JP5174831B2

JP5174831B2 - レーザ光源装置

Info

Publication number: JP5174831B2
Application number: JP2009547855A
Authority: JP
Inventors: 慎一大江; 基亮玉谷; 中村　　聡; 圭一福田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: WO2009084112A1; JPWO2009084112A1; US20100260218A1; CN101897088A; KR20100086074A; US8553738B2; CA2710955C; KR101143739B1; EP2226909A1; EP2226909A4; CA2710955A1

Description

本発明は、レーザ光源装置に関するものである。

従来、半導体レーザ装置においては、半導体チップ等とサブマウントとを接着接合させる際に、接合剤を用いていた。そして半導体チップを接着接合させる場合に、所定方向への接合剤のはみだしを制御するために、半導体チップ接着面の大きさを半導体チップより小さく、かつ傾斜を有するように窪みを設けたサブマウントを用いていた。これにより半導体チップ接合時にはみ出した接合剤は、傾斜をつたい流れ、また窪みに溜まるため、接着材の半導体チップ光学面へのはみ出し・這い上がりが防止されていた（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８３４３９号公報

しかしながら、光源用レーザのように複数の光学素子をバットジョイントで光学的に直接結合させるためには光学素子同士を数１０μｍまで近接させる必要がある。この場合には、上記従来のサブマウントのように傾斜をつけたり、はみ出した接合剤が流れて溜まるように凹形状を付与させることは寸法的、形状的に困難であるといった問題があった。さらに、微小量の接合剤がヒートシンク端面へはみ出すことにより、光学素子同士を近接する際に機械的な干渉を生じさせて、十分な光学特性を得ることができる光学素子同士の接合ができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、組み立て時の余分な接合剤に起因する光学特性の低下が防止された、高品質の光学特性を備えたレーザ光源装置を得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、本発明にかかるレーザ光源装置は、光学素子と、前記光学素子がサブマウントを介してまたは直接に接合された複数のヒートシンクと、を有し、前記光学素子同士が光学的に直接接合するように前記複数のヒートシンク同士が接合剤により接合されたレーザ光源装置であって、前記光学素子もしくは前記サブマウントにおける前記ヒートシンクと接合する接合面、または前記ヒートシンクにおける前記光学素子もしくは前記サブマウントと接合する接合面のいずれか一方の接合面に、前記レーザ光源装置におけるレーザ光の光軸と略直交する方向に延在する溝部を有すること、を特徴とする。

この発明によれば、光学素子もしくはサブマウントにおけるヒートシンクと接合する接合面、またはヒートシンクにおける光学素子もしくはサブマウントと接合する接合面のいずれか一方の接合面に、前記レーザ光源装置におけるレーザ光の光軸と略直交する方向に延在する溝部を有することにより、ヒートシンクの接合面において接合剤がレーザ光の光軸方向へはみ出すことを抑制できる。これにより、はみ出した接合剤に起因した、光学素子同士をバットジョイントで光学的に直接結合させるために光学素子同士を近接させる際に、はみ出した接合剤に起因して生じる機械的な干渉を抑制できる。したがって、この発明によれば、組み立て時の余分な接合剤のはみ出しに起因する光学特性の低下を防止し、高品質の光学特性を有するレーザ光源装置を実現することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ光源装置である光モジュールの概略構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態１にかかる光モジュールを構成するサブマウントを単体で示す斜視図である。図３は、スリット状の凹部が設けられていないサブマウントを接合剤によりヒートシンクに接合した状態を説明する斜視図である。図４は、本発明の実施の形態１にかかるサブマウントを接合剤によりヒートシンクに接合した状態を説明する斜視図である。

符号の説明

１半導体レーザチップ
２ヒートシンクＡ
３固体レーザ
４ヒートシンクＢ
５波長変換素子
６ヒートシンクＣ
７接合剤
８サブマウントＡ
９サブマウントＢ
１０サブマウントＣ
１１凹部
１２接合剤
１３従来のサブマウント

以下に、本発明にかかるレーザ光源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ光源装置である光モジュールの概略構成を示す断面図である。実施の形態１にかかる光モジュールは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）を励起源とするＬＤ励起固体レーザ光源である。

実施の形態１にかかる光モジュールは、図１に示すように光学素子として半導体レーザチップ１と固体レーザ３と波長変換素子５とを備える。半導体レーザチップ１は、当該半導体レーザチップ１における熱を拡散させるために、図１に示すようにサブマウントＡ８を介して接合剤によりヒートシンクＡ２に接着固定されている。固体レーザ３は、当該固体レーザ３における熱を拡散させるために、図１に示すようにサブマウントＢ９を介して接合剤によりヒートシンクＢ４に接着固定されている。波長変換素子５は、当該波長変換素子５における熱を拡散させるために、図１に示すようにサブマウントＣ１０を介して接合剤によりヒートシンクＣ６に接着固定されている。

ここで、各光学素子と各ヒートシンクとは、ヒートシンクの端面（側面）と、そのヒートシンクに搭載されている光学素子の端面（側面）とが、ほぼ面一になるようにサブマウントを介して各ヒートシンクに接着固定されている。すなわち、半導体レーザチップ１の固体レーザ３側の端面（側面）は、当該半導体レーザチップ１がサブマウントＡ８を介して搭載されているヒートシンクＡ２の固体レーザ３側の端面（側面）とほぼ面一になるように構成されている。

また、固体レーザ３の半導体レーザチップ１側の端面（側面）は、当該固体レーザ３がサブマウントＢ９を介して搭載されているヒートシンクＢ４の半導体レーザチップ１側の端面（側面）とほぼ面一になるように構成されている。そして、固体レーザ３の波長変換素子５側の端面（側面）は、当該固体レーザ３がサブマウントＢ９を介して搭載されているヒートシンクＢ４の波長変換素子５側の端面（側面）とほぼ面一になるように構成されている。

また、波長変換素子５の固体レーザ３側の端面（側面）は、当該波長変換素子５がサブマウントＣ１０を介して搭載されているヒートシンクＣ６の固体レーザ３側の端面（側面）とほぼ面一になるように構成されている。

また、ヒートシンクＡ２とヒートシンクＢ４とは接合剤７を介して接合されており、ヒートシンクＢ４とヒートシンクＣ６とは接合剤を介して接合されている。各々の光学素子同士（半導体レーザチップ１と固体レーザ３、固体レーザ３と波長変換素子５）は、バッドジョイントにより光学的に直接結合されており、光学特性を十分得るために各光学素子の端面間の距離を数十μｍまで近接させた状態で各ヒートシンクを接合した構成となっている。

この光モジュールでは、半導体レーザチップ１から固体レーザ３にレーザ光が入射され、さらに増幅されたレーザ光が固体レーザ３から波長変換素子５に入射され、波長変換されて波長変換素子５から出射される。このときのレーザ光の光軸を図１においてＬ（Ｘ方向）で示す。

サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面の幅（図１のＸ方向）は、ヒートシンクＢ４の幅よりも短く構成されている。また、サブマウントＢ９の裏面（サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面）には、当該接合面と略水平方向であって、上記のレーザ光の光軸Ｌの方向に対して略直交する方向に延在する溝部としてスリット状の凹部１１が設けられている。なお、本発明におけるこの溝部は、サブマウントＢ９におけるヒートシンクＡ２側およびヒートシンクＣ６側の端面（側面）に開口を有さない溝部である。

図２は、本実施の形態にかかる光モジュールに用いたサブマウントＢ９を単体で示す斜視図である。このスリット状の凹部１１は、サブマウントＢ９とヒートシンクＢ４とを接合剤により接合する際に、余分な接合剤がヒートシンクＢ４の接合面上に溢れ出し、さらにヒートシンクＢ４におけるヒートシンクＡ２側およびヒートシンクＣ６側の端面（側面）に流れ落ちることを防止するために設けられている。すなわち、本実施の形態にかかる光モジュールでは、サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４とを接合するための接合剤のうち余分な接合剤がこのスリット状の凹部１１に溜まることで、余分な接合剤がヒートシンクＢ４の接合面に溢れ出し、さらにヒートシンクＢ４におけるヒートシンクＡ２側およびヒートシンクＣ６側の端面（側面）に流れ落ちることが防止されている。

図３は、スリット状の凹部１１が設けられていない従来のサブマウント１３を接合剤によりヒートシンクＢ４に接合した状態を説明する斜視図である。この場合は、サブマウント１３にはスリット状の凹部１１が設けられていないため、サブマウント１３とヒートシンクＢ４とを接合する接合剤のうち、余分な接合剤１２がヒートシンクＢ４の接合面上に溢れ出し、さらにヒートシンクＢ４の端面（側面）に流れ落ちる。そして、光学素子同士を近接させてヒートシンクＢ４をヒートシンクＡ２やヒートシンクＣ６と接合させる際には、このヒートシンクＢ４の端面（側面）に流れ落ちた余分な接合剤１２によりヒートシンクＡ２やヒートシンクＣ６との機械的な干渉が発生し、光学素子同士の所望の光学特性を有する接合ができなくなる。

一方、本実施の形態においては、サブマウントＢ９にスリット状の凹部１１が設けられているため、図４に示すように、接合剤のうち余分な接合剤１２はサブマウントＢ９内においてスリット状の凹部１１に沿って光軸Ｌと略直行する方向に流れることとなる。図４は、本実施の形態にかかるサブマウントＢ９を接合剤によりヒートシンクＢ４に接合した状態を説明する斜視図である。

このように接合剤１２をサブマウントＢ９における光軸Ｌ方向側の端面（側面）にはみ出させないことで、各々の光学素子がバッドジョイントにより光学的に効率良く結合することができる。また、サブマウントＢ９の幅（Ｘ方向）の大きさを限りなく固体レーザ３の幅（Ｘ方向）の大きさと同じ大きさにすることが可能となる。これにより、固体レーザ３が発する熱を効率よくヒートシンクＢ４に伝えて拡散させることができる。

サブマウントＢ９にスリット状の凹部１１を形成する方法としては、機械加工、溝部の壁となる部分をめっきやエッチングを用いて形成する方法などがある。

また、本実施の形態においては、サブマウントＢ９にスリット状の凹部１１を形成しているが、隣接するサブマウント（サブマウントＡ８とサブマウントＢ９、サブマウントＢ９とサブマウントＣ１０）のうち少なくとも一方のサブマウントにスリット状の凹部１１が設けられる。さらに、隣接するサブマウント（サブマウントＡ８とサブマウントＢ９、サブマウントＢ９とサブマウントＣ１０）のうち、両方のサブマウントにスリット状の凹部１１を設けることが好ましい。

以上のように構成された本実施の形態にかかる光モジュールの作製方法について説明する。まず、半導体レーザチップ１をサブマウントＡ８を介して接合剤によりヒートシンクＡ２に接着固定する。また、固体レーザ３をサブマウントＢ９を介して接合剤によりヒートシンクＢ４に接着固定し、波長変換素子５をサブマウントＣ１０を介して接合剤によりヒートシンクＣ６に接着固定する。

つぎに、半導体レーザチップ１が接合されているヒートシンクＡ２に、固体レーザ３が接合されているヒートシンクＢ４を接合剤７を介して接合する。その後、波長変換素子５が接合されているヒートシンクＣ６をヒートシンクＢ４に接合剤７を介して接合する。このとき、各々の光学素子同士（半導体レーザチップ１と固体レーザ３、固体レーザ３と波長変換素子５）は、バッドジョイントにより光学的に直接結合して光学特性を十分得るために各光学素子の端面間の距離を数十μｍまで近接させた状態で各ヒートシンクを接合する。

上述したように、本実施の形態にかかる光モジュールにおいては、サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面に、当該接合面と略水平方向であって自装置におけるレーザ光の光軸Ｌの方向に対して略直交する方向に延在するスリット状の凹部１１が設けられている。このため、サブマウントＢ９とヒートシンクＢ４とを接合する接合剤のうち余分な接合剤１２はサブマウントＢ９内においてスリット状の凹部１１に沿って光軸Ｌと略直行する方向に流れる。これにより、サブマウントＢ９における光軸Ｌ方向側の端面（側面）に余分な接合剤１２がはみ出すことが無く、各々の光学素子をバッドジョイントにより光学的に効率良く結合することができる。したがって、本実施の形態にかかる光モジュールによれば、組み立て時の余分な接合剤に起因する光学特性の低下が防止された、高品質の光学特性を有するレーザ光源装置を実現することができる。

また、サブマウントＢ９の幅（Ｘ方向）の大きさを限りなく固体レーザ３の幅（Ｘ方向）の大きさと同じ大きさにすることが可能となる。これにより、固体レーザ３が発する熱を効率よくヒートシンクＢ４に伝えて拡散させることができる。また、接合剤１２の流れる方向を制御することで、光モジュールの小型化も可能となる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１においては、サブマウントＢの裏面（サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面）に溝部としてスリット状の凹部１１を設けた場合について説明したが、光学的性能に問題が無ければ、光学素子自体の裏面に上記と同様に溝部を設け、サブマウントを介さずにヒートシンクへ直接接合してもよい。この構成によれば、光モジュールの部品点数を削減することができ、組立作業を簡素化するとともにコストを削減することができる。

実施の形態３．
上述した実施の形態１においては、サブマウントＢの裏面（サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面）に溝部としてスリット状の凹部１１を設けた場合について説明したが、溝部の形状はサブマウントＢ９とヒートシンクＢ４とを接合する際に発生する余分な接合剤１２の流れる方向を制御し、光軸Ｌと略直交方向に流すことができる形状であればどのような形状であってもよく、たとえば三角溝等の溝部を設けてもよい。このような三角溝等の溝部をサブマウントＢ９に形成する方法としては、機械加工、溝部の壁となる部分をめっきやエッチングを用いて形成する方法などがある。

実施の形態４．
上述した実施の形態１においては、サブマウントＢの裏面（サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面）にスリット状の凹部１１を設けた場合について説明したが、ヒートシンクＢ４のサブマウントＢ９との接合面に、溝部として光軸Ｌに対して略直交する方向にスリット状の凹部を形成してもよい。この場合も、サブマウントＢの裏面（サブマウントＢ９のヒートシンクＢ４との接合面）に溝部としてスリット状の凹部１１を設けた場合と同じ効果を得ることができる。

また、この場合も、溝部の形状はサブマウントＢ９とヒートシンクＢ４とを接合する際に発生する余分な接合剤１２の流れる方向を制御し、光軸Ｌと略直交方向に流すことができる形状であればどのような形状であってもよく、たとえば三角溝等の溝部を設けてもよい。

このような三角溝等の溝部をサブマウントＢ９やヒートシンクＢ４に形成する方法としては、機械加工、溝部の壁となる部分をめっきやエッチングを用いて形成する方法などがある。

以上のように、本発明にかかるレーザ光源装置は、複数の光学素子をバットジョイントで光学的に直接結合させたレーザ光源装置に有用である。

Claims

光学素子と、
前記光学素子がサブマウントを介してまたは直接に接合された複数のヒートシンクと、を有し、前記光学素子同士が光学的に直接接合するように前記複数のヒートシンク同士が接合剤により接合されたレーザ光源装置であって、
前記光学素子もしくは前記サブマウントにおける前記ヒートシンクと接合する接合面、または前記ヒートシンクにおける前記光学素子もしくは前記サブマウントと接合する接合面のいずれか一方の接合面に、前記レーザ光源装置における光の光軸と略直交する方向に延在する溝部を有すること、
を特徴とするレーザ光源装置。
前記溝部は、隣接するサブマウントのうち少なくとも１つのサブマウントに設けられていること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。