JP2021117314A

JP2021117314A - レーザダイオードモジュール

Info

Publication number: JP2021117314A
Application number: JP2020009749A
Authority: JP
Inventors: 哲久 ▲高▼實; Tetsuhisa Takami; 順佐藤; Jun Sato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-08-10

Abstract

【課題】光ファイバの入射部に入射するレーザ光の拡散と入射部における熱の除去とを効率良く両立するできるレーザダイオードモジュールを提供すること。【解決手段】レーザダイオードは、少なくとも１つのレーザダイオードチップと、レーザダイオードチップから出力されるレーザ光が入射する光ファイバ３と、伝熱部材５１と、光透過部材５２と、を備え、光ファイバ３の入射部は、伝熱部材５１と光透過部材５２との間に挟まれており、伝熱部材５１は、入射部を収容する第１の溝部５１１を有し、入射部の外周面は、第１の溝部５１１の内面５１１ａに接触している。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザダイオードモジュールに関する。

光ファイバを備えたレーザダイオードモジュール（以下、ＬＤモジュールという。）は、レーザダイオードチップ（以下、ＬＤチップという。）から出力されるレーザ光を光ファイバの入射部に入射させ、光ファイバを介してレーザ光を出射する。

ＬＤチップから出力されるレーザ光は、入射部において光ファイバのクラッドにも入射する。クラッドに入射したレーザ光は、光ファイバの被覆や光ファイバに接続される部品を発熱させるおそれがある。そのため、ＬＤモジュールには、光ファイバのクラッドに入射したレーザ光を拡散させて除去するためのモードストリッパが設けられている。

従来、モードストリッパとしては、光ファイバの被覆除去区間を覆い、光ファイバの内側クラッドよりも屈折率の高い高屈折率樹脂体と、高屈折率樹脂体を支持する熱伝導性の良い補強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）。このモードストリッパにおいて、光ファイバは、補強部材に設けられたＶ字溝内に収容されている。高屈折樹脂体は、光ファイバとＶ字溝の内面との間に配置され、光ファイバの周囲を完全に覆っている。

特開２０１８−１８９６９５号公報

上記従来の技術では、光ファイバの周囲が完全に高屈折樹脂体で覆われているため、クラッドに入射したレーザ光による熱が補強部材に伝わりにくく、外部に逃げにくいという問題がある。そのため、ＬＤモジュールにおいては、光ファイバの入射部に入射するレーザ光の拡散と入射部における熱の除去とを効率良く両立することが望まれる。

本開示の一態様に係るレーザダイオードモジュールは、少なくとも１つのレーザダイオードチップと、前記レーザダイオードチップから出力されるレーザ光が入射する光ファイバと、伝熱部材と、光透過部材と、を備え、前記光ファイバの入射部は、前記伝熱部材と前記光透過部材との間に挟まれており、前記伝熱部材は、前記入射部を収容する第１の溝部を有し、前記入射部の外周面は、前記第１の溝部の内面に接触している。

本開示の一態様によれば、ＬＤモジュールにおいては、光ファイバの入射部に入射するレーザ光の拡散と入射部における熱の除去とを効率良く両立することができる。

本開示の一態様に係るレーザダイオードモジュールの模式図である。図１中のＡ−Ａ線に沿うモードストリッパの一実施形態を示す断面図である。モードストリッパの他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。モードストリッパのさらに他の実施形態を図１中のＡ−Ａ線と同一部位に沿う断面で示す図である。

以下、本開示の一態様に係るＬＤモジュールについて図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、ＬＤモジュール１は、レーザ光を出力する少なくとも１つのＬＤチップ２と、ＬＤチップ２から出力されるレーザ光が入射する光ファイバ３とを備える。ＬＤチップ２と光ファイバ３との間には、ＬＤチップ２から出力されるレーザ光を光ファイバ３の入射部３１に集束する複数のレンズを含む光学系４が配置されている。

光ファイバ３は、図２に示すように、中心部のコア３ａとその周囲のクラッド３ｂとを有する。ＬＤチップ２から光学系４を経由して光ファイバ３の入射部３１に入射するレーザ光は、光ファイバ３のコア３ａだけでなく、クラッド３ｂにも入射する。そのため、入射部３１には、光ファイバ３のクラッド３ｂに入射したレーザ光を拡散させて除去するためのモードストリッパ５が設けられる。

モードストリッパ５は、図２に示すように、伝熱部材５１と光透過部材５２とを有する。光ファイバ３の入射部３１は、伝熱部材５１と光透過部材５２との間に挟まれている。光ファイバ３の入射部３１において、クラッド３ｂの周囲の被覆層（図示せず）は、除去されている。

伝熱部材５１は、銅、セラミックス等の熱伝導性の高い材質によってブロック状又は板状に形成されている。伝熱部材５１は光ファイバ３の入射部３１を収容する第１の溝部５１１を有する。光ファイバ３の入射部３１は、第１の溝部５１１に接触している。図２に示す第１の溝部５１１は、９０°の角度で交差する２つの内面５１１ａ，５１１ａを有するＶ溝によって構成されている。入射部３１におけるクラッド３ｂの外周面は、第１の溝部５１１の２つの内面５１１ａ，５１１ａにそれぞれ接触部Ｘ１，Ｘ１で接触している。

光透過部材５２は、光ファイバ３のクラッド３１ｂ内を伝搬するレーザ光を拡散可能なガラス、石英等の光透過性の良好な材質によってブロック状又は板状に形成されている。光透過性部材５２の外表面は、光沢が無い消し面又は粗面に形成されることによって、光拡散効果を高めている。光透過部材５２は、伝熱部材５１の上方に配置され、伝熱部材５１との間で光ファイバ３の入射部３１を挟持している。

伝熱部材５１の第１の溝部５１１内に収容された光ファイバ３の入射部３１は、図２に示すように、伝熱部材５１の上面５１ａよりも上方に僅かに突出し、光透過部材５２に接触している。詳しくは、第１の溝部５１１内に接触して収容された入射部３１のクラッド３１ｂの外周面は、光透過部材５２の下面５２ａに接触部Ｘ２で接触している。

伝熱部材５１と光透過部材５２と光ファイバ３の入射部３１とが互いに接触していない隙間は、光透過性を有する硬化性の樹脂体５３によって満たされている。樹脂体５３は接着剤として機能する。この樹脂体５３によって、光ファイバ３の入射部３１は、伝熱部材５１と光透過部材５２との間に固定される。

このモードストリッパ５において、レーザ光の入射によって入射部３１のクラッド３１ｂで発生した熱は、図２中の黒塗り矢印で示すように、クラッド３１ｂと伝熱部材５１との接触部Ｘ１，Ｘ１を介して、伝熱部材５１に速やかに伝搬する。そのため、入射部３１で発生した熱は効率良く除去される。したがって、このＬＤモジュール１によれば、光ファイバ３の入射部３１のクラッド３１ｂの光の拡散と熱の除去とを効率良く両立することができる。

なお、光ファイバ３の入射部３１の固定は、第１の溝部５１１内に収容された光ファイバ３の入射部３１と第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａとの間、及び伝熱部材５１と光透過部材５２との間に、液状（未硬化状態）の樹脂体５３を流し込んだ後に、樹脂体５３を硬化させることによって行うことができる。

液状（未硬化状態）の樹脂体５３は、第１の溝部５１１内に光ファイバ３の入射部３１が収容される前に、伝熱部材５１の第１の溝部５１１内及び伝熱部材５１の上面５１ａに塗布されてもよい。光ファイバ３の入射部３１は、第１の溝部５１１内の液状（未硬化状態）の樹脂体５３に対して押し込むことによって第１の溝部５１１内に収容される。このとき、入射部３１のクラッド３ｂは、樹脂体５３の一部を第１の溝部５１１の内部から押し出し、第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａに接触する。

このＬＤモジュール１において、光透過部材５２は、接触部Ｘ２によって入射部３１のクラッド３１ｂの外周面と接触している。そのため、クラッド３１ｂに入射したレーザ光は、図２中の白抜き矢印で示すように、光透過部材５２に速やかに伝搬して拡散される。したがってこのＬＤモジュール１によれば、入射部３１におけるレーザ光の拡散効果も高められる。

Ｖ溝からなる第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａ同士は、９０°未満の狭い角度で交差していてもよいし、９０°よりも広い角度で交差していてもよい。入射部３１のクラッド３１ｂに入射してクラッド３１ｂから伝熱部材５１側に放出されたレーザ光は、第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａでも反射する。そのため、内面５１１ａ，５１１ａ同士が９０°よりも広い角度で交差することによって、伝熱部材５１側に放出されるレーザ光を光透過部材５２側に拡散させ易くすることができる。

図１及び図２に示すように、ＬＤモジュール１は冷却部材６を有してもよい。冷却部材６は伝熱部材５１に対して接触し、冷却水、空気等が循環することによって伝熱部材５１を冷却する。伝熱部材５１が冷却されることによって、光ファイバ３の入射部３１をより効率良く冷却することができる。

図３に示すように、伝熱部材５１の第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａには、レーザ光を反射する光反射層５１２が設けられてもよい。光反射層５１２は、金めっき、多層膜等の光反射率の高い材料からなる膜によって構成される。第１の溝部５１１に光反射層５１２が設けられることによって、第１の溝部５１１内の入射部３１のクラッド３１ｂから伝熱部材５１に向かうレーザ光も、光透過部材５２側に反射させることができる。そのため、光透過部材５２による光拡散効果をより高めることができる。

図３に示す光反射層５１２は、第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａから伝熱部材５１の上面５１ａの全面に亘って設けられている。しかし、光反射層５１２は、第１の溝部５１１内の少なくとも一部に設けられていればよい。

図４に示すように、光透過部材５２は第２の溝部５２１を有してもよい。図４に示す第２の溝部５２１は、伝熱部材５１の第１の溝部５１１と同様に、傾斜状に交差する２つの内面５２１ａ，５２１ａを有するＶ溝によって構成されている。入射部３１におけるクラッド３ｂの外周面は、第２の溝部５２１の２つの内面５２１ａ，５２１ａにそれぞれ接触部Ｘ２，Ｘ２で接触している。

これによって、光ファイバ３の入射部３１は、伝熱部材５１と光透過部材５２との間でより安定して挟持される。また、光ファイバ３の入射部３１と光透過部材５２との接触部Ｘ２の数も増加するため、光拡散効果も高められる。

図５に示すように、第２の溝部５２１を有する光透過部材５２は、光ファイバ３の入射部３１を挟むように２分割されていてもよい。図５に示す光透過部材５２は、Ｖ溝からなる第２の溝部５２１の内面５２１ａ，５２１ａ同士が交差する線を境にして、２つの部材５２２，５２２に分割されている。２つの部材５２２，５２２同士は接触していない。そのため、２つの部材５２２，５２２は、それぞれ光ファイバ３の入射部３１と接触部Ｘ２，Ｘ２で接触するとともに、伝熱部材５１の上面５１ａとも接触している。

これによって、光透過部材５２は、光ファイバ３の入射部３１に対する接触を維持したまま、伝熱部材５１に対して密接することができる。そのため、入射部３１のクラッド３１ｂに発生した熱が光透過部材５２に伝搬することに起因する光透過部材５２の熱も、伝熱部材５１によって除去することができる。

図６に示すように、光ファイバ３の入射部３１と光透過部材５２との隙間に、入射部３１よりも細い複数の光透過性細線５４が設けられてもよい。複数の光透過性細線５４は、例えば光ファイバ、その他のガラス繊維等によって形成され、光ファイバ３の長さ方向（図６の紙面に対する垂直方向）に沿って延びている。光透過性細線５４は、入射部３１のクラッド３１ｂの外周面に接触し、クラッド３１ｂの周方向に密接して配列されている。

入射部３１のクラッド３１ｂにおいて、伝熱部材５１と反対側の外周面が複数の光透過性細線５４で覆われるため、クラッド３１ｂから光透過部材５２に向けて放射状に光を拡散させる効果をより高めることができる。そのため、光透過部材５２による光拡散効率をより向上させることができる。

図６に示す光透過部材５２は、図４に示す光透過部材５２と同様に、Ｖ溝からなる第２の溝部５２１を有している。第２の溝部５２１の２つの内面５２１ａ，５２１ａを複数の光透過性細線５４と接触させることによって、光拡散効果をさらに高めることも可能である。

なお、図示しないが、複数の光透過性細線５４は、入射部３１の径方向にさらに積層することによって、クラッド３１ｂの外周面に複数層設けられてもよい。また、クラッド３１ｂの外周面を複数の光透過性細線５４によって覆う場合には、複数の光透過性細線５４は光透過部材を構成する。この場合は、光透過部材５２は省略できる。

図７に示すように、光ファイバ３の入射部３１と伝熱部材５１の第１の溝部５１１との隙間に、入射部３１よりも細い複数の伝熱性細線５５が設けられてもよい。複数の伝熱性細線５５は、銅、アルミニウム等の伝熱性を有する金属細線によって形成され、入射部３１と第１の溝部５１１との非接触部分に形成される隙間において、光ファイバ３の長さ方向（図７の紙面に対する垂直方向）に沿って延びている。伝熱性細線５５は、入射部３１のクラッド３１ｂの外周面と第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａとの両方に接触している。

これによって、入射部３１のクラッド３１ｂの外周面と第１の溝部５１１の内面５１１ａ，５１１ａとの接触面積を増大させることができる。そのため、入射部３１のクラッド３１ｂで発生した熱をさらに効率良く除去することができる。

図７に示す光透過部材５２にも、図４及び図５に示す光透過部材５２の構成を適用することができる。入射部３１には、複数の伝熱性細線５５に加えて、図６に示す複数の光透過性細線５４が設けられてもよい。

伝熱部材５１の第１の溝部５１１及び光透過部材５２の第２の溝部５２１は、以上の各実施形態に示すＶ溝に制限されない。第１の溝部５１１及び第２の溝部５２１は、図８に示すように、円弧溝であってもよい。第１の溝部５１１及び第２の溝部５２１が、入射部３１の外形形状に沿う円弧溝である場合は、入射部３１のクラッド３１ｂの外周面と伝熱部材５１及び光透過部材５２との接触面積をさらに増大させることができる。円弧溝は、第１の溝部５１１及び第２の溝部５２１のいずれか一方のみであってもよい。

第１の溝部５１１及び第２の溝部５２１は、図９に示すように、矩形溝であってもよい。矩形溝も、Ｖ溝に比べて入射部３１のクラッド３１ｂの外周面との接触面積を増大させることができる。矩形溝は、第１の溝部５１１及び第２の溝部５２１のいずれか一方のみであってもよい。なお、図８及び図９において、冷却部材６の図示は省略した。

１レーザダイオードモジュール
２レーザダイオードチップ
３光ファイバ
３１入射部
５１伝熱部材
５１１第１の溝部
５１１ａ第１の溝部の内面
５１２光反射層
５２光透過部材
５２１第２の溝部
５２１ａ第２の溝部の内面
５４光透過性細線
５５伝熱性細線
６冷却部材

Claims

少なくとも１つのレーザダイオードチップと、
前記レーザダイオードチップから出力されるレーザ光が入射する光ファイバと、
伝熱部材と、
光透過部材と、を備え、
前記光ファイバの入射部は、前記伝熱部材と前記光透過部材との間に挟まれており、
前記伝熱部材は、前記入射部を収容する第１の溝部を有し、
前記入射部の外周面は、前記第１の溝部の内面に接触している、レーザダイオードモジュール。
前記入射部は、前記伝熱部材と前記光透過部材との両方に接触している、請求項１に記載のレーザダイオードモジュール。
前記入射部と前記第１の溝部との隙間に前記入射部よりも細い伝熱性細線を有し、
前記伝熱性細線は、前記入射部と前記伝熱部材との両方に接触している、請求項１又は２に記載のレーザダイオードモジュール。
前記第１の溝部は、Ｖ溝、矩形溝、円弧溝のいずれかである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記光透過部材は、前記入射部を収容する第２の溝部を有し、
前記入射部の外周面は、前記第２の溝部の内面に接触している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記第２の溝部は、Ｖ溝、矩形溝、円弧溝のいずれかである、請求項５に記載のレーザダイオードモジュール。
前記光透過部材は、前記入射部を挟むように２分割され、それぞれ前記入射部と前記伝熱部材との両方に接触している、請求項５又は６に記載のレーザダイオードモジュール。
前記入射部と前記光透過部材との隙間に、前記入射部よりも細い複数の光透過性細線を有し、
前記光透過性細線は、前記入射部と前記光透過部材との両方に接触している、請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記光透過部材は、前記入射部よりも細い複数の光透過性細線によって構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記伝熱部材を冷却する冷却部材を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記伝熱部材の前記第１の溝部の内面には、レーザ光を反射する光反射層が設けられている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。
前記伝熱部材は、銅及びセラミックスのいずれかである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザダイオードモジュール。