JP2007287727A - 励起用半導体レーザモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、簡便な方法でパッケージ内部の有機不純物や水分を取り除き、これによってレーザチップの光損傷等の故障が防止することにより、高出力で信頼性の高い励起用半導体レーザモジュールを作製する方法がなかった。
【解決手段】励起用半導体レーザモジュールにおいて、パッケージ内に少なくとも、光触媒作用を有する光触媒体と、レーザ光を吸収して該光触媒体を活性化させる励起光を発生する蛍光体とが内装されていることを特徴とする励起用半導体レーザモジュール。蛍光体が、赤外可視変換蛍光体もしくは赤外輝尽蛍光体であること、光触媒体が、少なくともＷＯ３をその成分とするＴｉＯ２系光触媒体であること、等の特徴も持つ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光増幅装置に用いる高出力にして信頼性の高い励起用半導体レーザモジュールにおけるレーザパッケージに関する。
光ファイバ増幅器やファイバレーザ等の光励起型の光増幅装置においては、励起光源として半導体レーザが多く用いられている。中でも、光ネットワーク構築に不可欠なデバイスであるＥｒ添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ、Ｅｒ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）では、波長９８０および１４８０ｎｍ帯の半導体レーザが励起光源として用いられている。ＥＤＦＡは、光ネットワーク及び回路の進化に伴って高出力化される傾向があるが、そのため、励起用半導体レーザも高出力化されており、特に、９８０ｎｍ帯の励起レーザで著しい。
光ネットワークで使われるＥＤＦＡの励起用レーザは、単一モード発振するレーザが一般に用いられるが、レーザ出力の増大に対して、エネルギー密度も高くなることからレーザチップにおける光損傷の機会も増大する。光損傷は、レーザチップ出射面における不純物の付着等によって発生する場合がある。レーザパッケージ内において、このような不純物は、有機物由来の物質であることが知られていることから、不純物付着を防止するために、レーザパッケージ内部を酸素を微量含む乾燥不活性ガスで封止する技術が開示されている（特許文献１参照）。
本技術は、酸素によって有機物を酸化して水分と炭酸ガスに分解し、生成したガス成分はパッケージ内に配置した吸着剤で吸着するというものである。このように、有機物不純物を酸素によって酸化分解してしまうことによりレーザ光出射面における不純物の付着を防止することが出来る。
特許第３４５２２１４号公報
前述した例えば特許第３４５２２１４号公報に記載されている方法は、確かに有機不純物は分解できるものの、一方で、酸素の存在によってレーザチップが酸化等の悪影響を受ける。そのため、酸素による悪影響を防止しつつ、このような機能を発揮させるためには、封止ガス成分における酸素濃度の厳密な管理が必要であった。
また、水分は、レーザチップを駆動させるための回路に対して悪影響を及ぼすため、レーザパッケージ内を乾燥ガスで封入する必要がある。しかし、乾燥ガスで封止したとしても封止ガス中の水分を完全に除去することはできず微量な水分が含まれる。また、パッケージ材料等から水素が発生するため、封止ガス中に酸素が含まれると反応して水分を発生する。この水素の発生を防止するためには、パッケージ自体を高温で長時間加熱して脱水素化処理する必要があった。
このように従来の技術においては、レーザパッケージの封止ガスに対して水分を排除しつつ酸素添加しているが、一方で酸素と有機物不純物との反応やパッケージ材料から放出される水素との反応により必然的に水分が発生する。このような酸素の存在によるチップ等への悪影響や有機物不純物の除去、さらに水分の除去をも同時に行うためには、パッケージの封止ガスの成分を厳密にコントロールしなければならなかった。そのため、パッケージ封止工程が煩雑となる等の問題があった。
本発明は励起用半導体レーザモジュールにおいて、パッケージ内に少なくとも、光触媒作用を有する光触媒体と、レーザ光を吸収して該光触媒体を活性化させる励起光を発生する蛍光体とが内装されていることを特徴とする励起用半導体レーザモジュールである。
また、蛍光体が、赤外可視変換蛍光体もしくは赤外輝尽蛍光体であることを特徴とする上記の励起用半導体レーザモジュールである。
また、光触媒体が、少なくともＷＯ３をその成分とするＴｉＯ２系光触媒体であることを特徴とする上記の記載の励起用半導体レーザモジュールである。
励起用半導体レーザモジュールにおいて、レーザパッケージ内に少なくとも光触媒体と、レーザ光を吸収して光触媒を活性化させる励起光を発生させる蛍光体を内装させることを最も主要な特徴とする。従来の技術とはパッケージ内の封入ガスに酸素を含有させたことと異なる。
本発明によれば、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザに用いる半導体励起レーザモジュールにおいて、パッケージ内部の封止ガス中に含まれる微量な水分や有機物不純物を除去することができ、これによってレーザチップの光損傷等の故障が防止できることから、高出力で信頼性の高い励起用半導体レーザモジュールを作製することができる。
図１に、本発明の実施形態の一例を示す。レーザチップ１は外部から電流を供給すると出射面からレーザ光を出射するが、レーザ光はレンズ等の光結合手段によって出力ファイバ３に結合されて外部に出力される。このとき、レーザ光は全てが外部に出力される訳ではなく、一部（通常は３０％程度）はパッケージ２内部に散乱される。
パッケージ２内部に散乱された光は、蛍光体５に吸収され、蛍光体５はレーザ光波長と異なる光触媒を活性化させる波長の蛍光を発生する。発生した蛍光は、光触媒体４に吸収され、光触媒反応によりパッケージ封止ガス中に微量に存在する有機物不純物は分解される。反応生成物は、吸着体により吸着され、封止ガス中より除去される。
以下、実施例により説明する。
図１に基づいて実施した。レーザチップ１には、発振波長が９８０ｎｍ帯のＧａＡｓ系のレーザチップを用いた。蛍光体５には、赤外可視変換蛍光体であるＹｂ（イッテルビウム）およびＴｍ（ツリウム）を微量（合計約０．８重量％）添加された酸化イットリウム系セラミックスを用いた。光触媒体４には、可視光照射によっても触媒機能を生じるようにしたＷＯ３−ＴｉＯ２系触媒を用いた。ＷＯ３の濃度は約３重量％とした。蛍光体および光触媒体は約３ｍｍ角で厚さが０．５ｍｍ程度のチップ状とした。パッケージは、ミニＤＩＬ型であり、チップ状の光触媒体と蛍光体はパッケージ蓋の内側に無機系接着剤で固定した。レーザチップアセンブリをパッケージ内部に収容した後、蓋をパッケージ本体に溶接固定した。
パッケージ内部に散乱された９８０ｎｍのレーザ光は、蛍光体に含有されるＹｂおよびＴｍイオンによる協調的な多光子吸収過程により吸収され、蛍光体は４７０ｎｍ付近に蛍光を発生する。光触媒体４は、ＷＯ３成分を含有していることから、５００ｎｍ付近まで吸収域が広がっており、この波長域においても光触媒機能を発揮する。なお、触媒機能は、次の反応により発現する。
ＴｉＯ２＋ｈν → ＴｉＯ２ ＊（ｅ−＋ｈ＋）
ＷＯ３＋ｘｅ−＋ｘＨ＋ → ＨｘＷＯ３
２Ｈ２Ｏ＋４ｈ＋ → Ｏ２＋４Ｈ＋
上記反応により、パッケージ内部の封止ガス中に含まれる水分が分解されて酸素を発生する。発生した酸素により、封止ガス中に含まれる微量な有機物不純物は酸化分解され、水分と炭酸ガスとなる。即ち、封止ガスに酸素が含有されない乾燥ガスを用いたとしても微量に残存する水分を除去し、同時に、有機物不純物も除去できる利点がある。
上記により作製されたミニＤＩＬ型レーザモジュールに対して、温度７０℃に設定した恒温槽内に保持し、ファイバ出力が２００ｍＷとなるよう電流を供給して連続動作させた。５０００時間経過後も、出力は、１％程度以内の変動であり、出力の低減も認められなかった。この結果により、本発明を用いることにより高出力で高い信頼性を有する励起用半導体レーザモジュールが得られた。
このように、封止ガス中に酸素を含有させる必要がなく、従って成分の厳密なコントロールが必要でない上に、封止ガス中に含まれる微量の水分から酸素が発生するため、封止ガス中に含まれる水分と有機物不純物の除去を同時に行うことができる利点がある。なお、水素や炭酸ガスは、必要に応じて吸着剤を設置することにより吸着させることによって封止ガス中から除去することも可能である。また、本実施例では、蛍光体にＹｂ、Ｔｍ添加のセラミックスを用いているが、これに限定されるものではなく、光触媒を活性化させる光を発する組成であればよい。
蛍光体に赤外輝尽蛍光体を用いた実施例について示す。赤外輝尽蛍光体は、ＣａＳ（硫化カルシウム）にＥｕ（ユーロピウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｎｄ（ネオジウム）を微量（合計約１．２重量％）添加したものを用いた。大きさは約３ｍｍ角で厚さは約０．５ｍｍであり、パッケージ蓋の裏に固定した。赤外輝尽蛍光体には、蓋のパッケージ本体への溶接に先立って紫外線を照射した他は、実施例１と同様にしてミニＤＩＬ型レーザモジュールを作製した。
上記レーザモジュールを実施例１と同様にして試験したところ、５０００時間経過後も安定に動作することが示された。
本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。
本発明の実施形態の一例を示す図である。
符号の説明
１ レーザチップ
１ａ サブマウント
２ パッケージ
３ 出力ファイバ
４ 光触媒体
５ 蛍光体

Claims (3)

  1. 励起用半導体レーザモジュールにおいて、パッケージ内に少なくとも、光触媒作用を有する光触媒体と、レーザ光を吸収して該光触媒体を活性化させる励起光を発生する蛍光体とが内装されていることを特徴とする励起用半導体レーザモジュール。
  2. 蛍光体が、赤外可視変換蛍光体もしくは赤外輝尽蛍光体であることを特徴とする請求項１記載の励起用半導体レーザモジュール。
  3. 光触媒体が、少なくともＷＯ３をその成分とするＴｉＯ２系光触媒体であることを特徴とする請求項１または２に記載の励起用半導体レーザモジュール。
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