JPWO2019160038A1 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

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Abstract

光ファイバレーザの高出力化が可能な半導体レーザモジュールを提供する。半導体レーザモジュールは、被実装面を有する被実装部材と、前記被実装部材の前記被実装面上に設置された複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、前記レーザ光を集光する集光レンズと、集光された前記レーザ光が光結合される光ファイバと、を具備し、さらに前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、の間に、前記レーザ光の遅速軸方向の光を制限するアパーチャを具備する。

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関する。
半導体レーザは、消費電力が小さい、小型である等の特徴を有しており、光通信、光記録、物質加工等の様々な分野において広く利用されるに至っている。半導体レーザが実装された半導体レーザモジュールとしては、パッケージ内に複数の半導体レーザ素子（以下、半導体レーザともいう）が設けられたものが知られている（特許文献１）。
特許第５７３０８１４号公報
複数の半導体レーザが設けられた半導体レーザモジュールでは、複数の半導体レーザから出射したレーザ光は、レンズを通してコリメートされた後、集光レンズを通して集光されて光ファイバに結合される。ここで光ファイバに入射するレーザ光の開口数について図１３および図１４を用いて説明する。
図１３は、光ファイバに入射する半導体レーザからのレーザ光の遠視野像を示した模式図である。図１４は、集光レンズに入射する半導体レーザからのレーザ光の像を示した模式図である。半導体レーザは、レーザ光の出射口での回折の影響により遠視野像は楕円形となる特徴がある。そのため、半導体レーザモジュールにおいて、各半導体レーザに由来するレーザ光は、図１３に示すようにファイバに入射する時点では楕円形の遠視野像１３１１となっている。ここで楕円形の遠視野像１３１１の短軸がレーザ光の高速軸、長軸が遅速軸である。複数の半導体レーザが設けられた半導体レーザモジュールにおいては、集光レンズに入射するレーザ光は図１４に示すように、各半導体レーザに由来する楕円形の像１４１１が高速軸方向に重ねられた像として形成される。ここで光ファイバに入射するレーザ光の、遅速軸方向の開口数をＮＡｖ、高速軸方向の開口数をＮＡｈとすると、集光レンズに入射するレーザ光の開口数ＮＡＦｉｂｅｒｏｕｔは式１で表される。
Figure 2019160038
 ここで、ＮＡｖは半導体レーザの高速軸方向のビーム広がり角度と半導体レーザの搭載数により変化し、ＮＡｈは半導体レーザの遅軸方向のビーム広がり角度により変化する。半導体レーザの駆動電力を上げるに従い、集光レンズに入射するレーザ光の楕円形の像１４１１も大きくなるが、特に遅速軸方向の長大化が顕著である。つまり、半導体レーザの駆動電力を上げると、ＮＡｈが著しく増加する。そのため、ＮＡＦｉｂｅｒｏｕｔを一定の値を超えないようにするためには、半導体レーザの駆動電力は一定のレベルに制約され、さらに搭載可能な半導体レーザの数も制限される。以上の理由により、従来の半導体レーザモジュールでは、光ファイバレーザの高出力化に限界があった。
本発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであって、光ファイバレーザの高出力化が可能な半導体レーザモジュールを提供することにある。
本発明の一観点によれば、被実装面を有する被実装部材と、前記被実装部材の前記被実装面上に設置された複数の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、前記レーザ光を集光する集光レンズと、集光された前記レーザ光が光結合される光ファイバと、を具備し、さらに前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、の間に、前記レーザ光の遅速軸方向の光を制限するアパーチャを具備することを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
本発明によれば、光ファイバレーザの高出力化が可能な半導体レーザモジュールを提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態による半導体レーザモジュールを示す上面図である。 図２は、本発明の第１実施形態による半導体レーザモジュールを示す斜視図である。 図３は、本発明の第１実施形態による半導体レーザモジュールにおけるアパーチャの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態による光源装置を示す概略図である。 図５は、本発明の第１実施形態による光源装置を励起光源として用いた光ファイバレーザを示す概略図である。 図６は、本発明の第２実施形態による半導体レーザモジュールにおけるアパーチャの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図７は、本発明の第３実施形態による半導体レーザモジュールにおけるアパーチャの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図８は、本発明の第４実施形態による半導体レーザモジュールにおけるアパーチャの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図９は、本発明の第５実施形態による半導体レーザモジュールを示す上面図である。 図１０は、本発明の第５実施形態による半導体レーザモジュールにおける反射ミラーの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図１１は本発明の第６実施形態による半導体レーザモジュールにおける光フィルタの配置を説明する部分拡大斜視図である。 図１２は、本発明の第７実施形態による半導体レーザモジュールを示す上面図である。 図１３は、光ファイバに入射する半導体レーザからのレーザ光の遠視野像を示した模式図である。 図１４は、集光レンズに入射する半導体レーザからのレーザ光の像を示した模式図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体レーザモジュールについて図１乃至図３を用いて説明する。
まず、本実施形態による半導体レーザモジュールの構成について図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態による半導体レーザモジュールを示す上面図である。図２は、本実施形態による半導体レーザモジュールを示す斜視図である。また、図３は本実施形態による半導体レーザモジュールにおけるアパーチャの配置を説明する部分拡大斜視図である。
本実施形態による半導体レーザモジュールは、レーザ素子として複数の半導体レーザ素子を有する。図１及び図２に示すように、本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、複数の半導体レーザ素子１２と、複数の半導体レーザ素子１２に対応して設けられた光学系１４を有している。また、本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、複数の半導体レーザ素子１２、光学系１４等が設けられた被実装部材である底板部２４を有している。さらに、本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、レーザ光が出力される出力部１８と、それぞれ外部と電気的に接続可能な端子部２０、２２とを有している。
底板部２４は、例えば一方向に長い例えば略矩形状の平面形状を有する板状の部材であり、上面と、上面に対向する下面とを有している。底板部２４は、後述する段差部３８とともに被実装部材を構成する。底板部２４では、その長手方向において互いに対向する一端部及び他端部が、それぞれ前方端部及び後方端部になっている。なお、底板部２４の平面形状は、特に限定されるものではなく、種々の形状を採用することができる。
底板部２４及び段差部３８により構成される被実装部材は、半導体レーザ素子１２、光学系１４、端子部２０、２２等が実装される複数の被実装面を有している。具体的には、底板部２４の上面と、段差部３８における複数の段４０の上面とが被実装面になっている。複数の段４０の上面は、それぞれ底板部２４の上面と平行な被実装面になっており、互いに底板部２４の上面からの高さが異なっている。
なお、半導体レーザ素子１２、光学系１４を構成する光学素子等が実装される被実装部材は、底板部２４のような板状部材及びこれに設けられた段差部３８により構成されるものに限定されるものではない。被実装部材は、半導体レーザ素子１２、光学素子等を実装しうる一又は複数の被実装面を有するものであればよい。また、被実装面は、平面のみならず、曲面、凹凸面であってもよいが、好ましくは平面である。
底板部２４の上面上には、複数の半導体レーザ素子１２、光学系１４、後述の集光レンズ６４、６５及び後述のアパーチャ１１１が設けられている。また、底板部２４の上面上には、後述するように端子部２０、２２が設けられている。
底板部２４は、後述するように、半導体レーザモジュール１０を基板上に設置する際に、基板の設置面上にその下面を接触させて設置されるものである。底板部２４の上面上には、段差部３８が設けられている。段差部３８は、階段状になっており、半導体レーザモジュール１０からレーザ光が出力される側を前方としたとき、底板部２４の前後方向に沿って並ぶように設けられた複数の段４０を有している。段差部３８の複数の段４０は、前方から後方に向かうに従って段々に高くなっている。すなわち、それぞれ被実装面である複数の段４０の上面は、前方のものよりも後方のものが底板部２４の上面からの高さが高くなっている。段差部３８は、底板部２４と一体的に形成されていてもよいし、はんだ付け等により底板部２４に固定された別部品であってもよい。
底板部２４の上面上及び段差部３８の複数の段４０の上面上には、複数の半導体レーザ素子１２が設置されている。複数の半導体レーザ素子１２は、例えば、互いに発振波長、出力その他のレーザ特性を同じくする同一の半導体レーザ素子である。なお、複数の半導体レーザ素子１２の数は、特に限定されるものではなく、半導体レーザモジュール１０に要求されるレーザ出力等に応じて適宜設定することができる。
複数の半導体レーザ素子１２は、別々のチップに形成された互いに別個独立の素子である。各半導体レーザ素子１２は、例えば、サブマント４２上にはんだ付け等により固定されて搭載されたチップオンサブマウント（Chip On Submount、ＣＯＳ）の形態で、底板部２４の上面上及び段差部３８の複数の段４０上に設置されている。
底板部２４上及び段差部３８の複数の段４０上に設置された複数の半導体レーザ素子１２は、底板部２４の長手方向に沿って一列に配列されている。一列に配列された複数の半導体レーザ素子１２の間には、段差部３８による高低差が設けられている。複数の半導体レーザ素子１２は、それぞれレーザ光の出力方向が底板部２４の短手方向になるように配置されている。一列に配列された複数の半導体レーザ素子１２は、その配列に対して同じ一方の側にレーザ光を出力するように配置されている。なお、複数の半導体レーザ素子１２の配列は、一列のみならず、複数列設けられていてもよい。
複数の半導体レーザ素子１２の配列においては、隣接する半導体レーザ素子１２の電極がワイヤボンディング等により電気的に接続されている。これにより、複数の半導体レーザ素子１２が直列に接続されている。なお、半導体レーザ素子１２を電気的に接続する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができるが、例えば特開２０１５−１８５６６７号公報に記載されるワイヤボンディングによる方法を用いることができる。
複数の半導体レーザ素子１２の配列の前方側において、底板部２４の上面上には、端子部２０が設けられている。また、複数の半導体レーザ素子１２の配列の後方側において、底板部２４の上面上には、端子部２２が設けられている。端子部２０、２２は、それぞれ外部の駆動電源に電気的に接続可能であり、駆動電源により複数の半導体レーザ素子１２のそれぞれに駆動電流を印加するためのものである。端子部２０、２２のうち、一方が駆動電源の正極端子に接続され、他方が駆動電源の負極端子に接続される。
端子部２０、２２は、それぞれ、素子接続部４４と、素子接続部４４と電気的に接続された外部接続部４６とを有している。端子部２０、２２は、それぞれ外部との電気的な接続に際してねじを利用する接続形式のものである。
各端子部２０、２２の素子接続部４４は、底板部２４の上面上に設けられている。このように、各端子部２０、２２の一部である素子接続部４４が、底板部２４に設けられている。各端子部２０、２２の素子接続部４４は、シート状導体４８をそれぞれ有している。シート状導体４８は、底板部２４に平行に設けられている。シート状導体４８は、直列に接続された複数の半導体レーザ素子１２の配列における端部の半導体レーザ素子１２の電極に、例えばワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。
より具体的には、端子部２０における素子接続部４４のシート状導体４８は、直列に接続された複数の半導体レーザ素子１２の配列における前側の端部の半導体レーザ素子１２の電極に、ワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。また、端子部２２における素子接続部４４のシート状導体４８は、直列に接続された複数の半導体レーザ素子１２の配列における後側の端部の半導体レーザ素子１２の電極に、ワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。なお、素子接続部４４のシート状導体４８と半導体レーザ素子１２の電極とを電気的に接続する方法は、ワイヤボンディングによる方法に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。
各端子部２０、２２の外部接続部４６は、素子接続部４４上に設けられている。各端子部２０、２２の外部接続部４６は、例えば底板部２４に垂直な柱状に形成された柱状導体５０を有している。各端子部２０、２２において、柱状導体５０は、シート状導体４８に電気的に接続されている。各柱状導体５０は、上方に向けて開口した雌ねじ孔５２を上端に有している。各雌ねじ孔５２は、後述するように、外部との電気的な接続のために用いられるものである。こうして、各端子部２０、２２の外部接続部４６は、底板部２４に対して上向きに設けられている。すなわち、各端子部２０、２２の一部である外部接続部４６は、底板部２４が設置されて固定される設置面とは反対側において、その設置面と反対方向に延伸するように設けられている。なお、底板部２４に対して上向きとは、底板部２４に直交する方向に底板部２４に対して上向きである場合のほか、底板部２４に直交する方向に対して所定の傾斜角度で傾斜する方向に底板部２４に対して上向きである場合をも含みうる。すなわち、底板部２４に対して上向く方向は、底板部２４に直交する方向のみならず、底板部２４に直交する方向に対して所定の傾斜角度で傾斜する方向であってもよい。
各端子部２０、２２の外部接続部４６は、雌ねじ孔５２に螺合するねじ又はねじ部を利用して、外部と電気的に接続することができる。例えば、雌ねじ孔５２に螺合するねじにより、導体棒であるバスバーを、柱状導体５０と接触させつつ外部接続部４６に固定し、固定したバスバーを介して外部接続部４６を外部と電気的に接続することができる。また、雌ねじ孔５２に螺合する雄ねじ部を有する外部端子を用い、外部端子の雄ねじ部を雌ねじ孔５２に螺合して固定し、固定した外部端子を介して外部接続部４６を外部と電気的に接続することができる。また、例えば丸形又は先開形の圧着端子である外部端子を、雌ねじ孔５２に螺合する雄ねじにより、柱状導体５０と接触させつつ外部接続部４６に固定し、固定した外部端子を介して外部接続部４６を外部と電気的に接続することができる。
複数の半導体レーザ素子１２の配列の一方の側には、光学系１４が設けられている。光学系１４は、これを構成する光学素子として、複数組のコリメートレンズ５８、６０及び反射ミラー６２を有している。複数組のコリメートレンズ５８、６０及び反射ミラー６２は、複数の半導体レーザ素子１２に対応して、底板部２４の上面上及び段差部３８の複数の段４０の上面上に設置されている。複数のコリメートレンズ５８は、光学特性を同じくする同一のものになっている。複数のコリメートレンズ６０は、光学特性を同じくする同一のものになっている。複数の反射ミラー６２は、光学特性を同じくする同一のものになっている。光学系１４を構成する光学素子は、コリメートレンズ５８、６０、反射ミラー６２に限定されるものではなく、その他の光学素子を用いて構成することができる。
コリメートレンズ５８、６０及び反射ミラー６２の各組において、コリメートレンズ５８、６０は、対応する半導体レーザ素子１２のレーザ光の出力側に順次配置されている。また、反射ミラー６２は、コリメートレンズ６０の後段に配置されている。コリメートレンズ５８、６０は、対応する半導体レーザ素子１２から出力されたレーザ光をそれぞれ縦方向及び横方向にコリメートして平行光とする。反射ミラー６２は、対応するコリメートレンズ５８、６０によりコリメートされたレーザ光を前方側に９０°反射して、出力部１８が設けられた底板部２４の前方側に導く。
底板部２４の前方端部の上面上には、出力部１８が設けられている。出力部１８と光学系１４との間には、集光レンズ６４、６５及びアパーチャ１１１が設けられている。出力部１８は、レーザ光を出力するための光ファイバ６８を有しており、光ファイバ６８を通してレーザ光を出力するようになっている。なお、光ファイバ６８の長さは、設計に応じて適宜変更することができる。
出力部１８の光ファイバ６８は、底板部２４の上面上に固定された一端である固定端と、底板部２４の外部に引き出された一端である出力端とを有している。集光レンズ６４、６５は、光学系１４とともに、複数の半導体レーザ素子１２から出力されたレーザ光を光ファイバ６８の固定端に入射させるための光学系を構成している。集光レンズ６４、６５は、複数の反射ミラー６２のそれぞれにより反射されたレーザ光を、光ファイバ６８の固定端に集光して入射させる。光ファイバ６８の固定端に入射したレーザ光は、光ファイバ６８を伝搬して、半導体レーザモジュール１０の出力として光ファイバ６８の出力端から出力される。本実施形態では集光レンズが２枚で構成されている例を示したが、集光レンズは１枚又は２枚を超える複数枚で構成されていてもよい。集光レンズが１枚で構成されている場合は、集光レンズはレーザ光の高速軸方向及び遅速軸方向の両方向について集光する集光レンズである。本発明において、集光レンズが１枚で構成されている場合は、明細書の説明における遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５を、高速軸方向及び遅速軸方向の両方向について集光する集光レンズとすればよい。なお、光ファイバ６８の固定端にレーザ光を入射させるための光学系の構成は、各種フィルタを有するものであってもよい。
アパーチャ１１１は、半導体レーザ素子１２から出力されたレーザ光の遅速軸方向を制限する。図２に示すように、本実施形態におけるアパーチャ１１１はレーザ光が通過するＵ字型の空間を有する部材である。アパーチャ１１１は、レーザ光が通過する遅速軸方向中央部の空間と、遅速軸端部に、前記空間を挟んでレーザ光の通過を妨げる部材とを有する構成となっていればよく、本実施形態に示すようなＵ字型の形状に限られない。アパーチャ１１１を構成する部材の材料としては、一般にレーザモジュールに組み込まれるアパーチャの材料として通常用いられる材料を用いればよく、例えば銅、鉄、アルミニウム、銅タングステン、ＳＵＳ、コバール等が挙げられる。中でも放熱の観点から銅が好ましい。アパーチャ１１１の表面は、レーザ光を反射又は吸収するような表面処理が施されていることが好ましい。表面処理としては、例えば金メッキ、ニッケルメッキ、アルマイト処理、黒化処理、レイデント処理等が挙げられる。中でも反射の観点から金メッキが好ましい。アパーチャ１１１の、レーザ光の光軸と直交する面と、レーザ光が通過する空間に接するレーザ光の光軸に平行な面と、の間にはテーパーカットが施されていても良い。特に、アパーチャ１１１の表面にレーザ光を反射するような表面処理が施されている場合には、レーザ光の遅速軸端部が照射される範囲にテーパーを設けることで、反射した光がレーザ光出射側に戻るのを避けることができる。
本実施形態におけるアパーチャ１１１は、集光レンズ６４と、集光レンズ６５との間に設けられている。ここで集光レンズ６４は高速軸方向のレーザ光を集光するレンズであり、集光レンズ６５は遅速軸方向のレーザ光を集光するレンズである。アパーチャ１１１は、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５と、レーザ光をコリメートするコリメートレンズ６０との間の光路上に設けられていればよく、本実施形態で示す位置に限られない。また、集光レンズ６４又は集光レンズ６５と一体、もしくは独立して構成されていてもよい。さらに、集光レンズが複数枚で構成されている場合は、アパーチャ１１１は、少なくとも１枚の、遅速軸方向のレーザ光を集光して出力部１８の光ファイバ６８の固定端に入射させるための集光レンズと、レーザ光をコリメートするコリメートレンズ６０との間の光路上に設けられていればよい。アパーチャ１１１は、例えば、接着剤、ねじ止め、はんだ付け等により底板部２４の上面上に固定することができる。アパーチャ１１１は、これを有さない半導体レーザモジュールに後付することも可能である。また、後述の他の実施形態で示すように、前記レーザ光の光軸に対する向きを、半導体レーザモジュール組み立て後に調節可能な機構により、可動に設けられていてもよい。
本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、底板部２４に設けられた複数の固定部２１２を有している。各固定部２１２は、底板部２４からその外側に突出するように底板部２４に設けられている。例えば、底板部２４の長手方向に沿った２つの縁端部のうち、一方に２つに固定部２１２が設けられ、他方に１つの固定部２１２が設けられている。なお、固定部２１２の数及び位置は、特に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
各固定部２１２には、固定ねじが貫通する貫通孔２１４が設けられている。半導体レーザモジュール１０は、例えば、基板の設置面上に複数配列されて光源装置として用いられる。基板の設置面に雌ねじ孔を設けることで、各固定部２１２の貫通孔２１４を貫通して基板の設置面に設けられた雌ねじ孔に螺合する固定ねじにより、半導体レーザモジュール１０を基板の設置面上に取り付けて固定することができる。なお、半導体レーザモジュール１０を基板の設置面上に固定する方法は、特に限定されるものではなく、固定ねじを用いた方法のほか、ボルト及びナットを用いた方法等の種々の方法を用いることができる。また、底板部２４は複数の固定部２１２を有する代わりに、底板部２４の前端部及び後端部に、固定ねじが貫通する貫通孔が設けられていてもよい。
こうして、本実施形態による半導体レーザモジュール１０が構成されている。
本実施形態では、端子部２０、２２が雌ねじ孔５２を有する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。端子部２０、２２は、雌ねじ孔５２に代えて、外部との電気的な接続のための雄ねじ部を有するものとすることができる。この場合、例えば、その雄ねじ部に螺合するナット等を用いて、雄ねじ部に挿入された環状部等により雄ねじ部と接触した外部端子を端子部２０、２２に固定することができる。
また、本実施形態では、端子部２０、２２としてねじ又は開口部を利用する接続形式のものを例に説明したが、これらに限定されるものではなく、他の接続形式のものを用いることができる。例えば、端子部２０、２２として、バナナプラグ等のプラグが挿入可能なジャックを利用する接続形式のものとすることができる。
本実施形態による半導体レーザモジュール１０の動作時には、端子部２０、２２に電気的に接続された外部の駆動電源により、直列に接続された複数の半導体レーザ素子１２のそれぞれに駆動電流が印加される。駆動電流が印加されると、各半導体レーザ素子１２は、レーザ発振してレーザ光を出力する。各半導体レーザ素子１２から出力されたレーザ光は、対応するコリメートレンズ５８、６０によりコリメートされた後、対応する反射ミラー６２により反射されて集光レンズ６４に導かれる。集光レンズ６４で高速軸方向が集光されたレーザ光は、アパーチャ１１１に導かれる。アパーチャ１１１で遅速軸方向端部が制限されたレーザ光は、集光レンズ６４により遅速軸方向が集光されて出力部１８の光ファイバ６８の固定端に入射する。光ファイバ６８の固定端に入射したレーザ光は、半導体レーザモジュール１０の出力として、光ファイバ６８の出力端から出力される。
本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、上述のように、底板部２４の上面、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５と、レーザ光をコリメートするコリメートレンズ６０との間の光路上にアパーチャ１１１が設けられている。このためコリメートレンズ５８、６０によりコリメートされたレーザ光の遅速軸方向端部が、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５に導かれる手前で、アパーチャ１１１により制限される。このとき、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５には、アパーチャ１１１の有する空間を通過したレーザ光が入射する。すなわち、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５に入射するレーザ光のＮＡｈは、アパーチャ１１１の有する空間幅で制限される値以下となる。つまり、アパーチャ１１１を設けることで、遅速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６５に入射するレーザ光のＮＡｈを一定の値以下に制御することが可能となる。ＮＡｈの上限値は、アパーチャの有する空間の幅を変えることで、任意に制御することができる。
半導体レーザの駆動電力を上げると、半導体レーザ素子１２から出射されるレーザ光のＮＡｈが著しく増加するが、アパーチャ１１１を設けることで、ＮＡｈを一定の値以下に制御することが可能となる。そのため、半導体レーザ素子１２の駆動電力を上げることによるＮＡｈの著しい増加を抑制することができる。さらに、アパーチャ１１１によりＮＡｈが一定の値以下に制限されるため、一定のＮＡＦｉｂｅｒｏｕｔの範囲内でＮＡｖを増加させる余裕ができる。つまり搭載可能な半導体レーザ素子１２の数も増やすことができる。以上により、本発明の実施形態による半導体レーザモジュールでは、光ファイバレーザの高出力化が可能となる。
本実施形態による半導体レーザモジュール１０は、これを複数配列することにより光源装置を構成することができる。複数の半導体レーザモジュール１０を用いることにより、光源装置の高出力化を図ることができる。以下、複数の半導体レーザモジュール１０を配列した本実施形態による光源装置について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態による光源装置を示す概略図である。
図４に示すように、本実施形態による光源装置８０は、基板８２と、基板８２上に配列されて設置された複数の半導体レーザモジュール１０とを有している。なお、複数の半導体レーザモジュール１０の数は、特に限定されるものではなく、光源装置８０に要求されるレーザ出力等に応じて適宜設定することができる。
基板８２は、配列される複数の半導体レーザモジュール１０が設置された設置面を有し、その設置面上に設置された複数の半導体レーザモジュール１０を支持するベース部材である。基板８２の設置面上には、複数の半導体レーザモジュール１０のそれぞれが、底板部２４側を基板８２側にして取り付けられて固定されている。半導体レーザモジュール１０が配列される基板８２の設置面には、雄ねじである固定ねじが螺合する雌ねじ孔が設けられている。半導体レーザモジュール１０は、各固定部２１２の貫通孔２１４を貫通して基板８２の設置面に設けられた雌ねじ孔に螺合する固定ねじにより、基板８２の設置面上に取り付けられて固定されている。なお、半導体レーザモジュール１０を基板８２の設置面上に固定する方法は、特に限定されるものではなく、固定ねじを用いた方法のほか、ボルト及びナットを用いた方法等の種々の方法を用いることができる。なお、複数の半導体レーザモジュール１０が設置されるベース部材は、基板８２のような板状部材に限定されるものではなく、種々の形状を採ることができる。例えば、複数の半導体レーザモジュール１０が設置されるベース部材は、ヒートシンクのような放熱部材として機能するものであってもよい。この場合、ベース部材は、例えば、放熱性能を向上するための複数枚のフィンを有するものとすることができる。
基板８２の設置面上に設置された複数の半導体レーザモジュール１０は、例えば基板８２の長手方向を配列方向として横方向に一列に配列されている。一列に配列された複数の半導体レーザモジュール１０は、その配列に対して同じ側に出力部１８を向けている。複数の半導体レーザモジュール１０のそれぞれは、複数の半導体レーザモジュール１０の配列方向に対して、その底板部２４の長手方向が直交するように配置されている。なお、配列方向に対する半導体レーザモジュール１０の傾斜角度は、特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。また、隣接する２つの半導体レーザモジュール１０は、互いに底板部２４及び蓋部２６の側端部を密着させて配列されていてもよいし、一定の間隔を空けて配列されていてもよい。
隣接する２つの半導体レーザモジュール１０のうち、一方の半導体レーザモジュール１０の端子部２０と、他方の半導体レーザモジュール１０の端子部２２とは、導体棒であるバスバーにより電気的に接続してもよい。バスバーの一端は、一方の半導体レーザモジュール１０の端子部２０の雌ねじ孔５２に螺合する固定ねじにより、その端子部２０に固定されて端子部２０に電気的に接続できる。バスバーの他端は、他方の半導体レーザモジュール１０の端子部２２の雌ねじ孔５２に螺合する固定ねじにより、その端子部２２に固定されて端子部２２に電気的に接続できる。こうして、複数の半導体レーザモジュール１０を直列に接続することができる。なお、複数の半導体レーザモジュール１０を電気的に接続する方法は、バスバーを用いた方法に限定されるものではなく、リード線を用いた方法等の種々の方法を用いることができる。
こうして、本実施形態による光源装置８０が構成されている。
本実施形態では、複数の半導体レーザモジュール１０を基板８２上に設置する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。複数の半導体レーザモジュール１０、基板８２のほか、設置台等の種々のベース部材の設置面上に設置することができる。
また、本実施形態では、図４に示すように、一列に配列された複数の半導体レーザモジュール１０が、その配列に対して同じ側に出力部１８を向けている場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、一列に配列された複数の半導体レーザモジュール１０が、その配列に対して一方の側と他方の側に互い違いに出力部１８を向けていてもよい。この場合、隣接する２つの半導体レーザモジュール１０におけるバスバーで接続すべき端子部２０、２２が互いに同じ側に位置するので、バスバーの長さを短縮することができ、よって、電気的な接続経路を短縮することができる。
上述のように、本実施形態による半導体レーザモジュール１０は高出力化が可能であるため、複数の半導体レーザモジュール１０を用いた光源装置８０も高出力化が可能である。
本実施形態による光源装置８０は、例えば、光ファイバレーザの励起光源として用いることができる。ここで、本実施形態による光源装置８０を励起光源として用いた光ファイバレーザについて図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による光源装置８０を励起光源として用いた光ファイバレーザを示す概略図である。
図５に示すように、本実施形態による光源装置８０を励起光源として用いた光ファイバレーザ９４は、励起光源としての光源装置８０と、光結合部としてのポンプコンバイナ９６とを有している。また、光ファイバレーザ９４は、増幅用光ファイバとしての希土類添加光ファイバ９８と、出力側光ファイバ１００とを有している。希土類添加光ファイバ９８の入力端及び出力端には、それぞれ高反射ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１０２及び低反射ＦＢＧ１０４が設けられている。
光源装置８０に含まれる複数の半導体レーザモジュール１０における出力部１８の光ファイバ６８の出力端は、複数入力１出力のポンプコンバイナ９６の複数の入力ポートにそれぞれ結合されている。ポンプコンバイナ９６の出力ポートには、希土類添加光ファイバ９８の入力端が接続されている。希土類添加光ファイバ９８の出力端には、出力側光ファイバ１００の入力端が接続されている。なお、複数の半導体レーザモジュール１０から出力されるレーザ光を希土類添加光ファイバ９８に入射させる入射部としては、ポンプコンバイナ９６に代えて他の構成を用いることもできる。例えば、複数の半導体レーザモジュール１０における出力部１８の光ファイバ６８を並べて配置し、複数の光ファイバ６８から出力されたレーザ光を、レンズを含む光学系等の入射部を用いて、希土類添加光ファイバ９８の入力端に入射させるように構成してもよい。
こうして、本実施形態による光源装置８０を励起光源として用いた光ファイバレーザ９４が構成されている。
光ファイバレーザ９４において、複数の半導体レーザモジュール１０の光ファイバ６８から出力されたレーザ光は、ポンプコンバイナ９６により結合されてその出力ポートから出力される。入射部としてのポンプコンバイナ９６は、その出力ポートから出力された励起光としてのレーザ光を、希土類添加光ファイバ９８の入力端に入射させる。希土類添加光ファイバ９８においては、高反射ＦＢＧ１０２及び低反射ＦＢＧ１０４により、希土類添加光ファイバ９８を含む共振器が形成されている。
増幅用光ファイバである希土類添加光ファイバ９８では、伝搬する励起光が、コアにドープされた希土類元素に吸収されて、基底準位と準安定準位との間に反転分布が生じて光が放出される。こうして放出された光は、希土類添加光ファイバ９８の光増幅作用と高反射ＦＢＧ１０２及び低反射ＦＢＧ１０４により構成されるレーザ共振器の作用とによってレーザ発振する。こうして、レーザ発振によりレーザ光が生じる。生じたレーザ光は、希土類添加光ファイバ９８の出力端に接続された出力側光ファイバ１００の出力端から出力される。
本実施形態では、図５に示すように、光源装置８０を光ファイバレーザ９４の励起光源として用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。光源装置８０は、波長合成を行う装置、偏波合成を行う装置等、種々の装置又はシステムの光源として用いることができる。また、光源装置８０は、ダイレクトダイオードレーザとして用いることができる。例えば、光源装置８０は、その複数の半導体レーザモジュール１０から出力されたレーザ光が入射される光学系とともに用いることができる。光学系には、集光レンズ等のレンズ、コンバイナ、ミラー等が含まれる。より具体的には、光源装置８０における複数の半導体レーザモジュール１０から出力されたレーザ光を、レンズを含む光学系により集光して出力することができる。また、光源装置８０における複数の半導体レーザモジュール１０から出力されたレーザ光を、コンバイナにより結合して出力することができる。なお、光源装置８０における複数の半導体レーザモジュール１０は、レーザ光の波長等のレーザ特性が互いに同一であっても異なっていてもよい。複数の半導体レーザモジュール１０のレーザ特性は、光源装置８０の用途に応じて適宜設定することができる。
［第２乃至４実施形態］
本発明の第２乃至４実施形態による半導体レーザモジュールについて図６乃至図８を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による半導体レーザモジュールと同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
第２乃至４実施形態による半導体レーザモジュールの構成は、アパーチャ１１１を、第２実施形態ではアパーチャ２１１に、第３実施形態ではアパーチャ３１１に、第４実施形態ではアパーチャ４１１に、それぞれ代えた以外は、第１実施形態による半導体レーザモジュール１０と同様である。
第２実施形態による半導体レーザモジュールでは、アパーチャ２１１の有するレーザ光が通過する空間が、上部に開けた矩形となっている。図６に示すように、本実施形態ではアパーチャ２１１が、集光レンズ６４と、集光レンズ６５との間に設けられているが、例えば、集光レンズ６４にレーザ光が入射する手前にアパーチャ２１１を設けることもできる。高速軸方向のレーザ光を集光する集光レンズ６４に入射する前のレーザ光は、高速軸方向に広がりを持つが、アパーチャ２１１の有する空間が矩形であることで、遅速軸方向のレーザ光を、高速軸方向の位置に関わらず同じ幅で、集光レンズ６４に導くことができる。
第３実施形態による半導体レーザモジュールでは、図７に示すように、アパーチャ３１１は直方体の部材２つで構成されている。アパーチャ３１１の有するレーザ光が通過する空間が、矩形となっている点は、第２実施形態で用いたアパーチャ２１１と同様である。また、例えば、集光レンズ６４にレーザ光が入射する手前にアパーチャ３１１を設けた場合に、遅速軸方向のレーザ光を、高速軸方向の位置に関わらず同じ幅で、集光レンズ６４に導くことができる点も、第２実施形態と同様である。アパーチャ３１１は、互いに独立した２つの部材で構成されているため、レーザ光が通過する空間の幅を、適宜変えることが可能である。さらにアパーチャ３１１を構成する部材の形状がシンプルで有り、製造に有利である。
第４実施形態による半導体レーザモジュールでは、図８に示すように、アパーチャ４１１は、レーザ光が通過する空間として矩形の孔部を構成する枠で構成された部材である。アパーチャ４１１の有するレーザ光が通過する空間が、矩形となっている点は、第２実施形態で用いたアパーチャ２１１と同様である。また、例えば、集光レンズ６４にレーザ光が入射する手前にアパーチャ４１１を設けた場合に、遅速軸方向のレーザ光を、高速軸方向の位置に関わらず同じ幅で、集光レンズ６４に導くことができる点も、第２実施形態と同様である。
第１乃至４実施形態において、アパーチャの構成の異なるものを例示したが、本発明に係るアパーチャの構成はこれらに限るものではなく、レーザ光が通過する遅速軸方向中央部の空間と、遅速軸端部に、前記空間を挟んでレーザ光の通過を妨げる部材とを有する構成となっていればよい。
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による半導体レーザモジュールについて図９及び図１０を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による半導体レーザモジュールと同様の構成については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
本実施形態による半導体レーザモジュール５１０の構成は、図９及び図１０に示すように、アパーチャ１１１と、集光レンズ６５との間に、反射ミラー５１１を有する以外は、第１実施形態による半導体レーザモジュール１０の構成と同様である。
本実施形態による半導体レーザモジュール５１０の有する反射ミラー５１１は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズによりコリメートされたレーザ光のうち、前記半導体レーザの発信波長に対して一部のレーザ光を反射する。
反射ミラー５１１は半導体レーザ素子１２と、出力部１８との間の光路上に設けられていればよいが、集光レンズ６４と、集光レンズ６５との間に設けることが好ましい。反射ミラー５１１の材料及び形状については、一般的に用いられる反射ミラーと同様でよい。また、反射ミラー５１１の有する反射率は、半導体レーザにアパーチャで制限された光を再結合させる観点から４％以上であることが好ましい。本実施形態による半導体レーザモジュール５１０の有する反射ミラー５１１は、レーザ光が照射される面がレーザ光の光軸に対して直交する向きで配置されているが、光フィルタのレーザ光照射面にレーザ光が照射される限りにおいて、レーザ光の光軸に対してその他の向きで配置されていてもよい。
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による半導体レーザモジュールについて図１１を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による半導体レーザモジュールと同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
本実施形態による半導体レーザモジュールの構成は、図１１に示すように、第５実施形態による半導体レーザモジュール５１０の反射ミラー５１１を光フィルタ６１１に置き換えたもので、他の構成要素は半導体レーザモジュール５１０の構成と同様である。
光フィルタ６１１は２枚の集光レンズ６４と６５の間に配置されており、例えば２度以上傾いていることが好ましい。光フィルタ６１１は光ファイバ６８を伝搬して外部から照射される例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍの光を反射する。この時、光フィルタ６１１が傾いていることにより、反射光は光ファイバ６８に再結合したり、光ファイバ６８を固定している接着剤などを焼損させてしまうことを防止することができる。
さらに光フィルタ６１１を２枚の集光レンズの間に配置することにより、外部から光ファイバ６８を伝搬して照射される光を光フィルタ６１１で反射した際に、光ファイバ６８付近で再集光されてしまうことを防止することができる。これによって外部からの照射光による光ファイバ固定部分などの破壊を抑制することができる。２枚の集光レンズよりも光ファイバ６８側に光フィルタ６１１を配置した場合、再集光されてしまうことは抑制できるが、光ファイバ固定部分も含めて光が照射されてしまい、好ましくない。また２枚の集光レンズの外側に光フィルタ６１１を配置した場合、１点に再集光されてしまい、光ファイバ固定部など、部品を焼損させてしまうリスクがある。したがって２枚の集光レンズの間にフィルタを傾けて配置する場合が、最大の効果を発揮することができる。
なお、第５実施形態と第６実施形態の変形例として、反射ミラー５１１と光フィルタ６１１を両方備えてもよい。この場合、アパーチャ１１１に近い側に反射ミラー５１１を、集光レンズ６５に近い側に光フィルタ６１１を配置することが好ましい。また、反射ミラー５１１と光フィルタ６１１の機能を備えた一つの部品としてもよい。
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による半導体レーザモジュールについて図１１を用いて説明する。なお、上記第１実施形態による半導体レーザモジュールと同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し又は簡略にする。
本実施形態による半導体レーザモジュール７１０の基本的構成は、第１実施形態による半導体レーザモジュール１０の構成と同様である。本実施形態による半導体レーザモジュールは、第１実施形態による半導体レーザモジュール１０の構成に加えて、さらに半導体レーザ素子１２とは異なる電子部品及びこれに対応する端子部を有している。
図１２は、本実施形態による半導体レーザモジュールを示す上面図である。
図１２に示すように、本実施形態による半導体レーザモジュール７１０は、第１実施形態による半導体レーザモジュール１０の構成に加えて、電子部品７１２と、これに対応する端子部７１４、７１６とを有している。
電子部品７１２は、底板部２４の上面上に設けられている。また、端子部７１４、７１６も、底板部２４の上面上に設けられている。
電子部品７１２は、半導体レーザ素子１２とは異なるものであり、アパーチャ１１１の、レーザ光の光軸に対する向きを調節可能にするための駆動部品である。電子部品７１２は、アパーチャ１１１の下に設置されている。電子部品７１２は、例えば、回転ステージであり、外部からの制御によりアパーチャ１１１の、レーザ光の光軸に対する向きを調節可能である。底板部２４は、電子部品７１２及び端子部７１４、７１６を設けるため、第１実施形態と比較して拡張されている。
電子部品７１２に対応する端子部７１４、７１６は、それぞれ底板部２４の電子部品７１２の近傍の領域上に設置されている。端子部７１４、７１６は、それぞれ電子部品７１２に応じた外部の回路部に電気的に接続され、電子部品７１２の機能を実現するためのものである。
端子部７１４、７１６は、それぞれ、部品接続部７２０と、部品接続部７２０と電気的に接続された外部接続部７２２とを有している。端子部７１４、７１６は、それぞれ外部との電気的な接続に際してねじを利用する接続形式のものである。端子部７１４、７１６の部品接続部７２０及び外部接続部７２２は、それぞれ端子部２０、２２の素子接続部４４及び外部接続部４６と同様の構造を有している。
各端子部７１４、７１６の部品接続部７２０は、底板部２４の上面上に設けられている。このように、各端子部７１４、７１６の一部である部品接続部７２０が、底板部２４に設けられている。各端子部７１４、７１６の部品接続部７２０は、シート状導体７２４をそれぞれ有している。シート状導体７２４は、底板部２４に平行に設けられている。シート状導体７２４は、電子部品７１２の電極に、例えばワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。
より具体的には、端子部７１４における部品接続部７２０のシート状導体７２４は、電子部品７１２の一方の電極に、ワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。また、端子部７１６における部品接続部７２０のシート状導体７２４は、電子部品７１２の他方の電極に、ワイヤボンディングによるワイヤを介して電気的に接続されている。なお、部品接続部７２０のシート状導体７２４と電子部品７１２の電極とを電気的に接続する方法は、ワイヤボンディングによる方法に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。
各端子部７１４、７１６の外部接続部７２２は、部品接続部７２０上に設けられている。各端子部７１４、７１６の外部接続部７２２は、例えば底板部２４に垂直な柱状に形成された柱状導体７２６を有している。各端子部７１４、７１６において、柱状導体７２６は、シート状導体７２４に電気的に接続されている。各柱状導体７２６は、上方に向けて開口した雌ねじ孔７２８を上端に有している。各雌ねじ孔７２８は、後述するように、外部との電気的な接続のために用いられるものである。こうして、各端子部７１４、７１６の外部接続部７２２は、端子部２０、２２の外部接続部４６と同様に、底板部２４に対して上向きに設けられている。すなわち、各端子部７１４、７１６の一部である外部接続部７２２は、底板部２４が設置されて固定される設置面とは反対側において、その設置面と反対方向に延伸するように設けられている。
各端子部７１４、７１６の外部接続部７２２は、雌ねじ孔７２８に螺合するねじ又はねじ部を利用して、外部と電気的に接続することができる。例えば、雌ねじ孔７２８に螺合するねじにより、導体棒であるバスバーを、柱状導体７２６と接触させつつ外部接続部７２２に固定し、固定したバスバーを介して外部接続部７２２を外部と電気的に接続することができる。また、雌ねじ孔７２８に螺合する雄ねじ部を有する外部端子を用い、外部端子の雄ねじ部を雌ねじ孔７２８に螺合して固定し、固定した外部端子を介して外部接続部７２２を外部と電気的に接続することができる。また、例えば丸形又は先開形の圧着端子である外部端子を、雌ねじ孔７２８に螺合する雄ねじにより、柱状導体７２６と接触させつつ外部接続部７２２に固定し、固定した外部端子を介して外部接続部７２２を外部と電気的に接続することができる。
本実施形態のように、アパーチャ１１１の、レーザ光の光軸に対する向きを調節可能にするための駆動部品である電子部品７１２を設けることで、アパーチャ１１１の有する、レーザ光が通過する空間の幅を適宜調節可能となる。すなわち、半導体レーザモジュール７１０の使用条件に対応して、半導体レーザ素子１２から出射されたレーザ光のＮＡｈを適宜所望の値に制限することが可能となる。
なお、第７実施形態の変形例として、第５実施形態および第６実施形態で示した反射ミラー５１１、光フィルタ５１２またはその両方を備えてもよい。反射ミラー５１１と光フィルタ６１１の両方を備える場合、アパーチャ１１１に近い側に反射ミラー５１１を、集光レンズ６５に近い側に光フィルタ６１１を配置することが好ましい。また、反射ミラー５１１と光フィルタ６１１の機能を備えた一つの部品としてもよい。
この出願は２０１８年２月１４日に出願された日本国特許出願第２０１８−０２４４１５号からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。
１０、５１０、７１０…半導体レーザモジュール
１２…半導体レーザ素子
１８…出力部
２０、３２０、４２０…端子部
２２、３２２、４２２…端子部
２４…底板部
８０…光源装置
８２…基板
９４…光ファイバレーザ
９６…ポンプコンバイナ
９８…希土類添加光ファイバ
１１１、２１１、３１１、４１１…アパーチャ
５１１…反射ミラー
６１１…光フィルタ
７１２…電子部品
７１４…端子部
７１６…端子部

Claims (11)

  1. 被実装面を有する被実装部材と、
    前記被実装部材の前記被実装面上に設置された複数の半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、
    前記レーザ光を集光する集光レンズと、
    集光された前記レーザ光が光結合される光ファイバと、
    を具備し、さらに
    前記レーザ光を集光する集光レンズと、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズと、の間に、前記レーザ光の遅速軸方向の光を制限するアパーチャを具備することを特徴とする半導体レーザモジュール。
  2. 前記集光レンズは１枚又は複数枚で構成されている請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
  3. 前記アパーチャは、前記集光レンズと一体、もしくは独立して構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
  4. 前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズによりコリメートされたレーザ光のうち、前記半導体レーザ素子の発信波長に対して一部の波長のレーザ光を反射する反射ミラーを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  5. 前記反射ミラーは反射率が４％以上である請求項４に記載の半導体レーザモジュール。
  6. 前記半導体レーザ素子の発振波長とは異なる波長の光を反射する光フィルタを、前記アパーチャと前記集光レンズとの間に有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  7. 前記光フィルタは、前記半導体レーザ素子から出射されるレーザ光をコリメートするレンズによりコリメートされたレーザ光の光軸に対して角度をつけて配置されてい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. 前記光フィルタは、前記半導体レーザ素子の発振波長よりも長い波長を反射することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体レーザモジュール。
  9. 前記アパーチャは、半導体レーザモジュール組み立て後に、前記レーザ光の光軸に対する向きを調節可能な機構を有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールと、
    前記半導体レーザモジュールが設置された設置面を有するベース部材と
    を有する光源装置。
  11. 請求項１０に記載の光源装置と、
    増幅用光ファイバと、
    前記光源装置の前記半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光を前記増幅用光ファイバに入射させる入射部と
    を有する光ファイバレーザ。
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