JP2007025431A

JP2007025431A - レーザモジュール

Info

Publication number: JP2007025431A
Application number: JP2005209656A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Miura; 栄朗三浦
Original assignee: Fujifilm Holdings Corp
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-02-01
Also published as: US7436875B2; US20070019694A1

Abstract

【課題】半導体レーザ素子と、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを集光し光ファイバの入射端面に集光させる集光光学系とを備えてなるレーザモジュールを長期信頼性のあるものとすると共に安価に構成する。
【解決手段】集光光学系15のレーザビームの入力面15ａ、出力面15ｂおよび光ファイバ33の入射端面31の少なくとも一つを外気に曝した構成とし、外気に曝された面におけるレーザビームの光パワー密度を15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²とする。
【選択図】図３

Description

本発明はレーザモジュールに関し、特に、半導体レーザ素子と、光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを光ファイバの一端面に集光させる集光光学系とを備えたレーザモジュールに関するものである。

従来より、パッケージ内に収容された半導体レーザ素子と、一端（光入射端面）がこのパッケージの内部を臨む状態にして該パッケージに固定された光ファイバと、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを光ファイバの光入射端面に集光させる集光光学系とを備えたレーザモジュールは、いわゆるピッグテール型レーザモジュールとして一般的に知られている。

このようなレーザモジュールの、特に高出力のモジュールで、光パワー密度が高い状態にある光学部品の表面に汚染物質が堆積し、光学部品の透過率の低下、あるいは破壊などの現象が生じることが知られている。特に、低分子シロキサンはシリコン系の物質から発生する脱ガスとして空気中に浮遊し、紫外線による光化学反応で酸素と結合してＳｉＯ₂ となり、ガラス部品表面に蒸着したように固着することが特許文献１などに記載されている。

光学部材への汚染物質の付着による透過率の低下のためにレーザモジュールの出力が低下してしまう。そのため、レーザモジュールとしては、その光源である半導体レーザの寿命よりも光学部材の劣化が早く進むことにより短命化し、長期信頼性が得られないという問題がある。

光ファイバ入射端面への汚染物質の付着を防止するため、特許文献２では、パッケージのガラス窓の外側に光ファイバの入射端面を密着させることで、汚染物質の付着を回避する方法が提案されており、さらに、特許文献３では、光ファイバ入射端面を気密封止するか、ガラスブロック等の透明部材を光ファイバの入射端面に密着させることにより端面を保護して、汚染物質の付着を防止する方法が提案されている。
特開平11-54852号公報特開2004-252425号公報特開2004-253783号公報

特許文献２には、半導体レーザやレンズを内包するパッケージ外側にレセプタクルを固定し、レセプタクルに受容されるフェルールに先端が挿入されたファイバをレセプタクルと嵌合するコネクタを用いて接続する構造が記載されているが、気密封止されたパッケージの中に半導体レーザ素子と集光レンズが収容される構成であるため、高価な気密封止パッケージが大型化し、コストが上がるという問題がある。また、気密封止パッケージの出射窓にフェルールを接触させる構成であるため、ガラス窓に気密封止機能を持たせる必要があり、さらにフェルール接触時に圧力を受けるため、この圧力に対し、ガラス及び気密封止部の強度を上げなければならず、全体としてさらにコスト高となるという問題がある。

また、特許文献３には、光ファイバの入射端面に透明部材を固着または接触させることにより、入射端面への汚染物質の付着を防止する構造が開示されているが、透明部材は筐体や支持台に固定もしくはファイバの先端に固着される構成であり、透明部材の交換は困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、安価でかつ長期信頼性を得ることができるレーザモジュールを提供することを目的とするものである。

本願発明者は、レーザビームの入出力面における光パワー密度と入出力面における汚染物質の付着との関係について鋭意研究を行った。図１は、波長405ｎｍのレーザビームの光路上に光学部材を配置し、その光学部材のレーザビーム入射端面におけるパワー密度毎に劣化率を測定して得たグラフである。劣化率は、光学部材の透過率の経時変化を最大1000時間程度まで測定し、測定時間毎の透過率をプロットしたグラフにおける傾き、すなわち透過率の時間変化である。具体的には、50から100ｍＷで駆動した半導体レーザの出射光（レーザビーム）を所定のパワー密度となるようにレンズで集光し、その集光点に光学部材としてガラス部材を配置してそのガラス部材のレーザビーム透過率の経時変化を測定した。最大パワー密度のデータは、半導体レーザの出射端面に近接してガラス部材を配置することにより実現し、一方、パワー密度を低くする場合には、集光点の手前にフィルタを挿入して調整した。

図２はそれぞれ、360ｎｍ、405ｎｍ、441ｎｍ、473ｎｍ、532ｎｍ、633ｎｍ、809ｎｍ、950ｎｍの発振波長のレーザビームの光路上に光学部材を配置し、その光学部材のレーザビーム入力面におけるパワー密度毎に劣化率を測定して得た劣化率の波長依存性のイメージを示すグラフである。それぞれの劣化率測定時のパワー密度は異なるが、測定値からパワー密度が10000Ｗ／ｍｍ²の場合の劣化率をそれぞれ推定してプロットしたものである。また、劣化率は上記図１についてと同様に透過率の時間変化であるが、ここでは、所定値で規格化して示している。

図１から、劣化率は低パワー側から徐々に大きくなるが一旦極大値を取った後、低下し始め、100Ｗ／ｍｍ²近傍で極小値をとり再び増加するという特性があることが明らかになった。このような特性は405ｎｍの波長のみならず473ｎｍの場合でも同様であった。1000Ｗ／ｍｍ²を超えるグラフ右側の高パワー密度領域においては、特許文献１に記載されているようなシリコン化合物の付着により劣化率が高くなっていると考えられる。一方、パワー密度が低い側において劣化率の極大値を示す30Ｗ／ｍｍ²近傍において付着物となる物質は明らかではない。しかしながら、図１に示すように、光パワー密度により劣化率は変化し、所定の光パワー密度領域であれば光学部材の透過率の低下（劣化）が半導体レーザの寿命よりも十分に遅くレーザモジュールの寿命を短命化しないことが明らかになった。すなわち、劣化率の図１において、光学部材の寿命を透過率10%低下するまでの時間と定義すると、劣化率のカーブが直線に乗っていると仮定した場合、劣化率0.00002/Hourの光学部材の寿命は5000Hourとなる。一方、半導体レーザ単体の寿命は5000Hour程度であるため、0.00002／Hourの劣化率であればモジュールのトータルの寿命の足かせとならないと考えられる。図１から、劣化率0.00002/Hour以下である光パワー密度は、15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²の領域であり、さらに劣化率0.00001/Hour以下である光パワー密度は、10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²の領域であることがわかった。

また、図２から、劣化率は600ｎｍの波長付近から増加し始め、500ｎｍ以下の短波長で著しく大きいことが明らかになった。

本発明のレーザモジュールは、上記知見に基づいてなされたものであり、１つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
光ファイバと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを、前記光ファイバの入射端面に集光させる集光光学系とを備え、
前記集光光学系の前記レーザビームの入力面、出力面および前記光ファイバの入射端面の少なくとも一つが外気に曝されており、
前記外気に曝された面における前記レーザビームの光パワー密度が15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²であることを特徴とするものである。

より好ましくは、前記外気に曝された面における前記レーザビームの光パワー密度が10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²であることを特徴とするものである。

また、前記半導体レーザ素子の発振波長が500ｎｍ以下の場合に非常に効果的である。

500ｎｍ以下の発振波長の半導体レーザ素子としては、たとえば、発振波長域が350ｎｍ〜500ｎｍであるＧａＮ系半導体から構成されたものが挙げられる。

また、前記半導体レーザ素子は、横モードシングルレーザ素子、横モードブロードレーザ素子、アレイ状に並べられた複数の横モードシングルレーザ素子、アレイ状に並べられた複数の横モードブロードレーザ素子、アレイ状に並べられた横モードシングルレーザ素子と横モードブロードレーザ素子混在した素子などいずれであってもよい。

本発明のレーザモジュールは、集光光学系のレーザビームの入力面、出力面および光ファイバの入射端面の少なくとも一つが外気に曝されており、外気に曝された面におけるレーザビームの光パワー密度が15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²であるので、既述のように、外気に曝された面が半導体レーザの寿命と同等の5000時間レベルの寿命を維持することができ、高価な気密パッケージを用いることなく、安価に構成できるにもかかわらず、長期信頼性を得ることができる。

さらに、外気に曝された面におけるレーザビームの光パワー密度を10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²とすれば、外気に曝された面の寿命は10000時間レベルであるため、一般的な半導体レーザよりもより長寿命の半導体レーザを備えたモジュールにおいても各面の劣化がモジュールのトータルの寿命の足かせとならず、長期信頼性を得ることができる。

また、特に半導体レーザ素子が500ｎｍ以下の波長を出射するものである場合、図２に示すように光パワー密度の高い光学部材への汚染物質の付着が促進される傾向があるため、本発明を適用することは汚染物質の付着を防止するために非常に効果的である。

以下、本発明の実施の形態の図面を用いて詳細に説明する。

図３は本発明の第１の実施の形態によるレーザモジュールの概略構成を示す側面図であり、図４は、図３に示すレーザモジュールのコネクタ非装着時の構成を示す側面図である。

本実施形態のレーザモジュール１は、光出射開口11を有する第１の鏡筒12と該第１の鏡筒12と嵌合わせて固定された第２の鏡筒13とから構成される筐体10と、該筐体10の第２の鏡筒13の一端に圧入固定された、半導体レーザ素子ＬＤを内部に備え、気密封止されたＣＡＮパッケージ20と、第１の鏡筒12内に保持された集光レンズ15と、半導体レーザ素子ＬＤから出射されるレーザビームＢが入射する入射端面31を含む先端部32がフェルール35に挿入された光ファイバ33とを備えている。ここで、半導体レーザＬＤを内包するＣＡＮパッケージ20は気密封止されているが、一方第１の鏡筒および第２の鏡筒とからなる筐体10は気密封止されておらず、筐体10内に配置されている光学部材である集光レンズ15、光ファイバの入射端面31はいずれも外気に曝されたものとなっている。

半導体レーザ素子ＬＤはＣＡＮパッケージ20のブロック21上に配置され、該半導体レーザ素子ＬＤに駆動電流を供給する配線類22は、パッケージ20の光出射用ガラス窓23が設けられた壁面と対向する横壁面に形成された開口を通してパッケージ20外に引き出されている。

筐体10は、フェルール径よりも小さい径の開口11を有している。筐体10には、フェルール35を受容するレセプタクル36が開口11を取り囲むように取り付けられており、光ファイバ33の先端部32はレセプタクル36に嵌合するコネクタ38にフェルール35ごと取り付けられている。フェルール35はレセプタクル36の内スリーブ36ａに受容され、レセプタクル36の外スリーブ36ｂとコネクタ38とには互いに係合する係合部36ｃおよび38ｃが設けられた構成である。

コネクタ38は、レセプタクル36と嵌合時にフェルール35を筐体10に押圧するバネ39を備えており、レセプタクル36にコネクタ38を接続すると、フェルール35はバネ39により所定の圧力を受けて窓11の周縁11ａに押しつけられ、接触固定される。図４に示すように、コネクタ38はレセプタクル36に対して着脱自在となっている。

上記レーザモジュールの組み立ては以下のようにして行う。

半導体レーザ素子ＬＤを、丸形のＣＡＮパッケージのブロック21にAuSnロウ材を用いて実装し、光出射用ガラス窓23付きキャップ25をブロック21固定部材26に対して抵抗溶接により固定して、気密封止する。このとき、ＣＡＮパッケージ20内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止する。なお、パッケージ内部には不活性ガスを充填する。このように、ＣＡＮパッケージ20は、内部の揮発成分を除去するため脱気処理を施した上で気密封止されたものであるため、汚染物質の半導体レーザ素子端面への付着を抑制することができる。気密封止されたＣＡＮパッケージ20を第２の鏡筒13の一端から圧入固定する。なお、ＣＡＮパッケージ20は、YAG溶接、接着剤や半田で固定してもよい。

予め内部に集光レンズ15が固定された第１の鏡筒12とＣＡＮパッケージ20が固定された第２の鏡筒13は光軸方向に摺動自在に嵌め合わせることができ、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたビームＢを光ファイバ入射端面31が配置される開口11位置に集光するように調整した後に、両鏡筒12および13をYAG溶接、半田、または接着剤等で固定する。これにより第１の鏡筒12と第２の鏡筒13からなる筐体10が形成される。

レセプタクル36は、筐体10（第１の鏡筒12）の、集光ビームが最も効率よくファイバ33に集光する、光出射開口11を囲む位置に固定する。レセプタクル36が筐体10に固定されているため、集光点と、フェルール35を受容するレセプタクル36の内スリーブ36ａの位置は変化することがなく、光ファイバ33を交換しても集光点と光ファイバ33の入射端面31の位置精度が維持され、高効率結合を得ることができる。

なお、レセプタクル36の内スリーブ36ａの内径のバラツキをレンジ2μｍ以下、フェルール35の外径バラツキをレンジ1μｍ以下に構成することにより、光ファイバ33の取り付け時にはレーザビーム集光点とファイバ入射端面31をレンジ３μｍ以下の精度で固定することができる。

なお、組み立て時には、駆動時における、集光レンズ15のレーザビーム入力面15ａ、出力面15ｂおよび光ファイバ33の入射端面31における光パワー密度が、15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²となるように、好ましくは10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²となるようにＣＡＮパッケージ、集光レンズ、光ファイバの配置が調整される。

本レーザモジュール１においては、半導体レーザ素子ＬＤから出射されたレーザビームＢはＣＡＮパッケージ20のガラス窓23からＣＡＮパッケージ20外部に出射され、集光レンズ15で集光されて筐体10の開口を通過して光ファイバ33の入射端面31から入射してファイバ33内を伝播し、光ファイバ33の図示しない出射端面から出射するものである。

また、半導体レーザ素子を気密封止するＣＡＮパッケージは市販の安価なものを用いることができ、一方、筐体10は気密封止する必要はないため、筐体が高価なものとなることもなくレーザモジュールを安価に構成することができる。

なお、駆動時には、集光レンズ15の入力面15ａ、出力面15ｂおよび光ファイバ33の入射端面31における光パワー密度を、15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²、好ましくは10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²とすることにより、各面15ａ、15ｂおよび31ａへの汚染物質の付着は十分に抑制されるため、レーザモジュールの高寿命化を図り長期信頼性を得ることができる。

本発明の第２の実施形態のレーザモジュールについて説明する。図５は、第２の実施形態のレーザモジュールの概略構成を示す平面図である。ここでは、第１の実施形態のレーザモジュールと同等の要素には同一符号を付し詳細な説明を省略する。

本実施形態によるレーザモジュール２は、図５に示すように、ＣＡＮパッケージ40内に８個のＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜８を備えており、ＣＡＮパッケージ40の光出射窓がコリメータレンズアレイ43により構成されている。図５は、本実施の形態のレーザモジュールの基本構成を示すものであり、コリメータレンズアレイ43および集光レンズ15の形状は概略的に示してある。また図の煩雑化を避けるため、ＧａＮ系半導体レーザ素子のうち両端に配されている素子ＬＤ１およびＬＤ８にのみ符号を付し、またレーザビームＢ１〜Ｂ８のうちＢ１およびＢ８にのみ符号を付してある。

半導体レーザ素子ＬＤ１〜８はＣＡＮパッケージ40のブロック41上に配置され、該半導体レーザ素子ＬＤ１〜８に駆動電流を供給する配線類42は、パッケージ40の光出射窓43が設けられた壁面と対向する横壁面に形成された開口を通してパッケージ40外に引き出されている。第１の実施形態の場合と同様に、光出射用ガラス窓43付きキャップ45をブロック41固定部材46に対して抵抗溶接により固定して気密封止してある。

本レーザモジュール２においては、レンズアレイ43および集光レンズ15によって集光光学系が構成され、それと光ファイバ33とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ15によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜８がこの光ファイバ33のコアに入射して光ファイバ33内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されて光ファイバ33の図示しない出射端面から出射する。

半導体レーザ素子ＬＤ１〜８から発散光状態で出射したレーザビームＢ１〜８は、それぞれレンズアレイ43によって平行光化される。平行光とされたレーザビームＢ１〜８は、集光レンズ15によって集光され、光ファイバ33の入射端面31で収束する。

本レーザモジュール２についても、駆動時における集光レンズ15のレーザビーム入力面15ａ、出力面15ｂおよび光ファイバ33の入射端面31における光パワー密度が、15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²となるように、好ましくは10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²となるようにＣＡＮパッケージ、集光レンズ、光ファイバの配置が調整されている。

図５に示す第２の実施形態のレーザモジュールにおいて、集光レンズ15の入出力面、光ファイバの入射端面における光パワー密度を15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²とするための具体的例を説明する。

半導体レーザＬＤとして、波長405ｎｍ、出力200ｍＷのＧａＮ系半導体レーザを使用する。図５に示すように、８個の半導体レーザ素子を備えているため、200ｍＷ×８個＝１.６Ｗであるが、光学系のロスがあるため、レーザモジュールとしての出力（光ファイバ出射端からの出力）は１．１Ｗ程度となる。

集光レンズ15として焦点距離３ｍｍのものを用い、光ファイバ33としてはファイバコア径60μｍのものを用いる。集光レンズ15と光ファイバ入射端面31との距離は45ｍｍとする。このとき、集光レンズ15の入力面15ａおよび出力面15ｂにおけるパワー密度は１Ｗ／ｍｍ²、ファイバ入射端面31でのレーザビームの光パワーは１．５Ｗ程度としてパワー密度は400Ｗ／ｍｍ²となる。

このように集光レンズの焦点距離、光ファイバのコア径を適宜選択し、それぞれの配置を調整することにより、集光レンズの入出力面および光ファイバの入射端面31における光パワー密度を15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²を満たすものとすることができる。

なお、本実施形態においては、シングルキャビティの８つの半導体レーザ素子ＬＤ１〜８を備えるものとしたが、例えば、２キャビティの半導体レーザ素子を４つなどマルチキャビティを有するチップを実装してもよいし、８キャビティを有する半導体レーザバー１素子を実装してもよい。また、ＧａＮ系半導体レーザ素子に限るものではない。

また、各実施形態における半導体レーザ素子ＬＤとしては、横モードシングルのレーザビームを出力する発光領域の幅が２μｍ未満の半導体レーザ素子であってもよいし、ブロードレーザビームを出力する、発光領域の幅が２μｍ以上の半導体レーザ素子であってもよい。また、複数の半導体レーザを備える場合には、横モードシングルのものとブロードのものが混在していてもよい。なお、ＧａＮ系半導体レーザ素子に限るものではないが、ＧａＮ系半導体レーザから出力される500ｎｍ以下の波長のレーザビームは高エネルギーであるために、集光レンズのレーザビーム入力面、出力面および光ファイバの入射端面において光密度が非常に高くなり、そのために、汚染物質が付着し易い。したがって、このような高エネルギーのレーザビームを発生する半導体レーザ素子を備えたレーザモジュールにおいて、上記各実施形態のように、外気に曝されている集光レンズの入力面、出力面および光ファイバの入射端面での光パワー密度を上述の範囲にすることによる汚染物質の付着抑制効果が高い。

なお、レーザモジュールの集光光学系としては、集光レンズのみならず、コリメータレンズや他の光学部材を備える場合もある。そのような場合であって、外気に曝されている各光学部材のレーザビーム入力面、出力面については、上述の実施形態のレーザモジュールにおける集光レンズの入力面、出力面および光ファイバの入射端面と同様に、外気に曝された面におけるレーザビームの光パワー密度が15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²好ましくは10Ｗ／ｍｍ²以下もしくは70〜600Ｗ／ｍｍ²とすることにより、同様の効果を得ることができる。

光学部材の劣化率のパワー依存性を示すグラフ光学部材の劣化率の波長依存性のイメージを示すグラフ第１の実施形態のレーザモジュールの側面図第１の実施形態にレーザモジュールのコネクタ非装着状態を示す側面図第２の実施形態のレーザモジュールの平面図

符号の説明

１，２レーザモジュール
10 筐体
11 開口
12 第１の鏡筒
13 第２の鏡筒
15 集光レンズ
16 透明部材保持部
20 ＣＡＮパッケージ
31 光ファイバの入射端面
33 光ファイバ
35 フェルール
36 レセプタクル
38 コネクタ
39 バネ
Ｂ、Ｂ１〜８レーザビーム
ＬＤ、ＬＤ１〜８半導体レーザ素子

Claims

１つもしくは複数の半導体レーザ素子と、
光ファイバと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザビームを、前記光ファイバの入射端面に集光させる集光光学系とを備え、
前記集光光学系の前記レーザビームの入力面、出力面および前記光ファイバの入射端面の少なくとも一つが外気に曝されており、
前記外気に曝された面における前記レーザビームの光パワー密度が15Ｗ／ｍｍ²以下もしくは60〜800Ｗ／ｍｍ²であることを特徴とするレーザモジュール。
前記半導体レーザ素子の発振波長が500ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。