JP2023042099A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ素子の放熱性を確保しつつ、表面張力による接合材の盛り上がりを抑える。【解決手段】サブマウント４５には、レーザ素子４０が載置される。第１ブロック１０には、サブマウント４５が載置される。サブマウント４５と第１ブロック１０との間には、接合材４６が設けられる。第１ブロック１０におけるレーザ素子４０の発光面側の側面には、突出部１５が設けられる。突出部１５は、サブマウント４５よりも下方でレーザ光ＬＢの出射方向の前方に突出する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザモジュールに関するものである。

特許文献１には、レーザ素子が接合されたサブマウントが、ヒートシンクの表面上に第２のはんだ層を介して接合された半導体レーザ装置が開示されている。

ここで、第２のはんだ層を形成する際の余剰の接合材（はんだ）は、サブマウントとヒートシンクとの間からレーザ素子の出射側に漏れ出して表面張力によって盛り上がり、サブマウントの周側面に沿ってはんだ昇りが生じることがある。

特許文献１には、ヒートシンクの側端部に面取り部を形成して余剰はんだ収容空間を設けることで、余剰の接合材が余剰はんだ収容空間に流れ込んで溜まり、その結果、サブマウントの周側面に沿ってはんだ昇りが生じることを抑えるようにした構成が開示されている。

特開２０１４－１７５５６５号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、サブマウントとヒートシンクとを接触させるべき面の一部を面取り加工しているため、最も高温となるレーザ素子の発光面で生じた熱が、ヒートシンクに放熱され難くなるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ素子の放熱性を確保しつつ、表面張力による接合材の盛り上がりを抑えることにある。

第１の発明は、レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、前記レーザ素子が載置されたサブマウントと、前記サブマウントが載置された第１ブロックと、前記サブマウントと前記第１ブロックとの間に設けられ、前記サブマウントと前記第１ブロックとを接合する導電性の接合材と、を備え、前記第１ブロックにおける前記レーザ素子の発光面側の側面には、前記サブマウントよりも下方で前記レーザ光の出射方向の前方に突出する突出部が設けられる。

第１の発明では、サブマウントには、レーザ素子が載置される。第１ブロックには、サブマウントが載置される。サブマウントと第１ブロックとの間には、接合材が設けられる。第１ブロックにおけるレーザ素子の発光面側の側面には、突出部が設けられる。突出部は、サブマウントよりも下方でレーザ光の出射方向の前方に突出する。

このように、サブマウントよりも下方に突出部を設けることで、サブマウントと第１ブロックとの間から漏れ出した接合材が、突出部に接触して濡れ拡がり、接合材が表面張力によって盛り上がるのを抑えることができる。これにより、接合材がレーザ素子の発光面に付着するのを抑えることができる。

また、従来のように、第１ブロックの一部を削って余剰の接合材を収納する空間を設ける必要が無く、サブマウントと第１ブロックの接触面積を十分に確保して、レーザ素子の放熱性が低下するのを抑えることができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザモジュールにおいて、前記突出部の少なくとも上面は、側面視で三角形状に形成される。

第２の発明では、突出部の少なくとも上面を側面視で三角形状に形成することで、サブマウントと第１ブロックとの間から漏れ出した接合材を、突出部の突出端部まで流して濡れ性を確保することができる。

第３の発明は、第１の発明のレーザモジュールにおいて、前記突出部の少なくとも上面は、側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成される。

第３の発明では、突出部の少なくとも上面を側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成することで、サブマウントと第１ブロックとの間から漏れ出した接合材を、突出部の突出端部まで流して濡れ性を確保することができる。

第４の発明は、第１の発明のレーザモジュールにおいて、前記突出部の少なくとも上面は、側面視で湾曲状に突出した形状に形成される。

第４の発明では、突出部の少なくとも上面を側面視で湾曲状に突出した形状に形成することで、サブマウントと第１ブロックとの間から漏れ出した接合材を、突出部の突出端部まで流して濡れ性を確保することができる。

第５の発明は、第１～４の発明の何れか１つのレーザモジュールにおいて、前記突出部は、前記第１ブロックの厚み方向と直交する幅方向に間隔をあけて複数設けられる。

第５の発明では、突出部を複数設けることで、隣り合う突出部の間にスリット状の隙間が設けられる。サブマウントと第１ブロックとの間から漏れ出した接合材が、スリット状の隙間にも流れ込むことで、接合材が表面張力によって盛り上がるのをさらに抑えることができる。

第６の発明は、第１～５の発明の何れか１つのレーザモジュールにおいて、前記レーザ素子の発光面よりも出射方向の前方に配置された光学系ユニットを備え、前記光学系ユニットの下端部は、前記レーザ光の出射方向から見て前記第１ブロックに重なり合う位置まで延び、前記突出部の突出量は、前記突出部に接触して濡れ拡がった前記接合材と前記光学系ユニットの下端部との距離Ｄ１、前記レーザ素子の発光面と前記光学系ユニットとの距離Ｄ２が、Ｄ１＞Ｄ２となるように設定される。

第６の発明では、光学系ユニットがレーザ素子の発光面よりも出射方向の前方に配置される。そして、突出部の突出量を、Ｄ１＞Ｄ２となるように設定することで、レーザ素子の発光面と光学系ユニットとを適切な距離に配置することができる。

本発明によれば、レーザ素子の放熱性を確保しつつ、表面張力による接合材の盛り上がりを抑えることができる。

本実施形態に係るレーザモジュールの構成を示す平面図である。 レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。 レーザモジュールの構成を示す正面図である。 接合材が濡れ拡がった状態を説明する斜視図である。 レーザモジュールの構成を示す斜視図である。 接合材のはみ出し量と突出部の突出長さとの関係を説明する斜視図である。 本変形例１に係るレーザモジュールの構成を示す側面断面図である。 本変形例２に係るレーザモジュールの構成を示す側面断面図である。 本変形例３に係るレーザモジュールの構成を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１～図５に示すように、レーザモジュール１は、第１ブロック１０と、第２ブロック２０と、絶縁層３０と、レーザ素子４０と、サブマウント４５と、光学系ユニット５０と、を有する。

第１ブロック１０は、導電性を有する。第１ブロック１０は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第１ブロック１０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。第１ブロック１０には、水冷ジャケット６０（図４参照）が接続される。

第１ブロック１０の上面には、載置部１１が設けられる。載置部１１は、第１ブロック１０の上面の一部を窪ませることで形成される。載置部１１は、レーザ光ＬＢの出射方向（図１に矢印線で示す方向）の側の端部に設けられる。載置部１１には、レーザ素子４０と、サブマウント４５と、が配置される。

なお、載置部１１の深さ（高さ）は、レーザ素子４０、サブマウント４５、後述するバンプ４８、及び絶縁層３０のそれぞれの厚さを考慮して設定される。

絶縁層３０は、絶縁性を有する。絶縁層３０は、ポリイミドやセラミックなどで構成される。絶縁層３０は、第１ブロック１０の上面において載置部１１の周りを囲むように配置される。

レーザ素子４０は、図示しない複数のエミッタを有する。レーザ素子４０は、下面が正電極４０ａ（第１電極）であり、上面が負電極４０ｂ（第２電極）である。レーザ素子４０は、正電極４０ａから負電極４０ｂに向かって電流が流れると、発光面において複数のエミッタのそれぞれからレーザ光ＬＢを出射する。レーザ素子４０は、サブマウント４５に載置される。

レーザ素子４０の発光面（図１で右端面）は、サブマウント４５の端面（図１で右端面）よりも出射方向の前方に突出して配置される。つまり、レーザ素子４０の発光面は、第１ブロック１０の端面（図１で右端面）よりもレーザ光ＬＢの出射方向の前方に突出している。

サブマウント４５は、導電性を有する。サブマウント４５は、例えば、はんだなどの接合材４６によって、第１ブロック１０の載置部１１に接合される。サブマウント４５の端面（図１で右端面）は、第１ブロック１０の端面（図１で右端面）と略同じ位置、又は第１ブロック１０の端面よりも前方に突出して配置される。

なお、サブマウント４５は、例えば、熱伝導率が高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成するのが好ましいが、アルミナ、シリコンなどの他の材料で構成してもよい。

第１ブロック１０は、サブマウント４５を介してレーザ素子４０の正電極４０ａと電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。レーザ素子４０の負電極４０ｂには、バンプ４８が設けられる（図３参照）。

バンプ４８は、導電性を有する。バンプ４８は、主に金（Ａｕ）で構成される。バンプ４８は、レーザ素子４０の負電極４０ｂ上に複数設けられる。

バンプ４８は、溶融によって先端が球状になった金ワイヤを負電極４０ｂに接触させ、超音波を与えることで負電極４０ｂに接合される。バンプ４８は、レーザ素子４０の負電極４０ｂと電気的に接続される。

第２ブロック２０は、導電性を有する。第２ブロック２０は、主に銅（Ｃｕ）で構成される。第２ブロック２０では、銅製のブロックに対して、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが順番にメッキされる。第２ブロック２０は、第１ブロック１０に対向して配置される。

第２ブロック２０は、レーザ素子４０及び絶縁層３０の上に設けられる。第２ブロック２０は、バンプ４８を介してレーザ素子４０と電気的に接続される。第２ブロック２０は、レーザ素子４０の負電極４０ｂと電気的に接続する電極ブロックとしての機能を有する。

第２ブロック２０は、第２ブロック２０の下面であって、レーザ素子４０に向かい合う領域以外の領域において、絶縁層３０と密着される。

このような構成のレーザモジュール１では、レーザ素子４０の正電極４０ａから負電極４０ｂに向かって電流が流れると、レーザ素子４０の発光面からレーザ光ＬＢが出力される。このとき、レーザ素子４０で生じた熱は、第１ブロック１０及び第２ブロック２０へ伝わって放熱される。

〈光学系ユニットについて〉
光学系ユニット５０は、レーザ素子４０の発光面よりも出射方向の前方に配置される。光学系ユニット５０の下端部は、レーザ光ＬＢの出射方向から見て第１ブロック１０に重なり合う位置まで延びる。光学系ユニット５０は、コリメートレンズ５１と、ビームツイスタ５２と、保持部５３と、を有する。

コリメートレンズ５１は、レーザ素子４０の発光面に対向して配置される。コリメートレンズ５１は、レーザ素子４０から出射されたレーザ光ＬＢのファースト軸方向の拡がりを平行化する。

コリメートレンズ５１は、平面と曲面とを有する。図２に示す例では、コリメートレンズ５１の平面をレーザ素子４０側に、コリメートレンズ５１の曲面をレーザ素子４０とは反対側に配置している。なお、コリメートレンズ５１の曲面をレーザ素子４０側に、コリメートレンズ５１の平面をレーザ素子４０とは反対側に配置しても構わない。

ビームツイスタ５２は、コリメートレンズ５１を挟んでレーザ素子４０とは反対側に配置される。ビームツイスタ５２は、レーザ素子４０から出射されてコリメートレンズ５１を透過したレーザ光ＬＢを、約９０度旋回させる。

保持部５３は、コリメートレンズ５１及びビームツイスタ５２を保持するとともに、コリメートレンズ５１及びビームツイスタ５２の位置関係を規定する。保持部５３は、例えば、ガラス板で構成される。保持部５３は、コリメートレンズ５１及びビームツイスタ５２の上部に設けられる。保持部５３は、接着剤５５によって、第２ブロック２０の端面（図２で右端面）に取り付けられる。

なお、保持部５３は、コリメートレンズ５１及びビームツイスタ５２の下部に設けられた構成としてもよい。この場合、保持部５３は、接着剤５５によって、第１ブロック１０の端面（図２で右端面）に取り付けられる。

光学系ユニット５０では、レーザ素子４０から出射されたレーザ光ＬＢを、最初にコリメートレンズ５１によってファースト軸方向で平行化することで、ファースト軸方向のレーザ光ＬＢの拡がりを最小限に抑えることができる。

さらに、コリメートレンズ５１を透過したレーザ光ＬＢを、ビームツイスタ５２によって旋回させることで、スロー軸方向の拡がりに関しても、レーザ素子４０における隣接するエミッタとの重なりを最小限に抑えて回避できる。

これにより、レーザ素子４０における複数のエミッタの幅に応じて、ピッチ（配置間隔）を最小限にすることが可能となり、高いビーム品質で、高出力のレーザ光を出力することが可能となる。

〈突出部について〉
ところで、接合材４６を用いて、サブマウント４５を第１ブロック１０の載置部１１に接合する際には、サブマウント４５の下面全体に接合材４６を行き渡らせるために、サブマウント４５の表面積と、あらかじめ定められた接合材４６の厚さにより、求められる体積よりも多めの量の接合材４６を供給する必要がある。

そのため、サブマウント４５を第１ブロック１０側に押し付けると、サブマウント４５と第１ブロック１０との間からレーザ光ＬＢの出射方向の前方に向かって接合材４６が漏れ出すこととなる。

漏れ出した接合材４６は、表面張力によって盛り上がり、サブマウント４５の側面に沿って上昇していくことで、レーザ素子４０の発光面に付着してしまい、エミッタ不良が発生するおそれがある。また、レーザ光ＬＢの出射方向から見て、第１ブロック１０と光学系ユニット５０とが重なり合う領域に、接合材４６の盛り上がりが発生した場合、レーザ素子４０と光学系ユニット５０とを適切な距離に配置することができないおそれがある。

そこで、本実施形態では、レーザ光ＬＢの出射方向の前方に漏れ出した接合材４６が、表面張力によって盛り上がるのを抑えることができるようにした。

具体的に、図１～図３に示すように、第１ブロック１０は、突出部１５を有する。突出部１５は、第１ブロック１０の端面（図１で右端面）に設けられる。突出部１５は、サブマウント４５よりも下方に配置される。突出部１５は、サブマウント４５の端面（図１で右端面）よりも前方に突出する。

突出部１５は、第１ブロック１０の端面に沿って幅方向（図３で左右方向）に延びる。突出部１５は、側面視で三角形状に形成される（図２参照）。突出部１５の突出量は、突出部１５に接触して濡れ拡がった接合材４６と光学系ユニット５０の下端部との距離Ｄ１、レーザ素子４０の発光面と光学系ユニット５０との距離Ｄ２が、Ｄ１＞Ｄ２となるように設定される。

なお、図２に示す例では、突出部１５の上面及び下面が、側面視で三角形状に形成されているが、接合材４６を受け止める面である突出部１５の上面が、側面視で三角形状に形成されていればよい。

サブマウント４５と第１ブロック１０との間から漏れ出した接合材４６は、第１ブロック１０の側面に沿って突出部１５に向かって流れる。接合材４６は、突出部１５に沿って濡れ拡がり、側面視でいわゆるカテナリー曲線状（懸垂線状）の断面形状となる。

このような構成とすれば、レーザ光ＬＢの出射方向の前方に漏れ出した接合材４６が、表面張力によって盛り上がるのを抑えることができる。これにより、サブマウント４５を第１ブロック１０に接合材４６で接合するのにあたって、レーザ素子４０の発光面に接合材４６が回り込んで付着するのを抑えることができる。また、レーザ素子４０の発光面と光学系ユニット５０とを適切な距離に配置することができる。

〈接合材のはみ出し量と突出部の突出長さとの関係について〉
以下、接合材４６のはみ出し量と、突出部１５の突出長さとの関係について検討する。図６に示すように、サブマウント４５と第１ブロック１０の載置部１１との間に供給された接合材４６が、サブマウント４５と第１ブロック１０との幅方向の中央位置において漏れ出し、表面張力によって１つの水滴状に盛り上がった状態になったとする。このときの接合材４６のはみ出し量の体積をＶとする。

その後、水滴状の接合材４６が流れ落ちて突出部１５の上面に接触したときに、接合材４６が側面視でカテナリー曲線に沿った凹面状に濡れ拡がった状態となったとする。図６の仮想線で囲まれた部分の断面積をＳとする。また、接合材４６が突出部１５の上面に沿って幅方向に長さＬだけ濡れ拡がったものとする。

ここで、突出部１５の突出長さをａ、突出部１５の基端部における上下方向の長さをｂとすると、接合材４６のはみ出し量の体積Ｖは、Ｖ＝（Ｓ－（１／４）×ａ×ｂ）×Ｌで表される。

よって、突出部１５の突出長さａは、ａ＝４×（１／ｂ）×（Ｓ－Ｖ／Ｌ）で表され、突出部１５の形状を設計する際の目安とすることができる。例えば、接合材４６のはみ出し量の体積Ｖが多くなるほど、突出部１５の突出長さａを長くすればよい。また、接合材４６が幅方向に濡れ拡がる長さＬが長くなるほど、突出部１５の突出長さａが短くて済む。

〈第１ブロック及び第２ブロックの締結構造について〉
図１に示すように、第１ブロック１０には、第１ネジ穴１２と、第２ネジ孔１３と、第１端子孔１４と、が設けられる。第１ネジ穴１２は、レーザ光ＬＢの出射方向と直交する方向に間隔をあけて２つ設けられる。２つの第１ネジ穴１２の間には、載置部１１が設けられる。

第２ネジ孔１３は、レーザ光ＬＢの出射方向と直交する方向に間隔をあけて２つ設けられる。第２ネジ孔１３は、第１ネジ穴１２に対してレーザ光ＬＢの出射方向とは反対側に設けられる。

第１端子孔１４は、第１ブロック１０におけるレーザ光ＬＢの出射方向とは反対の端部に設けられる。つまり、第１端子孔１４は、第１ブロック１０における載置部１１とは反対の端部側に設けられる。第１端子孔１４は、ネジ孔で構成される。第１端子孔１４には、電源用の接続端子が接続される。

第２ブロック２０には、第１貫通孔２２と、第２貫通孔２３と、第２端子穴２４と、が設けられる。第１貫通孔２２は、第１ブロック１０の第１ネジ穴１２に対応した位置に設けられる。第１貫通孔２２は、第１ブロック１０と第２ブロック２０とを締結する導電性ネジ３５の頭部が入り込めるようにザグリ孔で形成される。

第２貫通孔２３は、第１ブロック１０の第２ネジ孔１３に対応した位置に設けられる。

第２端子穴２４は、第２ブロック２０の中央部に設けられる。第２端子穴２４には、電源用の接続端子が接続される。

第１ブロック１０と第２ブロック２０とは、導電性ネジ３５によって締結される。導電性ネジ３５は、第２ブロック２０の第１貫通孔２２と、第１ブロック１０の第１ネジ穴１２とに差し込まれる。

導電性ネジ３５と第２ブロック２０との間には、図示しない絶縁部材が設けられる。これにより、第１ブロック１０と第２ブロック２０とを、互いに電気的に絶縁された状態で締結することができる。

また、レーザモジュール１と水冷ジャケット６０（図５参照）との間には、図示しない絶縁部材が設けられる。これにより、レーザモジュール１、つまり第１ブロック１０及び第２ブロック２０と、水冷ジャケット６０とを、図示しないネジによって、互いに電気的に絶縁された状態で締結することができる。

《変形例１》
以下、前記実施形態と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図７に示すように、突出部１５は、サブマウント４５よりも下方に配置される。突出部１５は、サブマウント４５の端面よりも前方に突出する。突出部１５は、側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成される。これにより、サブマウント４５と第１ブロック１０との間から漏れ出した接合材４６を、突出部１５の突出端部まで流して濡れ性を確保することができる。

なお、図７に示す例では、突出部１５の上面及び下面が、側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成されているが、接合材４６を受け止める面である突出部１５の上面が、側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成されていればよい。

《変形例２》
図８に示すように、突出部１５は、サブマウント４５よりも下方に配置される。突出部１５は、サブマウント４５の端面よりも前方に突出する。突出部１５は、側面視で湾曲状に突出した形状に形成される。これにより、サブマウント４５と第１ブロック１０との間から漏れ出した接合材４６を、突出部１５の突出端部まで流して濡れ性を確保することができる。

なお、図８に示す例では、突出部１５の上面及び下面が、側面視で湾曲状に突出した形状に形成されているが、接合材４６を受け止める面である突出部１５の上面が、側面視で湾曲状に突出した形状に形成されていればよい。

《変形例３》
図９に示すように、突出部１５は、第１ブロック１０の厚み方向と直交する幅方向（図９で左右方向）に間隔をあけて複数設けられる。

このように、突出部１５を複数設けることで、隣り合う突出部１５の間にスリット状の隙間が設けられる。サブマウント４５と第１ブロック１０との間から漏れ出した接合材４６が、スリット状の隙間にも流れ込むことで、接合材４６が表面張力によって盛り上がるのをさらに抑えることができる。

以上説明したように、本発明は、レーザ素子の放熱性を確保しつつ、レーザ素子の発光面に接合材が付着するのを抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザモジュール
１０ 第１ブロック
１５ 突出部
４０ レーザ素子
４５ サブマウント
４６ 接合材
５０ 光学系ユニット
ＬＢ レーザ光

Claims (6)

1. レーザ光を出射するレーザ素子を備えたレーザモジュールであって、
   前記レーザ素子が載置されたサブマウントと、
   前記サブマウントが載置された第１ブロックと、
   前記サブマウントと前記第１ブロックとの間に設けられ、前記サブマウントと前記第１ブロックとを接合する導電性の接合材と、を備え、
   前記第１ブロックにおける前記レーザ素子の発光面側の側面には、前記サブマウントよりも下方で前記レーザ光の出射方向の前方に突出する突出部が設けられる
   レーザモジュール。
2. 請求項１のレーザモジュールにおいて、
   前記突出部の少なくとも上面は、側面視で三角形状に形成される
   レーザモジュール。
3. 請求項１のレーザモジュールにおいて、
   前記突出部の少なくとも上面は、側面視でカテナリー曲線に沿って延びる凹面状に形成される
   レーザモジュール。
4. 請求項１のレーザモジュールにおいて、
   前記突出部の少なくとも上面は、側面視で湾曲状に突出した形状に形成される
   レーザモジュール。
5. 請求項１～４の何れか１つのレーザモジュールにおいて、
   前記突出部は、前記第１ブロックの厚み方向に直交する幅方向に間隔をあけて複数設けられる
   レーザモジュール。
6. 請求項１～５の何れか１つのレーザモジュールにおいて、
   前記レーザ素子の発光面よりも出射方向の前方に配置された光学系ユニットを備え、
   前記光学系ユニットの下端部は、前記レーザ光の出射方向から見て前記第１ブロックに重なり合う位置まで延び、
   前記突出部の突出量は、前記突出部に接触して濡れ拡がった前記接合材と前記光学系ユニットの下端部との距離Ｄ１、前記レーザ素子の発光面と前記光学系ユニットとの距離Ｄ２が、Ｄ１＞Ｄ２となるように設定される
   レーザモジュール。

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