JP4115732B2

JP4115732B2 - Laser module and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4115732B2
Application number: JP2002101714A
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: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003298170A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザモジュール及びその製造方法に関し、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と、その製造方法とに関する。
【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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等が発振波長が３５０〜４５０ｎｍの半導体レーザを含むモジュールの封止雰囲気を分析した結果、以下に説明する通り、封止雰囲気中には種々の化合物が含有されており、その中でも、モジュール中に用いられる光学部材や機械部材に付着している固形有機物から発生する特定の有機ガス成分が、主にレーザ特性を劣化させることが判明した。
【０００５】
従来のレーザモジュールにおいては、レーザ素子及び光学系を固定するために、例えば、特開平２００１−１７７１６６号公報に開示されている接着剤や、ノーランド社製「品番ＮＯＡ６１」等のエポキシ系接着剤等の有機系接着剤が使用されていた。また、モジュール中に用いられる光学部材や機械部材に付着している固形有機物の多くはモジュール作製工程雰囲気から混入するものであり、洗浄を実施しても有機系残査が発生する。これらの固形有機物からは有機系ガスが発生し、発生したガス（所謂アウトガス）は封止されたレーザモジュール中に一定量充満している。更に、このアウトガスには、固形有機物の種類に応じて、ケイ素原子、リン原子、イオウ原子等を有する化合物が含まれる場合がある。
【０００６】
更に、封止工程では、イソプロピルアルコール（分子量６０．１０、沸点８２．４℃）、アセトン（分子量５８．０８、沸点５６．１〜５６．５℃）等、モジュール内部を構成する部品の洗浄に使用する溶剤等の低分子且つ低沸点の有機ガス成分が、乾燥窒素や乾燥空気等の封止ガスに不純物として混入する。
【０００７】
このため、封止雰囲気中には、固形有機物から発生した有機ガス成分（以下、「アウトガス成分」という）と、封止工程で混入する有機ガス成分（以下、「不純物成分」という）とが存在している。両成分をガスクロマトグラフィーにより分析すると、図５及び図６に示すように、両成分は分子量及び沸点の分布が明らかに異なっている。
【０００８】
図５は、不純物成分とアウトガス成分の各々についてＧＣ−ＭＡＳＳ（ガスクロマトグラフ質量分析計）により検出された成分の索量を１００％とし、分子量に対し分布をとったものであり、図６は、ＧＣ−ＭＡＳＳにより検出された成分の沸点の分布を、不純物成分とアウトガス成分の各々について総量を１００％とし、沸点の割合を分布で示したものである。
【０００９】
即ち、アウトガス成分の分子量は７０以上の範囲に分布しているのに対し、不純物成分の分子量は７０未満の範囲に分布している。また、アウトガス成分の沸点は７０℃以上の範囲に分布しているのに対し、不純物成分の分子量は１００℃未満の範囲に分布している。
【００１０】
次に、有機系接着剤を使用した以外は、後述する図１〜図４に示すレーザモジュールと同じ構成のレーザモジュールを用いて、封止雰囲気中の上記２種類の有機ガスの濃度とモジュールの劣化速度との関係を調べた。結果を図７に示す。モジュールの劣化速度は、レーザモジュールの各発光点を１００ｍＷで駆動した場合に、全素子を駆動するために必要な駆動電流の１時間当りの上昇量で表している。
【００１１】
プロット◆は、アウトガス成分の濃度とモジュールの劣化速度との関係を示し、プロット□は、不純物成分の濃度とモジュールの劣化速度との関係を示す。不純物成分の濃度は、封止ガス中のアセトン濃度を人為的に操作して調整した。
【００１２】
図７から分かるように、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上になると、駆動電流の上昇率が急増し、モジュールの劣化が顕著に促進される。このように劣化が促進される原因は、アウトガス成分の光分解により発生した固形物が、モジュール中に含まれる発光部や光学部品の表面に堆積するためであると推定される。
【００１３】
一方、不純物成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上になっても、モジュール中に含まれる発光部や光学部品への固形物の堆積は見られない。不純物成分が光分解されても、分解物は常温では固体にならず堆積することは無いからである。なお、不純物成分をアセトンからイソプロピルアルコールに変えても、アセトンと同様に固形物の堆積は見られなかった。
【００１４】
本発明は上記事情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、信頼性の高いレーザモジュールと、そのレーザモジュールを製造する製造方法とを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載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半導体レーザと、内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であり且つ酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスである封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、該空間内に前記半導体レーザ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する。
【００１６】
請求項１に記載のレーザモジュールでは、気密封止部材は内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であり且つ酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスである封止雰囲気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半導体レーザを気密封止している。この通り、固形有機物から発生した有機ガス成分（アウトガス成分）の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気としたので、有機ガス成分がレーザ光と反応して生成する分解堆積物が減少し、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。
【００１７】
上記目的を達成するために請求項２に記載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、内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であり且つ酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスである封止雰囲気で満たされた封止空間を備え、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する。
【００１８】
請求項２に記載のレーザモジュールは、複数の半導体レーザの各々から出射した３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザビームを、集光光学系により集光して１本の光ファイバに結合させる合波レーザを備えている。そして、気密封止部材は内部に固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満であり且つ酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスである封止雰囲気で満たされた封止空間を備えており、この空間内に合波レーザを構成する半導体レーザ、光ファイバの結合側部位、及び集光光学系を気密封止している。この通り、固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満である封止雰囲気としたので、有機ガス成分がレーザ光と反応して生成する分解堆積物が減少し、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。
【００１９】
上記の請求項１及び請求項２の発明において、気密封止前の封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とすることにより、気密封止前に脱気処理を実施して、固形有機物から発生した有機ガス成分の封止雰囲気中の濃度を１０００ｐｐｍ未満にすることができる。ここで、固形有機物とは、有機系接着剤等の常温で固体の有機物質である。
【００２０】
また、上記の固形有機物から発生した有機ガス成分は、分子量が７０以上又は沸点が７０℃以上の有機ガス成分とすることができる。また、固形有機物から発生した有機ガス成分は、ケイ素原子、リン原子、及びイオウ原子の少なくとも１種を含有する化合物を含んでいてもよい。
【００２１】
封止雰囲気が酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスであることで、固形有機物から発生した有機ガス成分はレーザ光により分解して、その分解物が光学部品等に堆積するが、上記濃度範囲の酸素の存在下では、この分解堆積物が酸化分解されて、レーザ特性の劣化が一層抑制される。
【００２２】
上記目的を達成するために請求項６に記載のレーザモジュールの製造方法は、３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザを気密封止部材内部の封止空間内に収納すると共に、封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下とし、前記空間を、固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満になるまで脱気処理し、該脱気処理後に、酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスで、前記空間内に前記半導体レーザを気密封止する、ことを特徴とする。
【００２３】
このレーザモジュールの製造方法では、３５０〜４５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を出射する半導体レーザを気密封止部材内部の空間内に収納すると共に、封止体積中の固形有機物の含有量を１ｇ／ｍｌ以下としたので、この空間を脱気処理することにより、封止雰囲気中の固形有機物から発生した有機ガス成分の濃度を１０００ｐｐｍ未満にすることができる。また、脱気処理後に、酸素を１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の濃度で含む不活性ガスで、空間内に半導体レーザを気密封止する。これにより、有機ガス成分がレーザ光と反応して生成する分解堆積物が減少し、レーザ特性の劣化が効果的に抑制される。即ち、レーザモジュールの信頼性が向上する。
【００２４】
【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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
上述した通り、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ以上でモジュールの劣化が促進されるので、モジュールの劣化を抑制するために、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ未満になるように気密封止する。このためには、例えば、有機系接着剤等による光学部品の固定は一切行わず、固定には無機系接着剤を用いる等して、接着剤の投入量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすればよい。
【００３５】
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。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。
【００３６】
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が、脱気後、モジュールの封止を実施し、その封止雰囲気中に含まれるアウトガス成分量を測定すると、投入される接着剤の量が多ければ多いほどモジュール中に放出される有機ガスの量は一定のレベル以下にならないことが確認されている。
【００３７】
所定量の有機系接着剤（固形有機物）をレーザモジュール中に投入することにより、封止体積中に含まれる固形有機物の単位体積当りの量を０．５ｇ／ｍｌ（ｇ／ｃｃ）から１０ｇ／ｍｌまで変更して、脱気処理後のアウトガス成分の濃度を調べた。９０℃で脱気処理を実施した後に、９９．９９９％以上の純度の窒素ガスを封入してレーザモジュールを気密封止した。２４時間放置した後に、封止モジュール中のアウトガス成分の濃度をガスクロマトグラフィにより測定した。
【００３８】
アウトガス成分の濃度が一定のレベルに達すると、脱気時間をそれ以上長くしても封止雰囲気中のアウトガス成分は減少しない。このような飽和状態に到達するのは、接着剤の未硬化成分の脱気が終了しても接着剤の母材となる成分が脱気過程で分解して接着剤中に残留し、封止後にアウトガスとなるためである。
【００３９】
有機系接着剤の投入量が１．２ｇ／ｍｌ以上の場合には、この飽和値が高く、長時間脱気処理を実施しても、モジュール中のアウトガス成分の濃度は１０００ｐｐｍ未満にならないが、有機系接着剤の投入量を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。
【００４０】
有機系接着剤の投入量を１．０ｇ／ｍｌ以下とした場合でも、飽和濃度に到達するためには、脱気時間は１３０〜２００時間が好ましく、脱気温度は８０〜１５０℃が好ましい。
【００４１】
封止ガスとしては、乾燥した窒素等の不活性ガスや乾燥空気を用いることができる。不活性ガス中に微量の酸素を含有する封止ガスを用いるのが特に好ましい。封止雰囲気中に微量の酸素が含まれると、レーザモジュールの劣化を更に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、アウトガス成分の光分解により発生した固形物を分解・酸化するためである。封止雰囲気中の酸素濃度は１〜１００ｐｐｍの範囲が好ましい。酸素濃度が１００ｐｐｍあれば、封止雰囲気中のアウトガス成分の濃度が１０００ｐｐｍ程度でも堆積物を十分に分解除去できる。
【００４２】
［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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、封止体積中の有機系接着剤の使用量を１．０ｇ／ｍｌ以下とすることにより、脱気処理を行って接着剤からのアウトガス成分の飽和濃度を１０００ｐｐｍ未満とすることができる。これにより、アウトガス成分がレーザ光により分解されて発生する分解物の量が減少し、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。また、封止雰囲気中に微量の酸素を含有させることにより、レーザモジュールの劣化を更に抑制することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ特性の劣化が効果的に抑制され、レーザモジュールの信頼性が向上する、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１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】アウトガス成分及び不純物成分の分子量分布を示すグラフである。
【図６】アウトガス成分及び不純物成分の沸点分布を示すグラフである。
【図７】アウトガス成分濃度及び不純物成分とモジュール劣化速度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 a manufacturing method thereof, 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, and a manufacturing method thereof.
[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 in the atmosphere are decomposed by ultraviolet rays, and the decomposition 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.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of analyzing the sealing atmosphere of a module including a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 350 to 450 nm by the present inventors, various compounds are contained in the sealing atmosphere as described below. Among these, it has been found that a specific organic gas component generated from a solid organic material adhering to an optical member or a mechanical member used in the module mainly deteriorates laser characteristics.
[0005]
In a conventional laser module, for example, an adhesive disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-177166, an epoxy adhesive such as “No. NOA61” manufactured by Noland, etc., is used to fix the laser element and the optical system. Organic adhesives were used. In addition, most of the solid organic substances adhering to the optical member and the mechanical member used in the module are mixed from the atmosphere of the module manufacturing process, and an organic residue is generated even if cleaning is performed. An organic gas is generated from these solid organic substances, and the generated gas (so-called outgas) is filled in a certain amount in the sealed laser module. Further, the outgas may contain a compound having a silicon atom, a phosphorus atom, a sulfur atom, or the like depending on the type of solid organic matter.
[0006]
Further, in the sealing process, isopropyl alcohol (molecular weight 60.10, boiling point 82.4 ° C.), acetone (molecular weight 58.08, boiling point 56.1-56.5 ° C.), etc., are used for cleaning the components constituting the module interior. Low molecular and low boiling point organic gas components such as the solvent used are mixed as impurities in the sealing gas such as dry nitrogen and dry air.
[0007]
Therefore, in the sealing atmosphere, there are organic gas components (hereinafter referred to as “outgas components”) generated from solid organic substances and organic gas components (hereinafter referred to as “impurity components”) mixed in the sealing process. is doing. When both components are analyzed by gas chromatography, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, both components have clearly different molecular weights and boiling point distributions.
[0008]
FIG. 5 shows the distribution of the amount of the component detected by GC-MASS (gas chromatograph mass spectrometer) for each of the impurity component and the outgas component as 100%, and the distribution with respect to the molecular weight. The distribution of the boiling points of the components detected by GC-MASS is shown as a distribution with the total amount being 100% for each of the impurity component and the outgas component.
[0009]
That is, the molecular weight of the outgas component is distributed in the range of 70 or more, while the molecular weight of the impurity component is distributed in the range of less than 70. Further, the boiling point of the outgas component is distributed in the range of 70 ° C. or higher, while the molecular weight of the impurity component is distributed in the range of less than 100 ° C.
[0010]
Next, using the laser module having the same configuration as the laser module shown in FIGS. 1 to 4 to be described later except that an organic adhesive is used, the concentration of the two kinds of organic gases in the sealing atmosphere and the module The relationship with the deterioration rate was investigated. The results are shown in FIG. The deterioration rate of the module is expressed as an increase amount per hour of drive current necessary for driving all the elements when each light emitting point of the laser module is driven at 100 mW.
[0011]
The plot ◆ shows the relationship between the concentration of the outgas component and the deterioration rate of the module, and the plot □ shows the relationship between the concentration of the impurity component and the deterioration rate of the module. The concentration of the impurity component was adjusted by artificially manipulating the acetone concentration in the sealing gas.
[0012]
As can be seen from FIG. 7, when the concentration of the outgas component in the sealing atmosphere is 1000 ppm or more, the increase rate of the drive current increases rapidly, and the deterioration of the module is remarkably promoted. It is estimated that the reason why the deterioration is promoted in this way is that the solid matter generated by the photolysis of the outgas component is deposited on the surface of the light emitting unit or the optical component included in the module.
[0013]
On the other hand, even when the concentration of the impurity component is 1000 ppm or more, no solid matter is deposited on the light emitting part or the optical component included in the module. This is because even if the impurity component is photodecomposed, the decomposition product does not become solid at room temperature and does not accumulate. In addition, even when the impurity component was changed from acetone to isopropyl alcohol, solid matter deposition was not observed as in the case of acetone.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly reliable laser module that effectively suppresses deterioration of laser characteristics and a manufacturing method for manufacturing the laser module. There is to do.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the laser module according to claim 1 has a semiconductor laser that emits a laser beam having a wavelength range of 350 to 450 nm and an organic gas component concentration generated from a solid organic substance therein is less than 1000 ppm . A sealing space filled with a sealing atmosphere that is an inert gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm to 100 ppm , and an airtight sealing member that hermetically seals the semiconductor laser in the space. It is characterized by comprising.
[0016]
2. The laser module according to claim 1, wherein the hermetic sealing member is an inert gas in which the concentration of organic gas components generated from solid organic matter is less than 1000 ppm and oxygen is contained in a concentration of 1 ppm to 100 ppm. A sealing space filled with an atmosphere is provided, and a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength range of 350 to 450 nm is hermetically sealed in the space. As described above, since the sealed atmosphere has a concentration of the organic gas component (outgas component) generated from the solid organic substance of less than 1000 ppm, decomposition deposits generated by the reaction of the organic gas component with the laser light are reduced, and the laser characteristics are reduced. Is effectively suppressed. Thereby, a highly reliable laser module can be provided.
[0017]
In order to achieve the above object, the laser module according to claim 2 is emitted from each of a plurality of semiconductor lasers emitting a laser beam having a wavelength range of 350 to 450 nm, a single optical fiber, and the plurality of semiconductor lasers. A combined laser provided with a condensing optical system for condensing a laser beam and coupling it to the optical fiber, and a concentration of organic gas components generated from solid organic matter in the interior is less than 1000 ppm and oxygen is in a concentration of 1 ppm to 100 ppm. A hermetic sealing member including a sealing space filled with a sealing atmosphere, which is an inert gas, and hermetically sealing the semiconductor laser, the optical fiber coupling side portion, and the condensing optical system in the space; It is characterized by including.
[0018]
The laser module according to claim 2, wherein a laser beam having a wavelength range of 350 to 450 nm emitted from each of a plurality of semiconductor lasers is condensed by a condensing optical system and coupled to one optical fiber. It has. The hermetic sealing member has a sealed space filled with a sealing atmosphere in which the concentration of the organic gas component generated from the solid organic substance is less than 1000 ppm and is an inert gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm to 100 ppm. In this space, the semiconductor laser constituting the multiplexing laser, the optical fiber coupling side portion, and the condensing optical system are hermetically sealed. As described above, since the concentration of the organic gas component generated from the solid organic substance is a sealed atmosphere of less than 1000 ppm, the decomposition deposit generated by the reaction of the organic gas component with the laser beam is reduced, and the deterioration of the laser characteristics is effective. Is suppressed. Thereby, a highly reliable laser module can be provided.
[0019]
In the first and second aspects of the invention, the deaeration treatment is performed before the hermetic sealing by setting the solid organic matter content in the sealed volume before the hermetic sealing to 1 g / ml or less. The concentration of the organic gas component generated from the solid organic substance in the sealing atmosphere can be less than 1000 ppm. Here, the solid organic substance is an organic substance that is solid at room temperature, such as an organic adhesive.
[0020]
Moreover, the organic gas component generated from the above-mentioned solid organic substance can be an organic gas component having a molecular weight of 70 or more or a boiling point of 70 ° C. or more. Further, the organic gas component generated from the solid organic material may include a compound containing at least one of a silicon atom, a phosphorus atom, and a sulfur atom.
[0021]
Since the sealing atmosphere is an inert gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm or more and 100 ppm or less, the organic gas component generated from the solid organic matter is decomposed by laser light, and the decomposition product is deposited on an optical component or the like. In the presence of oxygen in the above concentration range, the decomposition deposit is oxidized and decomposed, and deterioration of laser characteristics is further suppressed.
[0022]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a laser module according to claim 6 , wherein a semiconductor laser that emits laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm is housed in a sealed space inside an airtight sealing member, the content of the solid organic substances in the seal volume to less 1 g / ml, the space, the concentration of the organic gas components generated from the solid organic material is deaerated to below 1000 ppm, after dehydration deaeration process, the oxygen The semiconductor laser is hermetically sealed in the space with an inert gas having a concentration of 1 ppm or more and 100 ppm or less .
[0023]
In this laser module manufacturing method, a semiconductor laser that emits laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm is housed in a space inside the hermetic sealing member, and the content of solid organic matter in the sealing volume is 1 g / ml. Therefore, the concentration of the organic gas component generated from the solid organic matter in the sealing atmosphere can be reduced to less than 1000 ppm by degassing this space. After the deaeration treatment, the semiconductor laser is hermetically sealed in the space with an inert gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm to 100 ppm. Thereby, decomposition deposits generated by the reaction of the organic gas component with the laser beam are reduced, and deterioration of the laser characteristics is effectively suppressed. That is, the reliability of the laser module is improved.
[0024]
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.
[0025]
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.
[0026]
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.
[0027]
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.
[0028]
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).
[0029]
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.
[0030]
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.
[0031]
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.
[0032]
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.
[0033]
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.
[0034]
As described above, since the deterioration of the module is promoted when the concentration of the outgas component in the sealing atmosphere is 1000 ppm or more, the concentration of the outgas component in the sealing atmosphere is less than 1000 ppm in order to suppress the deterioration of the module. Hermetically seal. For this purpose, for example, the optical component is not fixed at all with an organic adhesive or the like, and an inorganic adhesive is used for fixing, for example, so that the amount of the adhesive is 1.0 g / ml or less. Good.
[0035]
Before performing the hermetic sealing by sealing the sealing gas, a deaeration process for exhausting the atmosphere in the sealed space is performed. 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.
[0036]
From the viewpoint of not damaging the mechanical properties of the adhesive, this deaeration treatment is usually performed at 200 ° C. or lower. After deaeration, the module is sealed, and the amount of outgas components contained in the sealing atmosphere is measured. As a result, it has been confirmed that the amount of the organic gas released into the module does not fall below a certain level as the amount of adhesive to be introduced increases.
[0037]
By putting a predetermined amount of organic adhesive (solid organic matter) into the laser module, the amount of solid organic matter contained in the sealed volume per unit volume is changed from 0.5 g / ml (g / cc) to 10 g / cc. After changing to ml, the concentration of the outgas component after the deaeration treatment was examined. After performing deaeration treatment at 90 ° C., nitrogen gas having a purity of 99.999% or more was sealed to hermetically seal the laser module. After standing for 24 hours, the concentration of the outgas component in the sealing module was measured by gas chromatography.
[0038]
When the concentration of the outgas component reaches a certain level, the outgas component in the sealing atmosphere does not decrease even if the degassing time is increased. The reason for reaching such a saturated state is that, even after the degassing of the uncured component of the adhesive is completed, the component that becomes the base material of the adhesive decomposes in the degassing process and remains in the adhesive, thereby sealing It is because it becomes outgas later.
[0039]
When the input amount of the organic adhesive is 1.2 g / ml or more, this saturation value is high, and the concentration of the outgas component in the module does not become less than 1000 ppm even if the deaeration treatment is performed for a long time. By setting the input amount of the organic adhesive to 1.0 g / ml or less, the saturation concentration of the outgas component in the module can be made less than 1000 ppm by the deaeration treatment.
[0040]
Even when the input amount of the organic adhesive is 1.0 g / ml or less, the deaeration time is preferably 130 to 200 hours and the deaeration temperature is preferably 80 to 150 ° C. in order to reach the saturation concentration.
[0041]
As the sealing gas, an inert gas such as dried nitrogen or dry air can be used. It is particularly preferable to use a sealing gas containing a trace amount of oxygen in the inert gas. When a small amount of oxygen is contained in the sealing atmosphere, the deterioration of the laser module can be further suppressed. Such a deterioration suppressing effect is obtained because oxygen contained in the sealing atmosphere decomposes and oxidizes solids generated by photodecomposition of outgas components. The oxygen concentration in the sealing atmosphere is preferably in the range of 1 to 100 ppm. If the oxygen concentration is 100 ppm, the deposit can be sufficiently decomposed and removed even if the concentration of the outgas component in the sealing atmosphere is about 1000 ppm.
[0042]
[Module operation]
Next, the operation of the laser module will be described.
[0043]
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.
[0044]
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.
[0045]
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.
[0046]
As described above, in the laser module according to the present embodiment, the amount of organic adhesive in the sealed volume is set to 1.0 g / ml or less so that degassing is performed and the outgas component from the adhesive is removed. The saturation concentration of can be less than 1000 ppm. Thereby, the amount of decomposition products generated by the decomposition of the outgas component by the laser light is 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. Moreover, deterioration of the laser module can be further suppressed by containing a trace amount of oxygen in the sealing atmosphere.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to effectively suppress degradation of laser characteristics and improve the reliability of the 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 a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a laser module according to the first 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 molecular weight distributions of outgas components and impurity components.
FIG. 6 is a graph showing boiling point distributions of outgas components and impurity components.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the outgas component concentration and impurity component and the module deterioration rate.
[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 semiconductor laser that emits laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm;
A sealed space filled with a sealed atmosphere, which is an inert gas containing a concentration of organic gas components generated from solid organic matter of less than 1000 ppm and containing oxygen in a concentration of 1 ppm to 100 ppm, is provided in the space. An airtight sealing member hermetically sealing the semiconductor laser;
Including laser module.

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 a sealed atmosphere, which is an inert gas containing a concentration of organic gas components generated from solid organic matter of less than 1000 ppm and containing oxygen in a concentration of 1 ppm to 100 ppm, is provided in the space. An airtight sealing member that hermetically seals the semiconductor laser, the coupling side portion of the optical fiber, and the condensing optical system;
Including laser module.

The laser module according to claim 1 or 2, wherein the content of the solid organic matter in the sealed volume before hermetic sealing is 1 g / ml or less.

The laser module according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic gas component generated from the solid organic material is an organic gas component having a molecular weight of 70 or more or a boiling point of 70 ° C or more.

5. The laser module according to claim 1, wherein the organic gas component generated from the solid organic material includes a compound containing at least one of a silicon atom, a phosphorus atom, and a sulfur atom.

A semiconductor laser that emits laser light in a wavelength range of 350 to 450 nm is housed in a sealed space inside the hermetic sealing member, and the solid organic matter content in the sealed volume is 1 g / ml or less,
The space is degassed until the concentration of the organic gas component generated from the solid organic matter is less than 1000 ppm,
After the deaeration treatment, the semiconductor laser is hermetically sealed in the space with an inert gas containing oxygen at a concentration of 1 ppm to 100 ppm .
Laser module manufacturing method.