JP4084068B2

JP4084068B2 - Laser module

Info

Publication number: JP4084068B2
Application number: JP2002101722A
Authority: JP
Inventors: 英生山中; 洋二岡崎; 和彦永野; 照彦蔵町
Original assignee: Nichia Corp; Fujifilm Corp
Current assignee: Nichia Corp; Fujifilm Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003298171A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザモジュールに関し、特に、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザを含む構成部材を気密封止したレーザモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、波長４００ｎｍ以下の紫外線を照射又は発生させる光学モジュールにおいては、照射又は発生された紫外線により光学モジュールに含まれる光学部品の光学損失が増加して、光学部品の特性が低下するという問題があった。このような光学損失は、大気中の水分や油分（有機物）が紫外線により分解され、その分解物が光学部品の表面に堆積するために発生すると考えられている。
【０００３】
このため、特開平１１−１６７１３２号公報に記載された紫外線照射光学系等では、光学部品が置かれる雰囲気（封止雰囲気）を９９．９％以上の高純度の窒素、９９．９％以上の高純度の乾燥空気、水分が０．１％以下の気体、又は炭化水素化合物が０．１％以下の気体等として分解物の堆積を防止し、紫外レーザ光の出力低下を防止している。また、特開平１１−１６７１３２号公報には、空気等の酸素が存在する系で良好な劣化防止効果が得られる、と記載されている。
【０００４】
また、米国特許５３９２３０５号明細書には、酸素を１００ｐｐｍ以上の濃度で封止ガス中に混入させて、有機物が紫外レーザ光により分解されて発生する物質を酸化分解し、分解物が光学部品の表面に堆積するのを防止する技術が記載されている。
【０００５】
また、特開平１１−８７８１４号公報に記載されたレーザ共振器の寿命延長方法では、レーザ共振器を構成するホルダー等の構成部品に付着した油分等の汚染物質を溶剤等で脱脂・洗浄することで、レーザ共振器の長期信頼性を向上させている。
【０００６】
更に、特開平１１−５４８２号公報には、低分子シロキサンが紫外線による光化学反応で酸素と反応し、光学ガラス窓部品にＳｉＯｘの形で堆積、付着することが開示されている。このため、大気と接する「窓」部材の定期的な交換を推奨している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の研究によれば、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザを含むモジュールでは、封止雰囲気の酸素濃度が高くなり過ぎると、却ってレーザ特性が劣化することが判明した。
【０００８】
レーザモジュールに使用する半導体レーザの発振波長を４１０ｎｍ，８１０ｎｍ，９８０ｎｍと変更し、特開平１１−８７８１４号公報に記載されている洗浄工程を実施したレーザモジュールを用いて、封止雰囲気中の酸素濃度に対する信頼性の変化を評価したところ、波長４１０ｎｍの半導体レーザを用いたモジュールでは、経時モジュール劣化速度の酸素濃度に対する依存性は、波長８１０ｎｍ，波長９８０ｎｍの赤外波長の半導体レーザを用いたモジュールとは異なっており、赤外波長の半導体レーザを用いたモジュールに見られるような、酸素濃度増加に伴うレーザ特性の改良効果が見られなかった。
【０００９】
即ち、波長８１０ｎｍ，波長９８０ｎｍの赤外波長のレーザ光に対しては、モジュール内ファイバ入射端面、レンズ等、レーザ光路上に存在する光学部品表面に堆積する炭化水素系有機化合物の分解反応が、酸素濃度の増加とともに活発になり、経時信頼性の向上が見られる。これに対し、波長４１０ｎｍのレーザ光に対しては、酸素濃度が１００ｐｐｍ以上になると逆に信頼性が悪くなる。
【００１０】
これは、酸素濃度が１００ｐｐｍ以上の領域では、ファイバ端面集光部における珪素化合物の堆積が顕在化することによる。この珪素化合物の堆積物も炭化水素堆積物と同様に、光学的な吸収を発生させるため、連続発振に於ける経時信頼性が著しく損なわれる。
【００１１】
即ち、レーザ光と炭化水素ガスの反応により生成される炭化水素堆積物は、一定量以上の酸素を含んだガス雰囲気下で二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とに分解されて除去される。しかしながら、堆積物中には炭化水素だけではなく珪素化合物が含まれている。この珪素化合物の堆積物は、酸素を雰囲気中に含有させるだけでは分解・除去することができない。堆積する珪素化合物は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）、シラノール基（−Ｓｉ−ＯＨ）等の珪素（ケイ素）原子を含有する有機化合物ガス（以下、「有機珪素化合物ガス」という）とレーザ光との光化学反応により発生する。しかも、雰囲気中の酸素の存在が、その光化学反応の反応速度を速めてしまう。
【００１２】
ここで言う珪素化合物とは、有機・無機を問わず珪素原子を含むあらゆる構造を有している化合物であり、無機酸化珪素（ＳｉＯｘ）、有機珪素化合物、炭化珪素化合物、有機炭化珪素化合物等が含まれる。また、有機珪素化合物ガスは、モジュール製造工程中の任意の場所に使用されているシリコーン系材料から発せられるガスであり、モジュール内の各部品表面に付着している場合に、これを封止して使用すると封止雰囲気中にも微量の有機珪素化合物ガスが含まれる。
【００１３】
これらの製造工程中に存在するガス成分は、通常のクリーンルームや封止ガス精製機を設置するだけでは、完全に除去することはできない。これを除去するためには多大な設備投資が必要となる。また、特開平１１−８７８１４号公報に記載されているように、油分等の脱脂、洗浄を実施しても、製造工程雰囲気から有機珪素化合物ガスが混入するのを避けることはできない。
【００１４】
従って、上記した通り、炭化水素化合物の堆積を防止するために、封止雰囲気中に酸素を含有させる場合であっても、酸素含有量が多過ぎると珪素化合物の堆積が増加してレーザ特性が劣化し、信頼性が悪化することになる。そして、モジュール内部のファイバ入射端面、レンズ等の光学部品は、モジュール内に接着剤やロウ材で固定されており、特開平１１−５４８２号公報に記載の場合のように交換は不可能である。
【００１５】
本発明は上記従来技術の問断点に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、レーザ特性の劣化を効果的に抑制して、信頼性の高いレーザモジュールを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のレーザモジュールは、３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ、１本の光ファイバー、及び前記複数の半導体レーザの各々から出射したレーザビームを集光し前記光ファイバーに結合させる集光光学系を備えた合波レーザと、不活性ガス中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素とハロゲン族ガス及びハロゲン化合物ガスの少なくとも一方のガスとを含む封入ガスで満たされた封止空間を内部に備え、該空間内に前記半導体レーザ、前記光ファイバーの結合側部位、及び前記集光光学系を気密封止した気密封止部材と、を含んで構成したことを特徴としている。
【００１７】
本発明のレーザモジュールでは、気密封止部材は、その内部に、不活性ガス中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素とハロゲン族ガス及びハロゲン化合物ガスの少なくとも一方のガスとを含む封入ガスで満たされた封止空間を備えており、この空間内に３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ、光ファイバーの結合側部位、及び集光光学系を気密封止している。この通り、封止雰囲気中に酸素を１ｐｐｍ以上の濃度で含むことにより、炭化水素堆積物が酸化分解されて減少すると共に、珪素化合物による堆積物がハロゲン系ガスで分解、除去されて減少するので、レーザ特性の劣化が効果的に抑制される。これにより、信頼性の高いレーザモジュールを提供することができる。
【００１８】
本発明のレーザモジュールにおいては、不活性ガス中の酸素濃度を１〜１００ｐｐｍとするのが好ましい。また、ハロゲン族ガス及びハロゲン化合物ガスはフッ素原子を含有しているものが好ましく、ハロゲン化合物ガスを不活性ガス中に含有させる場合、ハロゲン化合物ガスは、炭素、窒素、硫黄、及びキセノン各々のフッ化物と炭素、窒素、硫黄、及びキセノン各々の塩化物とからなる群から選択された少なくとも一種であることが好ましい。
【００１９】
また、ハロゲン系ガスは反応性が高いため、気密封止する半導体レーザの共振器端面、光ファイバーの結合側部位、及び集光光学系を被覆する最表面層を、ハロゲン族ガス及びハロゲン化合物ガスに対し不活性な材料で構成することが好ましい。不活性な材料は、例えば、インジウム、ガリウム、アルミニウム、チタン、及びタンタル各々の酸化物とガリウム、アルミニウム、チタン、及びタンタル各々の窒化物とからなる群から選択することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［モジュールの構成］
本実施の形態に係るレーザモジュールは、図１に示す合波レーザ光源を備えている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。
【００２１】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、１００ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いることができる。
【００２２】
上記の合波レーザ光源は、図２及び図３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダー４６とが取り付けられている。また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００２３】
なお、図２においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【００２４】
図４は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図４の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００２５】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００２６】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００２７】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ₂＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００２８】
マルチモード光ファイバ３０は、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のグレーテッドインデックス型光ファイバを用いることができる。この光ファイバは、コア中心部がグレーテッドインデックスで外周部がステップインデックスであり、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上である。
【００２９】
パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、後述する脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に、上記の合波レーザ光源が他の光学要素と共に気密封止される。
【００３０】
ここで、モジュールの劣化を抑制するために、封止空間内が、不活性ガス中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素とハロゲン族ガス又はハロゲン化合物ガス（以下、「ハロゲン系ガス」という）とを含有する封入ガスで満たされるように気密封止する。このためには、不活性ガス中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素とハロゲン系ガスとを含有するガスを封入して気密封止を実施する。
【００３１】
不活性ガスは、封止雰囲気中に含まれる光学要素に対して不活性なガスであり、例えば、乾燥した窒素、アルゴン等の希ガスを用いることができる。
【００３２】
封止雰囲気中に１ｐｐｍ以上の濃度の酸素が含まれると、レーザモジュールの劣化を抑制することができる。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有される酸素が、炭化水素成分の光分解により発生した固形物を酸化分解するためである。一方、酸素濃度が１ｐｐｍ未満であると、劣化抑制効果が得られない。酸素濃度が高過ぎると、却って有機珪素化合物ガスの光化学反応が促進されるので、封止雰囲気中の酸素濃度は１〜８００ｐｐｍの範囲が好ましく、１〜１００ｐｐｍの範囲が特に好ましい。
【００３３】
ハロゲン族ガスとは、塩素ガス（Ｃｌ₂）、フッ素ガス（Ｆ₂）等のハロゲンガスであり、ハロゲン化合物ガスとは、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、フッ素原子（Ｆ）等のハロゲン原子を含有するガス状の化合物である。
【００３４】
ハロゲン化合物ガスとしては、ＣＦ₃Ｃｌ，ＣＦ₂Ｃｌ₂，ＣＦＣｌ₃，ＣＦ₃Ｂｒ，ＣＣｌ₄，ＣＣｌ₄−Ｏ₂，Ｃ₂Ｆ₄Ｃｌ₂，Ｃｌ−Ｈ₂，ＣＦ₃Ｂｒ，ＰＣｌ₃，ＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，ＸｅＦ₂，Ｃ₃Ｆ₈，ＣＨＦ₃等が挙げられるが、フッ素又は塩素と炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）、キセノン（Ｘｅ）との化合物が好ましく、フッ素原子を含有するものが特に好ましい。
【００３５】
ハロゲン系ガスは微量から劣化抑制効果を発揮するが、顕著な劣化抑制効果を得るためには、ハロゲン系ガスの含有濃度を１ｐｐｍ以上とするのが好ましい。このような劣化抑制効果が得られるのは、封止雰囲気中に含有されるハロゲン系ガスが、有機珪素化合物ガスの光分解により発生した堆積物を分解するためである。
【００３６】
光学部品を被覆する最表面層の材料に、珪素（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、スズ（Ｓｎ）、又はジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物又は窒化物等、ハロゲン系ガスに対して反応性を有する材料を使用する場合には、これらの光学部品の最表面層がエッチングされて、モジュールの信頼性が低下する。
【００３７】
従って、ＧａＮ系半導体レーザの共振器、コリメータレンズ、集光レンズ、及びマルチモード光ファイバの入射側端部等の合波レーザ光源の構成部品、及び光学ミラー等の合波レーザ光源と共に気密封止される光学部品の封止雰囲気に曝される最表面層には、例えば、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、又はタンタル（Ｔａ）の酸化物又は窒化物のように、ハロゲン系ガスに対して不活性な材料を使用するのが好ましい。
【００３８】
封止ガスを封入して気密封止を実施する前には、封止空間内の雰囲気を排気する脱気処理を行う。接着剤の機械的性質を損なわない観点から通常２００℃以下でこの脱気処理は行われる。モジュール中に光学系を固定するために有機系接着剤を用いた場合でも、接着剤で各部品を固定後、封止前に脱気処理を行うことにより、有機系接着剤からのアウトガスを抑制することができる。光学部品の固定等に使用する有機系接着剤の量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすることにより、脱気処理でモジュール中のアウトガス成分の飽和濃度を１０００ｐｐｍ未満にすることができる。
【００３９】
［モジュールの動作］
次に、上記レーザモジュールの動作について説明する。
【００４０】
合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００４１】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０から出射する。
【００４２】
上記のレーザモジュールでは、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．９となる。従って、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が１００ｍＷの場合には、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。
【００４３】
【実施例】
次に、具体的な実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
【００４４】
図１〜図４に示す構成のレーザモジュールを用いて、下記表１に示す４つの条件（水準）で、封止雰囲気中の酸素濃度及びハロゲン系ガスの濃度とモジュールの劣化率との関係を調べた。結果を図５に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
モジュールの劣化率ｋは、レーザモジュールの各発光点が３０ｍＷ出力となるようにＡＰＣ駆動した場合に、全素子を駆動するために必要な１時間当りの駆動電流上昇量で表している。封止雰囲気中の不活性ガスには窒素ガスを用い、ハロゲン系ガスには四フッ化炭素（ＣＦ₄）を用いた。また、封止雰囲気中の炭化水素濃度は１００ｐｐｍ程度である。
【００４７】
図５から分かるように、水準（１）では、モジュール中の低濃度（０．１ｐｐｍ）の酸素雰囲気により、雰囲気中に高濃度に存在する炭化水素ガスから生じる炭化水素系堆積物の分解が完結しない。経時時間とともに炭化水素堆積物量が増加することのよる光量ロスが支配的に起こり、このためモジュールの劣化率が大きい。当然ながらＣＦ₄濃度に対する劣化速度の依存性はない。なぜならば酸素ガスは、炭化水素ガスの分解にその殆どが使われるため、有機珪素化合物ガスの堆積促進に寄与せず、有機珪素化合物ガスは堆積しないからである。即ち、ＣＦ₄の濃度が変化しても劣化速度の変化はなく、光学部品の表面は炭化水素系化合物で覆われるので、後述の条件で見られるＣＦ₄ガスによる光学部品のエッチング現象による劣化は見られない。
【００４８】
また、水準（２）、水準（３）、水準（４）では、モジュール中にＣＦ₄導入することにより顕著な劣化抑制効果が発揮されている。酸素濃度を増加していくと生成する酸化珪素化合物量も増加するので、水準（２）の様に酸素濃度が大きい場合には、ＣＦ₄ガスを導入する効果は小さい。ＣＦ₄ガス導入効果は、酸素濃度が小さい方が顕著である。また、最表面層にＣＦ₄と反応性を有するＳｉＯ₂を用いる場合には、酸素濃度とは関係なく、一定以上のＣＦ₄濃度で光学部品の最表面層を構成するＳｉＯ₂がＣＦ₄と反応し蒸発を始めることにより、光学部品、ファイバー端面の劣化が著しく進み、劣化速度が急激に上昇する。
【００４９】
以上の結果から分かるように、酸素を１ｐｐｍ以上の濃度で含有する封止雰囲気中に、ＣＦ₄ガス（ハロゲン系ガス）を導入すると、顕著な劣化抑制効果が得られる。
【００５０】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザモジュールでは、酸素を１ｐｐｍ以上の濃度で含有すると共にハロゲン系ガスを含有する不活性ガスを封入して気密封止を行うことにより、炭化水素の堆積物だけでなく珪素化合物の堆積物までもが分解、除去されて減少し、モジュールの劣化が顕著に抑制される。即ち、レーザモジュールの信頼性が向上し、長期間高出力を維持することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ特性の劣化を効果的に抑制して、信頼性の高いレーザモジュールを提供することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザモジュールの合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の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。
【図３】図２に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図４】図２に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図５】各水準での封止雰囲気中の酸素濃度及びハロゲン系ガス濃度とモジュールの劣化率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ヒートブロック
１１〜１７コリメータレンズ
２０集光レンズ
３０マルチモード光ファイバ
３０ａコア
４０パッケージ
４１パッケージ蓋
ＬＤ１〜ＬＤ７ＧａＮ系半導体レーザ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser module, and more particularly to a laser module in which components including a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 350 to 450 nm are hermetically sealed.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an optical module that irradiates or generates ultraviolet rays having a wavelength of 400 nm or less, there is a problem in that the optical loss of the optical components included in the optical module increases due to the irradiated or generated ultraviolet rays and the characteristics of the optical components deteriorate. It was. Such optical loss is considered to occur because moisture and oil (organic matter) in the atmosphere are decomposed by ultraviolet rays and the decomposed products are deposited on the surface of the optical component.
[0003]
For this reason, in the ultraviolet irradiation optical system described in JP-A-11-167132, the atmosphere (sealing atmosphere) in which the optical components are placed is 99.9% or more of high-purity nitrogen, 99.9% or more. High purity dry air, gas with a moisture content of 0.1% or less, or gas with a hydrocarbon compound of 0.1% or less prevents deposition of decomposition products and prevents a decrease in output of the ultraviolet laser beam. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-167132 describes that a good deterioration preventing effect can be obtained in a system in which oxygen such as air is present.
[0004]
Further, in US Pat. No. 5,392,305, oxygen is mixed in a sealing gas at a concentration of 100 ppm or more, and an organic substance is decomposed by ultraviolet laser light to oxidize and decompose. Techniques for preventing deposition on the surface are described.
[0005]
Further, in the method for extending the life of a laser resonator described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-87814, contaminants such as oil adhering to components such as a holder constituting the laser resonator are degreased and washed with a solvent or the like. Thus, the long-term reliability of the laser resonator is improved.
[0006]
Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-5482 discloses that low molecular weight siloxane reacts with oxygen by a photochemical reaction with ultraviolet rays, and deposits and adheres to an optical glass window component in the form of SiOx. For this reason, it is recommended to periodically replace the “window” member in contact with the atmosphere.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to studies by the present inventors, it has been found that, in a module including a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 350 to 450 nm, the laser characteristics deteriorate if the oxygen concentration in the sealing atmosphere becomes too high.
[0008]
By changing the oscillation wavelength of the semiconductor laser used in the laser module to 410 nm, 810 nm, and 980 nm and performing the cleaning process described in JP-A-11-87814, the oxygen concentration in the sealing atmosphere In the module using the semiconductor laser with a wavelength of 410 nm, the dependence on the oxygen concentration of the module deterioration rate with time is the same as the module using the semiconductor laser with the infrared wavelength of 810 nm and the wavelength of 980 nm. There was no improvement in the laser characteristics accompanying the increase in oxygen concentration as seen in modules using semiconductor lasers with infrared wavelengths.
[0009]
That is, for a laser beam with an infrared wavelength of 810 nm and a wavelength of 980 nm, the decomposition reaction of the hydrocarbon-based organic compound deposited on the surface of the optical component existing on the laser optical path, such as the fiber end face in the module and the lens, It becomes active as the oxygen concentration increases, and the reliability over time is improved. On the other hand, with respect to laser light having a wavelength of 410 nm, the reliability deteriorates when the oxygen concentration is 100 ppm or more.
[0010]
This is because in the region where the oxygen concentration is 100 ppm or more, the deposition of the silicon compound at the fiber end face condensing portion becomes obvious. Like the hydrocarbon deposit, the silicon compound deposit generates optical absorption, and thus the reliability over time in continuous oscillation is significantly impaired.
[0011]
That is, the hydrocarbon deposit produced by the reaction between the laser beam and the hydrocarbon gas is decomposed into carbon dioxide (CO ₂ ) and water (H ₂ O) in a gas atmosphere containing a certain amount or more of oxygen. Removed. However, the deposit contains not only hydrocarbons but also silicon compounds. This silicon compound deposit cannot be decomposed or removed only by containing oxygen in the atmosphere. The deposited silicon compound includes an organic compound gas containing silicon (silicon) atoms such as siloxane bonds (Si—O—Si) and silanol groups (—Si—OH) (hereinafter referred to as “organosilicon compound gas”) and a laser. Generated by photochemical reaction with light. Moreover, the presence of oxygen in the atmosphere increases the reaction rate of the photochemical reaction.
[0012]
The silicon compound referred to here is a compound having any structure including a silicon atom regardless of organic or inorganic, such as inorganic silicon oxide (SiOx), organic silicon compound, silicon carbide compound, and organic silicon carbide compound. included. The organosilicon compound gas is a gas emitted from a silicone material used anywhere in the module manufacturing process, and seals it when it adheres to the surface of each component in the module. If used, a trace amount of organosilicon compound gas is also contained in the sealing atmosphere.
[0013]
The gas components present in these production processes cannot be completely removed simply by installing a normal clean room or a sealed gas purifier. In order to remove this, a large capital investment is required. Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-87814, it is unavoidable that organic silicon compound gas is mixed from the manufacturing process atmosphere even if the oil is degreased and washed.
[0014]
Therefore, as described above, even when oxygen is contained in the sealing atmosphere in order to prevent hydrocarbon compound deposition, if the oxygen content is too high, the deposition of silicon compound increases and the laser characteristics are improved. It will deteriorate and reliability will deteriorate. The optical components such as the fiber incident end face and the lens inside the module are fixed in the module with an adhesive or a brazing material and cannot be exchanged as described in JP-A-11-5482. .
[0015]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a highly reliable laser module by effectively suppressing deterioration of laser characteristics.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a laser module of the present invention includes a plurality of semiconductor lasers that emit laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm, a single optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of semiconductor lasers. A combined laser including a condensing optical system for condensing and coupling to the optical fiber, and an enclosed gas containing oxygen of at least 1 ppm in an inert gas and at least one of a halogen group gas and a halogen compound gas A sealed space filled therein, and the semiconductor laser, a coupling side portion of the optical fiber, and a hermetic sealing member that hermetically seals the condensing optical system in the space; It is a feature.
[0017]
In the laser module of the present invention, the hermetic sealing member is filled with an enclosed gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more and at least one of a halogen group gas and a halogen compound gas in an inert gas. A sealing space is provided, and a plurality of semiconductor lasers that emit laser light having a wavelength range of 350 to 450 nm, a coupling side portion of an optical fiber, and a condensing optical system are hermetically sealed in the space. As described above, when oxygen is contained in the sealing atmosphere at a concentration of 1 ppm or more, the hydrocarbon deposit is reduced by oxidative decomposition, and the deposit by the silicon compound is reduced by being decomposed and removed by the halogen-based gas. The deterioration of the laser characteristics is effectively suppressed. Thereby, a highly reliable laser module can be provided.
[0018]
In the laser module of the present invention, the oxygen concentration in the inert gas is preferably 1 to 100 ppm. In addition, the halogen group gas and the halogen compound gas preferably contain fluorine atoms. When the halogen compound gas is contained in the inert gas, the halogen compound gas contains carbon, nitrogen, sulfur, and xenon fluorine. And at least one selected from the group consisting of chlorides of carbon, nitrogen, sulfur, and xenon.
[0019]
In addition, since the halogen-based gas is highly reactive, the cavity end face of the semiconductor laser to be hermetically sealed, the optical fiber coupling side portion, and the outermost surface layer covering the condensing optical system are made of halogen group gas and halogen compound gas. On the other hand, it is preferably composed of an inert material. The inert material can be selected, for example, from the group consisting of oxides of indium, gallium, aluminum, titanium, and tantalum and nitrides of gallium, aluminum, titanium, and tantalum.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Module configuration]
The laser module according to the present embodiment includes the combined laser light source shown in FIG. The combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, and LD7 arranged and fixed on the heat block 10. ,

Collimator lenses

11, 12, 13, 14, 15, 16 and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD 1 to LD 7, one condenser lens 20, and one multimode optical fiber. 30.
[0021]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have a common oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all common (for example, 100 mW). As the GaN semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above-described 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm can be used.
[0022]
As shown in FIGS. 2 and 3, the combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are incident on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the end is attached. Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0023]
In FIG. 2, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 is numbered among the plurality of GaN semiconductor lasers, and only the collimator lens 17 is numbered among the plurality of collimator lenses. is doing.
[0024]
FIG. 4 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 4).
[0025]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, for example, 10 ° and 30 °. A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0026]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f ₁ = 3 mm, NA = 0.6, and a lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0027]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto Is formed. The condenser lens 20 has a focal length f ₂ = 12.5 mm and NA = 0.3. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0028]
The multimode optical fiber 30 may be any of a step index type optical fiber, a graded index type optical fiber, and a composite type optical fiber. For example, a graded index optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. This optical fiber has a graded index at the center of the core and a step index at the outer periphery, the core diameter = 25 μm, NA = 0.3, and the transmittance of the end coat = 99.5% or more.
[0029]
The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof, and a sealing gas is introduced after a deaeration process described later, and the opening of the package 40 is closed by the package lid 41, thereby The combined laser light source is hermetically sealed together with other optical elements in a closed space (sealed space) formed by the package lid 41.
[0030]
Here, in order to suppress deterioration of the module, the sealed space contains oxygen and a halogen group gas or a halogen compound gas (hereinafter referred to as “halogen-based gas”) in an inert gas at a concentration of 1 ppm or more. Hermetically sealed so as to be filled with the sealed gas. For this purpose, a gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more and a halogen-based gas is sealed in an inert gas to perform hermetic sealing.
[0031]
The inert gas is an inert gas with respect to the optical element contained in the sealing atmosphere. For example, a dry rare gas such as nitrogen or argon can be used.
[0032]
If the sealing atmosphere contains oxygen at a concentration of 1 ppm or more, deterioration of the laser module can be suppressed. Such an effect of suppressing deterioration is obtained because oxygen contained in the sealing atmosphere oxidizes and decomposes solid matter generated by photodecomposition of hydrocarbon components. On the other hand, when the oxygen concentration is less than 1 ppm, the deterioration suppressing effect cannot be obtained. If the oxygen concentration is too high, the photochemical reaction of the organosilicon compound gas is promoted. Therefore, the oxygen concentration in the sealing atmosphere is preferably in the range of 1 to 800 ppm, particularly preferably in the range of 1 to 100 ppm.
[0033]
The halogen group gas is a halogen gas such as chlorine gas (Cl ₂ ), fluorine gas (F ₂ ), and the halogen compound gas is a chlorine atom (Cl), bromine atom (Br), iodine atom (I), A gaseous compound containing a halogen atom such as a fluorine atom (F).
[0034]
Examples of the halogen compound gas include CF ₃ Cl, CF ₂ Cl ₂ , CFCl ₃ , CF ₃ Br, CCl ₄ , CCl ₄ —O ₂ , C ₂ F ₄ Cl ₂ , Cl—H ₂ , CF ₃ Br, PCl ₃ , CF ₄ , SF ₆ , NF ₃ , XeF ₂ , C ₃ F ₈ , CHF _{3 and the} like can be mentioned, but fluorine or chlorine and carbon (C), nitrogen (N), sulfur (S), xenon (Xe) Compounds are preferred, and those containing fluorine atoms are particularly preferred.
[0035]
Although the halogen-based gas exhibits a deterioration suppressing effect from a minute amount, in order to obtain a remarkable deterioration suppressing effect, it is preferable that the content concentration of the halogen-based gas is 1 ppm or more. Such a deterioration suppressing effect is obtained because the halogen-based gas contained in the sealing atmosphere decomposes the deposit generated by the photodecomposition of the organosilicon compound gas.
[0036]
For the halogen-based gas such as silicon (Si), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tin (Sn), or zirconium (Zr) oxide or nitride When a material having reactivity is used, the outermost surface layer of these optical components is etched, and the reliability of the module is lowered.
[0037]
Therefore, it is hermetically sealed together with a GaN-based semiconductor laser resonator, a collimator lens, a condensing lens, and components of a combined laser light source such as an incident side end of a multimode optical fiber, and a combined laser light source such as an optical mirror. The outermost surface layer exposed to the sealing atmosphere of the optical component to be used includes, for example, oxide or nitride of indium (In), gallium (Ga), aluminum (Al), titanium (Ti), or tantalum (Ta). It is preferable to use a material that is inert to a halogen-based gas, such as a product.
[0038]
Before performing the hermetic sealing by sealing the sealing gas, a deaeration process for exhausting the atmosphere in the sealed space is performed. From the viewpoint of not impairing the mechanical properties of the adhesive, this degassing treatment is usually performed at 200 ° C. or lower. Even when an organic adhesive is used to fix the optical system in the module, outgas from the organic adhesive is suppressed by performing degassing before sealing after fixing each component with the adhesive. can do. By setting the amount of the organic adhesive used for fixing the optical component to 1.0 g / ml or less, the saturation concentration of the outgas component in the module can be reduced to less than 1000 ppm by the deaeration treatment.
[0039]
[Module operation]
Next, the operation of the laser module will be described.
[0040]
Each of the laser beams B1, B2, B3, B4, B5, B6, and B7 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source has a corresponding collimator lens 11-17. Is collimated. The laser beams B <b> 1 to B <b> 7 converted into parallel light are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0041]
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condensing optical system, and the condensing optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The wave is emitted from the multimode optical fiber 30.
[0042]
In the above laser module, the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.9. Therefore, when the outputs of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are 100 mW, a combined laser beam B having an output of 630 mW (= 100 mW × 0.9 × 7) can be obtained.
[0043]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail based on specific examples.
[0044]
Using the laser module having the configuration shown in FIGS. 1 to 4, the relationship between the oxygen concentration in the sealing atmosphere and the concentration of the halogen-based gas and the deterioration rate of the module under the four conditions (levels) shown in Table 1 below. Examined. The results are shown in FIG.
[0045]
[Table 1]

[0046]
The module degradation rate k is expressed as an increase in driving current per hour necessary for driving all elements when APC driving is performed so that each light emitting point of the laser module has an output of 30 mW. Nitrogen gas was used as the inert gas in the sealing atmosphere, and carbon tetrafluoride (CF ₄ ) was used as the halogen-based gas. Moreover, the hydrocarbon concentration in the sealing atmosphere is about 100 ppm.
[0047]
As can be seen from FIG. 5, at the level (1), the decomposition of the hydrocarbon-based deposit generated from the hydrocarbon gas present in the atmosphere at a high concentration is completed by the low-concentration (0.1 ppm) oxygen atmosphere in the module. do not do. The loss of light amount due to the increase in the amount of hydrocarbon deposits with the passage of time occurs predominantly, and thus the deterioration rate of the module is large. Of course, there is no dependence of the deterioration rate on the CF ₄ concentration. This is because most of the oxygen gas is used for the decomposition of the hydrocarbon gas, so that it does not contribute to the acceleration of the deposition of the organosilicon compound gas, and the organosilicon compound gas is not deposited. That is, even the degradation rate varies concentration changes of CF ₄ is not, since the surface of the optical components are covered with a hydrocarbon compound, deterioration by etching phenomenon of optical components by CF ₄ gas found in conditions described below can not see.
[0048]
Further, in the level (2), the level (3), and the level (4), a remarkable deterioration suppressing effect is exhibited by introducing CF ₄ into the module. As the oxygen concentration increases, the amount of silicon oxide compound produced also increases. Therefore, when the oxygen concentration is high as in level (2), the effect of introducing CF ₄ gas is small. The CF ₄ gas introduction effect is more remarkable when the oxygen concentration is smaller. In the case of using a SiO ₂ having reactivity with CF ₄ at the outermost surface layer, regardless of the oxygen concentration, and SiO ₂ is CF ₄ constituting the outermost layer of the optical component at a CF ₄ concentration above a certain By reacting and starting to evaporate, the deterioration of the optical component and the fiber end face proceeds remarkably, and the deterioration rate increases rapidly.
[0049]
As can be seen from the above results, when CF ₄ gas (halogen-based gas) is introduced into a sealing atmosphere containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more, a remarkable deterioration suppressing effect is obtained.
[0050]
As described above, in the laser module of the present embodiment, hydrocarbon deposits are obtained by sealing air by containing an inert gas containing a halogen-based gas and containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more. Not only the deposits of silicon compounds but also decomposed, removed and reduced, and the deterioration of the module is remarkably suppressed. That is, the reliability of the laser module is improved and high output can be maintained for a long time.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to effectively suppress deterioration of laser characteristics and provide a highly reliable laser module.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source of a laser module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a laser module according to an embodiment of the present invention.
3 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 2. FIG.
4 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 2;
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration and halogen-based gas concentration in the sealing atmosphere at each level and the deterioration rate of the module.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Heat block 11-17 Collimator lens 20 Condensing lens 30 Multimode optical fiber 30a Core 40 Package 41 Package cover LD1-LD7 GaN-type semiconductor laser

Claims

A plurality of semiconductor lasers that emit laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm, a single optical fiber, and a condensing optical system that condenses the laser beams emitted from each of the plurality of semiconductor lasers and couples them to the optical fiber. Combined laser,
A sealed space filled with an enclosed gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more in an inert gas and at least one of a halogen group gas and a halogen compound gas is provided therein, and the semiconductor laser, A hermetic sealing member hermetically sealing the optical fiber coupling side part and the condensing optical system;
Including laser module.

The laser module according to claim 1, wherein an oxygen concentration in the inert gas is 1 to 100 ppm.

The laser module according to claim 1, wherein the halogen group gas and the halogen compound gas contain a fluorine atom.

4. The halogen compound gas is at least one selected from the group consisting of fluorides of carbon, nitrogen, sulfur, and xenon and chlorides of carbon, nitrogen, sulfur, and xenon. 2. The laser module according to item 1.

The resonator end face of the semiconductor laser, the coupling side portion of the optical fiber, and the outermost surface layer covering the condensing optical system are made of a material inert to the halogen group gas and the halogen compound gas. 5. The laser module according to any one of 4 above.

6. The inert material is at least one selected from the group consisting of oxides of indium, gallium, aluminum, titanium, and tantalum and nitrides of gallium, aluminum, titanium, and tantalum. The laser module described.