JP5511944B2

JP5511944B2 - レーザ装置

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Authority: JP
Inventors: 明坂元; 望豊原; 洋平葛西
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2014-06-04
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Description

本発明は、半導体レーザ素子等のレーザ素子と光ファイバ等の光部品とを組み合わせたレーザ装置に関するものである。

近年、半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode）素子を用いたレーザ装置が商品化され、光通信の分野に普及している。このようなレーザ装置は、半導体レーザ素子と、光ファイバとを高い光結合率で光結合するように組み合わせ、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光が、その先端部から光ファイバに導入される。

このため、このようなレーザ装置においては、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光がより多く光ファイバに導入されるよう、半導体レーザ素子のレーザ光の出射面と光ファイバの先端部とを正確に位置合わせする。そして、その位置合わせした状態を保持することが重要な事柄となる。

上で述べたような、半導体レーザ素子と光ファイバとを組み合わせたレーザ装置として、例えば特許文献１に記載されたレーザ・ダイオード組立体が提案されている。そのレーザ・ダイオード組立体では、レーザ・ダイオード・チップ（ここでは、「半導体レーザ素子」と呼ぶ）と、光ファイバとが、同一の台座上に搭載されている。

そして、半導体レーザ素子と光ファイバは共に半田付けを用いてその台座上に固着されており、半導体レーザ素子のレーザ光の出射面と光ファイバの先端部との位置合わせした状態が保持されるようになっている。

特に、高い光強度が必要とされるレーザ装置では、光源の半導体レーザ素子として、複数の導波モードで発振するマルチモードの半導体レーザ素子が用いられる。マルチモード半導体レーザ素子からの出力光は、１０マイクロメートルから数百マイクロメートルの幅の導波路端から出力される。

このようなマルチモード半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の広がり角は、その出射面の縦方向（半導体レーザ素子の活性層に直交する方向）の半値全幅（ＦＷＨＭ；Full Width at Half Maximum）が４０°程度となるのが一般的である。また、その出射面の横方向の半値全幅が１０°程度となるのが一般的である（例えば、非特許文献１、非特許文献２を参照）。すなわち、レーザ光は横方向の広がりよりも縦方向の広がりのほうが大きくなっている。

このため、上記の非特許文献１、非特許文献２に記載されたように、光ファイバの先端部をくさび形状に形成し、その先端部にレンズ機能を付与する。そうすることにより、縦方向に大きく広がるレーザ光を効率よく、光ファイバに光結合させ、より多くのレーザ光を光ファイバのコア部に導入することが一般的に行なわれている。

日本国公開特許公報「特開２０００−１２４５３８号公報（２０００年４月２８日公開）」

Xiaodong Zeng and Yuying An, Coupling light from a laser diode into a multimode fiber, APPLIED OPTICS, Optical Society of America, August 2003, Vol. 42, No. 22 Min-Ching Lin et al., High-Power Laser Module with High Coupling Wedge-Shaped Fiber, Opto-Electronics and Communications Conference, 2008 and the 2008 Australian Conference on Optical Fiber Technology, OECC/ACOFT 2008, Joint conference of the Volume, Issue, 7-10 July 2008 Pages 1-2.

ところで、上記の特許文献１に記載されたレーザ・ダイオード組立体では、上で述べた縦方向に広がるレーザ光のうち、光ファイバのコア部に導入されなかったレーザ光の一部は、光ファイバを台座に固着するためのファイバ固定部に吸収されることになる。そのため、ファイバ固定部が発熱することになる。

その結果、そのファイバ固定部の温度が上昇し、ファイバ固定部下方の台座が膨張する場合がある。このような台座の局所的な膨張により、光ファイバの位置が変化し、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合率が低下する場合がある。すなわち、光ファイバのコア部に導入されるレーザ光をさらに減少させることになる。

このような光ファイバのコア部に導入されるレーザ光の減少は、言いかえれば、上で述べたファイバ固定部に吸収されるレーザ光が増加することであり、その結果、ファイバ固定部の温度がさらに上昇し、台座の局所的な膨張がより加速されることになる。

そして、このような局所的な台座の膨張は、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下を一層進めることとなり、ファイバ固定部のさらなる温度上昇を招くことになる。

このような悪循環は、最終的には、ファイバ固定部の発熱により半田の溶融を引き起こし、延いては、レーザ・ダイオード組立体の動作を阻害してしまうというおそれがあった。

さらに、近年の半導体レーザ素子の高出力化に伴い、上で述べたような悪循環がより助長される方向に進むのは必至である。特に、その出力が１Ｗを超えるような高出力半導体レーザを用いる場合は、その影響がより顕著になる。

したがって、このような悪循環を引き起こさないためには、光ファイバを固着するためのファイバ固定部の発熱や溶融に対する実装信頼性の向上が強く望まれている。

特に、上で述べたように、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、その出射面の横方向の広がりよりも縦方向の広がりのほうが大きい。このため、その縦方向における光ファイバの位置ずれがあった場合、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下は、より顕著となってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバを固定するためのファイバ固定部の発熱や溶融を抑制し、半導体レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下を抑制することができるレーザ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出射する出射面を有するレーザ素子と、前記レーザ素子の前記出射面に対向するように配置された先端部を有する光ファイバと、前記光ファイバを半田により固定するファイバ固定部を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、を備え、前記支持部材は、前記ファイバ固定部が配置された第１の主面と、前記第１の主面の反対側にある第２の主面とを含む平板状部と、放熱部材に固定されており、前記平板状部のいずれかの端部側において前記平板状部と連結して前記第２の主面と前記放熱部材とを空間的に離間させつつ対向させている柱状部と、を有している。

上記のレーザ装置では、光ファイバを支持する支持部材は、光ファイバを固定する平板状部と、放熱部材に固定された柱状部とを有しており、その柱状部は、平板状部と放熱部材とを空間的に離間させている。そうすることにより、光ファイバを固定するためのファイバ固定部下方に位置する支持部材の厚みを薄くすることができる。

このため、レーザ素子の出射面から出射されたレーザ光のうち、光ファイバのコア部に導入されなかったレーザ光の照射によるファイバ固定部の発熱が始まっても、そのファイバ固定部下方の支持部材の厚みが厚い場合、すなわち、ファイバ固定部下方の支持部材が放熱部材に直接固定されている場合と比較して、ファイバ固定部下方の支持部材の熱膨張による、平板状部の厚み方向における光ファイバの位置ずれの量を減少させることができる。

したがって、光ファイバを固定するためのファイバ固定部の発熱や溶融を抑制し、レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下を抑制することができる。

本発明のレーザ装置は、レーザ光を出射する出射面を有するレーザ素子と、前記レーザ素子の前記出射面に対向するように配置された先端部を有する光ファイバと、前記光ファイバを半田により固定するファイバ固定部を有し、前記光ファイバを支持する支持部材とを備え、前記支持部材は、前記ファイバ固定部が配置された第１の主面と、前記第１の主面の反対側にある第２の主面とを含む平板状部と、放熱部材に固定されており、前記平板状部のいずれかの端部側において前記平板状部と連結して前記第２の主面と前記放熱部材とを空間的に離間させつつ対向させている柱状部と、を有している。

それゆえ、光ファイバを固定するためのファイバ固定部の発熱や溶融を抑制し、レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下を抑制することができるレーザ装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態におけるレーザ装置を説明するための模式的な断面図である。図１のレーザ装置の光ファイバ支持部材を示す三面図であり、（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た平面図、（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た側面図である。上記のレーザ装置の光ファイバ支持部材およびその周辺部を示す図である。従来の光ファイバ支持部材およびその周辺部を示す図である。図１のレーザ装置の光ファイバ支持部材の変形例１を示す三面図であり、（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た平面図、（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た側面図である。図１のレーザ装置の光ファイバ支持部材の変形例２を示す三面図であり、（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た平面図、（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た側面図、（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た側面図である。

本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（レーザ装置１００）
先ず、図１および図２に基づき、本発明の一実施形態であるレーザ装置１００の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態におけるレーザ装置１００を説明するための模式的な断面図である。また、図２は、図１に示した光ファイバ支持部材５を示す三面図であり、図２の（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た平面図、図２の（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た側面図、図２の（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た側面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１００は、台座１と、半導体レーザ素子（レーザ素子）２と、レーザ素子支持部材３と、光ファイバ４と、光ファイバ支持部材（支持部材）５と、接合膜６と、接合パッド（ファイバ固定部）７と、半田８と、金属被覆部材９と、を備えている。

台座１は、例えば直方体形状を有している。そして、例えば、台座１は、その上部にパッケージ等の封止体（図示省略）を配置することができる。そうすることにより、その封止体と台座１とから、半導体レーザ素子２と光ファイバ４とを閉じ込めるための空間を形成することができる。

台座１は、その上面（主面）に、レーザ素子支持部材３と光ファイバ支持部材５とが接合されており、半導体レーザ素子２から発生する熱はレーザ素子支持部材３を通して台座１に伝導される。

同様に、光ファイバ４から発生する熱や、後述する接合パッドから発生する熱は、光ファイバ支持部材５を通して台座１に伝導される。

台座１は、このようにしてレーザ素子支持部材３や光ファイバ支持部材５を介して、台座１に伝導してくる熱を放熱するために通常、ヒートシンク上あるいは温度調整ブロック上に固定される。

すなわち、台座１は、そのようなヒートシンク、温度調整ブロックに固定され、レーザ素子支持部材３や光ファイバ支持部材５から伝導してくる熱を放熱するための放熱部材となる。また、台座１は、このような放熱性や、その製造コストを考慮して、通常、銅を用いて形成される。

半導体レーザ素子２は、レーザ駆動装置（図示省略）に接続されており、そのレーザ駆動装置から駆動電流が入力される。半導体レーザ素子２は、レーザ光を出射する出射面２ａを有しており、その出射面２ａは光ファイバ４の先端部４ａに対向するように配置されている。半導体レーザ素子２は、駆動装置から駆動電流が入力されることで発振し、その発振により出射面２ａからレーザ光を出射する。

本実施形態に係るレーザ装置１００において、半導体レーザ素子２として、マルチモード光を出力するマルチモード半導体レーザ素子を用いている。このようなマルチモード半導体レーザ素子を構成する半導体材料としては、例えばＩｎＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰを用いることができる。

背景技術で述べたように、マルチモード光を出力する半導体レーザ素子２の出射面２ａから出射されるレーザ光も、出射面２ａ上におけるＺ軸方向（第１の方向）のレーザ光の広がり角の半値全幅（ＦＷＨＭ）が４０°程度、出射面２ａ上におけるＸ軸方向（第２の方向）のレーザ光の広がり角の半値全幅が１０°程度となっている。すなわち、半導体レーザ素子２のレーザ光の広がりはＸＹ面内よりもＹＺ面内のほうが大きくなっている。

なお、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上におけるＸ軸方向とは、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上において、半導体レーザ素子２の活性層が延在する平面に平行な方向のことをいう。また、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上におけるＺ軸方向とは、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上において、半導体レーザ素子２の活性層が延在する平面と直交する方向のことをいう。

このことは、半導体レーザ素子２の出射面２ａと光ファイバ４の先端部４ａとの位置合わせにおいて、出射面２ａ上のＸ軸方向よりもＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれのほうが、後述する半導体レーザ素子２と光ファイバ４との光結合率を、より大きく低下させてしまうことを意味する。

なぜなら、上で述べたように、半導体レーザ素子２のレーザ光は、出射面２ａ上のＺ軸方向の広がりが大きいため、出射面２ａのＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれが生じた場合、出射面２ａのＸ軸方向における光ファイバ４の位置ずれと比較して、より多くのレーザ光が光ファイバ４のコア部に導入されないことになってしまうからである。

したがって、マルチモード半導体レーザ素子２と光ファイバ４との光結合率の変動は、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＸ軸方向における光ファイバ４の位置ずれに対しては鈍感である一方、マルチモード半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれに対しては非常に敏感であるといえる。

光ファイバ４の先端部４ａが持つレンズ機能の程度によるものの、例えば、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＸ軸方向における光ファイバ４の位置ずれに対しては１０μｍ程度まで許容される一方、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれに対しては１〜３μｍ程度しか許容されない。

後述するように、本発明は、半導体レーザ素子２と光ファイバ４との光結合率の変動に大きく影響を及ぼしてしまう、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれを抑制するものである。

レーザ素子支持部材３は、その下面が台座１に接合される一方、その上面に半導体レーザ素子２が配置されている。レーザ素子支持部材３は、台座１の上方における、半導体レーザ素子２の配置を支持すると同時に、台座１の熱膨張や変形による歪みが半導体レーザ素子２に直接伝導してしまうことを抑制している。

また、レーザ素子支持部材３は、半導体レーザ素子２がレーザ光を出射する際に発生する熱を台座１に伝導させており、半導体レーザ素子２からの発熱は台座１を通して大気中に放熱されることになる。それにより、レーザ発振の際における半導体レーザ素子２の温度上昇が抑制されることになり、半導体レーザ素子２の発振が安定的に行なわれることになる。レーザ素子支持部材３を構成する材料としては、例えばＣｕＷ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢｅＯ、Ｓｉ、立方晶窒化ホウ素（Cubic boron nitride）、ダイヤモンド（Diamond）を用いることができる。

光ファイバ４は、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光をレーザ装置１００の外部に伝導するためのものである。光ファイバ４には、その先端部４ａを通して、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光が導入されることになる。

光ファイバ４の先端部４ａは、図１に示すように、くさび形状を有している。上で述べたように、半導体レーザ素子２のレーザ光の広がりは、出射面２ａ上のＸ軸方向よりもＺ軸方向のほうが大きくなっている。

このため、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光を、より効率よく光ファイバ４のコア部に光結合させるために、レーザ光が入射される先端部４ａにおいて、半導体レーザ素子２の出射面２ａのＺ軸方向に広がるレーザ光を屈折させて光ファイバ４のコア部に導く必要がある。

そこで、光ファイバ４は、その先端部４ａがくさび形状となるように加工され、その加工により、先端部４ａにレンズ機能が付与されている。

そして、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向に広がるレーザ光は、レンズ機能が付与された、くさび形状を有する先端部４ａに入射する際に屈折し、光ファイバ４に導入されることになる。

また、光ファイバ４の先端部４ａは、図１に示すように、半導体レーザ素子２の出射面２ａに対向するように配置されている。そして、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光のうち、光ファイバ４のコア部に導入されるレーザ光が最大となるように、半導体レーザ素子２の出射面２ａと光ファイバ４の先端部４ａとの間における位置合わせが行なわれている。

すなわち、半導体レーザ素子２と光ファイバ４とは、半導体レーザ素子２と光ファイバ４のコア部とにおける光結合率が最大となる位置に配置されている。

本実施形態に係るレーザ装置１００における光ファイバ４は、コア部と、そのコア部の外側のクラッド部と、それらを覆う被覆部の３重構造を備える。上で述べたような、半導体レーザ素子２の出射面２ａと光ファイバ４の先端部４ａとの間における位置合わせは、具体的には、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光が光ファイバ４のコア部に最大限導入されるよう、半導体レーザ素子２から出射されるレーザ光の光軸と光ファイバ４のコア部の光軸とを調心することを意味する。

なお、図１に示す光ファイバ４の先端から接合パッド７にかけては、光ファイバ４の被覆部が除去されている。この被覆部が除去されたクラッド部の半田８で固定される領域においては、石英材料のクラッド部の外周に金属被覆部材９が形成されている。これは、一般に樹脂材料等で形成された被覆部の上から固定すると、半田溶融時に被覆部が損傷する可能性が高いことに加え、柔らかい被覆部を介して固定した場合、固定後の光ファイバ４の位置変動が大きくなるためである。なお、金属被覆部材９と接合パッド７とは直接接触しておらず、通常、数十〜１００マイクロメートル程度離れている。

また、光ファイバ４は、上で述べたマルチモードの半導体レーザ素子２と光結合可能なマルチモードファイバを用いればよく、そのコア部の直径は５０マイクロメートル以上であることが好ましく、１０５マイクロメートル以上であることがより好ましい。もちろん、半導体レーザ素子２の高出力化が進むにつれて、光ファイバ４のコア部の直径を大きくすることが好ましい。例えば、半導体レーザ素子２の出力の大きさによっては、光ファイバ４のコア部の直径が１０００マイクロメートル程度になる場合もある。

光ファイバ支持部材５は、その下面が接合膜６を挟むようにして台座１に接合される一方、その上面に接合パッド７を挟むようにして光ファイバ４が配置されている。光ファイバ支持部材５は、台座１の上方における、光ファイバ４の配置を支持している。

光ファイバ支持部材５は、高い熱伝導率を有する非断熱材料を用いて構成されている。光ファイバ支持部材５は、例えばＮｉや、Ｍｏ、Ｓｉ、ＣｕＷ、ＡｌＮ、Ｃｕ等の高い熱伝導率を有する非断熱材料を用いればよい。例えば、上で述べたような非断熱材料の熱伝導率はそれぞれ、９０Ｗ／ｍ・Ｋ（Ｎｉ）、１４７Ｗ／ｍ・Ｋ（Ｍｏ）、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ（Ｓｉ）、２００Ｗ／ｍ・Ｋ（ＣｕＷ、ＡｌＮ）、４００Ｗ／ｍ・Ｋ（Ｃｕ）である。また、それら以外の非断熱材料としては、例えば、Ｎｉ−ｃｅｒａｍｉｃ、ＳｉＣ（２５７Ｗ／ｍ・Ｋ）、ＢｅＯ（２８５Ｗ／ｍ・Ｋ）、立方晶窒化ホウ素（Cubic boron nitride、１３００Ｗ／ｍ・Ｋ）、ダイヤモンド（Diamond）（２２００Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いることができる。このような非断熱材料が持つ熱伝導率としては５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

一方、このような非断熱材料に対し、低い熱伝導率を有する断熱材料としては、例えば、シリカ（１Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｍａｃｏｒ（２Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｚｉｒｃｏｎｉａ（３Ｗ／ｍ・Ｋ）等が挙げられる。

光ファイバ支持部材５は、このような高熱伝導性の非断熱材料を用いて構成されていることから、光ファイバ４がレーザ光を伝導させる際に発生する熱を台座１に効率よく伝導させることができる。

もちろん、光ファイバ支持部材５を構成する非断熱材料は、上で述べたような材料に限られるものではない。要は、光ファイバ支持部材５は、熱伝導性が極めて低いガラス等の断熱材料よりも高い熱伝導率を有する非断熱材料を用いていればよい。

そして、接合パッド７からの発熱は台座１を通してヒートシンクに放熱されることになる。それにより、レーザ光伝導の際における光ファイバ４の温度上昇が抑制されることになり、光ファイバ４の配置が安定的に支持されることになる。

また、光ファイバ支持部材５は、図２に示すように、光ファイバ４が配置される上記の上面を有する梁部（平板状部）５ａと、台座１に接合される上記の下面を有する柱部（柱状部）５ｂとから構成されている。そして、その柱部５ｂは、梁部５ａの長手方向に位置する一方の端部側に配置されている。梁部５ａと柱部５ｂとは一体成形されており、ここでは、説明の都合上、光ファイバ支持部材５を２つの部分、つまり、上記の梁部５ａと柱部５ｂとに分けるものとする。

梁部５ａは、平板形状を有しており、柱部５ｂは、直方体形状を有している。このため、図２の（ｃ）に示すように、光ファイバ支持部材５の図１のＹ軸方向から見た側面がＬ字形状となっている。このようなＬ字形状の側面を持つ光ファイバ支持部材５の構造は、片持ち梁構造と呼ぶことができる。

本発明は、光ファイバ支持部材５をこのような片持ち梁構造とすることにより、上で述べたように、半導体レーザ素子２と光ファイバ４との光結合率の変動に大きく影響を及ぼしてしまう位置ずれ、すなわち、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれを抑制することができるという効果を奏することができる。この効果に関しては、後で詳しく説明する。

なお、上で述べたように梁部５ａと柱部５ｂとを一体成形せずに、別体である梁部５ａと柱部５ｂを、各々別々に成形し、その後、上で述べたようなＬ字形状となるように、それらを一体化してももちろん構わない。

柱部５ｂは、台座１に接合される上記の下面を有している。そして、柱部５ｂのその下面と台座１との間には接合膜６が挟み込まれている。その接合膜６は、台座１に柱部５ｂを、半田などのろう材を用いて固着するためのものであり、例えばＮｉ膜（上層）／Ａｕ膜（下層）からなる２層構造膜を用いることができる。接合膜６にこのような２層構造膜を介して半田などのろう材で固定することにより上で述べた光ファイバ４からの発熱を台座１に効率よく伝導させることができるとともに、柱部５ｂを台座１に確実に固着することができる。

一方、梁部５ａは、光ファイバ４が配置される上記の上面を有している。そして、梁部５ａの上面と光ファイバ４との間には接合パッド７が挟み込まれている。その接合パッド７は、梁部５ａの上面に光ファイバ４を、半田を用いて固着するためのものであり、接合膜６と同様、例えばＮｉ膜（上層）／Ａｕ膜（下層）からなる２層構造膜を用いることができる。接合パッド７にこのような２層構造膜を用いることで、上で述べた光ファイバ４からの発熱を梁部５ａに効率よく伝導させることができるとともに、光ファイバ４を梁部５ａに確実に固着することができる。

さらに、光ファイバ４を梁部５ａの上面に配置する際において、光ファイバ４は梁部５ａの接合パッド７に半田８により固定されている。半田８としては例えば、融点が１００℃〜３５０℃程度の半田や共晶半田を用いればよい。より具体的には、半田８としてスズ（Ｓｎ）６３％‐鉛（Ｐｂ）３７％の共晶半田や、インジウム（Ｉｎ）合金半田、あるいはスズ（Ｓｎ）‐銀（Ａｇ）半田等を用いればよい。特に、鉛フリー化の観点からは、金（Ａｕ）-スズ（Ｓｎ）共晶半田が好ましい。

また、図１に示すように、金属被覆部材９が、光ファイバ４の一部の周囲に光ファイバ４を取り囲むようにして配置されている。その金属被覆部材９は、光ファイバ４と接合パッド７とを半田８を用いて接合する際、光ファイバ４と半田８との接合を行なうために存在することが望ましいものである。なぜなら、光ファイバ４の外側は、上で述べたように、ガラスで作製されたクラッド部であり、半田との接合に適していないからである。そこで、上で述べたような金属被覆部材９を別途配置し、その金属被覆部材９を介して、光ファイバ４と半田８との接合を行なっている。

（光ファイバ支持部材５）
上で述べたように、本発明においては、光ファイバ支持部材５を片持ち梁構造とすることにより、半導体レーザ素子２と光ファイバ４との光結合率の変動に大きく影響を及ぼしてしまう、半導体レーザ素子２の出射面２ａのＺ軸方向における位置ずれを抑制することができるという効果を奏することができる。

以下、光ファイバ支持部材５の構成および上記の効果について、さらに詳しく説明する。

図３は、図１および図２の光ファイバ支持部材５およびその周辺部を示す図である。図３において、上で述べたように、光ファイバ支持部材５は、梁部５ａと、柱部５ｂとから構成されている。

具体的には、梁部５ａは、光ファイバ４が半田８により固定された接合パッド７が配置された一方の主面（第１の主面）と、その反対側にある他方の主面（第２の主面）とを含んでいる。また、梁部５ａは、上で述べたように、平板状の形状を有しており、その長手方向に位置する一方の端部側において柱部５ｂと連結している。そして、梁部５ａの他方の主面は台座１と対向している。

一方、柱部５ｂは、上で述べたように、台座１上で固定するように配置されている。そして、柱部５ｂは、梁部５ａの短手方向に沿った一方の端部側において梁部５ａと連結し、梁部５ａの他方の主面を台座１とを空間的に離間させつつ対向させ、梁部５ａを台座１の上方において配置し、支持している。

さらに、それら梁部５ａおよび柱部５ｂはともに、上で述べたように、高熱伝導率を有する非断熱材料を用いている。

このような梁部５ａと柱部５ｂとが連結されている、非断熱材料からなる光ファイバ支持部材５においては、先ず、台座１を基準とする光ファイバ４の高さがＨであるのに対し、光ファイバ４が固着された接合パッド７の下方に位置する、光ファイバ支持部材５の厚み、すなわち、梁部５ａの厚みは光ファイバ４の高さＨよりも薄い値であるＨ１となっている（以下、この構成を「構成１」呼ぶ）。なお、ここでは、接合膜６および接合パッド７の厚みについて無視し、光ファイバ４の高さは光ファイバ支持部材５の厚みのみで決まるものとする。

次に、接合パッド７の位置を基準とする柱部５ｂまでの距離がＬとなっている（以下、この構成を「構成２」と呼ぶ）。

光ファイバ支持部材５は、それら構成１および構成２を備えることにより、上で述べたような、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれを抑制することができるものである。

すなわち、先ず、上記の構成１においては、接合パッド７の下方に位置する光ファイバ支持部材５の厚みＨ１が、本来必要とされる光ファイバ４の高さＨと比較して、薄くなっている。このため、接合パッド７の下方においては、光ファイバ支持部材５の熱膨張による、光ファイバ４の上記のＺ軸方向への位置ずれの量を減少させることができる。

一方、上記の特許文献１に記載された従来のレーザ・ダイオード組立体においては、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光のうち、光ファイバのコア部に導入されなかったレーザ光が光ファイバ下方の台座を局所的に膨張させ、その結果、光ファイバの位置を大きく変化させていた。

例えば、図４に示す従来の構成においては、光ファイバ支持部材２０５上に配置された接合パッド２０７と光ファイバ２０４とが半田２０８により固定されている。そして、光ファイバ２０４の高さＨは、光ファイバ支持部材２０５の厚みそのものとなっている。さらに、光ファイバ支持部材２０５は、断熱材料を用いており、光ファイバ２０４の下方における熱は放熱されにくい環境である。

このため、一旦、光ファイバ２０４のコア部に導入されなかったレーザ光の照射による光ファイバ２０４の発熱が始まると、その熱が光ファイバ２０４の下方の光ファイバ支持部材２０５を膨張させ、その膨張による光ファイバ２０４の位置ずれを招いてしまう。

その結果、光ファイバ２０４に導入されないレーザ光の量を増大させるという、悪循環に陥ってしまう。

これに対し、図３に示した光ファイバ支持部材５の構成においては、光ファイバ４のコア部に導入されなかったレーザ光の照射による接合パッド７の発熱が始まっても、接合パッド７下方の光ファイバ支持部材５の厚みが薄くなっているので、その熱膨張による光ファイバ４のＺ軸方向への位置ずれの量は、従来と比較して、大きく減少することになる。

さらに、図３に示した光ファイバ支持部材５の構成においては、光ファイバ支持部材５が非断熱材料を用いているので、光ファイバ４からの発熱は、図３のＡ、Ｂ、Ｃで示す矢印の向きに沿って、光ファイバ支持部材５の内部を伝導して、台座１から効率よく放熱される。

このため、接合パッド７の下方における光ファイバ支持部材５の熱膨張を抑制することができるので、従来と比べて、光ファイバ４のＺ軸方向への位置ずれの量を大きく減少させることができる。

次に、上記の構成２においては、レーザ光の照射により発熱する接合パッド７と柱部５ｂとの間を距離Ｌだけ離すことができるので、接合パッド７からの発熱による柱部５ｂの熱膨張を抑制することができる。

すなわち、光ファイバ４の高さＨは、図３に示したように、柱部５ｂの厚みＨそのものである。したがって、仮に、接合パッド７からの発熱による柱部５ｂの熱膨張が大きければ、従来の程の位置ずれの大きさではないものの、光ファイバ４の位置ずれは生じてしまう。

そこで、上記の構成２においては、接合パッド７と柱部５ｂとを距離Ｌだけ離し、光ファイバ支持部材５の表面からの放熱を行なうことにより、接合パッド７からの発熱によって柱部５ｂが大きく熱膨張することを抑制する。

そうすることにより、光ファイバ４の位置ずれの量を従来と比べて大きく減少させることができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係るレーザ装置１００によれば、半導体レーザ素子２の出射面２ａから出射されるレーザ光のうち、光ファイバ４に導入されないレーザ光の照射により、光ファイバ４が固着された接合パッド７からの発熱が生じても、接合パッド７の下方における光ファイバ支持部材５である梁部５ａの厚みを薄くし、その熱伝導率を高くしているので、接合パッド７からの発熱による梁部５ａの熱膨張が抑制される。その結果、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれの量を減少させることができる。

さらに、台座１上に配置された、光ファイバ支持部材５である柱部５ｂを接合パッド７から引き離し、柱部ｂの熱伝導率を高くしているので、接合パッド７からの発熱による柱部５ｂの熱膨張が抑制され。その結果、半導体レーザ素子２の出射面２ａ上のＺ軸方向における光ファイバ４の位置ずれの量を減少させることができる。

（変形例１）
図５に、上記の一実施形態に係るレーザ装置１００の光ファイバ支持部材５の変形例１の概略構成を示す。図５は、図１に示した光ファイバ支持部材５の変形例１を示す三面図であり、図５の（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た上記の変形例１の平面図、図５の（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た上記の変形例１の側面図、図５の（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た上記の変形例１の側面図である。

本変形例１に係る光ファイバ支持部材と上記の光ファイバ支持部材５と異なる点は、光ファイバ支持部材５の梁部５ａを、その梁部５ａに開口部Ｇを設けた梁部１５ａに置き換えた点である。梁部１５ａは、開口部Ｇを有することにより、図５（ａ）に示すように、Ｌ字形状のアーム部１８を備えており、その端部側において柱部１５ｂが設け、２つの柱部１５ｂをそれぞれ、梁部１５ａの長手方向に位置する２つの端部側に設けている。また、２つの柱部１５ｂのいずれについても、接合膜１６を介して台座１と接合されている。

柱部１５ｂ、接合膜１６および接合パッド１７はそれぞれ、光ファイバ支持部材５の柱部５ｂ、接合膜６および接合パッド７と同一である。また、梁部１５ａは、開口部Ｇを設け、アーム部１８を備えた以外、光ファイバ支持部材５の梁部５ａと同一である。

本変形例１によっても、上記の一実施形態の光ファイバ支持部材５と同様の効果を得ることができる。

さらに、本変形例１によれば、梁部１５ａが開口部Ｇを有することにより、梁部１５ａが片持ち梁構造を保ちながら，柱部１５ｂを梁部１５ａの長手方向に位置する２つの端部側に設けている。そうすることにより、上記の実施形態よりも、梁部１５ａと台座１との並行度を出し易くすることができる。

（変形例２）
図６に、上記の一実施形態に係るレーザ装置１００の光ファイバ支持部材５の変形例２の概略構成を示す。図６は、図１に示した光ファイバ支持部材５の変形例２を示す三面図であり、図６の（ａ）は、図１のＺ軸方向から見た上記の変形例２の平面図、図６の（ｂ）は、図１のＸ軸方向から見た上記の変形例２の側面図、図６の（ｃ）は、図１のＹ軸方向から見た上記の変形例２の側面図である。

本変形例２に係る光ファイバ支持部材と上記の光ファイバ支持部材５と異なる点は、光ファイバ支持部材５の柱部５ｂを、台座１と同一の部材を用いた柱部２５ｂに置き換えた点である。

柱部２５ｂと台座１とを一体成形することにより、柱部２５ｂを別途作製する必要が無くなり、さらに、梁部２５ａを単純な平板形状で成形することが可能となる。柱部２５ｂと台座１との一体成形は、例えば、台座１を作製する際、切削加工やプレス加工により容易に行なうことができる。そうすれば、柱部２５ｂを作製するための工程が不要となる。

また、梁部２５ａは、その作製が容易な平板形状にすることができるので、作製に要する工程が簡素化され、その作製に用いられる切削工程に高い加工精度が要求されることも無い。

このようにして本変形例２によれば、光ファイバ支持部材の作製コストを低減することができる。

なお、接合膜２６および接合パッド２７はそれぞれ、光ファイバ支持部材５の接合膜６および接合パッド７と同一である。接合膜２６は、例えば、半田を用いるが、その半田の厚さは通常、５μｍ〜３０μｍ程度である。なお、図６では、図面の見易さのため、接合膜２６の厚さを模式的に示している。

本変形例２によっても、上記の一実施形態の光ファイバ支持部材５と同様の効果を得ることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

なお、本発明は、以下のようにも表現することができる。すなわち、本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出射する出射面を有するレーザ素子と、前記レーザ素子の前記出射面に対向するように配置された先端部を有する光ファイバと、前記光ファイバを半田により固定するファイバ固定部を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、を備え、前記支持部材は、前記ファイバ固定部が配置された第１の主面と、前記第１の主面の反対側にある第２の主面とを含む平板状部と、放熱部材に固定されており、前記平板状部のいずれかの端部側において前記平板状部と連結して前記第２の主面と前記放熱部材とを空間的に離間させつつ対向させている柱状部と、を有している。

前記支持部材は、非断熱材料からなることが好ましい。

この場合、支持部材に非断熱材料を用いているので、ファイバ固定部からの発熱は、支持部材を伝導して、台座から効率よく放熱される。

このため、ファイバを支持する部材に断熱材料を用いた場合と比較して、ファイバ固定部下方の支持部材の温度が低くなる。

これにより、ファイバを支持する部材に断熱材料を用いた場合と比較して、支持部材の熱膨張による光ファイバの位置ずれの量を減少させることができる。

したがって、光ファイバを固定するためのファイバ固定部の発熱や溶融を抑制し、レーザ素子と光ファイバとの光結合率が低下することをより効果的に防止することができる。

前記柱状部は、前記平板状部の長手方向に位置する一方の端部側において前記平板状部と連結するとともに、前記ファイバ固定部は、前記平板状部の長手方向に位置する他方の端部側に配置されていることが好ましい。

この場合、レーザ素子の出射面から出射されたレーザ光のうち、光ファイバのコア部に導入されなかったレーザ光の照射により発熱するファイバ固定部と、柱状部とは平板状部の長手方向の長さだけ離れることになる。

このため、ファイバ固定部と、柱状部との間の距離を大きくすることができるので、ファイバ固定部からの発熱による柱状部の熱膨張を抑制することができる。

すなわち、ファイバ固定部と柱状部とを大きく離間させ、ファイバ固定部からの発熱によって柱状部が大きく熱膨張することを抑制する。そうすることにより、光ファイバの位置ずれの量をより減少させることができる。

前記光ファイバは、前記平板状部の柱状部からの延伸方向と前記光ファイバの延伸方向とが直交するように前記ファイバ固定部に固定されていることが好ましい。

この場合、光ファイバが平板状部の柱状部からの延伸方向と光ファイバの延伸方向が直交するようにファイバ固定部に固定されているので、平板状部の長手方向と光ファイバが延在する方向とが直交することになる。

ファイバ固定部からの発熱によって平板状部の熱膨張が生じると、平板状部はその長手方向に伸びることになるが、平板状部の長手方向と光ファイバが延在する方向とが直交するので、ファイバ固定部に固定された光ファイバの先端部は平板状部の長手方向に変位する。

このため、光ファイバの先端部の位置ずれを、レーザ光の広がりの小さい方向であるレーザ素子の出射面の横方向とすることができるので、レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下をより抑制することができる。

なぜなら、平板状部の長手方向と光ファイバが延在する方向とを平行にすると、光ファイバの先端部の位置ずれがレーザ光の出射方向となる。レーザ出射方向（図１ではＹ軸方向）へのファイバ位置変位による結合効率の低下は、レーザ素子の出射面の横方向（図１ではＸ軸方向）への変位よりも大きいので、レーザ素子と光ファイバとの光結合率の低下が大きくなってしまうからである。

したがって、光ファイバを固着するためのファイバ固定部の発熱や溶融を抑制し、レーザ素子と光ファイバとの光結合率が低下することをより効果的に防止することができる。

前記レーザ素子の出射面上において第１の方向および当該第１の方向に直交する第２の方向を設定したときに、前記第１および第２の方向のうちいずれか一方の方向におけるレーザ光の広がりが他方の方向におけるレーザ光の広がりよりも大きい場合において、前記一方の方向と前記平板状部の厚み方向とが一致するように、前記レーザ素子が配置されていることが好ましい。

この場合、光ファイバの位置ずれに、より大きな影響を与える、レーザ光の広がりの大きい方向と、平板状部の厚み方向とを一致させることができる。

このため、レーザ光の広がりの大きい方向と、光ファイバの位置ずれの量を減少させることができる方向とを一致させることができるので、レーザ光の広がりの大きい方向における光ファイバの位置ずれの量を減少させることができる。

前記平板状部と前記柱状部とは、別体であることが好ましい。

この場合、平板状部と柱状部の各々は、平板形状や直方体形状といった、作製が容易な形状にすることができる。それゆえ、そのような形状を切削加工により実現する場合、高い加工精度が不要となり、各々の作製コストを削減することができる。

前記平板状部と前記柱状部とは、一体成形されていることが好ましい。

この場合、平板状部と柱状部とを一度に作製することができる。それゆえ、各々の作製工程が簡素化され、各々の作製コストを削減することができる。

前記柱状部と前記放熱部材とは、一体成形されていることが好ましい。

この場合、平板状部は、作製が容易な形状にすることができる。一方、柱状部は放熱部材と同時に作製することができる。このため、平板状部については高い加工精度により切削加工を行なう必要が無くなり、柱状部については作製工程が簡素化される。それゆえ、各々の作製コストを削減することができる。

本発明は、半導体レーザ素子等のレーザ素子と光ファイバ等の光部品とを組み合わせたレーザ装置に適用できる。

１台座（放熱部材）
２半導体レーザ素子（レーザ素子）
２ａ出射面
３レーザ素子支持部材
４、２０４光ファイバ
４ａ先端部
５、２０５光ファイバ支持部材（支持部材）
５ａ、１５ａ梁部（平板状部）
５ｂ、１５ｂ柱部（柱状部）
６、１６接合膜
７、１７、２０７接合パッド（ファイバ固定部）
８、２０８半田
９金属被覆部材
１８アーム部
１００レーザ装置

Claims

レーザ光を出射する出射面を有するレーザ素子と、
前記レーザ素子の前記出射面に対向するように配置された先端部を有する光ファイバと、
前記光ファイバを半田により固定するファイバ固定部を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、を備え、
前記支持部材は、非断熱材料からなり、
前記ファイバ固定部が配置された第１の主面と、前記第１の主面の反対側にある第２の主面とを含む平板状部と、
放熱部材に固定されており、前記平板状部のいずれかの端部側において前記平板状部と連結して前記第２の主面と前記放熱部材とを空間的に離間させつつ対向させている柱状部と、を有し、
前記柱状部は、前記平板状部の長手方向に位置する一方の端部側において前記平板状部と連結するとともに、
前記ファイバ固定部は、前記平板状部の長手方向に位置する他方の端部側に配置され、前記平板状部と前記柱状部とは、一体成形されていることを特徴とするレーザ装置。
前記光ファイバは、前記平板状部の柱状部からの延伸方向と光ファイバの延伸方向が直交するように前記ファイバ固定部に固定されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
前記レーザ素子の出射面上において第１の方向および当該第１の方向に直交する第２の方向を設定したときに、前記第１および第２の方向のうちいずれか一方の方向におけるレーザ光の広がりが他方の方向におけるレーザ光の広がりよりも大きい場合において、
前記一方の方向と前記平板状部の厚み方向とが一致するように、前記レーザ素子が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記柱状部と前記放熱部材とは、一体成形されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。