で構成され、柱形状を成し、前記柱形状の一方の端の壁面から前記柱形状の延在方向に延びる孔が設けられたホルダーと、
   前記孔に配置され、前記孔の壁面と対向し、熱を前記壁面に伝達する熱伝達面を備える、熱伝導材料で構成された少なくとも１つ以上の熱伝導ブロックと、
   前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、前記熱伝導ブロックに接合される複数の半導体レーザ光源ユニットと、を備え、
   前記半導体レーザ光源ユニットは、前記柱形状の延在方向に延びる中心軸の周りに配置され、
   前記半導体レーザ光源ユニットによるレーザ光の発光時、前記熱伝導ブロックには、前記熱伝導ブロックの、前記半導体レーザ光源ユニットと接する接合面から前記熱伝達面に向かって温度が低くなる温度勾配が設けられる、ことを特徴とするマルチ波長レーザ光源モジュール。
2. 前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、前記熱伝導ブロックを複数備え、
   前記複数の熱伝導ブロックのそれぞれには、前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、波長が互いに異なるレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットが１つずつ接合され、
   前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれの発光点の位置は、前記熱伝導ブロックが前記半導体レーザ光源ユニットと接合する接合面の位置に比べて前記柱形状の前記中心軸に近く、前記接合面の位置は、前記熱伝達面の少なくとも一部の面の位置に比べて前記中心軸に近い、請求項１に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
3. 前記熱伝導ブロックそれぞれの前記熱伝達面の、前記柱形状の周方向における位置は、前記柱形状の延在方向からみて、前記熱伝導ブロックのそれぞれに設けられた前記半導体レーザ光源ユニットの発光点の前記周方向の両側の場所にある、請求項２に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
4. 前記熱伝導ブロックの前記延在方向からみた断面形状は、前記中心軸から遠ざかるに連れて前記熱伝導ブロックの幅が広がる形状であり、前記孔の前記延在方向からみた形状は、前記熱伝導ブロックの前記断面形状に対応する形状である、請求項２または３に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
5. １つの点光源としてレーザ光を出射するように、前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれの発光点の位置を接近させた、請求項２〜４のいずれか１項に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
6. 前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、前記熱伝導ブロックを１つ備え、
   前記熱伝導ブロックには、前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、波長が互いに異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ光源ユニットが接合され、
   前記半導体レーザ光源ユニットは、前記熱伝導ブロックの前記柱形状の側面の外周上に設けられ、前記熱伝達面の、前記孔の内周に沿った周方向の位置は、隣り合う半導体レーザ光源ユニットの間に位置する、請求項１に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
7. 前記熱伝導ブロックの前記半導体レーザ光源ユニットと接合する接合面の位置は、前記熱伝達面の位置に比べて、前記中心軸に近い、請求項６に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
8. 前記接合面は、前記熱伝導ブロックの前記柱形状の延在方向に延びる溝の底面にある、請求項６または７に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
9. 前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、筐体で覆われた立体形状のパッケージであって、
   前記ホルダーは、前記筐体である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマルチ波長レーザ光源モジュール。
10. 請求項１〜４及び請求項６〜９のいずれか１項に記載のマルチ波長レーザ光源モジュールと、
    前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれから出射したレーザ光を合波して点光源として出射する合波器と、
    前記半導体レーザ光源ユニットと前記合波器の間に設けられ、前記レーザ光を前記合波器に入射させる結合レンズと、を有し、
    前記合波器は、前記レーザ光の入射口と、前記入射口に入射した前記レーザ光をガイドする、壁面が前記レーザ光を全反射するように反射膜が前記壁面に設けられた連続孔で構成された複数の光導波路と、前記光導波路が１つに結合することにより、前記レーザ光を合波する結合部と、合波されたレーザ光を出射する出射口と、を備える、ことを特徴とする合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール。
11. 請求項１〜４及び請求項６〜９のいずれか１項に記載のマルチ波長レーザ光源モジュールと、
    前記半導体レーザ光源ユニットそれぞれから出射したレーザ光を合波して点光源として出射する合波器と、
    前記半導体レーザ光源ユニットと前記合波器の間に設けられ、前記レーザ光を前記合波器に入射させる結合レンズと、を有し、
    前記合波器は、コア及びクラッドで構成され、入射した前記レーザ光それぞれを伝送する複数の光ファイバ素線と、前記光ファイバ素線のそれぞれを集め、前記コア同士が当接するようにレーザ光を近接させて出射させる出射端部と、を有する、ことを特徴とする合波器付きマルチ波長レーザ光源モジュール。
12. マルチ波長レーザ光源モジュールに実装された複数の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ光源ユニットの冷却方法であって、
    前記マルチ波長レーザ光源モジュールは、
    熱伝導材料で構成されて柱形状を成し、前記柱形状の一方の端の壁面から前記柱形状の延在方向に延びる孔が設けられたホルダーと、
    前記孔に配置され、前記孔の壁面と対向し、熱を前記壁面に伝達する熱伝達面を備える、熱伝導材料で構成された少なくとも１つ以上の熱伝導ブロックと、
    前記ホルダーの前記柱形状の延在方向にレーザ光が出射するように、前記熱伝導ブロックと接合した複数の半導体レーザ光源ユニットと、を備え、
    前記半導体レーザ光源ユニットは、前記柱形状の延在方向に延びる中心軸の周りに配置され、
    前記半導体レーザ光源ユニットによるレーザ光の発光時、前記半導体レーザ光源ユニットの熱を、前記熱伝導ブロックの、前記半導体レーザ光源ユニットと接する接合面から前記熱伝達面に向かって流し、前記ホルダーの外周から放射させることにより、前記半導体レーザ光源ユニットを冷却する、ことを特徴とする冷却方法。

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