JP5645877B2

JP5645877B2 - レーザモジュール

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Publication number: JP5645877B2
Application number: JP2012131701A
Authority: JP
Inventors: 洋平葛西
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP2013257362A

Description

本発明は、レーザモジュールに係り、特にレーザ素子から発されたレーザ光を外部に出力するレーザモジュールに関するものである。

レーザモジュールのレーザ素子から光ファイバに入射されるレーザ光のうち、光ファイバの最大受光角よりも大きな入射角で入射したレーザ光はコアとクラッドの界面で全反射せずに光ファイバ内を伝搬しない漏れ光となる。レーザの出力が高くなるにつれ、このような漏れ光の強度も高くなり、漏れ光による発熱で光ファイバの被覆や光ファイバを筐体に固定するための接着剤などが損傷を受ける危険性が生じる。

したがって、このような漏れ光を外部に逃がしてやる必要があるが、光のままレーザモジュールの外部に逃がすのは危険であるため、漏れ光を熱に変換して外部に放出する必要がある。このため、従来のレーザモジュールにおいては、例えば光ファイバを保持するフェルールをパッケージ筐体に半田付け固定して放熱性を向上させることが行われている（例えば特許文献１参照）。

このような従来のレーザモジュールは、フェルールで漏れ光をすべて吸収させて熱に変換することを前提としている。しかしながら、近年のレーザダイオードの高出力化に伴い、漏れ光の強度も高くなっており、フェルールで漏れ光をすべて吸収させると、フェルールで十分に熱を逃がすことが難しく、光ファイバを固定している固定部の信頼性の低下を招くことになってしまう。

特開２００４−２５２４２５号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光ファイバの信頼性の低下を招くことなく、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる高出力の光ファイバモジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、光ファイバの信頼性の低下を招くことなく、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる高出力の光ファイバモジュールが提供される。光ファイバモジュールは、内部にパッケージ内部空間が形成されたパッケージ筐体と、上記パッケージ内部空間に配置されたレーザ素子と、上記レーザ素子から発せられたレーザ光を上記パッケージ筐体の外部に伝搬する光ファイバと、上記レーザ光の波長の光を散乱する光散乱体とを備えている。上記光ファイバの突出端部の端面は、該光ファイバの軸に対して垂直である。上記光ファイバは、上記パッケージ筐体の内壁面から上記パッケージ内部空間に向かって突出する突出端部を有する。上記光散乱体は、上記パッケージ筐体の内壁面から上記パッケージ内部空間に向かって上記光ファイバの突出端部の周囲を長さＬにわたって被覆する。この光散乱体の上記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは、上記光ファイバのコアの屈折率をｎ₁、直径をφ₁、該コアを取り囲むクラッドの屈折率をｎ₂、厚さをφ₂、上記光ファイバの最大受光角をθ_maxとすると、下記式を満足するように構成されている。

また、上記光ファイバモジュールは、上記パッケージ筐体の外部に取り付けられたヒートシンクと、上記パッケージ筐体の内壁面のうち、上記ヒートシンクと上記パッケージ内部空間との間に位置する第１の領域を被覆する第１のめっき膜と、上記パッケージ筐体の内壁面のうち、上記第１の領域以外の第２の領域を被覆する第２のめっき膜であって、上記第１のめっき膜の反射率よりも高い反射率を有する第２のめっき膜とをさらに備えていてもよい。

また、上記光ファイバの突出端部の端面が該光ファイバの軸と垂直な面に対して角度αだけ傾斜して形成されていてもよい。この場合において、上記光散乱体の上記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは下記式を満足するように構成されていることが好ましい。

また、上記光ファイバの突出端部の端面が半径ｒの球状に形成されていてもよい。この場合において、上記光散乱体の上記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは下記式を満足するように構成されていることが好ましい。

また、上記光ファイバは、該光ファイバのクラッドの屈折率以上の屈折率を有する接着剤により上記光散乱体に固定されていることが好ましい。

上記光散乱体としては、ジルコニアフェルールや結晶化ガラスフェルールを用いることができる。

本発明によれば、最大受光角よりも大きな入射角で光ファイバのコアに入射したレーザ光を光散乱体により効率的にパッケージ内部空間に散乱させることができる。これにより、漏れ光のパワー密度を下げ、パッケージ筐体の内部の全面で漏れ光を吸収させて、変換される熱の密度を下げることができる。したがって、光ファイバの固定部や光ファイバの被覆が発熱により損傷することを防止しつつ、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザモジュールを示す模式図である。図１に示すレーザモジュールの一部を拡大して示す図である。図１に示すレーザモジュールにおける光散乱体の長さを説明するための模式図である。本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュールの一部を拡大して示す図である。本発明の第３の実施形態におけるレーザモジュールの一部を拡大して示す図である。本発明の第４の実施形態におけるレーザモジュールの光ファイバの突出端部を拡大して示す図である。本発明の第５の実施形態におけるレーザモジュールの光ファイバの突出端部を拡大して示す図である。本発明の第６の実施形態におけるレーザモジュールの光ファイバの突出端部を拡大して示す図である。

以下、本発明に係るレーザモジュールの実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。なお、図１から図８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザモジュール１を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザモジュール１は、側壁１１，１２と、下部壁１３と、上部壁１４とからなるパッケージ筐体１０を備えている。パッケージ筐体１０内には、壁１１，１２，１３，１４によりパッケージ内部空間Ｓが形成されている。このパッケージ内部空間Ｓには高出力の半導体レーザ素子２０が配置されている。この半導体レーザ素子２０としては、例えば１０Ｗ〜１００Ｗの高出力のレーザダイオードが使用される。

また、半導体レーザ素子２０に電力を供給するためのリード２２が、パッケージ筐体１０の側壁１２を貫通して設けられている。このリード２２はボンディングワイヤ２４により半導体レーザ素子２０に接続されている。

また、レーザモジュール１は、半導体レーザ素子２０から発せられるレーザ光を外部に伝搬する光ファイバ３０と、光ファイバ３０の端部の周囲を被覆する光散乱体４０とを備えている。これら光ファイバ３０と光散乱体４０は、パッケージ筐体１０の側壁１１に固定された保持部５０に保持され、側壁１１に形成された貫通孔１１Ａを通ってパッケージ内部空間Ｓに導入されている。

光散乱体４０は、半導体レーザ素子２０から発せられるレーザ光の波長の光を散乱する材質からなるものである。また、光散乱体４０は、半導体レーザ素子２０から発せられるレーザ光の波長における吸収ができる限り少ないような材質からなることが好ましい。このような光散乱体４０の例としては、ジルコニアフェルールや結晶化ガラスフェルールなどが挙げられる。

パッケージ筐体１０のパッケージ内部空間Ｓにはレンズ２６Ａ，２６Ｂが配置されており、これらのレンズ２６Ａ，２６Ｂにより半導体レーザ素子２０から発せられたレーザ光は光ファイバ３０に集光される。

図２は、光ファイバ３０の端部とその周囲を被覆する光散乱体４０とを拡大して示す図である。図２に示すように、光ファイバ３０は、側壁１１の内壁面１１Ｂからパッケージ内部空間Ｓに向かって突出している。この突出した部分（突出端部３０Ａ）の周囲は光散乱体４０Ａによって被覆されている。側壁１１の内壁面１１Ｂからパッケージ内部空間Ｓに向かって延びる光散乱体４０Ａの長さＬは、以下に述べるように、漏れ光を効果的にパッケージ内部空間Ｓに散乱させることができるような長さになっている。

図３は、光散乱体４０Ａの長さＬを説明するための模式図である。図３は、最大受光角θ_maxよりも大きな入射角θで光ファイバ３０Ａのコア３２に入射したレーザ光の光路を示している。このような入射角θにてコア３２に入射したレーザ光は、コア３２とクラッド３４の界面で全反射せずにクラッド３４に入射する。そして、クラッド３４に入射した光（漏れ光）は、光散乱体４０Ａに至り、光散乱体４０Ａによりパッケージ内部空間Ｓに散乱される。このように、漏れ光をパッケージ内部空間Ｓに散乱させて光パワー密度を下げ、パッケージ筐体１０の内部の全面で漏れ光を吸収させて、変換される熱の密度を下げることができる。これにより、光ファイバ３０の固定部（光ファイバ３０の側壁１１や保持部５０への固定部分）や光ファイバ３０の被覆が発熱により損傷することを防ぐことができる。

図３において、上記光散乱体４０Ａの内壁面１１Ｂからの長さＬを以下に述べるｘよりも大きくすれば、漏れ光が光散乱体４０Ａによってパッケージ内部空間Ｓに散乱されることになり、上述した効果が得られる。

まず、コア３２の直径をφ₁、クラッド３４の厚さをφ₂とし、コア３２におけるレーザ光の光路と光ファイバ３０の軸線とのなす角をθ₁、クラッド３４におけるレーザ光の光路と光ファイバ３０の軸線とのなす角をθ₂、レーザ光がコア３２に入射する位置Ａ₁からコア３２とクラッド３４との界面に至る位置Ａ₂までの光ファイバ３０の軸方向に沿った距離をｘ₁、レーザ光がクラッド３４に入射する位置Ａ₂からクラッド３４と光散乱体４０Ａとの界面に至る位置Ａ₃までの光ファイバ３０の軸方向に沿った距離をｘ₂とする。θ₁，θ₂がともに微小であるとすると、ｘは以下の式（１）のように書くことができる。

ここで、コア３２の屈折率をｎ₁、クラッド３４の屈折率をｎ₂とすると、スネルの法則より以下の式（２）および式（３）が成り立つ。

上記式（１）は、式（２）を用いると以下の式（４）のように表せる。

ここで、sinθ₂は、以下の式（５）のように表すことができ、さらに上記式（３）を用いると以下の式（６）のように表すことができる。

式（６）より、上記式（４）は以下の式（７）のように表すことができる。

ここで、ｘが最大となるのはθ→θ_maxのときであり、θ→θ_maxのときのｘをｘ_max、θ→θ_maxのときのθ₁をθ_1mで表すと、ｘ_maxは以下の式（８）のように表すことができる。

ところで、光ファイバ３０の開口数Ｎは以下の式（９）のように定義される。

また、スネルの法則より以下の式（１０）が成り立つ。

したがって、上記式（８）は、上記式（９）および式（１０）を用いると以下の式（１１）のように表すことができる。

したがって、上記光散乱体４０Ａの長さＬがｘ_maxより大きければ、クラッド３４を通過した漏れ光が光散乱体４０Ａに入射されることになり、光散乱体４０によってパッケージ内部空間Ｓに漏れ光が散乱される。すなわち、以下の式（１２）を満足するように光散乱体４０Ａの内壁面１１Ｂからの長さＬを設定することにより、漏れ光をパッケージ内部空間Ｓに散乱させて、光ファイバ３０の固定部や光ファイバ３０の被覆が発熱により損傷することを防止しつつ、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことが可能となる。

例えば、コア３２の屈折率をｎ₁＝１．４４、クラッド３４の屈折率をｎ₂＝１．４３、コア３２の直径φ₁＝１０５μｍ、クラッド３４の厚さφ₂＝７．５μｍ、光ファイバ３０の開口数Ｎ＝０．１８とすると、Ｌ＞約１．８ｍｍとなる。

ここで、光ファイバ３０は接着剤を使って光散乱体４０に固定されるが、このときの接着剤の屈折率が光ファイバ３０のクラッド３４の屈折率ｎ₂よりも低い場合には、クラッド３４と接着剤との界面においてレーザ光が全反射する可能性がある。したがって、光ファイバ３０を光散乱体４０に固定する接着剤の屈折率は、光ファイバ３０のクラッド３４の屈折率ｎ₂以上であることが好ましい。このようにすることで、クラッド３４に入射した漏れ光がクラッド３４と接着剤との界面で全反射することなく光散乱体４０Ａに入射するので、漏れ光を効率的にパッケージ内部空間Ｓに散乱させることができる。例えば、このような接着剤としてエポキシ樹脂を用いることができる。

ところで、図１に示すように、本実施形態では、パッケージ筐体１０の下方にはヒートシンク６０が取り付けられており、パッケージ筐体１０の熱をヒートシンク６０により放熱するようになっている。ここで、パッケージ筐体１０の内壁面のうち、下部壁１３の上面には比較的反射率の低い第１のめっき膜６１が形成されている。パッケージ筐体１０のその他の内壁面、すなわち側壁１１，１２の内面および上部壁１４の下面には第１のめっき膜６１よりも反射率の高い第２のめっき膜６２が形成されている。

このように、パッケージ筐体の内壁面のうち、ヒートシンク６０とパッケージ内部空間Ｓとの間に位置する領域（図１の例では下部壁１３の上面）を比較的反射率の低い第１のめっき膜６１で被覆し、その他の領域（図１の例では側壁１１，１２の内面および上部壁１４の下面）を第１のめっき膜６１よりも反射率の高い第２のめっき膜６２で被覆している。例えば第１のめっき膜６１を反射率７０％程度のニッケルめっき膜で構成し、第２のめっき膜を反射率９８％程度の金めっき膜で構成する。

このような構成により、パッケージ内部空間Ｓ内に散乱された漏れ光は、第２のめっき膜６２ではそのほとんどが反射し、第１のめっき膜６１で吸収されることになる。この第１のめっき膜６１の近傍にはヒートシンク６０があるため、漏れ光による熱をヒートシンク６０に効果的に伝達して、漏れ光による熱を外部へより効果的に放出することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態における光ファイバ１３０の端部とその周囲を被覆する光散乱体４０とを拡大して示す図である。本実施形態においては、側壁１１の内壁面１１Ｂからパッケージ内部空間Ｓに向かって延びる光ファイバ１３０の長さＬ_Fが、光散乱体４０の内壁面１１Ｂからの長さＬよりも長くなっている。このような場合においても、光散乱体４０の長さＬが上記式（１２）を満足するように設定されていれば上述した効果を得ることができる。

図５は、本発明の第３の実施形態における光ファイバ２３０の端部とその周囲を被覆する光散乱体４０とを拡大して示す図である。本実施形態では、第２の実施形態とは逆に、側壁１１の内壁面１１Ｂからパッケージ内部空間Ｓに向かって延びる光ファイバ２３０の長さＬが、光散乱体４０の内壁面１１Ｂからの長さＬ_Dよりも短くなっている。このような場合には、光散乱体４０の長さＬ_Dおよび光ファイバ２３０の長さＬが下記式（１３）を満足するように設定されていれば上述した効果を得ることができる。

図６は、本発明の第４の実施形態における光ファイバの突出端部３３０Ａを拡大して示す模式図である。図６に示すように、本実施形態においては、光ファイバの突出端部３３０Ａの端面が、光ファイバの軸と垂直な面に対して角度αだけ傾斜して形成されている。

このように端面が傾斜していることによって、図６に示すように、本実施形態における最大受光角はθ_max−αまたはθ_max＋αとなるが、光散乱体に必要とされる最小限の長さは、コア３３２の端面において内壁面１１Ｂに最も近い点Ｐにおいて入射角θ_max−αよりも大きな角度で入射したレーザ光の光路を考えることにより求めることができる。この光路は、上述した第１の実施形態においてθ_maxをθ_max−αに置き換えた場合に相当する。したがって、Ｎ_α＝sin（θ_max−α）と定義したときに、以下の式（１４）を満足するように光散乱体の内壁面からの長さＬを設定すれば、漏れ光をパッケージ内部空間に散乱させて、光ファイバの固定部や光ファイバの被覆が発熱により損傷することを防止しつつ、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる。

図７は、本発明の第５の実施形態における光ファイバの突出端部４３０Ａを拡大して示す模式図である。図７に示すように、本実施形態においては、光ファイバの突出端部４３０Ａの端面が半径ｒの球状（レンズ状）に形成されている。

このとき、突出端部４３０Ａのコア４３２の端面における接線と光ファイバの軸に垂直な面とがなす角が最大となるのは図７に示すＱ点であり、その角度をβとすると、以下の式（１５）および式（１６）が成り立つ。

上記Ｑ点では、光ファイバのコア４３２の端面が光ファイバの軸と垂直な面に対して角度βだけ傾斜して形成されている場合と同様に考えることができるので、上述の第３の実施形態と同様の手法を用いることができる。すなわち、Ｎ_β＝sin（θ_max−β）と定義したときに、以下の式（１７）を満足するように光散乱体の内壁面からの長さＬを設定すれば、漏れ光をパッケージ内部空間に散乱させて、光ファイバの固定部や光ファイバの被覆が発熱により損傷することを防止しつつ、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる。

図８は、本発明の第６の実施形態における光ファイバの突出端部５３０Ａを拡大して示す模式図である。図８に示すように、本実施形態における光ファイバは、球状（半径ｒ）の先端部を有するコア５３２を含むレンズドファイバにより構成されている。この場合において、光散乱体に必要な長さを決定するのはコア５３２のテーパ部の端部Ｒ点に入射したレーザ光である。このとき、テーパ部の面と光ファイバの軸と垂直な面とのなす角度がαであれば、上述した第３の実施形態と同様に考えることができる。すなわち、Ｎ_α＝sin（θ_max−α）と定義したときに、上記式（１４）を満足するように光散乱体の内壁面からの長さＬを設定すれば、漏れ光をパッケージ内部空間に散乱させて、光ファイバの固定部や光ファイバの被覆が発熱により損傷することを防止しつつ、漏れ光を熱に変換して外部に逃がすことができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１レーザモジュール
１０パッケージ筐体
１１，１２側壁
１３下部壁
１４上部壁
２０半導体レーザ素子
２２リード
２４ボンディングワイヤ
２６Ａ，２６Ｂレンズ
３０，１３０，２３０光ファイバ
３０Ａ，３３０Ａ，４３０Ａ，５３０Ａ突出端部
３２，３３２，４３２，５３２コア
３４クラッド
４０，４０Ａ光散乱体
５０保持部
６０ヒートシンク
６１第１のめっき膜
６２第２のめっき膜
Ｓパッケージ内部空間

Claims

内部にパッケージ内部空間が形成されたパッケージ筐体と、
前記パッケージ内部空間に配置されたレーザ素子と、
前記レーザ素子から発せられたレーザ光を前記パッケージ筐体の外部に伝搬する光ファイバであって、前記パッケージ筐体の内壁面から前記パッケージ内部空間に向かって突出する突出端部を有する光ファイバと、
前記レーザ光の波長の光を散乱する光散乱体であって、前記パッケージ筐体の内壁面から前記パッケージ内部空間に向かって前記光ファイバの突出端部の周囲を長さＬにわたって被覆する光散乱体と、
を備え、
前記光ファイバの突出端部の端面は、該光ファイバの軸に対して垂直であり、
前記光散乱体の前記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは、前記光ファイバのコアの屈折率をｎ₁、直径をφ₁、該コアを取り囲むクラッドの屈折率をｎ₂、厚さをφ₂、前記光ファイバの最大受光角をθ_maxとすると、下記式を満足するように構成されている、
ことを特徴とする光ファイバモジュール。
前記パッケージ筐体の外部に取り付けられたヒートシンクと、
前記パッケージ筐体の内壁面のうち、前記ヒートシンクと前記パッケージ内部空間との間に位置する第１の領域を被覆する第１のめっき膜と、
前記パッケージ筐体の内壁面のうち、前記第１の領域以外の第２の領域を被覆する第２のめっき膜であって、前記第１のめっき膜の反射率よりも高い反射率を有する第２のめっき膜と、
をさらに備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバモジュール。
前記光ファイバの突出端部の端面が該光ファイバの軸と垂直な面に対して角度αだけ傾斜して形成されており、
前記光散乱体の前記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは下記式を満足するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバモジュール。
前記光ファイバの突出端部の端面が半径ｒの球状に形成されており、
前記光散乱体の前記パッケージ筐体の内壁面からの長さＬは下記式を満足するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバモジュール。
前記光ファイバは、該光ファイバのクラッドの屈折率以上の屈折率を有する接着剤により前記光散乱体に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光ファイバモジュール。
前記光散乱体は、ジルコニアフェルールであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光ファイバモジュール。
前記光散乱体は、結晶化ガラスフェルールであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光ファイバモジュール。