JP2007073830A - 半導体レーザ装置および光学モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 戻り光の影響を抑えることができ、スペクトル品質を改善することができる半導体レーザ装置およびそれを用いた光学モジュールを提供する。
【解決手段】 レンズ６０と半導体レーザ５０との間に、発光領域５１Ａに合わせた形状の開口部７１を有する金属板７０を配置する。レンズ６０を通ってきた戻り光ＦＩのうち、一部は開口部７１を通過するが、それ以外の成分は金属板７０で反射される。金属板７０と半導体レーザ５０との距離Ｄは、１０μｍ以上１００μｍ以下と極めて小さくすることが好ましい。また、レンズ６０の半導体レーザ５０側の面に、発光領域５１Ａに合わせた寸法の反射防止膜を有すると共に、反射防止膜以外の領域に高反射膜を有する反射率調整膜を設けるようにしてもよい。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体レーザ装置およびそれを備えた光学モジュールに係り、特に発光領域の幅を広くしたブロードエリア型半導体レーザに好適な半導体レーザ装置およびそれを備えた光学モジュールに関する。

ブロードエリア型半導体レーザは、ストライプ状の発光領域を有する半導体レーザにおいて、発光領域の幅、すなわちストライプ幅を広くしたものである。例えば、光ディスク用の半導体レーザでは、ストライプ幅の典型的な値が２μｍないし３μｍ程度であるのに対して、ブロードエリア型半導体レーザには、ストライプ幅を５０μｍないし１００μｍに広げたものも出現している。なお、ここでいう「ブロードエリア型」の基準となるストライプ幅の明確な数値は規定されていないが、本明細書においては例えば概ね１０μｍ以上のものをいうこととする。

ブロードエリア型半導体レーザは、高出力を得ることができることに加えて、小型で操作が単純であり、しかも比較的安価であるという魅力を備えており、以前は高価で効率の低い固体レーザに占められていた用途でも多くの利益をもたらしている。更に、ブロードエリア型半導体レーザを用いた光学モジュールは、電気通信，センサ，通信，工業および医療分野で多くの用途を見出している。
特開２００４−１４６４５６号公報

一般に半導体レーザには、戻り光、すなわち出射後の光学系や照射対象からの反射によってレーザ自体に戻ってくる光に対する耐性が低いという問題を有している。実際、極めて少量の戻り光が、半導体レーザの出力安定性，スペクトルおよびＮＦＰ（Near Field Pattern；近視野像）を著しく変えてしまうことはよく知られている。

半導体レーザは、光ファイバなどと結合された光学モジュールとして利用される。しかしながら、従来では、そのような光学モジュールに対する戻り光の影響を評価する調査はなされていなかった。また、ブロードエリア型半導体レーザを用いた光学モジュールのＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）を評価するためのモデルも開発されていなかった。そのため、強い戻り光が生じた場合にスペクトル品質の低下を抑えることができず、実際にスペクトル品質が極めて重要になる医療用途などに対応することができないという問題が生じていた。

なお、ちなみに、例えば特許文献１には、レーザアレイから出射する光の光路上に、平行化レンズ、開口部を有する反射マスク、および集光レンズをレーザアレイ側からこの順に配設し、戻り光の一部を反射マスクで遮るようにしたものが提案されている。しかし、この従来構造では、反射マスクとレーザアレイとの間に平行化レンズが設けられ、反射マスクがレーザアレイから遠いので、戻り光を完全に防ぐことはできかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、戻り光の影響を抑えることができ、スペクトル品質を改善することができる半導体レーザ装置およびそれを用いた光学モジュールを提供することにある。

本発明による半導体レーザ装置は、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の要件を備えたものである。
（Ａ）発光領域を有する活性層を備えた半導体レーザ
（Ｂ）半導体レーザの主出射側端面の側に設けられたレンズ
（Ｃ）レンズと半導体レーザとの間に設けられ、発光領域に合わせた形状の光透過領域を有する戻り光遮蔽部

ここで「発光領域に合わせた形状」とは、光透過領域が発光領域と同一の形状および寸法で形成されている場合だけでなく、光透過領域が発光領域よりも多少大きめに形成されている場合も含む。

この半導体レーザ装置では、半導体レーザの発光領域から出射した光は、戻り光遮蔽部の光透過領域を通過したのちレンズに入射する。また、レンズを通ってきた戻り光のうち、一部は光透過領域を通過するが、それ以外の成分は戻り光遮蔽部で反射される。よって、戻り光が発光領域以外の領域に入射することがなく、戻り光の影響が抑えられる。

本発明による光学モジュールは、上記本発明の半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置からの光を伝送する光ファイバとを備えたものである。

本発明の半導体レーザ装置または本発明の光学モジュールによれば、レンズと半導体レーザとの間に、発光領域に合わせた形状の光透過領域を有する戻り光遮蔽部を設けるようにしたので、戻り光遮蔽部と半導体レーザとの距離を極めて小さくすることができ、戻り光が発光領域以外の領域に入射することを確実に防止することができる。よって、戻り光の影響を抑え、スペクトル品質を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

以下の各実施の形態は、戻り光遮蔽部の具体化された態様においては異なっているものの、いずれも発光領域以外の領域に入射ないし侵入する戻り光による影響に着目し、これを抑制しようとする点において共通である。よって、個々の具体的な実施の形態の説明に入る前に、これらに共通して本発明の基礎をなす前提事項として、戻り光の入射位置による影響の違いについて、実験結果に基づいて説明する。

（実験）
図１に示したような、幅１０μｍ以上のストライプ状の発光領域１１１Ａを有する活性層１１１を備えたＧａＡｓ系ブロードエリア型半導体レーザを作製した。なお、層構造および構成材料は一般的なものとした。

このブロードエリア型半導体レーザについて、戻り光がない場合（参考例１）、発光領域１１１Ａに似た形状の戻り光ＦＩ２を入射させた場合（参考例２）、および発光領域１１１Ａよりも広い形状の戻り光ＦＩ３を入射させた場合（参考例３）の各々について、スペクトルを調べた。その結果を図２ないし図４に示す。

（結果）
図２ないし図４から分かるように、発光領域１１１Ａに似た形状の戻り光ＦＩ２を入射させた場合（参考例２）では、高波長側へ少しだけシフトしていたことを除いては、戻り光のない場合（参考例１）と同様に整ったスペクトルが得られた。なお、この波長シフトは温度調整により補償されるので問題にはならないと考えられる。実際、中央の波長は温度に強く依存し、シフト量は典型的には０．３ｎｍ／℃であった。

これに対して、発光領域１１１Ａよりも広い形状の戻り光ＦＩ３を入射させた場合（参考例３）には、戻り光のない場合（参考例１）と比較して、スペクトルは非常に広く、割れてしまっていた。

（結果の分析）
このように、スペクトルの乱れは戻り光のスポット形状に強く依存しており、発光領域１１１Ａに似た形状の戻り光ＦＩ２よりも、発光領域１１１Ａよりも広い形状の戻り光ＦＩ３のほうが重大な影響を与えていた。すなわち、発光領域１１１Ａの極めて近くに、発光領域１１１Ａに合わせた形状の光透過領域を有する戻り光遮蔽部を設けるようにすれば、戻り光の影響を抑制し、スペクトルを極めて整った形状に維持することができることが分かった。

以下、この実験結果およびその分析に基づいて、具体的な実施の形態（第１および第２）について説明する。

〔第１の実施の形態〕
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る光学モジュールの構成を表したものである。この光学モジュール１０は、例えば、固体レーザの励起用光源，内視鏡用光源，ガン照射用光源または各種診断用光源に用いるためのものであり、半導体レーザ装置２０からの光ＬＢの光路上に、第１レンズ３１，光ファイバ４０および第２レンズ３２が順に配置された構成を有している。

図６は、図５に示した半導体レーザ装置２０の構成を表したものである。半導体レーザ装置２０は、半導体レーザ５０の主出射側端面の側にレンズ６０を有している。

半導体レーザ５０は、ストライプ状の発光領域５１Ａを有する活性層を有するものであれば、その層構造および構成材料は特に限定されない。具体的な構成材料としては、ＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＩｎＰ系あるいは窒化物系などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などが挙げられる。また、半導体レーザ５０は、例えば、発光領域５１Ａの幅が１０μｍ以上のブロードエリア型半導体レーザである。なお、発光領域５１Ａの具体的な幅は、半導体レーザ５０の種類や半導体レーザ装置２０の用途に応じて設定される。

レンズ６０は、半導体レーザ５０の発光領域５１Ａから出射された光を平行化するものである。

レンズ６０と半導体レーザ５０との間には、発光領域５１Ａに合わせた形状の開口部７１を有する金属板７０が配置されている。これにより、この半導体レーザ装置２０および光学モジュール１０では、金属板７０と半導体レーザ５０との距離Ｄを極めて小さくすると共に、戻り光ＦＩが発光領域５１Ａ以外の領域に入射することを確実に防止して、戻り光ＦＩの影響を抑えることができるようになっている。なお、金属板７０は、本発明における戻り光遮蔽部の一具体例に対応し、開口部７１は、光透過領域の一具体例に対応する。

金属板７０は、例えば、厚みが１０μｍ以上３０μｍ以下であり、ステンレス鋼，金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）などにより構成されている。中でもステンレス鋼が好ましい。熱に強いからである。

金属板７０と半導体レーザ５０との距離Ｄは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。１０μｍより小さいと調整が難しく、１００μｍより大きいと効果が得られないからである。

図７は、金属板７０および半導体レーザ５０をレンズ６０側から見た構成を表したものである。開口部７１の高さＨは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。１０μｍより小さいと光が出られなくなってしまい、１００μｍより大きいと効果が得られないからである。開口部７１の幅Ｗは発光領域５１Ａの幅に合わせて設定されている。

図８は、金属板７０の取付状態を表したものである。半導体レーザ５０は、例えば、銅（Ｃｕ）などよりなるヒートシンク８０に配設されており、金属板７０はこのヒートシンク８０に接着層７２により取り付けられている。接着層７２は、例えば、紫外線硬化樹脂，接着剤，またははんだにより構成されている。なお、接着層７２を構成する紫外線硬化樹脂，接着剤，またははんだの種類は特に限定されない。

図５に示した第１レンズ３１は、半導体レーザ装置２０からの光を集光し、光ファイバ４０の一方の端面４０Ａに入射させるものであり、例えば凸レンズ（図示せず）により構成されている。

図５に示した光ファイバ４０は、半導体レーザ装置２０からの光を伝送するものであり、例えば、コア部およびクラッド部（いずれも図示せず）を有するマルチモード光ファイバにより構成されている。なお、コア部は、半導体レーザ装置２０からの光をマルチモードで伝播させる芯線としての役割を有するものであり、半導体レーザ装置２０からの光に対して透明な材料、例えば二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂ ）を微量添加した石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）により構成され、光通信のシングルモード用のコア部と比べて１０倍以上の例えば５０μｍ以上２００μｍ以下の直径を有している。クラッド部は、コア部内を伝播する光をコア部に閉じ込めるための外皮としての役割を有するものであり、コア部よりもわずかに小さな屈折率の材料、例えばフッ素（Ｆ）を微量添加した石英ガラス（ＳｉＯ₂ ）により構成され、内径がコア部の直径に等しく外径が例えば１００μｍ以上４００μｍ以下の筒状とされている。

図５に示した第２レンズ３２は、光ファイバ４０の端面４０Ｂから出射された光を集光し、照射対象面Ｓに配置された固体レーザ媒質や診断部位などに照射するためのものであり、例えば凸レンズ（図示せず）により構成されている。

この半導体レーザ装置２０および光学モジュール１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、半導体レーザ５０およびヒートシンク８０を用意し、このヒートシンク８０に対して半導体レーザ５０を例えばはんだにより接着する。

また、例えば上述した材料よりなる板材（図示せず）を用意し、この板材に、例えばプラズマエッチングにより、開口部７１を設ける。これにより、開口部７１を有する金属板７０が得られる。

次いで、図９に示したように、ヒートシンク８０に配設された半導体レーザ５０と、金属板７０とをステージ（図示せず）に搭載し、半導体レーザ５０をＬＥＤ（Light Emitting Diode）発光させ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）カメラ９０で観察しながらステージで金属板７０を移動させる。これにより、開口部７１を発光領域５１Ａに位置合わせしたのち、金属板７０をヒートシンク８０に対して接着層７２で固定する。なお、開口部７１と発光領域５１Ａとが同一の形状および寸法で形成されている場合には、両者が光ＬＢの出射方向において互いに重なり合うように位置合わせすればよいが、開口部７１が発光領域５１Ａよりも多少大きめに形成されている場合には、発光領域５１Ａが開口部７１内にくるように位置合わせすればよい。

続いて、金属板７０の反対側にレンズ６０を配設する。これにより、図６に示した半導体レーザ装置２０が形成される。

そののち、この半導体レーザ装置２０を、第１レンズ３１を介して光ファイバ４０の一方の端面４０Ａに光学的に結合する。また、光ファイバ４０の他方の端面４０Ｂに第２レンズ３２を配設する。以上により、図５に示した光学モジュール１０が完成する。

この光学モジュール１０では、半導体レーザ装置２０からの光ＬＢは、第１レンズ３１を介して光ファイバ４０の端面４０Ａに入射し、光ファイバ４０内を伝送されて端面４０Ｂから出射し、第２レンズ３２により集光されて照射対象面Ｓに照射される。ここでは、半導体レーザ装置２０において、レンズ６０と半導体レーザ５０との間に、開口部７１を有する金属板７０が配置されているので、レンズ６０を通ってきた戻り光ＦＩのうち、一部は開口部７１を通過するが、それ以外の成分は金属板７０で反射される。よって、戻り光ＦＩが発光領域５１Ａ以外の領域に入射することが抑制され、戻り光ＦＩの影響が抑えられる。

このように本実施の形態では、半導体レーザ装置２０のレンズ６０と半導体レーザ５０との間に、開口部７１を有する金属板７０を配置するようにしたので、金属板７０と半導体レーザ５０との距離Ｄを極めて小さくすることができ、戻り光ＦＩが発光領域５１Ａ以外の領域に入射することを確実に防止することができる。よって、戻り光ＦＩの影響を抑えることができ、スペクトル品質を改善することができる。

なお、上記実施の形態では、半導体レーザ５０が一つのチップにより構成されている場合について説明したが、半導体レーザ５０は、複数のチップを並設したレーザアレイであってもよい。その場合、金属板７０の開口部７１は、各チップの発光領域５１Ａに対応して設けるようにすればよい。

また、上記実施の形態では、半導体レーザ５０がブロードエリア型のものである場合について説明したが、半導体レーザ５０は、発光領域５１Ａの幅が１０μｍよりも小さいいわゆるナローストライプ型のものでもあってもよい。

〔第２の実施の形態〕
図１０は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置２０の構成を表したものである。この半導体レーザ装置２０は、レンズ６０の半導体レーザ５０側の面に反射率調整膜１００を有することを除いては、上記第１の実施の形態の半導体レーザ装置２０と同一の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。

図１１は、図１０に示した反射率調整膜１００を半導体レーザ５０側から見た構成を表したものである。反射率調整膜１００は、発光領域５１Ａに合わせた形状の反射防止膜１０１を有すると共に、反射防止膜１０１以外の領域に高反射膜１０２を有する。これにより、この半導体レーザ装置２０では、反射率調整膜１００と半導体レーザ５０との距離Ｄを極めて小さくすると共に、戻り光が発光領域５１Ａ以外の領域に入射することを確実に防止して、戻り光の影響を抑えることができるようになっている。なお、反射率調整膜１００は、本発明における戻り光遮蔽部の一具体例に対応し、反射防止膜１０１は、光透過領域の一具体例に対応する。

反射防止膜１０１は、例えば、反射率が０．５％未満であり、高屈折率層と低屈折率層とを含む多層膜である。低屈折率層の構成材料としては、例えばフッ化マグネシウム（ｎ＝１．３８）およびフッ化セリウム（ｎ＝１．６３）が挙げられ、高屈折率層の構成材料には酸化ジルコニウム（ｎ＝２．１），二酸化チタン（ｎ＝２．４０）および硫化亜鉛（ｎ＝２．３２）などが挙げられる。一方、高反射膜１０２は、例えば、反射率が９８％程度であり、金（Ａｕ）により構成されている。

レンズ６０に設けられた反射率調整膜１００と半導体レーザ５０との距離Ｄは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。１０μｍより小さいと調整が難しく、１００μｍより大きいと効果が得られないからである。

反射防止膜１０１の高さＨは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。１０μｍより小さいと光が出られなくなってしまい、１００μｍより大きいと効果が得られないからである。反射防止膜１０１の幅Ｗは発光領域５１Ａの幅に合わせて設定されている。

図１２は、反射率調整膜１００が形成されたレンズ６０の取付状態を表したものである。例えば、レンズ６０の両端には、ガラス等よりなる支持部材６１が取り付けられており、これらの支持部材６１が、ヒートシンク８０の半導体レーザ５０の両脇の部分に対して、接着層６２により固定されている。接着層６２は、例えば、接着層７２と同様の材料により構成されている。

なお、支持部材６１の構成は図１２に示した例に限られない。例えば、支持部材６１は、レンズ６０の下部に取り付けられると共に、ヒートシンク８０の半導体レーザ５０の下方の部分に固定されていてもよい。

この半導体レーザ装置２０は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、第１の実施の形態と同様にして、ヒートシンク８０に対して半導体レーザ５０を例えばはんだにより接着する。

また、レンズ６０を用意し、このレンズ６０の半導体レーザ５０側の面に、例えば蒸着法により、反射防止膜１０１および高反射膜１０２を設ける。これにより、反射率調整膜１００が形成される。

次いで、この反射率調整膜１００が形成されたレンズ６０を支持部材６１に取り付け、ヒートシンク８０に配設された半導体レーザ５０と、支持部材６１に取り付けられたレンズ６０とをステージ（図示せず）に搭載し、半導体レーザ５０をＬＥＤ発光させ、ＣＣＤカメラ９０で観察しながらステージでレンズ６０を移動させる。これにより、反射防止膜１０１を発光領域５１Ａに位置合わせしたのち、支持部材６１をヒートシンク８０に対して接着層６２で固定する。以上により、図１０に示した半導体レーザ装置２０が形成される。

また、この半導体レーザ装置２０を用いて、第１の実施の形態と同様にして、光学モジュール１０を製造することができる。

この光学モジュール１０では、半導体レーザ装置２０からの光ＬＢは、第１の実施の形態と同様にして、光ファイバ４０を介して照射対象面Ｓに照射される。ここでは、半導体レーザ装置２０において、レンズ６０の半導体レーザ５０側の面に、発光領域５１Ａに合わせた形状の反射防止膜１０１、および高反射膜１０２を有する反射率調整膜１００が形成されているので、レンズ６０を通ってきた戻り光ＦＩのうち、一部は反射防止膜１０１を通過するが、それ以外の成分は高反射膜１０２で反射される。よって、戻り光ＦＩが発光領域５１Ａ以外の領域に入射することが抑制され、戻り光ＦＩの影響が抑えられる。

このように本実施の形態では、レンズ６０の半導体レーザ５０側の面に、発光領域５１Ａに合わせた形状の反射防止膜１０１、および高反射膜１０２を有する反射率調整膜１００を形成するようにしたので、反射率調整膜１００と半導体レーザ５０との距離Ｄを極めて小さくすることができ、戻り光ＦＩが発光領域５１Ａ以外の領域に入射することを確実に防止することができる。よって、戻り光ＦＩの影響を抑えることができ、スペクトル品質を改善することができる。

なお、上記実施の形態では、半導体レーザ５０が一つのチップにより構成されている場合について説明したが、半導体レーザ５０は、複数のチップを並設したレーザアレイであってもよい。その場合、反射率調整膜１００の反射防止膜１０１は、各チップの発光領域５１Ａに対応して設けるようにすればよい。

また、上記実施の形態では、半導体レーザ５０がブロードエリア型のものである場合について説明したが、図１３に示したように、半導体レーザ５０は、発光領域５１Ａの幅が１０μｍよりも小さいいわゆるナローストライプ型のものでもあってもよい。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

半導体レーザに対する戻り光の影響を調べた実験において用いた半導体レーザの構成を概略的に表す斜視図である。 図１に示した半導体レーザにおいて、戻り光のない場合のスペクトルを調べた結果を表す図である。 図１に示した半導体レーザにおいて、戻り光の形状によるスペクトルの違いを調べた結果を表す図である。 図１に示した半導体レーザにおいて、戻り光の形状によるスペクトルの違いを調べた結果を表す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学モジュールの構成を表す図である。 図５に示した半導体レーザ装置の構成を表す図である。 図６に示した金属板および半導体レーザをレンズ側から見た構成を表す図である。 図６に示した金属板の取付状態を表す斜視図である。 図６に示した半導体レーザ装置の製造方法における一工程を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成を表す図である。 図１０に示した反射率調整膜を半導体レーザ側から見た構成を表す図である。 図１０に示したレンズの取付状態を表す斜視図である。 図１０に示した半導体レーザ装置の変形例を表す図である。

符号の説明

１０…光学モジュール、２０…半導体レーザ装置、３１…第１レンズ、３２…第２レンズ、４０…光ファイバ、４０Ａ，４０Ｂ…端面、５０…半導体レーザ、５１…活性層、５１Ａ…発光領域、６０…レンズ、６１…支持部材、６２，７２…接着層、７０…金属板、７１…開口部、８０…ヒートシンク、９０…ＣＣＤカメラ、１００…反射率調整膜、１０１…反射防止膜、１０２…高反射膜

Claims (5)

1. 発光領域を有する活性層を備えた半導体レーザと、
   前記半導体レーザの主出射側端面の側に設けられたレンズと、
   前記レンズと前記半導体レーザとの間に設けられ、前記発光領域に合わせた形状の光透過領域を有する戻り光遮蔽部と
   を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記戻り光遮蔽部は、前記レンズと前記半導体レーザとの間に配置された金属板であり、前記金属板は、前記光透過領域として開口部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記戻り光遮蔽部は、前記レンズの前記半導体レーザ側の面に設けられた反射率調整膜であり、前記反射率調整膜は、前記光透過領域として反射防止膜を有すると共に、前記反射防止膜以外の領域に高反射膜を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体レーザが配設される放熱部材を備え、前記戻り光遮蔽部は前記放熱部材に取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
5. 半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置からの光を伝送する光ファイバとを備えた光学モジュールであって、
   前記半導体レーザ装置は、
   発光領域を有する活性層を備えた半導体レーザと、
   前記半導体レーザの主出射側端面の側に設けられたレンズと、
   前記レンズと前記半導体レーザとの間に設けられ、前記発光領域に合わせた形状の光透過領域を有する戻り光遮蔽部と
   を備えたことを特徴とする光学モジュール。
   
   

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