JP5598845B2

JP5598845B2 - レーザモジュール

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Publication number: JP5598845B2
Application number: JP2010109207A
Authority: JP
Inventors: 麻衣子有賀; 俊雄木村
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: CN102472876B; WO2011142469A1; US20120140476A1; CN102472876A; US8731019B2; JP2011238783A

Description

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換若しくは集光するレンズを備えるレーザモジュールに関するものである。

従来より、レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換（コリメート）若しくは集光するレンズを備えるレーザモジュールが知られている。従来のレーザモジュールでは、レンズは、レーザ光の入射面及び出射面を露出させた状態で金属製の枠体内に収容され、半田材料によって金属製の枠体を基板に固定することにより、実装されていた。しかしながら、金属製の枠体は、レーザモジュールの小型化及び低コスト化を実現する上で障害となる。このため、近年では、金属製の枠体を排除し、樹脂接着剤を用いてレンズを基板に接着することが行われている（特許文献１，２参照）。

特開２００３−１４７３２１号公報特開２００４−１２６３１９号公報

ところで、レンズを基板に接着する際に用いられる樹脂接着剤の中には、線膨張係数、硬化収縮率、熱伝導率等の樹脂接着剤の特性を調整するために、無機材料を主成分とするフィラー（分散粒子）を含有するものがある。しかしながら、このようなフィラーを含有する樹脂接着剤を用いた場合、レンズの接着面と基板表面との間にフィラーが入り込むことによって、レンズが基板表面の法線方向に対し傾いた状態で接着されてしまうことがある。そして、レンズが基板表面の法線方向に対し許容傾き角以上傾いた状態で接着された場合、レーザ光の光軸がずれたり、レーザ光のビーム形状が歪んだりして、レーザモジュールの光学特性が損なわれる。このため、無機フィラーを含有する樹脂接着剤によって光学特性が損なわれることを抑制可能なレーザモジュールの提供が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、無機フィラーを含有する樹脂接着剤によって光学特性が損なわれることを抑制可能なレーザモジュールを提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を出射するレーザ光源と、樹脂接着剤によって基板表面上に接着された、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換若しくは集光するレンズと、を備え、前記樹脂接着剤は、無機材料を主成分とするフィラーを含有し、前記レンズの許容傾き角をθ_ｍａｘ、前記レーザ光の光軸方向における前記レンズの接着面幅をｄとしたとき、前記基板表面の法線方向における当該フィラーの高さｈが以下に示す数式（１）を満足する。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記レンズの接着面幅ｄが０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以下の範囲内にあるとき、前記フィラーの高さｈが８μｍ以下の範囲内にある。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記フィラーは、二酸化ケイ素、タルク、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化チタンのうちのいずれかの無機材料を主成分とする。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記フィラーは、球体形状、鱗片形状、板形状、及び粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有する。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記樹脂接着剤内における前記フィラーの含有率が２５質量％以上である。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記樹脂接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちのいずれかの樹脂材料を主成分とする。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザ素子である。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記レーザ光源は、分布反射型半導体レーザ素子である。

本発明に係るレーザモジュールは、上記発明において、前記レーザ光源は、複数の単一縦モード半導体レーザ素子と、当該複数の単一縦モード半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器と、前記複数の単一縦モード半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記半導体光増幅器に導く合波器とを集積することによって形成された、アレイ型半導体レーザ素子である。

本発明に係るレーザモジュールによれば、無機フィラーを含有する樹脂接着剤によって光学特性が損なわれることを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態であるレーザモジュールの構成を上方から見た断面模式図である。図２は、図１に示すレーザ光源を示す模式図である。図３は、図１に示すコリメートレンズの構成を示す模式図である。図４は、基板表面の法線方向におけるフィラーの許容高さの導出方法を説明するための模式図である。図５は、コリメートレンズが出射面側に傾いた状態を示す模式図である。図６は、コリメートレンズが入射面側に傾いた状態を示す模式図である。図７は、コリメートレンズの許容傾き角が２°であるときのレンズ幅とフィラーの許容高さの関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるレーザモジュールの構成について説明する。

〔レーザモジュールの全体構成〕
始めに、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態であるレーザモジュールの構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるレーザモジュールの構成を上方から見た断面模式図である。図２は、図１に示すレーザ光源の構成を示す模式図である。なお、以下では、水平面内であってレーザ光の出射方向（光軸方向）をＸ軸方向、水平面内であってＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向、ＸＹ平面（水平面）の法線方向（鉛直方向）をＺ軸方向と定義する。

図１に示すように、本発明の一実施形態であるレーザモジュール１は、レーザ光源２、コリメートレンズ３、基板４、ビームスプリッタ５、パワーモニタ用フォトダイオード６、エタロンフィルタ７、波長モニタ用フォトダイオード８、ベースプレート９、ペルチェ素子１０、光アイソレータ１１、及び集光レンズ１２を備え、これらの要素は筐体１３内に収容されている。

レーザ光源２は、図２に示すように、半導体レーザアレイ２１、導波路２２、合波器２３、導波路２４、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：SOA）２５、及び曲げ導波路２６を備え、これらの要素を同一基板２７上に集積することによって形成されたアレイ型半導体レーザ素子として構成されている。

半導体レーザアレイ２１は、それぞれ異なる波長のレーザ光を前端面から出射するストライプ形状の複数の単一縦モード半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子と略記）２１１を備える。半導体レーザ素子２１１は、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザ素子（分布帰還型レーザ素子）であり、素子温度を調整することによってその発振波長を制御することができる。

具体的には、各半導体レーザ素子２１１は、例えば３〜４ｎｍ程度の範囲内で発振波長を変化させることができ、各半導体レーザ素子２１１の発振波長が３〜４ｎｍ程度の間隔で並ぶように各半導体レーザ素子２１１の発振波長が設計されている。これにより、半導体レーザアレイ２１は、駆動する半導体レーザ素子２１１を切り替えると共に素子温度を制御することによって、単体の半導体レーザ素子よりも広帯域な連続した波長帯域のレーザ光ＬＢを出射することができる。

なお、ＷＤＭ通信用の波長帯域全体（例えば１．５３〜１．５６μｍのＣバンド又は１．５７〜１．６１μｍのＬバンド）をカバーするためには、それぞれ３〜４ｎｍの範囲内で発振波長を変化させることが可能な１０個以上の半導体レーザ素子２１１を集積することによって、３０ｎｍ以上の波長帯域に亘って波長を変化させることができる。

導波路２２は、半導体レーザ素子２１１毎に設けられ、半導体レーザ素子２１１から出射されたレーザ光ＬＢを合波器２３に導く。合波器２３は、例えば多モード干渉（Multi-Mode Interferometer：MMI）型合波器であり、導波路２２によって導かれたレーザ光ＬＢを導波路２４に導く。導波路２４は、合波器２３によって導かれたレーザ光ＬＢを半導体光増幅器２５に導く。半導体光増幅器２５は、導波路２４によって導かれたレーザ光ＬＢを増幅し、増幅されたレーザ光ＬＢを曲げ導波路２６に導く。

曲げ導波路２６は、出射端面に対し約７度の傾斜角度をもって、すなわちＸ軸方向に半導体光増幅器２５によって導かれたレーザ光ＬＢを出射する。なお、出射端面に対するレーザ光ＬＢの傾斜角度は、６〜１２度の範囲に調整することが望ましい。これにより、半導体レーザアレイ２１側への反射戻り光を減少させることができる。

図１に戻る。コリメートレンズ３は、レーザ光源２の出射端面近傍に配置されている。コリメートレンズ３は、レーザ光源２から出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換し、平行光に変換されたレーザ光ＬＢをビームスプリッタ５に導く。基板４は、ＸＹ平面に対して水平な設置面にレーザ光源２とコリメートレンズ３とを載置する。

ビームスプリッタ５は、コリメートレンズ３によって導かれたレーザ光ＬＢの一部を透過して光アイソレータ１１に導くと共に、コリメートレンズ３によって導かれたレーザ光ＬＢの他部をパワーモニタ用フォトダイオード６側とエタロンフィルタ７側とに分岐する。パワーモニタ用フォトダイオード６は、ビームスプリッタ５によって分岐されたレーザ光ＬＢの強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を図示しない制御装置に入力する。

エタロンフィルタ７は、レーザ光ＬＢの波長に対して周期的な透過特性を有し、透過特性に応じた強度でレーザ光ＬＢを選択的に透過して波長モニタ用フォトダイオード８に入力する。波長モニタ用フォトダイオード８は、エタロンフィルタ７から入力されたレーザ光ＬＢの強度を検出し、検出された強度に応じた電気信号を図示しない制御装置に入力する。パワーモニタ用フォトダイオード６及び波長モニタ用フォトダイオード８によって検出されたレーザ光ＬＢの強度は、図示しない制御装置による波長ロック制御に用いられる。

具体的には、波長ロック制御では、図示しない制御装置は、パワーモニタ用フォトダイオード６によって検出されたレーザ光ＬＢの強度と波長モニタ用フォトダイオード８によって検出されたレーザ光ＬＢの強度との比がレーザ光ＬＢの強度及び波長が所望の強度及び波長になるときの比になるように、半導体光増幅器２５の駆動電流を制御すると共に、レーザ光源２と基板４との間に設けられた図示しないペルチェ素子によってレーザ光源２の温度を制御する。これにより、レーザ光ＬＢの強度及び波長を所望の強度及び波長に制御することができる。

ベースプレート９は、ＸＹ平面に対して水平な設置面に基板４、ビームスプリッタ５、パワーモニタ用フォトダイオード６、エタロンフィルタ７、及び波長モニタ用フォトダイオード８を載置する。ペルチェ素子１０は、ＸＹ平面に対して水平な設置面にベースプレート９を載置し、ベースプレート９及び基板４を介してレーザ光源２を冷却すると共に、ベースプレート９を介してエタロンフィルタ７の温度を調整することによってエタロンフィルタ７の選択波長を制御する。光アイソレータ１１は、光ファイバ１４からの戻り光がレーザ光ＬＢに再結合することを抑制する。集光レンズ１２は、ビームスプリッタ５を透過したレーザ光ＬＢを光ファイバ１４に結合させて出力する。

〔コリメートレンズの構成〕
次に、図３を参照して、コリメートレンズ３の構成について説明する。図３は、コリメートレンズ３の構成を示す模式図である。図３に示すように、コリメートレンズ３は、レーザ光ＬＢの光軸方向に幅ｄを有する直方体形状のレンズ本体部３１と、レンズ本体部３１のレーザビームＬＢの入射面側に形成されたレンズ部３２と、レンズ本体部３１のレーザビームＬＢの出射面側に形成されたレンズ部３３とを有する両面レンズによって構成されている。コリメートレンズ３は、硝子，水晶，ダイヤモンド，ルビー等の材料によって形成されている。

コリメートレンズ３は、無機材料を主成分とする無機フィラー３４１を含有する樹脂接着剤３４によってレンズ本体部３１の底面を接着面として基板４表面に接着することによって、基板４表面上に固定されている。なお、無機フィラー３４１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、タルク（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）のうちのいずれかの無機材料を主成分とすることが望ましい。無機フィラー３４１は、球体形状、鱗片形状、板形状、及び粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有することが望ましい。樹脂接着剤３４内における無機フィラー３４１の含有率は２５質量％以上９５質量％以下であることが望ましい。樹脂接着剤３４の硬化収縮率、線膨張係数、熱伝導率等の特性を調整するためには、無機フィラー３４１の含有率は２５質量％以上である必要がある。一方、無機フィラー３４１の含有率が９５質量％以上である場合には、樹脂接着剤３４の粘度が高くなりすぎて作業性が低下すると共に、樹脂接着剤３４が脆くなることによって接着性が低下する。樹脂接着剤３４は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちのいずれかの樹脂材料を主成分とすることが望ましい。

〔フィラーの許容高さ〕
このような構成を有するレーザモジュール１では、基板４表面の法線方向（Ｚ軸方向，レーザ光ＬＢの光軸方向に対して垂直方向）における無機フィラー３４１の許容高さを以下のように規定することによって、コリメートレンズ３が基板４表面の法線方向に対し許容傾き角（レーザ光ＬＢの光軸ずれやビーム形状の歪みが許容範囲内に収まる傾き角）以上傾いた状態で接着されることを抑制する。以下、図４乃至図６を参照して、無機フィラー３４１の許容高さについて説明する。

図４乃至図６は、基板４表面の法線方向における無機フィラー３４１の許容高さの導出方法を説明するための模式図である。いま図４に示すように、レンズ本体部３１の接着面（底面）と図示しない基板との間に無機フィラー３４１が１つ入り込んだ状態を考える。なお、以下では、レンズ本体部３１の入射面側側面３１１の位置座標をＸ＝０、レンズ本体部３１の出射面側側面３１２の位置座標をＸ＝ｄ、レンズ本体部３１の幅方向（Ｘ軸方向）における無機フィラー３４１の位置座標をＸ＝ｘと表記する。

この状態では、無機フィラー３４１の位置がレンズ本体部３１の入射面側側面３１１から幅方向中心部（Ｘ＝１／２ｄ）に近づくのに応じて、図５に示すように、コリメートレンズ３は出射面側に傾き、その傾き角θは増加する。そして、無機フィラー３４１の位置がレンズ本体部３１の幅方向中心部を過ぎると、図６に示すように、コリメートレンズ３は入射面側に傾き、その傾き角θは減少する。このため、コリメートレンズ３の傾き角θは、無機フィラー３４１の位置が幅方向中心部付近にあるときに最大になる。

従って、無機フィラー３４１の位置が幅方向中心部付近にあるときのコリメートレンズ３の傾き角θが許容傾き角θ_ｍａｘ以下になるようにレンズ本体部３１の接着面幅ｄ及び基板４表面の法線方向における無機フィラー３４１の許容高さｈを規定することによって、コリメートレンズ３の底面と基板４表面との間に無機フィラー３４１が入り込んだ場合であっても、レーザモジュール１の光学特性が損なわれることを抑制できる。

すなわち、図５及び図６から明らかなように、コリメートレンズ３の傾き角θの正弦値ｓｉｎθは、以下に示す数式（２）のように表される。これにより、コリメートレンズ３の傾き角θが許容傾き角θ_ｍａｘであるときの正弦値ｓｉｎθ_ｍａｘは以下に示す数式（３）のように表される。従って、以下に示す数式（４）を満足するように基板４表面の法線方向における無機フィラー３４１の許容高さｈを規定することによって、コリメートレンズ３の底面と基板４表面との間に無機フィラー３４１が入り込んだ場合であっても、レーザモジュール１の光学特性が損なわれることを抑制できる。

なお、本発明の発明者は、鋭意研究を重ねてきた結果、基板４表面の法線方向に対してコリメートレンズ３が２°以上傾くと、レーザ光ＬＢの光軸ずれやビーム形状の歪みが大きくなり、レーザモジュール１の光学特性が損なわれることを知見した。許容傾き角θ_ｍａｘが２°である場合、上述の数式（４）を用いてコリメートレンズ３の接着面幅ｄと無機フィラー３４１の許容高さｈとの関係は図７に示す表のように求められる。従って、許容傾き角θ_ｍａｘが２°である場合、図７に示す関係に基づいてコリメートレンズ３の接着面幅ｄと無機フィラー３４１の許容高さｈとを規定することによって、レーザモジュール１の光学特性が損なわれることを抑制できる。より具体的には、レーザモジュール１の小型化の観点からコリメートレンズ３の接着面幅ｄが０．５ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の範囲内に規定されるときには、無機フィラー３４１の高さｈを８μｍ以下の範囲内にすることによって、コリメートレンズ３の傾き角を許容傾き角度２°以下に抑え、レーザモジュール１の光学特性が損なわれることを抑制できる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態では、レーザ光ＬＢを平行光に変換するコリメートレンズ３を基板４に接着する際に上述の無機フィラー３４１を含有する樹脂接着剤３４を用いたが、レーザ光ＬＢを集光する集光レンズを固定する場合に上述の無機フィラー３４１を含有する樹脂接着剤３４を用いてもよく、接着対象のレンズはコリメートレンズ３に限定されることはない。また、本実施形態では、レーザ光源２として、アレイ型半導体レーザ素子を用いたが、合波器２３や半導体光増幅器２５を備えない単体のＤＦＢレーザ素子やＤＢＲレーザ素子（分布ブラッグ反射型半導体レーザ素子）による単一縦モード半導体レーザ素子であってもよい。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１レーザモジュール
２レーザ光源
３コリメートレンズ
４基板
５ビームスプリッタ
６パワーモニタ用フォトダイオード
７エタロンフィルタ
８波長モニタ用フォトダイオード
９ベースプレート
１０ペルチェ素子
１１光アイソレータ
１２集光レンズ
１３筐体
１４光ファイバ
２１半導体レーザアレイ
２２導波路
２３合波器
２４導波路
２５半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：SOA）
２６曲げ導波路
３１レンズ本体部
３２，３３レンズ部
３４樹脂接着剤
３１１入射面側側面
３１２出射面側側面
３４１無機フィラー
ＬＢレーザ光

Claims

レーザ光を出射するレーザ光源と、
樹脂接着剤によって基板表面上に接着された、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換若しくは集光するレンズと、
を備え、
前記樹脂接着剤は、無機材料を主成分とするフィラーを含有し、
前記レンズの許容傾き角をθ_ｍａｘ＝２°、前記レーザ光の光軸方向における前記レンズの接着面幅をｄとしたとき、前記基板表面の法線方向における当該フィラーの許容高さｈが以下に示す数式（１）を満足し、

前記レンズの接着面幅ｄが０．５ｍｍ以上の範囲内であり、
前記フィラーの許容高さｈが１．７４μｍ以上、８．７２μｍ以下の範囲内であり、
前記フィラーは、二酸化ケイ素、タルク、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化チタンのうちのいずれかの無機材料を主成分とし、
前記フィラーは、球体形状、鱗片形状、板形状、及び粉砕塊形状のうちのいずれかの形状を有し、
前記樹脂接着剤内における前記フィラーの含有率が２５質量％以上、９５質量％以下であること、
を特徴とするレーザモジュール。
前記樹脂接着剤は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、及びシリコーン樹脂のうちのいずれかの樹脂材料を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
前記レーザ光源は、分布帰還型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザモジュール。
前記レーザ光源は、分布反射型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のレーザモジュール。
前記レーザ光源は、複数の単一縦モード半導体レーザ素子と、当該複数の単一縦モード半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を増幅する半導体光増幅器と、前記複数の単一縦モード半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を前記半導体光増幅器に導く合波器とを集積することによって形成された、アレイ型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載のレーザモジュール。