JP4186058B2

JP4186058B2 - レーザ光源装置

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Publication number: JP4186058B2
Application number: JP2003156064A
Authority: JP
Inventors: 敦智濱; 整梅本; 浩章正瑞
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004361439A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力用の半導体レーザ装置もしくは多波長出力用の半導体レーザ装置に使用される光レセプタクルを用いた半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年４００ｎｍ程度でのレーザ発振が、窒化ガリウム系半導体で可能となった今日において、窒化ガリウム系の半導体レーザは様々な分野への適用が望まれている。現在、室温での連続発振で出力３０ｍＷの窒化ガリウム系の半導体レーザ素子が実用化されているが、さらなる高出力化も待たれているのが現状である。従来の７８５ｎｍ程度の赤外レーザ、また６５０ｎｍ程度の赤色レーザでは、レーザ素子１個でそれ以上の出力のレーザ発振が得られているが、俗によばれる青色レーザであって、窒化ガリウム系の半導体レーザでは、それ以上の出力が、まだレーザ素子１個では安定して供給できない。
【０００３】
特許文献１には、複数個の半導体レーザを用いて、高出力のレーザ光を得る方法が開示されている。上記の要望には、この特許文献１のように、複数個の半導体レーザを用いて、同時に発振させることで、高出力化が可能であるが、周知の赤外レーザや赤色レーザと比べて、青色レーザは波長が短いため、レーザ発振する際の励起エネルギーが大きく、レーザ発振による発熱量はかなり大きい。また光通信用として用いる場合は発熱量はそれほど大きくはならないが、半導体レーザを連続発振して用いると発熱量は大きくなってしまう。発熱量が大きいことは当然のことながら、半導体レーザ素子の早期劣化を招く恐れがあるため、長寿命のレーザ素子を得るには、レーザ発振による発熱を速やかに冷却する手段が必要となる。窒化ガリウム系の半導体レーザは、露光用を用途として高出力のレーザ光源装置が要求されている。窒化ガリウム系の半導体レーザは、水銀ランプの代替として用いることができるからである。（例えば水銀のｉ線３６５ｎｍ、ｇ線４０５ｎｍ、ｈ線４３６ｎｍなどが代替可能である。）また、特許文献２や特許文献３には、半導体レーザとファイバなどの光学手段とを接続して用いるための光レセプタクルが開示されており、おもに通信用の高出力光源として用いられている。
【特許文献１】
特開平６−３４７６７２号公報（図１）
【特許文献２】
特開平７−１６８０６４号公報（図１）
【特許文献３】
特開平８−１７９１６７号公報（図４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、例えば４００ｎｍ程度で発振するような半導体レーザに代表される、レーザ発振による発熱量が比較的多い半導体レーザと、ファイバと、半導体レーザとファイバとをつなげるための光レセプタクルとを有するレーザ光源装置であって、放熱性と実装性に優れた光レセプタクルを提供するとともに、この光レセプタクルを複数個用いて、複数の半導体レーザを実装することで、小型化が可能で、実装性および交換性に優れたレーザ光源装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためのレーザ光源装置は、次の（１）〜（１６）を特徴とする。
（１）半導体レーザと、ファイバと、半導体レーザとファイバとを接続する光レセプタクルとを少なくとも有し、該光レセプタクルは、半導体レーザを装着する開口部を有する端面と、該端面に対向するファイバと接合する端面とを有し、少なくとも前記２つの端面に延在する底面を有し、前記半導体レーザを装着する開口部は、前記ファイバと接合する端面まで貫通した第１の貫通孔であり、さらに前記底面は、半導体レーザから出された熱が光レセプタクル外部に放熱される面であることを特徴とする。これにより、半導体レーザから出射されたレーザ光が好適にファイバに入射すると共に、半導体レーザから出された熱は光レセプタクルを介して好適に放熱される。
また、前記光レセプタクルの第１の貫通孔は、半導体レーザを装着する端面の方が、ファイバを接合する端面より大きい。
前記第１の貫通孔は、前記光レセプタクル内部で径が変わる部位を有し、前記径が変わる部位は、前記光レセプタクルの２つの端面に垂直な方向において、中点から半導体レーザを装着する端面側に設けられる。
また、前記光レセプタクルは、底面に垂直な方向に該底面から光レセプタクルを貫通し、放熱する手段を有する基体に螺合されるねじを挿通するための第２の貫通孔を有し、前記第２の貫通孔は、前記半導体レーザを装着する端面及びファイバを接合する端面に垂直な方向において、中点からファイバを接合する端面側に設けられる。
（２）前記（１）であって、前記光レセプタクルは、直方体であることを特徴とする。
【０００６】
前記光レセプタクルの底面は、放熱手段を有する基体に接合されてなることが好ましい。これにより前記光レセプタクルの底面と、例えばペルチェ素子や水冷手段が組み込まれた基体、さらにフィンによる空冷手段が組み込まれた基体等、種々の冷却手段を有する基体を接合させることで、半導体レーザから出された熱は光レセプタクルを介してさらに好適に放熱される。
【０００７】
前記光レセプタクルの第１の貫通孔は、半導体レーザを装着する端面の方が、ファイバを接合する端面より大きいことが好ましい。これにより、半導体レーザを端面に装着し、さらに対向する端面にファイバの端面が接合するように固定した時の光レセプタクルをさらに小型にすることができる。
【０００８】
（３）前記（１）または（３）のいずれかであって、前記第２の貫通孔は挿通されたねじを有し、該ねじは放熱する手段を有する基体に螺合されていることを特徴とする。
【０００９】
前記光レセプタクルは、底面に垂直な方向に該底面から光レセプタクルを貫通した第２の貫通孔を有し、これにより光レセプタクルは放熱手段を有する基体に固定される。また光レセプタクルは、固定手段をねじとし、光レセプタクルの底面から垂直に貫通した貫通孔を設け、その貫通孔にねじを通し、放熱手段を有する基体に固定されているので、強固に固定することができ、また固定手段を光レセプタクルの内部に設けているので、光レセプタクルの小型化が、また光レセプタクルの形状を固定手段にとらわれることなく自由に設計することが可能となる。
【００１０】
前記光レセプタクルの第２の貫通孔は、半導体レーザを装着する端面とファイバを接合する端面のうち、ファイバを接合する端面側に位置することが好ましい。これにより、固定手段としての貫通孔を有する光レセプタクルの小型化が可能となる。
【００１１】
（４）前記（１）〜（３）のいずれかであって、前記光レセプタクルは、前記２つの端面および前記底面に対して垂直に位置する、対向する２つの側面を有し、該２つの側面において、前記第１の貫通孔が一方の側面側に位置し、前記第２の貫通孔が他方の側面側に位置することを特徴とする。これにより、半導体レーザからのレーザ光は、光レセプタクルの中心を通らず、２つの側面のうち一方の側面に近く、他方の側面から離れた位置を通るようになる。これとともに、固定手段としての貫通孔を他方の側面に近づけて設けることで、固定手段としての貫通孔を有する光レセプタクルの前記側面に垂直な方向を小型化することが可能となる。
【００１２】
（５）前記（１）〜（４）のいずれかであって、前記光レセプタクルは、前記底面および前記２つの端面と垂直に位置する少なくとも１つの側面を有し、前記底面の表面積は、前記側面の表面積よりも大きいことを特徴とする。これにより、光レセプタクルは、放熱性に優れ、かつ前記底面に垂直な方向を小型化することが可能となる。
【００１３】
（６）前記（１）〜（５）のいずれかであって、前記光レセプタクルは、ファイバが同軸で保持されたフェルールを保持するフェルールホルダを有し、該フェルールホルダと光レセプタクルは開口部を有するスペーサを介して接合されてなることを特徴とする。これにより光レセプタクルとファイバとが好適に接合される。
【００１４】
（７）前記（６）であって、前記光レセプタクルは、半導体レーザを装着時に、前記スペーサのフェルールホルダ側表面に、半導体レーザからの光の焦点が位置することを特徴とする。これによりスペーサのフェルールホルダ側表面とファイバ端面が接合されるので、半導体レーザからのレーザ光がファイバに最も強く入射することが可能となる。
【００１５】
（８）前記（１）〜（７）のいずれかであって、前記光レセプタクルは、前記第１の貫通孔にレンズを有することを特徴とする。これにより、半導体レーザからのレーザ光が集光しない状態で半導体レーザから出射されたときでも好適にファイバに集光したレーザ光を入射させることが可能となる。
【００１６】
（９）前記（１）〜（８）のいずれかの光レセプタクルを用いたレーザ光源装置であって、複数の前記光レセプタクルと、前記光レセプタクルの底面で接する冷却手段を有する基体と、前記光レセプタクルに接合された複数の半導体レーザと、を少なくとも有するレーザ光源装置であって、前記光レセプタクルは、前記２つの端面および前記底面に対して垂直に位置する、対向する２つの側面を有し、複数のうち隣接する光レセプタクルが、それぞれの前記側面が対向するように配列されたレーザ光源装置とする。これにより、複数の半導体レーザが組み込まれたレーザ光源装置の小型化が可能となる。
【００１７】
（１０）前記（９）であって、前記複数の光レセプタクルは、それぞれにファイバが接合されてなり、複数のファイバがバンドルされてレーザ光源装置の表面に露出されてなることを特徴とする。これにより、複数の半導体レーザを用いたレーザ光源装置において、装置から出るレーザ光を１点から出射させることが可能となる。
【００１８】
（１１）前記（９）または（１０）であって、前記半導体レーザは、前記光レセプタクルが接合される側と反対側にリード端子を有し、該リード端子が回路基板に電気的に接続され、さらに前記冷却手段を有する基体は、光レセプタクルと回路基板のそれぞれに固定されてなることを特徴とする。これにより、半導体レーザと、冷却する手段を有する基体と、回路基板とがそれぞれで固定されるので、ねじなどの固定手段を最小限度とすると共に小型化が可能となる。また半導体レーザと、冷却する手段を有する基体と、回路基板とを１つのユニットとして複数のユニットをレーザ光源装置に組み込む場合、ユニット単位で脱着が可能となる。
【００１９】
（１２）前記（９）〜（１１）であって、前記複数の半導体レーザは、すべて同一波長のレーザ光が出射される半導体レーザであることを特徴とする。これにより、高出力のレーザ光源装置が実現可能となる。
【００２０】
（１３）前記（９）〜（１１）のいずれかであって、前記複数の半導体レーザのうち少なくとも１つは、他の半導体レーザと異なる波長のレーザ光が出射される半導体レーザであることを特徴とする。これにより、異なる波長のレーザ光が出射されるレーザ光源装置が実現可能となる。
【００２１】
（１４）前記（１）〜（１３）のいずれかであって、前記半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子が、ステムと板ガラスまたはレンズを有するキャップとで気密封止された半導体レーザであることを特徴とする。ステムと、板ガラスまたはレンズを有するキャップとで気密封止された半導体レーザであるので、半導体レーザを光レセプタクルに装着しやすく、生産性に優れる。また窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子が封止されているので、４００ｎｍ程度の赤色レーザと比べて短波長領域でのレーザ光が出射されるレーザ光源装置が実現できる。
（１５）半導体レーザと、ファイバと、半導体レーザとファイバとを接続する光レセプタクルとを少なくとも有し、該光レセプタクルは、半導体レーザを装着する開口部を有する端面と、該端面に対向するファイバと接合する端面とを有し、少なくとも前記２つの端面に延在する底面を有し、前記半導体レーザを装着する開口部は、前記ファイバと接合する端面まで貫通した第１の貫通孔であり、さらに前記底面は、半導体レーザから出された熱が光レセプタクル外部に放熱される面であり、放熱手段を有する基体に接合されてなる。
（１６）前記（１５）であって、前記光レセプタクルは、さらに底面に垂直な方向に該底面から光レセプタクルを貫通した第２の貫通孔を有し、該第２の貫通孔は挿通されたねじを有し、該ねじは放熱する手段を有する基体に螺合されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の更に詳細に説明する。
図１〜図１４は、本発明のレーザ光源装置を説明するための図であり、図１は半導体レーザとファイバとを接合するための光レセプタクルを説明するための斜視図である。このように光レセプタクルは半導体レーザを装着する開口部１０を有する端面１００と、この端面に対向するファイバを接合する端面２００とを有し、これら２つの端面に延在する底面３００を有する。半導体レーザを装着する側の端面１００にある開口部１０は、装着する半導体レーザが固定されるように半導体レーザの外形と一致するような孔となっている。またこの開口部１０は、ファイバと接合する端面２００まで貫通した第１の貫通孔４００であり、ファイバと接合する端面２００にも開口部２０を有する。そして半導体レーザからのレーザ光はこの第１の貫通孔４００を半導体レーザを装着する側の端面１００からファイバと接合する端面２００に向かって進むことになる。また半導体レーザからの熱が光レセプタクルの底面３００から外部に放熱される。
【００２３】
また半導体レーザを装着する端面１００の開口部１０は、ファイバが接合する端面２００の開口部２０よりも大きく、つまり第１の貫通孔４００は半導体レーザを装着する端面１００の方が、ファイバと接合する端面２００よりも大きく設ける。半導体レーザ装着側の開口部は半導体レーザの外形と一致するように設けられているのに対し、ファイバと接合する側の開口部は、レーザ光が通るだけの開口部でよい。そこで、第１の貫通孔４００は、光レセプタクル内部で径が変わる部位を有する。この径の変わる部位は、好ましくは光レセプタクルの２つの端面に垂直な方向において、中点から半導体レーザを装着する端面側に設けることが好ましい。そして第１の貫通孔４００が、一方で径が大きく、他方で径を小さくすることで、小型の光レセプタクルであるにもかかわらず、光レセプタクル内部にこの光レセプタクルを固定するための手段を設けることができる。開口部はいずれも円形であって、半導体レーザ装着側の開口部とファイバと接合する側の開口部は好ましくは開口部の中心が一致するように設ける。
【００２４】
光レセプタクルを固定するための手段は、光レセプタクルの底面から垂直な方向に貫通した第２の貫通孔５００を設け、この貫通孔にねじを挿通し、ねじを底面側の基板に螺合することで実現される。図２は光レセプタクルが放熱する手段を有する基体に固定されている状態を示す図である。このように、光レセプタクルは底面が放熱手段を有する基体２に接合されているので、半導体レーザからの熱が光レセプタクルを介して、光レセプタクルの底面から基体２に好適に放熱されるようになる。この放熱手段を有する基体として、ペルチェ素子を用いるか、水冷手段を用いるか、放熱フィンを用いることで、放熱性が良くなる。水冷手段を用いる場合は、基体の内部に水が流れるようにする。またこれらの放熱手段を有する基体２は、光レセプタクルの底面との間に、別の基体を介して設けても良い。別の基体は熱伝導性に優れた材料として、例えば銅、アルミニウム、真鍮などが挙げられ、なかでも銅は熱伝導性が最もよく、またアルミニウムは軽量で加工もしやすい。
【００２５】
このように光レセプタクル１は放熱手段を有する基体２に底面で接し、第２の貫通孔５００によって、基体２にねじ固定されることで、強固でかつ、放熱性に優れたレーザ光源装置とすることができる。また光レセプタクル内部に固定手段を設けているので、光レセプタクルの形状（外形）を自由に設計することができ、レーザ光源装置として実装する際に好ましい形状に適宜変更することが可能となる。ここで、第２の貫通孔５００は少なくとも１つであるが、このましくは２つ設けてもよい。２つ設けてそれぞれをねじ固定することで、光レセプタクルがねじ固定部で軸回転することもない。これら１つもしくは２つの第２の貫通孔は、半導体レーザを装着する端面１００とファイバと接合する端面２００のうち、ファイバを接合する端面側に設けることが好ましい。ファイバを接合する端面側とは、少なくとも光レセプタクルの２つの端面に垂直な方向において、中点からファイバを接合する端面側を意味する。ファイバを接合する側に第２の貫通孔を設けると、第１の貫通孔４００のうち、径の小さい側に設けることとなるので、光レセプタクルの側面に垂直な方向の長さを最小にすることが可能となる。
【００２６】
さらに、第２の貫通孔５００は第１の貫通孔４００との関係において、次のように設けることが好ましい。光レセプタクル１が有する２つの対向する側面において、第１の貫通孔４００が一方の側面側に位置し、第２の貫通孔５００が他方の側面側に位置するように設ける。本発明において、第１の貫通孔が一方の側面側に位置するとは、光レセプタクルの側面に垂直な方向の中心から一方の側面側に貫通孔（もしくは開口部）の中心があることを意味し、第２の貫通孔においても、同様に貫通孔の中心を基準とし、一方の側面に対向する他方の側面に貫通孔の中心があることを意味する。
【００２７】
これらのようにして、第１の貫通孔４００と第２の貫通孔５００を位置決めすることによって、固定手段を内部に有する光レセプタクルを小型化することが可能となっており、この位置を決定する手順としては、まず図３のように、長方形を縦方向と横方向に２等分したうちの、ファイバと接合する端面側でかつ、いずれかの側面側、つまり図の斜線部内に設け、次に第２の貫通孔を設けた側の側面と反対の側面に第１の貫通孔４００を設けることで位置が決まる。
【００２８】
さらに図１また図２に示すように、光レセプタクル１は、底面３００の表面積が側面６００の表面積よりも大きく設けることが好ましい。底面の面積を大きくすることで、放熱が好適に行われる。また側面の面積を小さくすることで、光レセプタクルの底面に垂直な方向を小さくすることができ、小型化が可能となる。これらは特に、光レセプタクル内に固定手段として設けた第２の貫通孔５００を設けるときに顕著な効果を示し、つまり第２の貫通孔を設けることで、側面に垂直な方向は第１の貫通孔４００と第２の貫通孔５００とのそれぞれを光レセプタクル内部に設けるだけの長さを必要とするのに対し、底面に垂直な方向は第１の貫通孔４００を光レセプタクル内部に設けるだけの長さがあればよいからである。本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルは、底面に対向する上面の形状は特に限定するものではないが、好ましくは、上記側面と底面との関係を満たす直方体とすることが好ましく、これにより光レセプタクルをレーザ光源装置に実装しやすくなる。また直方体とすることで、熱容量も大きく、半導体レーザから出された熱が効率よく光レセプタクルに伝わると共に、効率よく光レセプタクルの底面から外部に放熱されることとなる。
【００２９】
また本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルは、図４に示すように、第１の貫通孔の内部にレンズ３０を設けてもよい。図４は光レセプタクルの水平方向断面図を示したもので、レンズ３０が第１の貫通孔４００の内部に設けられている。このようにレンズを設けることで、半導体レーザから出されたレーザ光が集光されてファイバに入射するようになる。このレンズを設ける位置は、第１の貫通孔の中でも、好ましくは径の変わる部位に設ける異が好ましい。径の変わる部位に小さい径よりも大きくかつ大きい径よりも小さい大きさのレンズを用いることで、レンズを光レセプタクルに固定しやすくなる。
【００３０】
本発明の光レセプタクル１は、半導体レーザを装着する端面１００と対向する端面２００でファイバと接合する。図５は、光レセプタクルとフェルールホルダがスペーサを介して接合されている状態を示す図である。一般にファイバを接合する際、ファイバに同軸で保持したフェルールが用いられ、ファイバの端面がフェルールの端面と一致している。ファイバはフェルールとして接続されるので、本発明では光レセプタクルにフェルールを固定するためのフェルールホルダ４０が設けられている。このフェルールホルダ４０はフェルールの外形とほぼ同じ径の開口部を有する円筒状のホルダとなっており、フェルールホルダにフェルールを差し込むことで、フェルールは、少なくともファイバと接合する端面の面方向が光レセプタクルに固定される。このフェルールホルダ４０は例えば図６に示すようなファイバと接合する端面に垂直な方向を固定するための固定手段４１を設けてもよい。ファイバと接合する端面に垂直な方向を固定するための固定手段としては公知の手段を用いることができ、これを用いることで、フェルールが光レセプタクルから抜けることを防ぐ。例えば図６では、フェルールホルダに固定された２枚のＳＵＳよりなる板を用い、２枚の板の距離が、フェルールホルダに固定された位置でフェルールホルダより大きく、フェルールホルダから離れるにつれて小さくなり、この距離が最小となる位置からさらに離れるにつれて大きくなるように設けられている。ここでフェルールは、ファイバ端面と一致する側と反対側にフランジと呼ばれる留め具を有するフェルールを用いる。このフランジの直径を２枚の板の前記最小となる距離より大きく設けている。このフェルールをフェルールホルダに差し込みファイバの端面を光レセプタクルの端面に接合させる。このとき、フランジが前記２枚の板の距離が最小となる位置より光レセプタクル側に来ることにより、フランジが２枚の板で挟み込まれることで、フェルールが抜けることがない。またこの２枚の板は１枚のＳＵＳからなる板を折り曲げて用いてもよい。またフェルールとフランジの材料の構成としては、（フェルール：フランジ）として（ジルコニア：ＳＵＳ）、（ＳＵＳ：ＳＵＳ）、（プラスチック：プラスチック）などが用いられる。
【００３１】
さらに本発明のフェルールホルダ４０は、光レセプタクル１とスペーサ５０を介して接合されることが好ましい。このスペーサは円筒状で開口部５１は第１の貫通孔よりも小さく、さらにフェルールホルダの開口部よりも小さく、フェルールをフェルールホルダに挿入する際の挿入方向のストッパとして機能する。これによりスペーサのフェルールホルダ側表面とフェルールの端面すなわちファイバの端面とが一致することになる。
【００３２】
また本発明のスペーサはフェルールホルダ側表面に、半導体レーザからの光の焦点が位置するように、ファイバと接合する端面に垂直な方向の大きさを調節して実装する。これによりスペーサのフェルールホルダ側表面はレーザ光からの焦点とファイバの端面が一致するようになる。ここで本発明は、スペーサを用いることで、レーザ光の焦点をファイバの端面と一致させているが、レーザ光の焦点とファイバの端面とを一致させる手段はこれに限るものでなく、光レセプタクルから離れた位置でフェルールを固定する手段を設けて固定してもよい。また本発明で用いるファイバとしては、シングルモードファイバとマルチモードファイバのいずれを用いてもよいが、強いレーザ光を伝搬することを目的とするので、マルチモードファイバを用いることが好ましい。
【００３３】
本発明のレーザ光源装置は、さらに本発明の光レセプタクルを複数個並べて用いることで、高出力のレーザ光が、もしくは異なる波長のレーザ光が出力される装置とすることが可能となる。図７は一実施の形態として本発明のレーザ光源装置を模式的に示したものである。レーザ光源装置の中央部には、半導体レーザ３がそれぞれに装着された４つの光レセプタクル１が並んで配置されている。この光レセプタクル１はそれぞれが放熱手段を有する基体２にねじ４で固定されている。そしてそれぞれの光レセプタクル１にはフェルールホルダ４０があり、ファイバ６０の一端がフェルールに保持された状態で、フェルールホルダに差し込まれている。またファイバの他端が１つにバンドルされて、レーザ光源装置の表面に露出するように設けられている。このように光レセプタクル１は、複数のうち、隣接する光レセプタクルが、それぞれの側面が対向するように配列されており、
光レセプタクルを密に固定すると共に、放熱性に優れたレーザ光源装置となる。光レセプタクルが密に固定されているので、レーザ光源装置としても小型化が可能となる。ここで光レセプタクルの側面は、２つの端面（半導体レーザを装着する端面１００およびファイバと接合する端面２００）および底面３００に対して垂直に位置する側面６００をさす。
【００３４】
図７に示すように、半導体レーザが装着された光レセプタクル１は、ファイバと接合される側と反対側にリード端子７０を有しており、このリード端子７０が回路基板５に電気的に接続されている。このリード端子はステムを用いた半導体レーザ３のリード端子である。そして４つの光レセプタクルが１枚の回路基板５にそれぞれ電気的に接続されている。さらに放熱手段を有する基体２が、回路基板５に固定されている。これらを説明するために図８〜１０を用いる。図８は光レセプタクル１の側面から見たときの光レセプタクル１と回路基板５と放熱手段を有する基板２との関係を模式的に示した図である。このように光レセプタクル１は半導体レーザ３のリード端子７０が回路基板５に電気的に接続されており、また光レセプタクル１がねじ４によって放熱性を有する基板２に固定されている。さらに放熱性を有する基体２は回路基板５に固定されている。前記基体２と回路基板５との固定手段は固定されれば何でもよいが、本実施の形態ではねじ６によって固定されている。このように光レセプタクルと前記基体と回路基板との３つの部品が上記構成で固定されている。また光レセプタクルはフェルールホルダを有しており、この３つの部品を１つのユニットとすることで、ファイバが簡単に脱着可能となり、半導体レーザの交換性にも優れたレーザ光源装置とすることができる。また、種々の形状のレーザ光源装置を形成することができる。さらに、このような固定手段とすることで、半導体レーザ３が装着された光レセプタクル１を複数個並べて用いることができる。図８のユニットについて、矢印Ａの位置で光レセプタクル１の底面と平行な断面を模式的に示す図として図９、矢印Ｂの位置で光レセプタクル１の底面と平行な断面を模式的に示す図として図１０を示す。図９に示すように、複数個の半導体レーザ３が装着された光レセプタクル１はそれぞれ回路基板５に電気的に接続されており、本発明の光レセプタクルを用いることで、光レセプタクルの配列方向に最も密に配列することができる。また図１０に示すように、放熱手段を有する基体も回路基板に固定されており、本実施例は２つのねじ６で固定されている。
【００３５】
また、本発明のレーザ光源装置のように、複数の半導体レーザを用いる場合、複数の半導体レーザは、すべて同一波長のレーザ光が出射される半導体レーザとすることで、理論上１つの半導体レーザよりも設ける個数倍の出力のレーザ光が得られる。しかしながら、半導体レーザとファイバとのカップリング効率による出力の低下を考慮する必要がある。例えば４００ｎｍで発振する窒化ガリウム系の半導体レーザを用いる場合、１つの半導体レーザが３０ｍＷ程度であっても、これを複数並べた本発明のレーザ光源装置を用いることで、１Ｗ程度の高出力のレーザ光も容易に実現することができる。
【００３６】
また、本発明のレーザ光源装置のように、複数の半導体レーザを用いる場合、複数の半導体レーザのうち、少なくとも１つが他の半導体レーザと異なる波長のレーザ光が出射される半導体レーザとすることで、異なる波長のレーザ光が出射されるレーザ光源装置とすることができる。複数の半導体レーザは、全てが異なる波長とすることもできる。例えば４００ｎｍで発振する窒化ガリウム系の半導体レーザを複数個用い、４４０ｎｍで発振する窒化ガリウム系の半導体レーザを複数個用い、これらをレーザ光源装置に組み込むことで、高出力でかつ２つの異なる波長で発振するレーザ光源装置を得ることができる。異なる波長が出射されるレーザ光源装置とする場合、１つの半導体レーザでの出力が弱い方の個数を多くすることで、それぞれの波長で同等の出力が得られるレーザ光源装置とすることができる。このように個数も考慮することで、レーザを駆動する回路も複雑にならずに適宜所望のレーザ光源装置を得ることも可能となる。
【００３７】
本発明に用いる半導体レーザは、好ましくは窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子がステム７０と板ガラス７１またはレンズ７２を有するキャップ７３とで気密封止された半導体レーザ３とする。図１１は板ガラス７１を有するキャップ７３からなる半導体レーザ３であり、図１２はレンズ７２を有するキャップ７３からなる半導体レーザ３である。キャップに板ガラスを設ける場合、光レセプタクルの内部にレンズを設けることでレーザ光は集光される。またキャップにレンズを設ける場合は、光レセプタクルの内部にレンズを設けなくてもよい。またいずれの半導体レーザもステム７０上に半導体素子が載置されており、好ましくは窒化ガリウム系の半導体素子が載置されている。この窒化ガリウム系の半導体素子は、ステムとキャップとによって、気密封止されており、気密封止には従来周知の不活性なガス、もしくは少なくとも酸素を含むガス、または乾燥空気などを用いることができる。特に窒化ガリウム系の半導体素子を用いる場合は、乾燥空気もしくは少なくとも酸素を含むガスを用いることで、劣化が防止され、さらには光レセプタクルと接合されるファイバ端面に安定したレーザ光が入射されるので好ましい。また半導体レーザ内部には、レーザ光が出射される半導体素子だけでなく、たとえばフォトダイオード（受光素子）、さらにはツェナーダイオード（保護素子）などが設けられていてもよい。
【００３８】
本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクル１やスペーサ、フェルールホルダの材質としてはＳＵＳや真鍮、またアルミニウムなどを用いることができる。好ましくはＳＵＳを用いる。ＳＵＳはＹＡＧ溶接が真鍮やアルミニウムと比べて容易にできる。よって、ＳＵＳを用いることで、スペーサの光レセプタクル本体への固定や、フェルールホルダのスペーサへの固定にＹＡＧ溶接を用いることができる。
【００３９】
本発明に用いるレンズは、球面レンズや非球面レンズなど適宜選択可能である。
また本発明でいう垂直とはいうまでもないが、実質的に垂直であればよく、数度の誤差も垂直とする。水平も同様である。
【００４０】
また本発明において、径で定義したものは、円形に限定されてしまうが、必ずしも円形に限るものではない。円形でない場合は、その重心から外形までの距離の平均値を演算して得た値を円形の半径とほぼ同等に扱うことができる。また本発明において、開口部は円形で設けたものであるが、必ずしも円形でなくても良く、円形でない場合、円形の中心は、開口部の重心に置き換えることでほぼ同等に扱うことができる。
【００４１】
【実施例】
次に実施例を説明する。いうまでもないが、本発明は実施例に限るものでない。
（実施例１）
実施例１として、本発明のレーザ光源装置のうち、光レセプタクルを実装する方法を説明する。
【００４２】
まず直方体で形成され、第１の貫通孔と第２の貫通孔を有した光レセプタクルの第１の貫通孔に、半導体レーザを装着する側の開口部からレンズを挿入し光レセプタクルの内部で固定する。次に光レセプタクルに図１１に示す半導体レーザを圧入により装着する。次に半導体レーザを装着した端面と対向し、ファイバと接合する端面にスペーサを設ける。このスペーサは半導体レーザからの出射光がスペーサのフェルールホルダ側表面に、半導体レーザからの光の焦点が位置するようにレーザ発振させながら調整し、このましい大きさのスペーサを固定する。さらにスペーサにフェルールホルダを固定する。ここで、フェルールホルダは、図１４のような光レセプタクルのファイバと接合する端面に垂直な方向を固定するための固定手段が設けられたホルダでもよい。これら半導体レーザ、スペーサの光レセプタクルへの固定、またフェルールホルダのスペーサへの固定はいずれもＳＵＳで用いられているのでＹＡＧ溶接でおこなう。
【００４３】
次に光レセプタクルを放熱手段を有する基体に固定する。光レセプタクルは、底面が基体に接するように設置し、第２の貫通孔にねじを挿通し、このねじを基体に螺合することで基体に固定される。また光レセプタクルは回路基板の基板面に対して垂直に半導体レーザのリード端子がくるようにしてハンダを用いて電気的に接続する。また回路基板と放熱手段を有する基体とをねじによって固定する。
【００４４】
この光レセプタクルと回路基板と放熱手段を有する基体とを１つのユニットとして、レーザ光源装置に実装し、ファイバと接合することで、レーザ光源装置を得ることができる。
【００４５】
（実施例２）
実施例１において光レセプタクルの内部にレンズを設けないで、図１２に示すレンズ付きの半導体レーザを圧入し装着する。他は実施例１と同様にして光レセプタクルと回路基板と放熱手段を有する基体とが固定されたユニットを作製し、レーザ光源装置に実装した。
【００４６】
（実施例３）
実施例１において、半導体レーザが装着された光レセプタクルを４つ作製し、それぞれを回路基板と放熱手段を有する基体とに固定する。他は実施例１と同様にして４つの半導体レーザ３が実装された光レセプタクルと回路基板と放熱する手段を有する基体とからなるユニットを作製し、レーザ光源装置に実装した。
【００４７】
（実施例４）
実施例３で作製したユニットを図７に示すようなレーザ光源装置に実装する。ここで回路基板５は電源入力部１０と電気的につながったレーザ素子を駆動するための回路基板７に接続されている。光レセプタクルには、４本のファイバがそれぞれに挿入され固定されている。４本のファイバはバンドルされて、レーザ光源装置の表面に露出されており、出射部８からレーザ光が出射される。放熱手段を有する基体として、ペルチェ素子が用いられており、光レセプタクルの表面の温度を測定する機能を設け、光レセプタクルの表面温度を維持するように機能する。４つの半導体レーザは全て４００ｎｍのレーザ光が出射される。
【００４８】
（実施例５）
実施例４において、４つの半導体レーザを、窒化ガリウム系の半導体レーザとして、３７０ｎｍ、４００ｎｍ、４４０ｎｍ、４７０ｎｍのこれらの発振波長の半導体レーザから選んで実装することで、レーザ光源装置から異なる波長のレーザ光が出射される。
【００４９】
（実施例６）
実施例６として、図１３に示すようなレーザ光源装置を作製する。実施例１と同様の方法で、光レセプタクル１に半導体レーザ３を装着し、光レセプタクルを放熱手段を有する基体２と回路基板５のそれぞれに実装する。本実施例では回路基板５および放熱手段を有する基体２は、２０個の半導体レーザ３が、隣接する光レセプタクル１の側面が対向するように配列されるように、横長の形状とし、２０個の半導体レーザ３が実装された光レセプタクル１と回路基板５と放熱する手段を有する基体２とからなるユニットを作製する。放熱手段を有する基体は、水冷パイプ９に固定されており、レーザ光源装置のレーザ光出射部と反対側の電源入力部１０を有する側から水を注入し、同様の側から水を注出する機構が設けられている。また光レセプタクル１が接続された回路基板５は電源入力部１０と電気的につながったレーザ素子３を駆動するための回路基板７に接続されている。光レセプタクル１には、２０本のファイバ６０がそれぞれに挿入され固定されている。２０本のファイバ６０はバンドルされて、レーザ光源装置の表面に露出されており、出射部８からレーザ光が出射される。２０個の半導体レーザは全て４００ｎｍのレーザ光が出射される。４５ｍＷの出力をもった半導体レーザをこのように２０個実装したレーザ光源装置とすることで、レーザ光源装置からは０．８Ｗの出力の４００ｎｍのレーザ光が出射された。ここで、半導体レーザとファイバとのカップリング効率が８５パーセント〜９５パーセントである。
【００５０】
（実施例７）
実施例７として、図１４に示すようなレーザ光源装置を作製する。実施例１と同様の方法で、光レセプタクル１に半導体レーザ３を装着し、光レセプタクル１を放熱手段を有する基体２と回路基板５のそれぞれに実装する。本実施例では回路基板及び放熱手段を有する基体は、１９個の半導体レーザが、隣接する光レセプタクルの側面が対向するように配列されるように、横長の形状とし、１９個の半導体レーザ３が実装された光レセプタクル１と回路基板５と放熱する手段を有する基体２とからなるユニットを２つ作製する。放熱手段を有する基体２は、水冷パイプ９に固定されており、レーザ光源装置のレーザ光出射部と反対側から水を注入し、同様の側から水を注出する機構が設けられている。また光レセプタクル１が接続された回路基板５は、レーザ素子を駆動するための回路基板としても機能する。光レセプタクル１には、１９本のファイバ６０がそれぞれに挿入され固定されている（図１４は一部省略されているが、全ての光レセプタクルに出力部８でバンドルされたファイバが挿入されている）。１９本のファイバ６０はバンドルされて、レーザ光源装置の表面に露出されており、出射部８からレーザ光が出射される。本実施例では２つのユニットが、レーザ光出射部８に垂直な２つの面にそれぞれ設けられており、１つのユニットに対し、１つのレーザ光出射部８を有し、つまり２つのレーザ光出射部８を有する。半導体レーザは全て３７０ｎｍのレーザ光が出射される。３０ｍＷの出力をもった半導体レーザをこのように１９個ずつ実装したレーザ光源装置とすることで、レーザ光源装置からは０．５Ｗの出力の３７０ｎｍのレーザ光が２点から出射されるレーザ光源装置となる。ここでカップリング効率は８５〜９５パーセントである。このように２点から出射される光源装置を用いることで、例えば露光装置として用いるとき、横長で露光される。このレーザ光源装置を最も面積の大きい方向にもう１つ設置することで、実質４点から出射される光源装置となり、一度にレーザ光を出射されることで、レーザ出射部が一点の装置を用いて露光したときの４倍の面積を露光することが可能となる。このように、本発明のレーザ光源装置を適宜積層させて用いることも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると放熱性に優れ、実装性にも優れた光レセプタクルが得られるとともに、この光レセプタクルを複数個用いて、複数の半導体レーザを実装することで、小型化が可能で、実装性および交換性に優れたレーザ光源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルを模式的に示した図。
【図２】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルを放熱する手段を有する基体に固定した状態を示す模式図。
【図３】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルの特徴を説明する図。
【図４】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルの模式断面図。
【図５】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルの模式断面図。
【図６】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルの他の実施形態を示す模式断面図。
【図７】本発明のレーザ光源装置の一実施形態を示す図。
【図８】本発明のレーザ光源装置に用いる光レセプタクルと放熱する手段を有する基体と回路基板との関係を示す図。
【図９】図８のＡの位置の断面図。
【図１０】図８のＢの位置の断面図。
【図１１】本発明の一実施の形態に用いる半導体レーザを示す図。
【図１２】本発明の他の実施の形態に用いる半導体レーザを示す図。
【図１３】本発明のレーザ光源装置の他の実施形態を示す図。
【図１４】本発明のレーザ光源装置の他の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１・・・光レセプタクル、
２・・・放熱手段を有する基体、
３・・・半導体レーザ、
４、６・・・ねじ、
５、７・・・回路基板、
８・・・レーザ光出射部、
９・・・水冷パイプ、
３０・・・レンズ、
４０・・・フェルールホルダ、
５０・・・スペーサ、
７０・・・リード端子、
８０・・・ステム、
８１・・・板ガラス、
８２・・・レンズ、
８３・・・キャップ、
５００・・・第１の貫通孔、
６００・・・第２の貫通孔。

Claims

半導体レーザと、
ファイバと、
半導体レーザとファイバとを接続する光レセプタクルと、
を少なくとも有するレーザ光源装置であって、
前記光レセプタクルは、半導体レーザを装着する開口部を有する端面と、該端面に対向するファイバと接合する端面とを有し、
少なくとも前記２つの端面に延在する底面を有し、
前記半導体レーザを装着する開口部は、前記ファイバと接合する端面まで貫通した第１の貫通孔であり、該第１の貫通孔は、前記半導体レーザを装着する端面の方が、ファイバを接合する端面より大きく、前記２つの端面に垂直な方向において、中点から半導体レーザを装着する端面側に、前記光レセプタクル内部で径が変わる部位を有し、
前記底面は、半導体レーザから出された熱が光レセプタクル外部に放熱される面であり、
前記光レセプタクルは、底面に垂直な方向に該底面から光レセプタクルを貫通し、放熱する手段を有する基体に螺合されるねじを挿通するための第２の貫通孔を有し、
前記第２の貫通孔は、前記２つの端面に垂直な方向において、中点からファイバを接合する端面側に設けられることを特徴とするレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、直方体であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
前記第２の貫通孔は挿通されたねじを有し、該ねじは放熱する手段を有する基体に螺合されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、前記２つの端面および前記底面に対して垂直に位置する、対向する２つの側面を有し、該２つの側面において、前記第１の貫通孔が一方の側面側に位置し、前記第２の貫通孔が他方の側面側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、前記底面および前記２つの端面と垂直に位置する少なくとも１つの側面を有し、
前記底面の表面積は、前記側面の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、ファイバが同軸で保持されたフェルールを保持するフェルールホルダを有し、該フェルールホルダと光レセプタクルは開口部を有するスペーサを介して接合されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、半導体レーザを装着時に、前記スペーサのフェルールホルダ側表面に、半導体レーザからの光の焦点が位置することを特徴とする請求項６に記載のレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、前記第１の貫通孔にレンズを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
複数の前記光レセプタクルと、
前記光レセプタクルの底面で接する冷却手段を有する基体と、
前記光レセプタクルに装着された複数の半導体レーザと、
を少なくとも有するレーザ光源装置であって、
前記光レセプタクルは、前記２つの端面および前記底面に対して垂直に位置する、対向する２つの側面を有し、
複数のうち、隣接する光レセプタクルが、それぞれの前記側面が対向するように配列された請求項１乃至８のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
前記複数の光レセプタクルは、それぞれにファイバが接合されてなり、複数の前記ファイバがバンドルされてレーザ光源装置の表面に露出されてなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ光源装置。
前記半導体レーザは、前記光レセプタクルが接合される側と反対側にリード端子を有し、
該リード端子が回路基板に電気的に接続され、
さらに前記冷却手段を有する基体は、
光レセプタクルと回路基板のそれぞれに固定されてなることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載のレーザ光源装置。
前記複数の半導体レーザは、すべて同一波長のレーザ光が出射される半導体レーザであることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のレーザ光源装置。
前記複数の半導体レーザのうち少なくとも１つは、他の半導体レーザと異なる波長のレーザ光が出射される半導体レーザであることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のレーザ光源装置。
前記半導体レーザは、窒化ガリウム系半導体層が積層された半導体素子が、ステムと板ガラスまたはレンズを有するキャップとからなるキャンで気密封止された半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のレーザ光源装置。
半導体レーザと、
ファイバと、
半導体レーザとファイバとを接続する光レセプタクルと、
を少なくとも有するレーザ光源装置であって、
前記光レセプタクルは、半導体レーザを装着する開口部を有する端面と、該端面に対向するファイバと接合する端面とを有し、
少なくとも前記２つの端面に延在する底面を有し、
前記半導体レーザを装着する開口部は、前記ファイバと接合する端面まで貫通した第１の貫通孔であり、
さらに前記底面は、半導体レーザから出された熱が光レセプタクル外部に放熱される面であり、放熱手段を有する基体に接合されてなることを特徴とするレーザ光源装置。
前記光レセプタクルは、底面に垂直な方向に該底面から光レセプタクルを貫通した第２の貫通孔を有し、
該第２の貫通孔は挿通されたねじを有し、該ねじは放熱する手段を有する基体に螺合されていることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ光源装置。