JP5428506B2 - 半導体レーザモジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザモジュール及びその製造方法に関する。

半導体レーザは、次世代ＤＶＤなどの大容量・高密度の情報記録・再生が可能な光ディスクシステムへの利用、パーソナルコンピュータ等の電子機器への利用に対する要求が高まりつつある。また、紫外域から赤色に至るまで幅広い可視光の波長域での発振が可能と考えられていることから、その応用範囲は光ネットワークの光源など多岐にわたるものと期待されている。特に、レーザを用いることで自然に近い発色が可能であり、さらに、半導体レーザは小型で消費電力が少ないため、レーザディスプレイ、レーザプロジェクタなどに用いるディスプレイの分野への応用研究及び実用化が広まっている。

例えば、赤、緑及び青のレーザをコリメートレンズで平行光とし、ダイクロイックミラーを用いて混色し、強度変調して色調を表現することができる。

このような技術に応用するため、半導体レーザに関して、種々の研究がなされている。例えば、放熱性を改善したパッケージに収容された半導体レーザ（例えば、特許文献１：特開２００６−１３５５１号）、半導体レーザからの出射光をライン状に導くレーザーサインユニット（例えば、特許文献２：２００６−２４２７３５号）などが提案されている。また、半導体レーザと光ファイバの結合効率を向上させて、半導体レーザを光ネットワークの光源として用いるために、ファイバガイドを球面とし、半導体レーザに固定した光電子装置などが提案されている（例えば、特許文献３：特開平４−５７００６号）。

半導体レーザ、レンズ及びミラーをモジュール化する際には、その実装精度により大きく特性に差が生じる。したがって、上述のような分野での実用化のために、実装精度の向上は必要不可欠である。つまり、半導体レーザモジュールでは、複数の部材を組み合わせるため、半導体レーザとレンズ、レンズとミラーとの連結工程において、それぞれ高い精度が求められる。

また、半導体レーザモジュールを小型のプロジェクタ又はディスプレイ等に用いるためには、装置自体の小型化も要求される。各部材の小型化は、部材同士を連結固定すること自体を困難とするとともに、微小なずれであっても相対的にずれを増大させるため、実装精度の向上がさらに困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、半導体レーザ装置を備えた半導体レーザモジュールの小型化を可能にするとともに、レーザ光の光軸の調整を容易かつ簡便に実現して、光軸のずれを抑制することができる半導体モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザモジュールは、
（１）半導体レーザ装置と、レーザ光の出射方向に配置されたレンズユニットと、ミラーユニットとがこの順に配置された半導体レーザモジュールであって、
前記レンズユニットは、レンズと、内部に前記レンズを保持し、前記ミラーユニット側の端部の外面に球面を有する円筒形状のフレームとを備え、
前記ミラーユニットは、ミラーと、レーザ光を通過させる第１開口部と、前記ミラーを保持するホルダーと、前記ホルダーに固定された円筒形状の保持部材と、を備え、
前記保持部材は、前記フレームの球面と内接し、固定されているか、
（２）半導体レーザ装置と、レーザ光の出射方向に配置されたレンズユニットと、ミラーユニットとがこの順に配置された半導体レーザモジュールであって、
前記レンズユニットは、レンズと、内部に前記レンズを保持し、前記ミラーユニット側の端部の内面に球面を有する円筒形状のフレームとを備え、
前記ミラーユニットは、ミラーと、レーザ光を通過させる第１開口部と、前記ミラーを保持するホルダーと、前記ホルダーに固定された円筒形状の保持部材と、を備え、
前記保持部材は、前記フレームの球面と外接し、固定されていることを特徴とする。

このような半導体レーザモジュールは、以下の少なくとも１つの構成を備えることが好ましい。
前記フレームは、ミラーユニット側の端部が球面である。
前記ミラーユニットは、さらに、前記ホルダーに固定され、前記フレームを保持する円筒形状の保持部材を備える。
前記フレームのミラーユニット側の外面が、前記保持部材に内接され、固定されている。
前記レンズユニットはさらに鏡筒を備え、前記レンズは前記鏡筒に内装されてフレーム内に収容されており、前記ミラーユニット側のフレームの端部は前記鏡筒の端部と同じか又は突出している。

前記保持部材の長さは、前記フレームの長さよりも短い。
さらに連結部材を備えており、前記半導体レーザ装置と前記フレームとは、前記連結部材によって固定されてなる。
波長の異なる複数の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置に対応する複数のレンズユニットと複数のミラーとを備える。
前記レンズはコリメートレンズである。

前記ミラーユニットは、一面に半導体レーザ装置及びレンズユニットが装備されており、レーザ光の入射方向に対して垂直な方向から光を出射する。
前記ミラーユニットのホルダーは、前記第１開口部と異なる方向に延長し、内部で前記第１開口部と連結する第２開口部を備え、該第１開口部及び第２開口部の連結部位にミラーが保持されてなる。
前記ミラーユニットは、外形が略四角柱であり、内部に複数のミラーが保持されており、半導体レーザ装置が、前記各ミラーに対応して複数、前記ミラーユニットの外面に装着されてなる、
前記ミラーユニットは、ダイクロイックミラーを備える。

本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、
（１）半導体レーザ装置を準備する工程と、
レンズを保持し、端部の外面が球面である円筒形状のフレームを有するレンズユニットを準備する工程と、
円筒形状の保持部材を有するミラーユニットを準備する工程と、
前記フレームと前記半導体レーザ装置とを連結固定する工程と、
前記保持部材に前記フレームの球面を内接させる工程と、
前記フレームの球面を摺動させて前記半導体レーザ装置の光軸方向を調整した後、前記保持部材と前記フレームとを固定する工程とを備えるか、
（２）半導体レーザ装置を準備する工程と、
レンズを保持し、端部の内面が球面である円筒形状のフレームを有するレンズユニットを準備する工程と、
円筒形状の保持部材を有するミラーユニットを準備する工程と、
前記フレームと前記半導体レーザ装置とを連結固定する工程と、
前記保持部材に前記フレームの球面を外接させる工程と、
前記フレームの球面を摺動させて前記半導体レーザ装置の光軸方向を調整した後、前記保持部材と前記フレームとを固定する工程を備えることを特徴とする。

このような半導体レーザモジュールの製造方法では、以下の少なくとも１つの構成を備えることが好ましい。
前記フレームと半導体レーザ装置との連結固定は、半導体レーザ装置に第１連結部材を取り付け、フレームと第１連結部材とを第２連結部材を用いて連結固定する工程を含む。
光軸方向の調整後、さらに、前記保持部材とフレームとを、レーザ溶接によって連結固定する。

本発明の半導体モジュールによれば、小型化を実現することができる。また、レーザ光の光軸の調整を容易かつ簡便に実現して、光軸のずれが抑制された半導体モジュールを提供することができる。
また、本発明の半導体モジュールの製造方法によれば、レーザ光の光軸の調整を容易に、かつ簡便に行うことができ、実装精度に優れた半導体モジュールの製造効率を向上させることができる。

本発明の半導体レーザモジュールの一実施形態を示す断面図である。 図１の半導体レーザモジュールを構成する半導体レーザ装置及びレンズユニットの組み立てを説明するための分解斜視図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す断面図である。 図３の半導体レーザモジュールのミラーユニットを説明するための透視／斜視図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す要部の断面図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す要部の断面図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す要部の断面図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す要部の断面図である。 本発明の半導体レーザモジュールの別の実施形態を示す要部の断面図である。

本発明の半導体レーザモジュール（以下、単に「モジュール」と記載することがある）は、例えば、図１に示したように、主として、半導体レーザ装置１１と、レンズユニット１３と、ミラーユニット１７とが、この順に配置されて構成され、図１中１２ａに示すようにレーザ光が取り出される。

このようなモジュールは、後に詳述するが、特に、フレームのミラーユニット側の外面が球面（図１中、１４ａ）を有しており、この球面が保持部材（図１中、２０）に内接されて固定されていること、半導体レーザ装置とレンズとが、連結部材（図１中、２１及び２２）により連結固定されていること、ミラーユニットには、保持部材が設けられ、レンズ及び半導体レーザが連結されていることをその特徴のひとつとする。

このようなモジュールは、例えば、図１に示すように、１つの半導体レーザ装置と、１つのレンズユニットと、１つのミラーを備えた１つのミラーユニットによって構成されていてもよいが、図４に示すように、２つ以上の半導体レーザ装置と、これら半導体レーザ装置に組み合わせられる２つ以上のレンズユニットと、各半導体レーザ装置に対応する２つ以上のミラーを備える１つのミラーユニットとによって構成されていることが好ましい。この場合の半導体レーザ装置は、異なる波長のレーザ光を出射するものを組み合わせることが適している。

このような構成によって、半導体レーザ装置から出射されるレーザ光の光軸を、モジュール自体を小型化しながら、簡便な操作によって、容易に調整することが可能となる。また、特に後者の複数の半導体レーザ装置を用いるモジュールの場合には、さらに小型化を実現しながら、複数の半導体レーザ装置から出射されるレーザ光の光軸を、簡便な操作によって、容易に、精度よく調整することが可能となる。

（半導体レーザ装置）
半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子が搭載された装置であれば、どのようなものであってもよい。典型的には、例えば、図１及び図２に示すように、半導体レーザ装置１１は、半導体レーザ素子１２と、ステム２３と、キャップ２４と、端子２５とを備える。

半導体レーザ素子としては、特に限定されず、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、多重又は単一量子井戸構造を有する活性層を挟持した構造のものが挙げられる。半導体レーザ素子から出射される光の波長、つまり発振波長は特に限定されず、例えば、赤色系、緑色系、青色系等の種々のものが例示される。また、半導体レーザ素子を構成する半導体材料は特に限定されず、種々の半導体材料からなるレーザを採用することができる。半導体レーザ素子は、１つの半導体レーザ装置を組み立てるために１つのみを用いてもよいし、２以上を組み合わせて用いてもよい。

半導体レーザ素子は、ステム上に、放熱部材を介して、例えば、ボンディング部材によって設置されていることが好ましい。半導体レーザ素子のステム上への載置は、いわゆるフェイスダウン実装、フェイスアップ実装、フリップチップ構造等いずれの形態でもよい。

ステムは、端子の一端を鉛直方向に突出させるための貫通孔が形成されており、この貫通孔を通して、端子が外部に延設されている。端子には、半導体レーザ素子の電極がワイヤを介して電気的に接続さている。

ステムの形状及び材料は、特に限定されるものではなく、種々の形状のものであってもよく、金属、セラミックス、ダイヤモンド等により形成することができる。

放熱部材は、半導体レーザ素子で発生した熱を逃がす役割を果たし、半導体レーザ素子の基板よりも熱伝導率が高いものであることが好ましい。また、半導体レーザ素子と熱膨張係数が近いもの、熱応力を緩和させることができるもの、その表面が無機材料のみで構成されているもの、所定の方向に熱を逃がすことができるもの（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｃｕ−ダイモンド等）のいずれか又は全てを備える材料が好ましい。

半導体レーザは、キャップにより気密封止されていることが好ましく、通常、半導体レーザ素子を被覆するとともに、ステムに、抵抗溶接及び半田付け等で接着されている。キャップは、例えば、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、真鍮等種々の材料を用いることができる。

キャップの形状は、例えば、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）又は錐台型（円錐台又は多角形錐台等）、ドーム型及びこれらの変形形状等、種々の形状が挙げられる。なかでも、円筒であることが好ましい。
キャップは、発光素子のステムへの搭載形態に応じて、発光素子の光出射部位に対向する部分に、発光素子からの光を通過させる貫通孔を有している。従って、貫通孔は、キャップの上面又は側面等のいずれの部位に形成されていてもよい。貫通孔には、透光部材が支持されている。

透光部材は、発光素子からの光を通過させる部材であり、これによって、レーザ光を取り出すことができる。透光部材は、半導体レーザ素子から出射された光の吸収率が低いこと、言い換えると、発光素子から出射された光の６０％以上、８５％以上、さらに９０％以上を透過させることができるものが好ましい。例えば、ガラス、石英ガラス、サファイア、セラミック(ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＧａＮ等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等又はこれらの組み合わせにより形成することができる。また、透光部材は、波長変換部材、光拡散材等を含有していてもよい。波長変換部材及び光拡散材は、当該分野で用いられているもののいずれを用いてもよい。

（レンズユニット）
レンズユニットは、拡散光であるレーザ光をミラーユニットへ入射させる役割を果たすものであり、レーザ光の出射方向に配置されている。そのために、例えば、図１に示したように、レンズユニット１３は、少なくとも、レンズ１６と、フレーム１４とを備えて構成される。

レンズは、ガラス、プラスチック等、一般に用いられている材料によって形成され、種々の特性を有するものを採用することができる。本発明では、種々のアプリケーションへの適用のため、ミラーユニットから取り出す光を平行光とすることが好ましく、そのため、レーザ光をミラーユニットへ平行光として入射させるために、コリメートレンズを用いることが好ましい。なお、レンズの平面形状は特に限定されないが、円形であることが好ましい。

フレームは、レンズを保持するためのものであり、レンズと、半導体レーザ装置及びミラーユニットとを直接又は間接に連結固定するための部材である。
フレームは、筒状であることが適しており、特に、円筒形状であることが好ましい。

フレームの一端又は両端は球面を有している。このようにフレームの端部が球面を有していることで、半導体レーザモジュールの組み立て時に、フレームの球面とミラーユニット及び／又は半導体レーザ装置等（後述する連結部材等を介して）を接触させた接触面において三次元方向に任意に摺動させることができる。これによって、ミラーユニット及び／又は半導体レーザ装置との固定の際に光軸の方向を容易に調整することができる。そのため、モジュールの光軸ずれを防止することができ、モジュールの歩留まりを向上させることができる。

フレームの一端に球面が設けられる場合には、ミラーユニット側の端部が球面であることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子とレンズユニットを組み立てて固定した状態で、光軸を調整し、ミラーユニットと連結固定することができる。よって、最終的な組み立てでの光軸のずれを抑えることができ、より高精度に半導体レーザモジュールを組み立てることが可能になる。

球面は、フレームの内面又は外面のいずれに設けられていてもよいが、外面が球面であることが好ましい。これにより、球面をミラーユニット又は半導体レーザ装置等に内接させることができ、ミラーユニットの開口部又は保持部材と連結固定する際に、より簡便に確実に連結固定させることが可能になる。

さらに、好ましくはその一端側（例えば、後述するミラーユニット（図１中、１７）側）であって、かつ外面が球面（図１中、１４ａ）を有しているものである。このような球面の外面を有することによって後述するミラーユニット（図１中、１７）の保持部材（図１中、２０）の内面に接触させることができ、その内面において二次元及び三次元方向の任意の方向に摺動させることができるために、ミラーユニットとの固定の際に光軸の方向を適宜調整することができる。そのため、モジュールの光軸ずれを防止することができ、モジュールの歩留まりを向上させることができる。

フレームの厚みは特に限定されないが、球面を有する部位の厚み、特に、先端部分は、ミラーユニット側で最も薄くなるように形成されることが好ましい。

球面の曲率は、フレームが、後述するミラーユニット（図１中、１７）の保持部材（図１中、２０）の内面に接触し、その内面において二次元及び三次元方向の任意の方向に摺動することができる程度であれば特に限定されない。また、フレームが、保持部材の内面において任意の方向に摺動した場合に、フレームの先端がミラーユニットのホルダー（図１中、１８）に接触しないように調整されていることが好ましい。球面の長さ（フレームの全長に占める球面の高さ）は、特に限定されるものではなく、フレームの大きさ及び長さ等、後述するミラーユニットにおける保持部材の高さ及び径（又は幅等）等によって適宜調整することができる。例えば、フレームの全長の１／２〜１／１０程度が例示される。

フレームの大きさは特に限定されるものではないが、少なくとも、フレームの長さ（高さ）は、レンズの厚みと同じか、レンズ厚よりも長いことが好ましい。これによって、フレーム内にレンズを完全に収めることができる。また、フレームの長さを、後述する鏡筒（図１の１５）の長さと同等以上とすることが好ましい。これにより、フレームの端部を鏡筒の端部と同じか、それもよりも突出させることができる。
なお、フレームの半導体レーザ装置側は、中央部分よりも外幅が狭く（又は外径が小さく）なるように、切欠き（図２中、１４ｂ）を形成することが好ましい。これにより、モジュールのより小型化を図ることができる。

レンズユニット１３は、さらに、鏡筒１５を備えていてもよい。この鏡筒は、レンズの外周を包囲し、その外形がフレームの内形に対応するように形成されていることが好ましい。また、上述したように、鏡筒の長さは、フレームと同程度であるかそれよりも短いことが適しており、さらに、レンズの厚みよりも長いことが好ましい。

レンズユニットにおけるフレーム及び鏡筒を形成する材料は特に限定されず、金属、合金、セラミックス等の種々の材料が挙げられるが、特に、フレームは、半導体レーザ装置、後述する連結部材、ミラーユニット等と、溶接（例えば、レーザ溶接）等によって連結固定することから、これに適する材料、例えば、ステンレス鋼等によって形成されていることが好ましい。

（ミラーユニット）
ミラーユニットは、半導体レーザ素子からのレーザ光を所望の方向に出射させる、あるいは、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光の光軸を調整して、方向転換、強度変調又は色調表現等を行う役割を果たす。例えば、図１に示すように、ミラーユニット１７は、ミラー１９と、ミラー１９を保持するホルダー１８と、保持部材２０とを備える。

ミラーは、特定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長の光を透過させるものが適しており、例えば、ダイクロイックミラーが好ましい。つまり、モジュールとして、１つのみの半導体レーザ装置を用いる場合には、その半導体レーザ装置が出射するレーザ光を反射し、このレーザ光以外の波長を有する光を透過するミラーを用いることが適している。また、モジュールとして２つ以上の半導体レーザ装置を用いる場合には、それらの搭載位置と、最終的にミラーユニットから出射される光の方向とによって適宜設定することが必要となるが、反射する光と透過する光との任意の組み合わせ機能を有するミラーを選択することが必要である。

ミラーは、通常、ガラス、プラスチック、誘電体材料等の種々の材料で形成することができる。
ホルダーの外形は、特に限定されるものではなく、ホルダーの外形の一部に平面が存在する形状が適しており、例えば、四角柱又はこれに近似する形状のものが好ましい。このような平面の存在により、後述する保持部材を高精度で連結固定することが容易となる。

ホルダーは、１つのみの半導体レーザ装置を用いる場合には、異なる方向に延長し、少なくとも内部で互いに連結する２つの開口部（１組の開口部）有する。言い換えると、ホルダー内で延長方向が変化して２箇所で外面にいたる１つの孔を有する。つまり、レーザ光の入射する開口部（第１開口部）とレーザ光の出射する開口部（第２開口部）を有しており、その連結部分において、上述したミラーが保持されていることが適している。これによって、半導体レーザ素子からのレーザ光の出射方向を転換させることができる。ここでの連結角度は特に限定されないが、２０〜１６０°程度、４０〜１４０°程度、６０〜１２０°程度が適しており、９０°±１０°程度が好ましく、９０°がより好ましい（図１中、１８）。

また、２つの開口部は１箇所で連結（好ましくは、直交）しているのであれば、一方が又は双方がホルダーを一方向に貫通する孔であってもよい。具体的には、図１に示したように、１つの半導体レーザ装置に対して、略四角中のホルダー１８のレーザ光入射方向（例えば、ｙ方向）に貫通孔１８ｙを１つ有し、さらに、この貫通孔１８ｙに直交して貫通する貫通孔１８ｘを有するものが例示される。

ホルダーは、２つ以上の半導体レーザ装置を用いる場合には、上述した１組の開口部又は１つの孔を、各半導体レーザ装置の数に対応して複数設けられていることが必要である。
孔の大きさは特に限定されるものではなく、半導体レーザ装置からレンズを通ってホルダーに入射される光の直径より大きければよい。また、保持部材を用いない場合には、フレームの球面部と当接可能な大きさで開口部を設けることが好ましい。

本発明では、ミラーユニットの開口部に対応するように円筒形状の保持部材を有することが好ましい。保持部材は、ホルダーに固定され、レンズユニット（図１中、１３）のフレーム（図１中、１４）を保持する機能を果たす部材である。
保持部材の形状は、例えば、筒状であることが適しており、円筒形状であることが好ましい。このような形状を有していることにより、保持部材の内面に、レンズユニットのフレームにおける球面状の外面（図１中、１４ａ）を接触させて、レンズユニットを二次元及び三次元方向の任意の方向に調整することが容易となる。したがって、保持部材の幅（又は径）は、レンズユニットのフレームの球面状の外面をその内部に収容することができる大きさ、つまり、フレーム（図１中、１４）の最もミラーユニット側の端部の幅よりも大きく、球面の部位のうち、最も半導体レーザ装置側の幅よりも小さく設定されていることが好ましい。

保持部材の長さは、一般に、フレーム長よりも短いことが適している。フレームが二次元及び三次元方向の任意の方向に摺動した場合に、フレームの先端がミラーユニットのホルダー（図１中、１８）に接触しないように調整されていることが好ましい。このような保持部材を設けることにより、ミラーからレンズまでの距離を十分小さくしてモジュールの小型化を図ることができる。

また、複数の半導体レーザ装置を用いる場合には、ホルダーの外面に、上述した開口部に対応して、半導体レーザ装置の数だけ保持部材が設けられることが好ましい。これによって、モジュールの一体小型化が可能となる。複数の半導体レーザ素子に対して素子毎に二次元及び三次元方向の任意の方向に摺動させて光軸の調整を行うことができ、より高精度に所望の光を取り出すことが可能になる。

複数の半導体レーザ装置は、ミラーユニットの外面のうち、同一面上に配置され、かつ直線状に配置されることが好ましい。これにより半導体レーザモジュールの小型化が可能になる。半導体レーザ装置は長い端子を有する長尺な部材であるため、特に複数の半導体レーザ装置を用いる場合は、モジュール一体の小型化が困難になる。このように最も長尺な部材を同一面上かつ直線状に搭載することでデッドスペースを削減し、モジュール一体としての体積を小さくすることができる。また、このような半導体レーザモジュールにおいて、レーザ光の入射方向に対して垂直な方向から光を出射することが好ましい。

ミラーユニットを構成するホルダー及び／又は保持部材を形成する材料は特に限定されず、金属、合金、セラミックス等の種々の材料が挙げられるが、ホルダー及び／又は保持部材は互いに又は保持部材はフレームと、溶接等によって連結固定することから、これに適する材料、例えば、ステンレス鋼等によって形成されていることが好ましい。

（連結部材）
本発明のモジュールは、さらに、連結部材を備えていてもよい。連結部材は、例えば、半導体レーザ装置とレンズユニットとを連結固定するための部材である。

連結部材は、１つの部材のみで構成されていてもよいが、図１及び２に示すように、第１連結部材２１及び第２連結部材２２等のように複数の部材によって構成されていてもよい。
例えば、第１連結部材２１は、半導体レーザ装置１１に接着される。ステム２３の最外周に固定され、その高さは特に限定されるものではなく、キャップの上面と鏡筒の下面が接触しない高さであればよい。

第２連結部材２２は、第１連結部材２１の上面及びフレーム１４（好ましくは、切欠き１４ｂの外周）に連結固定される。特に、フレームの切欠き１４ｂに連結固定されることで、幅を第１連結部材よりも小さくでき、小型化を図ることができる。

本発明の半導体レーザモジュールの製造方法では、外面の一部に球面を備えるフレームをレンズに取り付ける。
レンズは、そのままフレーム内に収容してもよいし、上述した鏡筒等を介して取り付けてもよい。鏡筒にレンズを取り付ける場合には、両者は接着剤を用いてもよいし、予め鏡筒内部にガラスレンズを成形及び融着し、鏡筒とレンズが一体となったガラスモールドレンズを用いてもよい。また、鏡筒又はレンズの外周が、フレームの内周に対応する形状とすれば、これらの取り付けは、嵌合していればよく、必ずしも固定されていなくてもよい。

また、フレームと半導体レーザ装置とを連結固定する。ここでのフレームは、上述したように、レンズ及び／又は鏡筒を取り付けたものであってもよいし、取り付け前のフレームのみに対してでもよい。連結固定の方法は、特に限定されるものではなく、当該分野で公知のいかなる方法を利用してもよい。例えば、溶接が挙げられ、特に、レーザ溶接を利用することが好ましい。

フレームの球面を保持部材に内接し、この球面を摺動させて、半導体レーザ装置の光軸方向を調整する。フレームの球面を保持部材に内接することにより、二次元及び三次元の任意の方向に容易に摺動させることができ、高精度の光軸方向の調整を行うことができる。

フレームのミラーユニット側ではなく、保持部材のレンズユニット側の外面を球面とする場合には、フレーム又は鏡筒を保持部材の幅よりも広くする必要がある。
しかも、フレームと保持部材とを連結固定する場合には、保持部材の内面がデッドスペースとなるため、ミラーからレンズまでの距離が大きくなり、モジュールを小型化することが困難になる。
レンズユニット側の外面を球面とした場合でも、鏡筒と保持部材とを連結固定すればミラーからレンズまでの距離を小さくすることはできる。しかし、この場合には保持部材とレンズとが極近距離で固定されることになり、その光軸の調整の際に保持部材とレンズとが接触したり、溶接時などにレンズ表面に飛散物が付着したりするなどして、モジュールの性能及び歩留まりを低下させる。
また、いずれの場合にも保持部材がフレーム又は鏡筒に内接されるため、ミラーユニットが庇のようになり、溶接が困難になる。

一方、保持部材のレンズユニット側の内面を球面とする場合には、ミラーからレンズまでの距離を小さくすることはできるが、フレーム又は鏡筒が保持部材に内接されるため、保持部材の外面が庇のようになり、溶接が困難になる。
本発明のモジュールを用いることにより、これらの問題を解消することができる。

半導体レーザ装置の光軸方向調整を行って、適切な位置決めを行った後には、フレームと保持部材とを連結固定することが適している。この連結固定は、上記と同様の方法が例示され、なかでも、レーザ溶接を利用することが好ましい。

このようなフレームと半導体レーザ装置との連結固定は、例えば、半導体レーザ装置に第１連結部材を取り付け、フレームと第１連結部材とを第２連結部材を用いて連結固定することが好ましい。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各実施形態で説明した構成要素は、他の実施形態の構成要素と置き換え又は組み合わせることができる。

実施形態１
この実施形態１の半導体レーザモジュール３０は、図３Ａ及びＢに示したように、３つの半導体レーザ装置１１、３１、４１と、３つのレンズユニット１３と、１つのミラーユニット３７がこの順に配置されて、形成されている。また、３つの半導体レーザ装置及びレンズユニットは、同一面上に搭載され、直線状に配置されている。

各半導体レーザ装置１１、３１、４１は、それぞれ、緑、青及び赤に対応する波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子１２、３２、４２を搭載しており、これら半導体レーザ素子１２、３２、４２は、キャップとステム２３とによって、気密封止されている。また、モジュールの底面側に、各端子２５を延長している（図３Ｂ参照）。
これらの半導体レーザ装置１１、３１、４１は、ミラーユニット３７の光出射側から、遠い側に向かって、順に、例えば、赤、青及び緑のレーザ光を出射するように配置されている。

レンズユニット１３は、図２に示すように、それぞれ、半導体レーザ装置１１、３１、４１からのレーザ光の出射側に配置され、鏡筒１５に保持され、フレーム１４内に収容されたレンズ１６を備える。

レンズは、例えば、直径１．７ｍｍ程度、厚み１．２ｍｍ程度のコリメートレンズであり、その外周を略円筒状の鏡筒１５が保持している。
フレーム１４は、略円筒状であり、その先端部は、球面状に成形されている。フレーム１４の最大外径は、３．６ｍｍ程度であり、内径は３．０ｍｍ程度に設定されており、その先端部の球面の曲率は、半径１．８ｍｍ程度に設定されている。フレーム１４の長さ（高さ）は、例えば、２．３ｍｍ程度である。

ミラーユニット３７は、図４に示すように、半導体レーザ装置１１、３１、４１からのレーザ光を反射する３つのミラー１９、３９、４９と、これら３つのミラー１９、３９、４９を一体的に保持したホルダー３８と、その外表面であってレンズユニットに対向して固定された３つの保持部材２０とを備える。

ホルダー３８は、外形が略四角柱であり、ホルダー３８の長手方向に貫通する貫通孔３８ｘ（第２開口部）と、この貫通孔３８ｘにそれぞれ直交する３つの貫通孔３８ｙ（第１開口部）と、３つのミラー１９、３９、４９をそれぞれ挿入するための貫通孔であって、これら貫通孔３８ｘ、３８ｙの３つの交点部分に、貫通孔３８ｘ及び３８ｙそれぞれに対して略４５°程度で交わるように、３つの貫通孔３８ｚとを有している。

ミラー１９は、半導体レーザ装置１１から出射される緑のレーザ光を反射し、それ以外のレーザ光、つまり青及び赤のレーザ光を透過する機能を有する。
ミラー３９は、半導体レーザ装置３１から出射される青のレーザ光を反射し、それ以外のレーザ光、つまり、緑及び赤のレーザ光を透過する機能を有する。
ミラー４９は、半導体レーザ装置４１から出射される赤のレーザ光を反射し、それ以外のレーザ光、つまり、緑及び青のレーザ光を透過する機能を有する。

ホルダー３８に形成された３つの貫通孔３８ｙの一端側の外表面には、保持部材２０が、レーザ溶接によって固定されている。保持部材２０は、ホルダー３８の外表面において、貫通孔３８ｙの外周を囲うように、レンズユニット１３に対向しており、かつ二次元の任意の方向へのスライド移動によって、半導体レーザ装置１１、３１、４１からのレーザ光が、それぞれミラーの適所に入射するように調整されて、固定されている。

半導体レーザ装置１１、３１、４１は、それぞれ、レンズユニット１３と、連結部材を介して、連結固定されている。ここでの連結部材は、第１連結部材２１と、第２連結部材２２とからなる。
第１連結部材２１は、円筒形であり、半導体レーザ装置のキャップの外周を取り囲み、ステム２３の外周に固定される。

第２連結部材２２は、レンズユニット１３側に配置される部材である。その内径は、レンズユニット１３のフレーム１４の一端部の切欠かれた切欠き１４ｂの外径と対応しており、第２連結部材２２とフレーム１４とが嵌合によって連結され、レーザ溶接によって固定されている。
フレーム１４の球面状の外面１４ａに加工された端部は、その球面状の外面１４ａを、ミラーユニット３７の保持部材２０の内壁に接触させ、二次元又は三次元に内壁内で摺動させることにより、適切な光軸調整が行われて、適切な位置及び角度で、保持部材２０に、レーザ溶接によって固定されている。

この実施形態においては、第１連結部材２１、第２連結部材２２、フレーム１４、保持部材２０、ホルダー３８は、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４、鏡筒１５は、フェライト系ステンレス鋼のＳＦ２０Ｔによって形成されている。

このような半導体レーザモジュールは、以下のように製造することができる。
まず、半導体レーザ装置１１、３１、４１を準備する。サブマウントをパッケージの基体となるステム２３に実装し、光源として用いられる半導体レーザ素子１２、３２、４２をサブマウントに実装する。その後、キャップをステム２３に接合することによって気密封止し、半導体レーザ装置１１、３１、４１を得る。この実施形態では、上述したように、波長の異なる半導体レーザ装置を３つ準備する。
また、これらの半導体レーザ装置１１、３１、４１に、第１連結部材２１を連結固定する。

次に、レンズユニット１３を準備する。レンズ１６が取り付けられた鏡筒１５の外周に、球面状の外面を有するフレーム１４を取り付ける。この際、ミラーユニット３７に固定する側に、球面状の外面を配置し、半導体レーザ装置１１、３１、４１側の端部には、切欠き１４ｂを設ける。このような切欠き１４ｂを設けることにより、より小型化を図ることができる。

続いて、半導体レーザ装置１１、３１、４１とレンズユニット１３とを、第２連結部材２２を用いて固定する。つまり、第２連結部材２２の内面に、フレーム１４の切り欠きを嵌合し、固定する。また、第２連結部２２の底面は、第１連結部材２１の上面側と連結固定する。

ミラー１９、３９、４９が搭載されたホルダー３７に、保持部材２０を固定する。この際、半導体レーザ装置１１、３１、４１に電流を印加し、レーザ光の光軸方向を確認する。そして、レーザ光の光軸が、各ミラー１９、３９、４９の適所に配置するように、保持部材２０を、ホルダー３８の外表面でスライド移動させて、調整する。適当な位置を決定して、保持部材２０をホルダー３８に固定する。

さらに、ミラーユニット３７の保持部材２０とフレーム１４とを固定する。この際、半導体レーザ装置１１、３１、４１に電流を印加し、レーザ光の光軸方向を確認する。フレーム１４の球面状の外面を、保持部材２０の内壁に接触させた状態で、摺動させて、半導体レーザ装置１１、３１、４１及びレンズ１６を傾け、ミラーユニット３７内のミラー１９、３９、４９それぞれへの入射角度が適切になるように、レーザ溶接により固定する。

上述した実施形態による半導体レーザモジュールは、ミラーユニットの保持部材とレンズユニットのフレームとの摺動によって、光軸のずれを、二次元及び三次元において高精度に調整することができるため、簡便な操作により、所望の光を確実に取り出すことができる。
複数の半導体レーザ素子をモジュール化するような場合にも、個々の素子毎に光軸の調整を行うことができるので、より高精度に所望の光を取り出すことが可能になる。
また、半導体レーザ装置からミラーユニットの保持部材までの間に生じるデッドスペースを、縦横方向において、最小限にすることにより、装置の小型化が可能になる。半導体レーザ素子を同一面上にかつ直線状に配置することで、ミラーユニット及び半導体レーザモジュールの体積を小さくすることができる。よって、複数の半導体レーザ装置を用いた場合にも小型のモジュールを得ることが可能になる。

実施形態２
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図１に示したように、１つの半導体レーザ装置１１と、１つのレンズユニット１３と、１つのミラーユニット１７がこの順に配置されて形成されている以外、実施形態１と実質的に同様である。
このような半導体レーザモジュールでは、半導体レーザ装置１１から出射された光を、任意の方向、例えば、レーザ光の出射方向と直交する方向に簡便に転換することができる。
また、その際、実施形態１と同様に、任意の位置に光軸を微調整することが可能となる。

実施形態３
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図５に示すように、半導体レーザ素子１１と、レンズユニット１３との連結を、１つの連結部材３３を用いて行った以外は、実質的に実施形態２と同様である。
このような半導体レーザモジュールでは、実施形態２の効果に加えて、部品を簡略化及び削減することができる。また、製造を簡略化することができる。

実施形態４
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図６に示すように、レンズユニット４３のフレーム４４のミラーユニット側の内面が球面（図６中、４４ａ）を有しており、この球面４４ａが保持部材２０の外面（図６中、２０ａ）と当接して固定されていること以外は、実質的に実施形態２と同様である。

このような半導体レーザモジュールでは、実施形態２と同様に、光軸のずれを二次元及び三次元において高精度に調整することができるため、簡便な操作により、所望の光を確実に取り出すことができる。

実施形態５
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図７に示すように、レンズユニット５３のフレーム５４の半導体レーザ素子側の外面が球面（図７中、５４ａ）を有しており、この球面５４ａが第２連結部材２２に内接されて固定されていること以外は、実質的に実施形態２と同様である。

このような半導体レーザモジュールでは、上記実施形態の効果に加えて、フレームを半導体レーザ装置に取り付けられた連結部材の内面に接触させることができ、その内面において二次元及び三次元方向の任意の方向に摺動させることができる。よって、半導体レーザ装置を固定する際に光軸の方向を適宜調整することができる。その結果、モジュールの光軸ずれを防止することができ、モジュールの歩留まりを向上させることができる。

この実施形態の半導体レーザモジュールは、以下のような方法で製造することも可能である。
まず、半導体レーザ素子側の外面に球面を備えるフレーム５４を、鏡筒１５とともにレンズ１６に取り付ける。この取り付け方法は、上記と同様の方法で行うことができる。
次に、任意の位置でフレーム５４と保持部材２０を連結固定する。この連結固定は、上記と同様の方法が例示され、なかでも、レーザ溶接を利用することが好ましい。
フレーム５４と半導体レーザ装置とを連結固定する。フレーム５４の半導体レーザ装置側の球面５４ａを第２連結部材２２に内接し、この球面５４ａを摺動させて、半導体レーザ装置の光軸方向を調整する。半導体レーザ装置の光軸方向調整を行って、適切な位置決めを行った後、フレーム５４と第２連結部材２２とを連結固定することが適している。この連結固定は、上記と同様の方法が例示され、なかでも、レーザ溶接を利用することが好ましい。

フレーム５４の球面５４ａを第２連結部材２２に内接することにより、二次元及び三次元の任意の方向に容易に摺動させることができ、高精度の光軸方向の調整を行うことができる。
このようなフレームと半導体レーザ装置との連結固定は、例えば、半導体レーザ装置１１に第１連結部材２１を取り付け、フレーム５４と第１連結部材２１とを第２連結部材２２を用いて連結固定することが好ましい。

実施形態６
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図８に示すように、レンズユニット６３のフレーム６４のミラーユニット側の外面が球面（図８中、６４ａ）を有しており、この球面６４ａが保持部材２０の内面（図８中、２０ｂ）と当接している。さらに、フレーム６４の半導体レーザ素子側の外面が球面（図８中、６４ｂ）を有しており、この球面６４ｂが第２連結部材２２に内接されて固定されていること以外は、実質的に実施形態２と同様である。

このような半導体レーザモジュールでは、実施形態４及び５と同様に、任意の製造方法で半導体レーザモジュールを組み立てることができ、製造方法の自由度を向上させることができる。さらに、任意の製造方法で半導体レーザモジュールを組み立てることができ、製造方法の自由度を向上させることができる。

実施形態７
この実施形態の半導体レーザモジュールは、図９に示すように、レンズユニット７３のフレーム７４のミラーユニット側の内面が球面（図９中、７４ａ）を有しており、この球面７４ａが保持部材２０の外面（図９中、２０ａ）と当接して固定されている。
さらに、レンズユニット７３のフレーム７４の半導体レーザ素子側の外面が球面（図９中、７４ｂ）を有しており、この球面７４ｂが第２連結部材２２に内接されて固定されていること以外は、実質的に実施形態２と同様である。

このような半導体レーザモジュールでは、実施形態４及び５と同様に、任意の製造方法で半導体レーザモジュールを組み立てることができ、製造方法の自由度を向上させることができる。さらに、任意の製造方法で半導体レーザモジュールを組み立てることができ、製造方法の自由度を向上させることができる。

本発明の半導体レーザモジュールは、光ディスクシステム及び電子機器への利用、光ネットワークの光源、レーザプリンタの光源、レーザディスプレイ、レーザプロジェクタなどに用いるディスプレイの分野への応用、各種の分析機器等のバイオ関連用途への応用など、広範囲に利用することができる。

１０、３０ 半導体レーザモジュール
１１、３１、４１ 半導体レーザ装置
１２、３２、４２ 半導体レーザ素子
１２ａ レーザ光
１３、４３、５３、６３、７３ レンズユニット
１４、４４、５４、６４、７４ フレーム
１４ａ、５４ａ、６４ａ、６４ｂ、７４ｂ 球面状の外面（球面）
１４ｂ 切欠き
１５ 鏡筒
１６ レンズ
１７、３７ ミラーユニット
１８、３８ ホルダー
１８ｘ、３８ｘ 貫通孔（第２開口部）
１８ｙ、３８ｙ 貫通孔（第１開口部）
１８ｚ、１８ｚ 貫通孔
１９、３９、４９ ミラー
２０ 保持部材
２１ 第１連結部材
２２ 第２連結部材
２３ ステム
２４ キャップ
２５ 端子
３３ 連結部材
４４ａ、７４ａ 球面状の内面（球面）

特開２００６−１３５５１号 特開２００６−２４２７３５号 特開平４−５７００６号

Claims (9)

1. 半導体レーザ装置と、レーザ光の出射方向に配置されたレンズユニットと、ミラーユニットとがこの順に配置された半導体レーザモジュールであって、
   前記レンズユニットは、レンズと、内部に前記レンズを保持し、前記ミラーユニット側の端部の外面に球面を有する円筒形状のフレームとを備え、
   前記ミラーユニットは、ミラーと、レーザ光を通過させる第１開口部と、前記ミラーを保持するホルダーと、前記ホルダーに固定された円筒形状の保持部材と、を備え、
   前記保持部材は、前記フレームの球面と内接し、固定されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 半導体レーザ装置と、レーザ光の出射方向に配置されたレンズユニットと、ミラーユニットとがこの順に配置された半導体レーザモジュールであって、
   前記レンズユニットは、レンズと、内部に前記レンズを保持し、前記ミラーユニット側の端部の内面に球面を有する円筒形状のフレームとを備え、
   前記ミラーユニットは、ミラーと、レーザ光を通過させる第１開口部と、前記ミラーを保持するホルダーと、前記ホルダーに固定された円筒形状の保持部材と、を備え、
   前記保持部材は、前記フレームの球面と外接し、固定されていることを特徴とする半導体レーザモジュール。
3. 前記保持部材の長さは、前記フレームの長さよりも短い請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 波長の異なる複数の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置に対応する複数のレンズユニットと複数のミラーとを備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記レンズはコリメートレンズである請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記ミラーユニットのホルダーは、前記第１開口部と異なる方向に延長し、内部で前記第１開口部と連結する第２開口部を備え、該第１開口部及び第２開口部の連結部位にミラーが保持されてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記ミラーユニットは、ダイクロイックミラーを備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
8. 半導体レーザ装置を準備する工程と、
   レンズを保持し、端部の外面が球面である円筒形状のフレームを有するレンズユニットを準備する工程と、
   円筒形状の保持部材を有するミラーユニットを準備する工程と、
   前記フレームと前記半導体レーザ装置とを連結固定する工程と、
   前記保持部材に前記フレームの球面を内接させる工程と、
   前記フレームの球面を摺動させて前記半導体レーザ装置の光軸方向を調整した後、前記保持部材と前記フレームとを固定する工程と、を備える半導体レーザモジュールの製造方法。
9. 半導体レーザ装置を準備する工程と、
   レンズを保持し、端部の内面が球面である円筒形状のフレームを有するレンズユニットを準備する工程と、
   円筒形状の保持部材を有するミラーユニットを準備する工程と、
   前記フレームと前記半導体レーザ装置とを連結固定する工程と、
   前記保持部材に前記フレームの球面を外接させる工程と、
   前記フレームの球面を摺動させて前記半導体レーザ装置の光軸方向を調整した後、前記保持部材と前記フレームとを固定する工程と、を備える半導体レーザモジュールの製造方法。

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