JP6109321B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関するものである。
従来、半導体レーザモジュールにおいて、光ファイバからレーザ光を出力する場合に、パッケージ上の所定の位置に固定された半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を、レンズなどによって集光し、光ファイバに結合する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
このような光結合方法において、半導体レーザ素子が高出力である場合、光ファイバを固定する接着剤や光ファイバの被覆部が光吸収による発熱によって損傷し、信頼性が低下する場合がある。そのため、従来、透明なガラスキャピラリに光ファイバを挿通し、光ファイバを固定する方法が知られている（たとえば特許文献２参照）。
特開２００４−９６０８８号公報 特開２００４−３５４７７１号公報
しかしながら、本発明者らは、半導体レーザモジュールにおいて、ガラスキャピラリを用いても接着剤や被覆部が発熱により損傷する場合があるという課題を見出した。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性の高い半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、コア部と、コア部の外周に形成されたクラッド部と、を備え、前記レーザ光が一端から入射され、該レーザ光を当該半導体レーザモジュールの外部に導波する光ファイバと、前記光ファイバの外周に配置され、前記光ファイバを固定する光学部品と、前記光学部品と前記光ファイバとを固着する第１固定剤と、前記光学部品の外周に配置され、該光学部品を固定する光吸収体と、前記光ファイバの前記レーザ光の入射端と前記光学部品との間に配置された第１光遮断部と、前記半導体レーザ素子と、前記光ファイバの前記レーザ光を入射する側の一端と、前記第１光遮断部と、を内部に収容する筐体と、を備え、前記光学部品は、前記レーザ光の波長において光透過性を有し、前記光吸収体は、前記レーザ光の波長において光吸収性を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第１固定剤の屈折率は、前記クラッド部の屈折率と等しい、またはそれよりも高いことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品と前記光吸収体とを固着する第２固定剤を有し、前記第１固定剤と前記第２固定剤とは、同一の材料からなり、前記第１固定剤および前記第２固定剤の屈折率は、前記光学部品の屈折率と略等しく、かつ前記クラッド部の屈折率よりも高いことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光ファイバは、前記レーザ光の入射端側に前記光学部品から突出した突出部を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第１光遮断部は、前記突出部の外周において、前記光ファイバと離間するように配置されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第１光遮断部は、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＴｉを含む表面メッキ層を備える部材、または誘電体多層膜を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光吸収体は、前記筐体に熱良導体を介して接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記熱良導体は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光吸収体は、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、もしくはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む金属、もしくはＣを含む表面メッキ層を備える部材、ＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含むセラミック部材、またはＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含む表面を覆うセラミック層を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光ファイバの前記レーザ光の出射端側に配置され、前記レーザ光の前記光学部品からの出射を抑制する第２光遮断部を、さらに備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第２光遮断部は、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、または誘電体多層膜を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記第２光遮断部の前記光学部品側の面は、該面に入射した光が前記光ファイバから離れる方向に反射するように傾斜、または曲率を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品は、円管状のガラスキャピラリであることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品は、前記円管の長手方向の長さが３ｍｍ以上、前記円管の内径が０．１３ｍｍ以下、前記円管の外径が１．８ｍｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光吸収体の前記レーザ光の波長における光吸収率は、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記レーザ光の入射端側が低くされていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光吸収体の前記光学部品と固着される面の平均表面粗さは、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記レーザ光の入射端側が小さくされていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品は、前記光ファイバの長手方向に直交する面における該光学部品の中心から偏心した位置に前記光ファイバを挿通されることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品の前記光ファイバの長手方向に直交する断面の形状は、多角形、花形、または星形であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品は、前記光ファイバの長手方向に延伸する２つの貫通孔を有する２芯キャピラリであり、前記２つの貫通孔のうち、いずれか１つの貫通孔に前記光ファイバを挿通されることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光学部品は、前記レーザ光を散乱する光散乱手段を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記光散乱手段は、気泡であることを特徴とする。
本発明によれば、信頼性の高い半導体レーザモジュールを実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。 図２は、図１に示す半導体レーザモジュールの側面を表す模式的な一部切欠図である。 図３は、図１に示す半導体レーザモジュールの光ファイバ、ガラスキャピラリ、光吸収体を拡大した模式的な断面図である。 図４は、図１に示す半導体レーザモジュールの第１光遮断部を拡大した模式的な一部切欠図である。 図５は、光ファイバから漏れる光の光ファイバの中心からの角度と、光強度との関係を表す模式図である。 図６は、変形例に係る半導体レーザモジュールの第１光遮断部を拡大した模式的な一部切欠図である。 図７は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の屈折率を表す模式図である。 図８は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の模式的な断面図である。 図９は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の模式的な断面図である。 図１０は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の模式的な断面図である。 図１１は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の模式的な断面図である。 図１２は、変形例に係る半導体レーザモジュールの光吸収体の光ファイバの長手方向におけるガラスキャピラリの入射側の端面からの距離と光吸収体の光吸収率との関係を表す模式図である。 図１３は、変形例に係る半導体レーザモジュールの光ファイバ、ガラスキャピラリ、光吸収体を拡大した模式的な断面図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザモジュールの実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面図である。図２は、図１に示す半導体レーザモジュールの側面を表す模式的な一部切欠図である。本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、筐体であるパッケージ１０１と、パッケージ１０１の内部に順に積載されたＬＤ高さ調整板１０２と、サブマウント１０３−１〜６と、６つの半導体レーザ素子１０４−１〜６とを備える。パッケージ１０１は、図２に示すように蓋１０１ａを備えるが、図１においては、パッケージ１０１の蓋は、図示を省略している。また、半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１０４−１〜６に電流を注入するリードピン１０５を備える。そして、半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力するレーザ光の光路上に順に配置された光学素子である、第１レンズ１０６−１〜６と、第２レンズ１０７−１〜６と、ミラー１０８−１〜６と、第３レンズ１０９と、光フィルタ１１０と、第４レンズ１１１とを備える。第１レンズ１０６−１〜６、第２レンズ１０７−１〜６、ミラー１０８−１〜６、第３レンズ１０９、光フィルタ１１０、第４レンズ１１１は、それぞれパッケージ１０１の内部に固定されている。さらに、半導体レーザモジュール１００は、第４レンズ１１１と対向して配置された光ファイバ１１２を備える。光ファイバ１１２のレーザ光を入射する側の一端は、パッケージ１０１の内部に収容されている。
図２に示すように、半導体レーザ素子１０４−１〜６は、ＬＤ高さ調整板１０２によって、パッケージ１０１の内部に、段差をつけて配置されている。さらに、第１レンズ１０６−１〜６、第２レンズ１０７−１〜６、ミラー１０８−１〜６は、それぞれ対応する１つの半導体レーザ素子と同じ高さに配置されている。
また、光ファイバ１１２のパッケージ１０１への挿入部には、ルースチューブ１１５が設けられ、ルースチューブ１１５の一部と挿入部を覆うように、パッケージ１０１の一部にブーツ１１４が外嵌されている。
また、図２に示すように、光ファイバ１１２は、光学部品としてのガラスキャピラリ１１６に挿通されている。光ファイバ１１２は、被覆部１１２ａを備えるが、光ファイバ１１２のガラスキャピラリ１１６に挿通される部分は、被覆部１１２ａが除去されている。また、光ファイバ１１２は、入射側の一部にガラスキャピラリ１１６から突出した突出部１１２ｂを備える。ガラスキャピラリ１１６は、その外周を光吸収体１１７に覆われている。そして、光吸収体１１７は、パッケージ１０１に固定されている。また、ガラスキャピラリ１１６のレーザ光出射側には、第２光遮断部１１８が配置されている。第２光遮断部１１８は、光吸収体１１７のレーザ光出射側において、光吸収体１１７と嵌合している。第２光遮断部１１８は、その一部にルースチューブ１１５を内挿されている。
つぎに、半導体レーザモジュール１００の光ファイバ１１２近傍の構成について、詳細に説明する。図３は、図１に示す半導体レーザモジュールの光ファイバ、ガラスキャピラリ、光吸収体を拡大した模式的な断面図である。図３に示すように、光ファイバ１１２は、コア部１１２ｃと、クラッド部１１２ｄとを備える。
光ファイバ１１２は、ガラスキャピラリ１１６に挿通されている。そして、光ファイバ１１２とガラスキャピラリ１１６とは、第１固定剤１１９で固着されている。ガラスキャピラリ１１６は、光吸収体１１７に挿通されている。そして、ガラスキャピラリ１１６と光吸収体１１７とは、第２固定剤１２０で固着されている。
また、光ファイバ１１２のレーザ光の入射端とガラスキャピラリ１１６との間には、第１光遮断部１１３が配置されている。
つぎに、図１〜３に示した半導体レーザモジュール１００の各構成要素についてより詳細に説明する。筐体であるパッケージ１０１は、内部の温度上昇を抑制するため、熱伝導性のよい材料からなることが好ましく、各種金属からなる金属部材であってよい。また、パッケージ１０１は、図２に示すように、ガラスキャピラリ１１６が配置された領域において、底面が当該半導体レーザモジュール１００を設置する面と離間していることが好ましい。これにより、パッケージ１０１をねじ等で固定する際、パッケージ１０１底面のそりの影響を低減することができる。
ＬＤ高さ調整板１０２は、上述したように、パッケージ１０１内に固定されており、半導体レーザ素子１０４−１〜６の高さを調節し、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力するレーザ光の光路が互いに干渉しないようにしている。なお、ＬＤ高さ調整板１０２は、パッケージ１０１と一体として構成されていてもよい。
サブマウント１０３−１〜６は、ＬＤ高さ調整板１０２上に固定されており、載置された半導体レーザ素子１０４−１〜６の放熱を補助する。そのため、サブマウント１０３−１〜６は、熱伝導性のよい材料からなることが好ましく、各種金属からなる金属部材であってよい。
半導体レーザ素子１０４−１〜６は、出力されるレーザ光の光強度が、１Ｗ以上、さらには、１０Ｗ以上の高出力な半導体レーザ素子である。本実施の形態において、半導体レーザ素子１０４−１〜６の出力するレーザ光の光強度は、たとえば１１Ｗである。また、半導体レーザ素子１０４−１〜６は、たとえば、９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長のレーザ光を出力する。なお、半導体レーザ素子１０４−１〜６は、実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００のように複数であってもよいが、１つであってもよく、その数は特に限定されない。
リードピン１０５は、不図示のボンディングワイヤを介して半導体レーザ素子１０４−１〜６に電力を供給する。供給する電力は、一定の電圧であってよいが、変調電圧であってもよい。
第１レンズ１０６−１〜６は、たとえば焦点距離が０．３ｍｍのシリンドリカルレンズである。第１レンズ１０６−１〜６は、対応する１つの半導体レーザ素子の出力光を鉛直方向に略平行光とする位置に配置される。
第２レンズ１０７−１〜６は、たとえば焦点距離が５ｍｍのシリンドリカルレンズである。第２レンズ１０７−１〜６は、半導体レーザ素子の出力光を水平方向に略平行光とする位置に配置される。
ミラー１０８−１〜６は、各種の金属膜、または誘電体膜を備えるミラーであってよく、半導体レーザ素子１０４−１〜６の出力するレーザ光の波長において、反射率が高いほど好ましい。また、ミラー１０８−１〜６は、対応する１つの半導体レーザ素子のレーザ光を光ファイバ１１２に好適に結合するように、反射方向を微調整することができる。
第３レンズ１０９と第４レンズ１１１とは、たとえばそれぞれ焦点距離が１２ｍｍ、５ｍｍの互いに曲率が直交したシリンドリカルレンズであり、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力したレーザ光を集光し、光ファイバ１１２に好適に結合する。第３レンズ１０９と第４レンズ１１１とは、たとえば半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力したレーザ光の光ファイバ１１２への結合効率が８５％以上となるように、光ファイバ１１２に対する位置が調整されている。
光フィルタ１１０は、たとえば波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの光を反射し、９００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過するローパスフィルタである。その結果、光フィルタ１１０は、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力したレーザ光を透過するとともに、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの光が半導体レーザ素子１０４−１〜６に外部から照射されることを防止する。また、光フィルタ１１０は、光フィルタ１１０でわずかに反射された半導体レーザ素子１０４−１〜６の出力レーザ光が半導体レーザ素子１０４−１〜６に戻らないように、レーザ光の光軸に対して角度をつけて配置されている。
光ファイバ１１２は、たとえばコア径が１０５μｍ、クラッド系が１２５μｍのマルチモード光ファイバであってよいが、シングルモード光ファイバであってもよい。光ファイバ１１２のＮＡは、たとえば０．１５〜０．２２であってよい。
第１光遮断部１１３は、切欠き部を備えた矩形の板状部材であり、切欠き部に光ファイバ１１２の突出部１１２ｂを挿通され、光ファイバ１１２の先端は、第１光遮断部１１３から突き出ている。図４は、図１に示す半導体レーザモジュールの第１光遮断部を拡大した模式的な一部切欠図である。図４に示すように、第１光遮断部１１３は、光ファイバ１１２の突出部１１２ｂの外周に配置されており、かつ第１光遮断部１１３は、光ファイバ１１２と離間している。
なお、このように第１光遮断部１１３を光ファイバ１１２と離間して設けることで、第１光遮断部１１３から光ファイバ１１２に熱が伝わることを抑制でき、後述する第１固定剤１１９の温度上昇を抑制できる。
また、光ファイバ１１２の先端が、第１光遮断部１１３からレーザ光の入力側に突き出ているように第１光遮断部１１３を設けることで、第１光遮断部１１３と光ファイバ１１２との間から非結合光が漏れるのを抑制でき、光ファイバ１１２に結合されない非結合光をより確実に遮断することができる。
ブーツ１１４は、光ファイバ１１２を挿通されており、光ファイバ１１２の曲げによる損傷を防止する。ブーツ１１４は、金属製のブーツであってよいが、材料は特に限定されず、ゴムや各種の樹脂、プラスチックなどであってもよい。
ルースチューブ１１５は、光ファイバ１１２を挿通されており、光ファイバ１１２の曲げによる損傷を防止する。さらに、ルースチューブ１１５は、光ファイバ１１２と固着され、その結果、光ファイバ１１２に対して長手方向に引っ張る力が加えられた場合に、光ファイバ１１２の位置がずれることを防止する構成であってもよい。
ガラスキャピラリ１１６は、貫通孔を備えた円管状のガラスキャピラリである。そして、ガラスキャピラリ１１６は、貫通孔には光ファイバ１１２が挿通されており、ガラスキャピラリ１１６の貫通孔の内壁と、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄとが、第１固定剤１１９で固着される。ガラスキャピラリ１１６は、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力したレーザ光の波長において、光透過性を有し、たとえばこの波長において、透過率が９０％以上の材料からなることが好ましい。ガラスキャピラリ１１６の屈折率は、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄの屈折率と等しい、またはそれよりも高いことが好ましく、たとえばガラスキャピラリ１１６の屈折率は、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄに対する比屈折率差が０．１％以上１０％以下である。なお、ガラスキャピラリ１１６は、光出射側に光ファイバ１１２を挿通しやすいよう設けられたテーパ部を備えていてもよい。
光吸収体１１７は、ガラスキャピラリ１１６の外周に配置されており、ガラスキャピラリ１１６と第２固定剤１２０で固着される。そして、光吸収体１１７は、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力したレーザ光の波長において、光吸収性を有し、たとえばこの波長において、吸収率が３０％以上、好ましくは７０％以上である。その結果、光吸収体１１７は、ガラスキャピラリ１１６を透過したレーザ光を吸収する。また、光吸収体１１７は、光吸収により発生した熱を放熱するため、熱伝導性のよい材料からなることが好ましく、たとえばＣｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む金属、もしくはＣを含む表面メッキ層を備える部材、ＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含むセラミック部材、またはＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含む表面を覆うセラミック層を備える部材からなることが好ましい。また、光吸収体１１７は、光吸収により発生した熱を放熱するため、パッケージ１０１に不図示の熱良導体を介して接続されていることが好ましい。熱良導体は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以上の材料からなることが好ましく、たとえばはんだや熱伝導性接着剤からなる。
第２光遮断部１１８は、光吸収体１１７に接続されており、さらに光ファイバ１１２を挿通される。その結果、第２光遮断部１１８は、ガラスキャピラリ１１６を透過し、ガラスキャピラリ１１６の出射側の端面から放出された光の半導体レーザモジュール１００の外部への出射を防止する。このため、第２光遮断部１１８は、照射された光により、損傷しないことが好ましく、たとえばＣｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどを含む表面メッキ層を備える部材、または誘電体多層膜を備える部材を有することが好ましい。また、第２光遮断部１１８のガラスキャピラリ１１６側の面は、その面に入射した光が光ファイバ１１２から離れる方向に反射するように傾斜、または曲率を有することが好ましい。
なお、第２光遮断部１１８と光吸収体１１７とガラスキャピラリ１１６とに囲まれた空間には、第１固定剤１１９、第２固定剤１２０、その他のＵＶ硬化樹脂、シリコーン等を充填してもよい。
第１固定剤１１９と第２固定剤１２０とは、同一の材料であってもよいが、異なる材料であってもよく、たとえばエポキシ樹脂、ウレタン系の樹脂などのＵＶ硬化樹脂からなる。第１固定剤１１９の屈折率は、２５℃において光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄの屈折率と等しい、またはそれよりも高いことが好ましく、半導体レーザモジュール１００の使用温度領域（たとえば、１５℃〜１００℃）において、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄの屈折率と等しい、またはそれよりも高いことがさらに好ましい。第２固定剤１２０の屈折率は、２５℃においてガラスキャピラリ１１６の屈折率と等しい、またはそれよりも高いことが好ましく、半導体レーザモジュール１００の使用温度領域（たとえば、１５℃〜１００℃）において、ガラスキャピラリ１１６の屈折率と等しい、またはそれよりも高いことがさらに好ましい。また、第１固定剤１１９および第２固定剤１２０の屈折率は、ガラスキャピラリ１１６の屈折率と略等しく、かつ光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄの屈折率よりも高い構成であってもよい。第１固定剤１１９および第２固定剤１２０の屈折率は、たとえばガラスキャピラリ１１６に対する比屈折率差が０％以上１０％以下である。また、第１固定剤１１９と第２固定剤１２０とは、光ファイバ１１２の長手方向に直交する面における厚さが１μｍ以上８００μｍ以下とされていることが好ましい。なお、ＵＶ硬化樹脂は、例えば、フッ素を含有させることで低屈折率化でき、イオウを含有させることで高屈折率化できることが知られており、屈折率を高くする材料や、低くする材料の含有量を調整することで、屈折率を調整することができる。
つぎに、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の動作を説明する。段差をつけて配置された各半導体レーザ素子１０４−１〜６は、リードピン１０５から電力を供給されてレーザ光を出力する。出力された各レーザ光は、それぞれ第１レンズ１０６−１〜６および第２レンズ１０７−１〜６によって、略平行光とされる。つぎに、各レーザ光は、対応する高さに配置された１つのミラー１０８−１〜６によって、光ファイバ１１２の方向に反射される。そして、各レーザ光は、第３レンズ１０９および第４レンズ１１１によって集光されて光ファイバ１１２に結合される。光ファイバ１１２に結合したレーザ光は、光ファイバ１１２によって、半導体レーザモジュール１００の外部に導波されて出力される。半導体レーザモジュール１００は、半導体レーザ素子１０４−１〜６およびミラー１０８−１〜６の段差によって、レーザ光に不要な損失が生じることを防いでいる。なお、本実施の形態において、各半導体レーザ素子１０４−１〜６の出力光の光強度が、それぞれ１１Ｗであり、結合効率が８５％であるとすると、半導体レーザモジュール１００の出力光の光強度は、５６Ｗとなる。
ここで、図３を用いて、第３レンズ１０９および第４レンズ１１１によって集光されたレーザ光の伝搬の様子について、詳細に説明する。なお、図３において、厳密にはレーザ光Ｌ３は、各部材の屈折率差に応じて界面で屈折するが、説明を簡単にするため、省略してある。第３レンズ１０９および第４レンズ１１１によって集光されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１１２に結合されない非結合光Ｌ１と、光ファイバ１１２に結合されて光ファイバ１１２内を伝搬する光Ｌ２となる。光ファイバ１１２に結合された光Ｌ２の大部分は、光ファイバ１１２のコア部１１２ｃを伝搬し半導体レーザモジュール１００の外部に導波されて出力されるが、一部は、クラッド部１１２ｄに結合し、クラッド部１１２ｄを伝搬する光Ｌ３となる。また、コア部１１２ｃを伝搬する光Ｌ２の一部がコア部１１２ｃから漏れ、クラッド部１１２ｄを伝搬する光Ｌ３となる場合もある。
まず、非結合光Ｌ１は、第１光遮断部１１３によって、ガラスキャピラリ１１６への入射が抑制されており、その一部は、第１光遮断部１１３に吸収される。この光吸収によって発生した熱は、第１光遮断部１１３から、パッケージ１０１へと放熱される。なお、第１光遮断部１１３は、確実に非結合光のガラスキャピラリ１１６への入射を抑制するため、光ファイバ１１２の突出部１１２ｂに配置されている。この目的のために、第１光遮断部１１３は、レーザ光の一部が照射されても、損傷しないことが好ましく、たとえばＣｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどを含む表面メッキ層を備える部材、または誘電体多層膜を備える部材を備えることが好ましい。なお、第１光遮断部１１３は、確実に光ファイバ１１２と離間し、かつ十分に光ファイバ１１２に結合しない光を遮断するため、光ファイバ１１２の長手方向に直交する面において、第１光遮断部１１３と光ファイバ１１２との距離（クリアランス）が設定されていることが好ましい。通常、レーザ光のビーム形状は楕円形状となるため、該クリアランスは、楕円の長軸方向において、５μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。
ここで、上述したように、クラッド部１１２ｄ内には、クラッド部１１２ｄ内を伝搬する光Ｌ３が生じる。
光Ｌ３は、突出部１１２ｂにおいて、クラッド部１１２ｄと外部の空気との屈折率差によって光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄ内に閉じ込められ、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄ内を伝搬する。
つぎに、光Ｌ３は、クラッド部１１２ｄと第１固定剤１１９との界面に達する。ここで、光Ｌ３は、クラッド部１１２ｄの屈折率より第１固定剤１１９の屈折率が高いと、この界面を透過しやすい。さらに光Ｌ３は、クラッド部１１２ｄと第１固定剤１１９との屈折率が等しいときにこの界面を最も透過しやすい。この界面を透過した（すなわち光ファイバ１１２から漏れた）光Ｌ３は、第１固定剤１１９内を伝搬するが、第１固定剤１１９は、厚さが８００μｍ以下と十分薄くされており、光吸収が十分小さいため、損傷が抑制されている。なお、第１固定剤１１９の厚さは、さらに好ましくは５μｍ以下である。
続いて、光Ｌ３は、第１固定剤１１９とガラスキャピラリ１１６との界面に達する。この界面でも同様に、光Ｌ３は、第１固定剤１１９の屈折率よりガラスキャピラリ１１６の屈折率が高いと、この界面を透過しやすい。さらに光Ｌ３は、第１固定剤１１９とガラスキャピラリ１１６との屈折率が等しいときにこの界面を最も透過しやすい。この界面を透過した光Ｌ３は、ガラスキャピラリ１１６内を伝搬するが、光Ｌ３は、ガラスキャピラリ１１６における透過率が、たとえば９０％以上と十分に高いため、ガラスキャピラリ１１６を透過する。
つぎに、光Ｌ３は、ガラスキャピラリ１１６と第２固定剤１２０との界面に達する。この界面でも同様に、光Ｌ３は、ガラスキャピラリ１１６の屈折率より第２固定剤１２０の屈折率が高いとこの界面を透過しやすい。さらに光Ｌ３は、ガラスキャピラリ１１６と第２固定剤１２０との屈折率が等しいときにこの界面を最も透過しやすい。この界面を透過した光Ｌ３は、第２固定剤１２０内を伝搬するが、第２固定剤１２０は、厚さが８００μｍ以下と十分薄くされており、光吸収が十分小さいため、損傷が防止されている。なお、第２固定剤１２０の厚さは、さらに好ましくは５μｍ以下である。
続いて、光Ｌ３は、光吸収体１１７に達する。そして、光Ｌ３は、光吸収性を有する、たとえば吸収率が３０％以上、好ましくは７０％以上の光吸収体１１７に吸収される。この光吸収によって発生した熱は、光吸収体１１７から、パッケージ１０１へと放熱される。
ここで、図５は、光ファイバから漏れる光の光ファイバの中心からの角度と、光強度との関係を表す模式図である。図５の横軸は、クラッド部１１２ｄ内を伝搬して、その後光ファイバから漏れる光の光ファイバの中心からの角度であり、図３の角度θである。図５に示すように、光ファイバ１１２のクラッド部１１２ｄから漏れる光は、光ファイバ１１２の中心から角度θaよりも外側に放出される。このとき、ガラスキャピラリ１１６は、光ファイバ１１２から角度θaで出力された光が光吸収体１１７に到達するよう十分な長さとされていることが好ましい。さらに、ガラスキャピラリ１１６は、光吸収体１１７で吸収されずに反射された光が再度光吸収体１１７に到達するよう十分な長さとされていることがより好ましい。このような長さとして、ガラスキャピラリ１１６は、円管の長手方向の長さが３ｍｍ以上とされている。
なお、ガラスキャピラリ１１６は、第１固定剤１１９を十分薄くするため、円管の内径が０．１３ｍｍ以下であることが好ましい。また、ガラスキャピラリ１１６は、光吸収体１１７の光吸収による熱が第１固定剤１１９や光ファイバ１１２の被覆部１１２ａに損傷を与えないよう一定以上の厚さであることが好ましく、たとえば円管の外径が１．８ｍｍ以上とされていることが好ましい。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、以下のような効果を奏する。すなわち、第１光遮断部１１３により非結合光がガラスキャピラリ１１６に入射することが抑制されている。その結果、半導体レーザモジュール１００は、非結合光により第１固定剤１１９、第２固定剤１２０、および被覆部１１２ａなどが損傷することが抑制されている。
また、半導体レーザモジュール１００は、クラッド部１１２ｄ〜第２固定剤１２０の各界面において、クラッド部１１２ｄを伝搬する光が光ファイバから漏れやすいように各部材の屈折率が適切に選択されている。このため、当該漏れた光が各界面で反射することが抑制されているので、当該漏れた光が光吸収体１１７に効率的に吸収される。
また、半導体レーザモジュール１００は、光ファイバ１１２と光吸収体１１７との間にガラスキャピラリ１１６を有しているため、光ファイバ１１２からの漏れ光が光吸収体１１７に到達する前に、漏れ光の密度を低下させることができる。これにより光吸収体１１７の温度上昇を抑制できる。
さらに、半導体レーザモジュール１００は、光吸収性を有する光吸収体１１７を備えるため、光吸収体１１７における反射光が第１固定剤１１９、第２固定剤１２０、および被覆部１１２ａを損傷させることが抑制されている。
また、半導体レーザモジュール１００は、第１固定剤１１９および第２固定剤１２０が十分薄いため、第１固定剤１１９および第２固定剤１２０の光吸収による損傷が抑制されている。本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、以上のような効果を奏し、信頼性の高い半導体レーザモジュールである。
さらに、半導体レーザモジュール１００は、第２光遮断部１１８が、入射した光を光ファイバ１１２から離れる方向に反射するように傾斜、または曲率を有するため、第２光遮断部１１８に入射された光が反射し、ガラスキャピラリ１１６のテーパ部の第１固定剤１１９を損傷させることが防止されているので、信頼性の高い半導体レーザモジュールである。なお、第２光遮断部１１８は、ガラスキャピラリ１１６を透過した光が半導体レーザモジュール１００の外部に漏れると安全性上好ましくないため、ガラスキャピラリ１１６を透過した光の半導体レーザモジュール１００の外部への出射を防止している。このため、半導体レーザモジュール１００は、安全性の高い半導体レーザモジュールである。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、信頼性かつ安全性の高い半導体レーザモジュールである。
（変形例）
つぎに、上記実施の形態における半導体レーザモジュールの変形例について説明する。変形例に係る半導体レーザモジュールは、上記実施の形態の半導体レーザモジュールの各構成要素を、以下のような変形例の構成要素と置換することにより構成することができる。
第１光遮断部は、図４に示した形状に限られない。図６は、変形例に係る半導体レーザモジュールの第１光遮断部を拡大した模式的な一部切欠図である。図６に示すように、第１光遮断部２１３は、たとえば光ファイバ２１２を挿通する孔を備えた円盤である第１光遮断部２１３であってよい。第１光遮断部２１３は、パッケージ２０１上に固定された台座２１３ａ上に載置されている。このように、第１光遮断部２１３は、非結合光がガラスキャピラリへ入射することを抑制することができれば、特に形状は限定されない。
光学部品であるガラスキャピラリは、光ファイバの長手方向に直交する断面において、屈折率分布を有していてもよい。図７は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の屈折率を表す模式図である。図７に示すように、変形例のガラスキャピラリは、光ファイバの長手方向に直交する断面において、中心から離れるほど屈折率が高くされている。その結果、このガラスキャピラリは、入射された光を効率的に外部に逃がすことができる。したがって、変形例のガラスキャピラリは、半導体レーザモジュールの信頼性をより高くすることができる。
さらに、光学部品であるガラスキャピラリは、光ファイバからガラスキャピラリに放出された光が、光ファイバに戻ることを抑制することが好ましい。図８〜１１は、変形例に係る半導体レーザモジュールのガラスキャピラリの光ファイバの長手方向に直交する断面の模式的な断面図である。
図８に示すように、変形例のガラスキャピラリ３１６は、光ファイバの長手方向に直交する断面の形状が、円形であるが、貫通孔３１６ａの中心がガラスキャピラリ３１６の中心Ｃから偏心している。すなわち、ガラスキャピラリ３１６は、中心Ｃから偏心した位置に光ファイバを挿通される。その結果、ガラスキャピラリ３１６は、光ファイバからガラスキャピラリ３１６に放出された光が、光吸収体で反射されて光ファイバに戻ることが抑制されている。
つぎに、図９に示すように、変形例のガラスキャピラリ４１６は、光ファイバの長手方向に直交する断面の形状が、四角形であってよい。その結果、ガラスキャピラリ４１６は、光ファイバからガラスキャピラリ４１６に放出された光が、光吸収体で反射されて光ファイバに戻ることが抑制されている。同様に、ガラスキャピラリは、光ファイバの長手方向に直交する断面の形状が、多角形、花形、または星形などであってもよい。
また、図１０に示すように、ガラスキャピラリ５１６は、貫通孔５１６ａと貫通孔５１６ｂとの光ファイバの長手方向に延伸する２つの貫通孔を備える２芯キャピラリであってよい。ガラスキャピラリ５１６は、貫通孔５１６ａと貫通孔５１６ｂとの２つの貫通孔のうち、いずれか１つの貫通孔に光ファイバを挿通される。そして、貫通孔５１６ａ、貫通孔５１６ｂは、いずれもガラスキャピラリ５１６の中心から偏心して配置されている。その結果、ガラスキャピラリ５１６は、光ファイバからガラスキャピラリ５１６に放出された光が、光吸収体で反射されて光ファイバに戻ることが抑制されている。
以上の変形例のガラスキャピラリは、光ファイバからガラスキャピラリに放出された光が、光ファイバに戻ることが抑制されていることにより、光吸収体の反射光による第１固定剤、第２固定剤、および光ファイバの被覆部などの損傷を抑制する。したがって、変形例のガラスキャピラリは、半導体レーザモジュールの信頼性をより高くすることができる。
また、図１１に示すように、変形例のガラスキャピラリ６１６は、たとえば気泡６１６ｂである光散乱手段を備えていてよい。その結果、ガラスキャピラリ６１６は、クラッド部から入射した光を気泡６１６ｂで散乱させ、効率的に光吸収体に吸収させることができる。このガラスキャピラリは、光ファイバからガラスキャピラリに放出された光を、効率的に光吸収体に吸収させることにより、第１固定剤、第２固定剤、および光ファイバの被覆部などの損傷を抑制する。したがって、変形例のガラスキャピラリは、半導体レーザモジュールの信頼性をより高くすることができる。
光吸収体は、光ファイバの長手方向に沿って、レーザ光の波長における光吸収率の分布を有していてもよい。図１２は、変形例に係る半導体レーザモジュールの光吸収体の光ファイバの長手方向におけるガラスキャピラリの入射側の端面からの距離と光吸収体の光吸収率との関係を表す模式図である。図１２に示すように、変形例に係る光吸収体７１７は、レーザ光を入射する側よりもレーザ光を出射する側の光吸収率が高くされている。このとき、図１２に示すように、光吸収体７１７は、たとえばクラッドから漏れた光であるレーザ光Ｌが最初に光吸収体に照射される位置よりも、レーザ光Ｌが光吸収体７１７に１回反射されて２回目に光吸収体７１７に照射される位置において光吸収率が高い。その結果、レーザ光Ｌの入射側において光吸収が集中し、その光吸収による発熱で第２固定剤を損傷させることが抑制されている。したがって、変形例の光吸収体７１７は、半導体レーザモジュールの信頼性をより高くすることができる。
光吸収率に分布を有する光吸収体の具体例として、変形例の光吸収体は、光吸収体のガラスキャピラリに固着される面の平均表面粗さが、光ファイバの長手方向に沿って、第４レンズ側（光入射側）で小さくされている。ここで、金属は、光が入射する面の表面粗さが大きいほど吸収率が高くなる。したがって、この光吸収体は、第４レンズ側の光吸収率が小さい。すなわち、この光吸収体は、レーザ光の入射側において光吸収が集中し、その光吸収による発熱で第２固定剤を損傷させることが抑制されている。したがって、変形例の光吸収体は、半導体レーザモジュールの信頼性をより高くすることができる。
図１３は、変形例に係る半導体レーザモジュールの光ファイバ、ガラスキャピラリ、光吸収体を拡大した模式的な断面図である。第１光遮断部、第２光遮断部としては、図２、３に示す第１光遮断部１１３、第２光遮断部１１８に代えて、図１３に示す第１光遮断部１１３Ａ、第２光遮断部１１８Ａを設けてもよい。この第１光遮断部１１３Ａ、第２光遮断部１１８Ａは、ガラスキャピラリ１１６の端面に施された誘電体多層膜である。この誘電体多層は、半導体レーザ素子１０４−１〜６が出力するレーザ光の波長における反射率が９０％以上であることが好ましい。なお、第１光遮断部１１３Ａと光ファイバ１１２との距離（クリアランス）は、レーザ光の楕円のビーム形状の長軸方向において、５μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。また、図１３に示す第２光遮断部１１８Ａは、ガラスキャピラリ１１６の端面から貫通孔のテーパ部にかけて施されているが、テーパ部には形成しなくてもよい。
第２光遮断部１１８Ａを設けることで、ガラスキャピラリ１１６を透過し、ガラスキャピラリ１１６の出射側の端面から放出された光の半導体レーザモジュール１００の外部への出射を抑制し、光吸収体１１７に吸収させることができる。
半導体レーザモジュールは、各種の放熱構造を備えていてもよい。その結果、半導体レーザモジュールは、光吸収体が光吸収により高温となり、第２固定剤を損傷させることを抑制することができる。なお、放熱構造は、フィンを備え、光吸収体またはパッケージなどを空冷する放熱構造や、循環ポンプを備え、光吸収体またはパッケージなどを水、または各種冷媒で冷却する放熱構造などを選択することができる。
以上、説明したように、本実施の形態または変形例の半導体レーザモジュールは、信頼性の高い半導体レーザモジュールである。
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係る半導体レーザモジュールは、主に高出力の半導体レーザモジュールに利用して好適なものである。
１００ 半導体レーザモジュール
１０１、２０１ パッケージ
１０１ａ、２０１ａ 蓋
１０２ ＬＤ高さ調整板
１０３−１〜６ サブマウント
１０４−１〜６ 半導体レーザ素子
１０５ リードピン
１０６−１〜６ 第１レンズ
１０７−１〜６ 第２レンズ
１０８−１〜６ ミラー
１０９ 第３レンズ
１１０ 光フィルタ
１１１ 第４レンズ
１１２、２１２ 光ファイバ
１１２ａ 被覆部
１１２ｂ 突出部
１１２ｃ コア部
１１２ｄ クラッド部
１１３、１１３Ａ、２１３ 第１光遮断部
２１３ａ 台座
１１４ ブーツ
１１５ ルースチューブ
１１６、３１６、４１６、５１６、６１６ ガラスキャピラリ
３１６ａ、４１６ａ、５１６ａ、５１６ｂ、６１６ａ 貫通孔
６１６ｂ 気泡
１１７、７１７ 光吸収体
１１８、１１８Ａ 第２光遮断部
１１９ 第１固定剤
１２０ 第２固定剤
Ｃ 中心
Ｌ レーザ光

Claims (20)

  1. レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、
    コア部および該コア部の外周に形成されたクラッド部を備え、前記レーザ光が一端から入射され、該レーザ光を当該半導体レーザモジュールの外部に導波する光ファイバと、
    前記光ファイバの外周に配置され、前記光ファイバを固定する光学部品と、
    前記光学部品と前記光ファイバとを固着する第１固定剤と、
    前記光学部品の外周に配置され、該光学部品を固定する光吸収体と、
    前記光ファイバの前記レーザ光の入射端と前記光学部品との間に配置された第１光遮断部と、
    前記半導体レーザ素子、前記光ファイバの前記レーザ光を入射する側の一端、および前記第１光遮断部を内部に収容する筐体と、
    を備え、
    前記光学部品は、前記レーザ光の波長において光透過性を有し、前記光吸収体は、前記レーザ光の波長において光吸収性を有し、
    前記光ファイバは、前記レーザ光の入射端側に前記光学部品から突出した突出部を備え、
    前記第１光遮断部は、前記突出部の外周において、前記光ファイバと離間するように配置されている
    ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
  2. 前記第１固定剤の屈折率は、前記クラッド部の屈折率と等しい、またはそれよりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
  3. 前記光学部品と前記光吸収体とを固着する第２固定剤を有し、
    前記第１固定剤と前記第２固定剤とは、同一の材料からなり、
    前記第１固定剤および前記第２固定剤の屈折率は、前記光学部品の屈折率と略等しく、かつ前記クラッド部の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
  4. 前記第１光遮断部と前記光ファイバとの距離は、前記光ファイバの長手方向に直交する面における前記レーザ光の楕円のビーム形状の長軸方向に沿って、５μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  5. 前記第１光遮断部は、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＴｉを含む表面メッキ層を備える部材、または誘電体多層膜を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  6. 前記光吸収体は、前記筐体に熱良導体を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  7. 前記熱良導体は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザモジュール。
  8. 前記光吸収体は、
    Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、もしくはＦｅを含む金属部材、
    Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉを含む金属、もしくはＣを含む表面メッキ層を備える部材、
    ＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含むセラミック部材、
    またはＡｌＮ、もしくはＡｌ２Ｏ３を含む表面を覆うセラミック層を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  9. 前記光ファイバの前記レーザ光の出射端側に配置され、前記レーザ光の前記光学部品からの出射を抑制する第２光遮断部を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  10. 前記第２光遮断部は、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼、またはＦｅを含む金属部材、または誘電体多層膜を備える部材、のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザモジュール。
  11. 前記第２光遮断部の前記光学部品側の面は、該面に入射した光が前記光ファイバから離れる方向に反射するように傾斜、または曲率を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュール。
  12. 前記光学部品は、円管状のガラスキャピラリであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  13. 前記光学部品は、前記円管の長手方向の長さが３ｍｍ以上、前記円管の内径が０．１３ｍｍ以下、前記円管の外径が１．８ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザモジュール。
  14. 前記光吸収体の前記レーザ光の波長における光吸収率は、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記レーザ光の入射端側が低くされていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  15. 前記光吸収体の前記光学部品と固着される面の平均表面粗さは、前記光ファイバの長手方向に沿って、前記レーザ光の入射端側が小さくされていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  16. 前記光学部品は、前記光ファイバの長手方向に直交する面における該光学部品の中心から偏心した位置に前記光ファイバを挿通されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  17. 前記光学部品の前記光ファイバの長手方向に直交する断面の形状は、多角形、花形、または星形であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  18. 前記光学部品は、前記光ファイバの長手方向に延伸する２つの貫通孔を有する２芯キャピラリであり、
    前記２つの貫通孔のうち、いずれか１つの貫通孔に前記光ファイバを挿通されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  19. 前記光学部品は、前記レーザ光を散乱する光散乱手段を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
  20. 前記光散乱手段は、気泡であることを特徴とする請求項１９に記載の半導体レーザモジュール。
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