(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ素子の放熱を確保しつつ、レーザ素子の近接配置により光ビームの広がりを抑制できるレーザ光源モジュールを提供する。【解決手段】レーザ光源モジュールは、ステム２と、ステム２に設置された２つのレーザアセンブリ１とを備える。各レーザアセンブリ１は、光軸に沿ってレーザ光を放射するマルチエミッタＬＤバーと、光軸に対して平行な搭載面を有し、搭載面にマルチエミッタＬＤバーが搭載される保持ブロックとを備える。各レーザアセンブリ１の光軸が互いに平行となるように、かつ、各レーザアセンブリ１の搭載面が互いに平行に向かい合うように、各レーザアセンブリ１が位置決めされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板に設置された第１および第２レーザアセンブリとを備え、
各レーザアセンブリは、光軸に沿ってレーザ光を放射するレーザ素子と、
該光軸に対して平行な搭載面を有し、該搭載面に前記レーザ素子が搭載される保持部材とを備え、
第１レーザアセンブリの光軸および第２レーザアセンブリの光軸が互いに平行となるように、かつ、第１レーザアセンブリの搭載面および第２レーザアセンブリの搭載面が互いに平行に向かい合うように、第１および第２レーザアセンブリが位置決めされることを特徴とするレーザ光源モジュール。
【請求項２】
前記基板には、複数のリードピンが設けられ、
前記レーザ素子と前記保持部材との間には、電気絶縁性のサブマウントが設けられ、
該サブマウントには、複数のメタライズパターンが形成され、
前記レーザ素子は、半田を用いて第１メタライズパターンと接合されており、
前記レーザ素子の駆動電極が、ワイヤを介して第２メタライズパターンと電気接続されており、
第１および第２メタライズパターンは、導体を介して第１および第２リードピンとそれぞれ電気接続されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源モジュール。
【請求項３】
前記基板には、リードピンが設けられ、
前記レーザ素子と前記保持部材との間には、電気絶縁性のサブマウントが設けられ、
該サブマウントには、メタライズパターンが形成され、
前記レーザ素子は、半田を用いて該メタライズパターンと接合されており、
前記レーザ素子の駆動電極が、ワイヤを介して前記保持部材と電気接続されており、
前記メタライズパターンは、導体を介して前記リードピンと電気接続されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源モジュール。
【請求項４】
前記レーザ素子の熱膨張係数をα１、前記サブマウントの熱膨張係数をα２、前記保持部材の熱膨張係数をα３として、α１＜α２＜α３を満たすことを特徴とする請求項２または３記載のレーザ光源モジュール。
【請求項５】
前記レーザ素子は、複数の発光点を有するレーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＤ（レーザダイオード）などのレーザ素子を複数搭載したレーザ光源モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルシネマ、プロジェクターなどの光機器は、低コスト化及び省電力性が求められる。こうした光機器の内部には、所要の光出力を得るために、光源モジュールとして複数のレーザ素子が設置される。光機器内においてモジュールからの光を結合する光ファイバ等の光学結合部材を使用することは、コストを決定する要因の１つとなる。従って、モジュール単体での光出力を高め、光機器内のレーザ素子の数を減らすことによって、光学結合部材にかかる費用を削減でき、その結果、光機器の発振出力当りのコストを低減することが可能である。そこで、単体での発振出力が高い高出力タイプの光源モジュールが要望されている。
【０００３】
従来、例えば、特許文献１，２では、ＬＤ素子を同一平面上の一軸方向に複数個並べ、２種類のレンズでファイバに結合することで高光出力を得られる構造が開示されている。しかし、発光点が一軸方向（エミッタ列と平行な方向）に広がるため、合成した光ビームの広がり角（エタンデュ）が前記方向に大きくなり、所定のＬＤ素子数を超えると、ファイバ結合時の光結合損失が増大してしまい、発光効率が低下してしまう問題がある。
【０００４】
また、特許文献３，４では、モジュール内に、複数のＬＤ素子を共通の保持部材の各側面に搭載することでに、光出力を向上させるパッケージ構造が開示されている。しかし、特許文献３，４の構造では、１つの保持部材で複数のＬＤチップを保持しているため、ＬＤチップ間の距離を縮めることができず、光ビームの広がり角（エタンデュEtendue）が一軸方向（ＬＤチップ間方向）に大きくなり、ファイバ結合時の光結合損失が増大してしまい、発光効率が低下してしまう問題が残る。
【０００５】
特許文献５では、階段状の保持部材を用いて、モジュール内に複数のＬＤチップを搭載するパッケージ構造が開示されている。しかし、階段状の保持部材により、パッケージ全体の小型化が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５８３３２号
【特許文献２】特開２００２−２０２４４２号
【特許文献３】特開平６−２２２２９６号
【特許文献４】特開２００４−０７７７７９号
【特許文献５】特開２００７−１４２４３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、レーザ素子の放熱を確保しつつ、レーザ素子の近接配置により光ビームの広がりを抑制できるレーザ光源モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ光源モジュールは、基板と、
該基板に設置された第１および第２レーザアセンブリとを備え、
各レーザアセンブリは、光軸に沿ってレーザ光を放射するレーザ素子と、
該光軸に対して平行な搭載面を有し、該搭載面に前記レーザ素子が搭載される保持部材とを備え、
第１レーザアセンブリの光軸および第２レーザアセンブリの光軸が互いに平行となるように、かつ、第１レーザアセンブリの搭載面および第２レーザアセンブリの搭載面が互いに平行に向かい合うように、第１および第２レーザアセンブリが位置決めされることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１レーザアセンブリの搭載面および第２レーザアセンブリの搭載面が互いに平行に向かい合うことによって、レーザ素子の近接配置が可能になる。そのため、各レーザ素子から放射されるレーザ光を合成した光ビームの広がり角（エタンデュ）を小さく維持することができる。その結果、出力された光ビームを光ファイバと結合させた場合、光結合損失を低減できる。
【００１０】
また、１つのレーザ素子につき１つの保持部材を設置しているため、保持部材と基板との接合面積を大きく確保でき、レーザ素子から基板まで良好な熱伝達を実現できる。そのため、レーザ素子の放熱効率が高くなり、レーザ素子の発熱による発光効率の低下を抑制できる。
【００１１】
また、第１レーザアセンブリと第２レーザアセンブリに波長帯域の異なるレーザ素子を搭載することによって、同一波長帯域を使用した場合に、２つの発振光間で生じる光の干渉による空間的なビームパワーのばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザ光源モジュールの一例を示す斜視図である。
【図２】ＬＤアセンブリの構成を示す斜視図である。
【図３】サブマウントの構成を示す斜視図である。
【図４】図１に示したレーザ光源モジュールの給電および放熱を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるレーザ光源モジュールの一例を示す斜視図である。
【図６】ＬＤアセンブリの構成を示す斜視図である。
【図７】サブマウントの構成を示す斜視図である。
【図８】図５に示したレーザ光源モジュールの給電および放熱を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ光源モジュールの一例を示す斜視図である。図２は、ＬＤアセンブリの構成を示す斜視図である。図３は、サブマウントの構成を示す斜視図である。レーザ光源モジュールは、ステム２と、２つのＬＤアセンブリ１とを備える。
【００１４】
ステム２は、ＬＤアセンブリ１の位置決め機能および放熱機能を担うものであり、平板状のステムベース２１と、ステムベース２１を貫通する複数のリードピン２２、２３とを備える。リードピン２２、２３は、ステムベース２１から電気的に絶縁されており、一般に、ステムベース２１の穴とリードピン２２、２３との隙間に低融点ガラスが充填される。ステムベース２１は、例えば、Ｃｕ等の熱伝導率の大きい材料に金メッキが施されたものであり、固定のための貫通孔が形成されている。
【００１５】
ＬＤアセンブリ１は、ＬＤ発振機能を担うものであり、図２に示すように、マルチエミッタＬＤバー１１と、サブマウント１２と、保持ブロック１３とを備える。
【００１６】
マルチエミッタＬＤバー１１は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮなどの半導体チップの端面に複数の発光点が直線状に配置されたレーザダイオードであり、各発光点からは、チップ端面に対して垂直でチップ主面と平行な光軸に沿ってレーザ光が放射される。チップの裏面には単一のコモン電極が形成され、チップの表面には各発光点に対応した複数の駆動電極が形成される。なお、マルチエミッタＬＤバー１１の代わりに、シングルエミッタＬＤを使用することも可能である。
【００１７】
サブマウント１２は、電気絶縁機能および熱伝達機能を担うものであり、図３に示すように、平板状の電気絶縁体１２ａで構成され、電気絶縁体１２ａの表面には複数のメタライズパターン１２ｂ，１２ｃが形成され、電気絶縁体１２ａの裏面には全面に渡ってメタライズパターン１２ｄが形成される。
【００１８】
保持ブロック１３は、導電機能および熱伝達機能を担うものであり、ステムベース２１と接触する下面と、この下面に対して垂直に形成された少なくとも１つの側面とを有する立体形状、例えば、直方体の形状に形成される。この側面は、レーザ素子の搭載面として機能するものであり、本実施形態では、サブマウント１２を介してマルチエミッタＬＤバー１１が搭載される。この状態でマルチエミッタＬＤバー１１の光軸は、保持ブロック１３の搭載面に対して平行で、かつ保持ブロック１３の下面およびステムベース２１の主面に対して垂直になる。
【００１９】
保持ブロック１３は、例えば、Ｃｕ等の熱伝導率の大きい材料に金メッキが施されたものであり、サブマウント１２のメタライズパターン１２ｄとは半田を用いて接合される。また、サブマウント１２のメタライズパターン１２ｂとマルチエミッタＬＤバー１１とは半田を用いて接合される。また、保持ブロック１３とステムベース２１とは半田を用いて接合されるが、この半田は、サブマウント１２の接合時に用いた半田より低い融点を有することが好ましい。
【００２０】
サブマウント１２の電気絶縁体１２ａは、熱伝導率が大きい材料、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料で形成される。この場合、半田接合時に生じる熱応力を緩和したり、温度変動に対する耐久性を確保するために、マルチエミッタＬＤバー１１の熱膨張係数をα１、サブマウント１２の熱膨張係数をα２、保持ブロック１３の熱膨張係数をα３として、α１＜α２＜α３を満たすことが好ましい。
【００２１】
サブマウント１２のメタライズパターン１２ｃとマルチエミッタＬＤバー１１の各駆動電極とは、Ａｕなどの導電性ワイヤ１４を用いて超音波振動圧着により電気接続される。
【００２２】
本実施形態において、２つのＬＤアセンブリ１は、ステムベース２１と接合する前に、マルチエミッタＬＤバー１１の光軸が互いに平行となるように、かつ、マルチエミッタＬＤバー１１の搭載面が互いに平行に向かい合うように位置決めされ、そして、最終的にステムベース２１に固定される。
【００２３】
こうした構成によりマルチエミッタＬＤバー１１の近接配置が可能になり、これにより各マルチエミッタＬＤバー１１から放射されるレーザ光を合成した光ビームの広がり角（エタンデュ）を小さく維持することができる。その結果、出力された光ビームを光ファイバと結合させた場合、光結合損失を低減できる。また、２つのレーザアセンブリに波長帯域の異なるレーザ素子を各々搭載することによって、同一波長帯域を使用した場合に、２つの発振光間で生じる光の干渉による空間的なビームパワーのばらつきを抑制することができる。
【００２４】
また、１つのマルチエミッタＬＤバー１１につき１つの保持ブロック１３を設置しているため、保持ブロック１３とステムベース２１との接合面積を大きく確保でき、マルチエミッタＬＤバー１１からステムベース２１まで良好な熱伝達を実現できる。その結果、マルチエミッタＬＤバー１１の放熱効率が高くなり、素子の発熱による発光効率の低下を抑制できる。
【００２５】
本実施形態では、各ＬＤアセンブリ１の搭載面間の中心から両側方に延長した箇所に２つのリードピン２３を設置し、そのリードピン２３の外側に２つのリードピン２２を設置している。２つのリードピン２３の間にＡｕなどの導電性リボン３をループ状に懸架し接続した後、超音波振動圧着により、ループの一部が各ＬＤアセンブリ１のサブマウント１２のメタライズパターン１２ｃとそれぞれ電気接続される。さらに、２つのリードピン２２の間にＡｕなどの導電性リボン３をループ状に懸架し接続した後、超音波振動圧着により、ループの一部が各ＬＤアセンブリ１のサブマウント１２のメタライズパターン１２ｂとそれぞれ電気接続される。
【００２６】
図４は、図１に示したレーザ光源モジュールの給電および放熱を示す構成図である。レーザ光源モジュールは、必要に応じて、各保持ブロック１３の上に、各マルチエミッタＬＤバー１１からのレーザ光を集光するレンズ４、例えば、集光レンズ、コリメートレンズなどを設置してもよく、さらに、ステムベース２１の上に各ＬＤアセンブリ１を包囲するカバー５を設置してもよい。レンズ４は、保持ブロック１３の上面に接着剤、半田等を用いて固定できる。カバー５は、使用時の発熱による結露予防のため、窒素封入の後、シーム溶接を用いて気密的に固定することが望ましい。
【００２７】
給電に関して、電源７の２つの出力端子がリードピン２２，２３とそれぞれ接続され、電源７から電流が供給されると、各マルチエミッタＬＤバー１１が通電され、各発光点からレーザ光が放射される。
【００２８】
放熱に関して、ステムベース２１の下方には、一般にはヒートシンクが設置されるが、図４に示すように、ヒートシンクの代わりに、通電による熱輸送が可能なペルチェ素子６を設置してもよい。マルチエミッタＬＤバー１１の近傍に温度センサが設けられ、温度コントローラは、温度センサからの信号に基づいてペルチェ素子６の駆動電流をフィードバック制御することによって、マルチエミッタＬＤバー１１の素子温度を所望の値に調整することができる。
【００２９】
リードピン２２、２３は、ペルチェ素子６から電気的に絶縁される。ペルチェ素子６とステムベース２１の間には、隙間による熱伝導損失を低減するため、熱伝導率の大きい弾性シートを挟むことが望ましい。
【００３０】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるレーザ光源モジュールの一例を示す斜視図である。図６は、ＬＤアセンブリの構成を示す斜視図である。図７は、サブマウントの構成を示す斜視図である。レーザ光源モジュールは、ステム２Ａと、２つのＬＤアセンブリ１Ａとを備える。
【００３１】
ステム２Ａは、ＬＤアセンブリ１Ａの位置決め機能および放熱機能を担うものであり、平板状のステムベース２１Ａと、ステムベース２１Ａを貫通する複数のリードピン２２Ａとを備える。リードピン２２Ａは、ステムベース２１Ａから電気的に絶縁されており、一般に、ステムベース２１Ａの穴とリードピン２２Ａとの隙間に低融点ガラスが充填される。ステムベース２１Ａは、例えば、Ｃｕ等の熱伝導率の大きい材料に金メッキが施されたものであり、固定のための貫通孔が形成されている。
【００３２】
ＬＤアセンブリ１Ａは、ＬＤ発振機能を担うものであり、図６に示すように、マルチエミッタＬＤバー１１と、サブマウント３２と、保持ブロック１３とを備える。
【００３３】
マルチエミッタＬＤバー１１は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮなどの半導体チップの端面に複数の発光点が直線状に配置されたレーザダイオードであり、各発光点からは、チップ端面に対して垂直でチップ主面と平行な光軸に沿ってレーザ光が放射される。チップの裏面には単一のコモン電極が形成され、チップの表面には各発光点に対応した複数の駆動電極が形成される。なお、マルチエミッタＬＤバー１１の代わりに、シングルエミッタＬＤを使用することも可能である。
【００３４】
サブマウント３２は、電気絶縁機能および熱伝達機能を担うものであり、図７に示すように、平板状の電気絶縁体３２ａで構成され、電気絶縁体３２ａの表面にはメタライズパターン３２ｂが形成され、電気絶縁体３２ａの裏面には全面に渡ってメタライズパターン３２ｄが形成される。
【００３５】
保持ブロック１３は、導電機能および熱伝達機能を担うものであり、ステムベース２１Ａと接触する下面と、この下面に対して垂直に形成された少なくとも１つの側面とを有する立体形状、例えば、直方体の形状に形成される。この側面は、レーザ素子の搭載面として機能するものであり、本実施形態では、サブマウント３２を介してマルチエミッタＬＤバー１１が搭載される。この状態でマルチエミッタＬＤバー１１の光軸は、保持ブロック１３の搭載面に対して平行で、かつ保持ブロック１３の下面およびステムベース２１Ａの主面に対して垂直になる。
【００３６】
保持ブロック１３は、例えば、Ｃｕ等の熱伝導率の大きい材料に金メッキが施されたものであり、サブマウント３２のメタライズパターン３２ｄとは半田を用いて接合される。また、サブマウント３２のメタライズパターン３２ｂとマルチエミッタＬＤバー１１とは半田を用いて接合される。また、保持ブロック１３とステムベース２１Ａとは半田を用いて接合されるが、この半田は、サブマウント３２の接合時に用いた半田より低い融点を有することが好ましい。
【００３７】
サブマウント３２の電気絶縁体３２ａは、熱伝導率が大きい材料、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料で形成される。この場合、半田接合時に生じる熱応力を緩和したり、温度変動に対する耐久性を確保するために、マルチエミッタＬＤバー１１の熱膨張係数をα１、サブマウント３２の熱膨張係数をα２、保持ブロック１３の熱膨張係数をα３として、α１＜α２＜α３を満たすことが好ましい。
【００３８】
本実施形態では、保持ブロック１３とマルチエミッタＬＤバー１１の各駆動電極とは、Ａｕなどの導電性ワイヤ１４を用いて超音波振動圧着により電気接続される。保持ブロック１３を配線部材として利用することにより、導電性リボンによる配線数を減らすことが可能であり、パッケージ内の単純化と配線にかかるコストを低減できる。
【００３９】
本実施形態において、２つのＬＤアセンブリ１Ａは、ステムベース２１Ａと接合する前に、マルチエミッタＬＤバー１１の光軸が互いに平行となるように、かつ、マルチエミッタＬＤバー１１の搭載面が互いに平行に向かい合うように位置決めされ、そして、最終的にステムベース２１Ａに固定される。
【００４０】
こうした構成によりマルチエミッタＬＤバー１１の近接配置が可能になり、これにより各マルチエミッタＬＤバー１１から放射されるレーザ光を合成した光ビームの広がり角（エタンデュ）を小さく維持することができる。その結果、出力された光ビームを光ファイバと結合させた場合、光結合損失を低減できる。また、２つのレーザアセンブリに波長帯域の異なるレーザ素子を各々搭載することによって、同一波長帯域を使用した場合に、２つの発振光間で生じる光の干渉による空間的なビームパワーのばらつきを抑制することができる。
【００４１】
また、１つのマルチエミッタＬＤバー１１につき１つの保持ブロック１３を設置しているため、保持ブロック１３とステムベース２１Ａとの接合面積を大きく確保でき、マルチエミッタＬＤバー１１からステムベース２１Ａまで良好な熱伝達を実現できる。その結果、マルチエミッタＬＤバー１１の放熱効率が高くなり、素子の発熱による発光効率の低下を抑制できる。
【００４２】
本実施形態では、各ＬＤアセンブリ１Ａの搭載面から両側方に延長した箇所に４つのリードピン２２Ａを設置している。片側２つのリードピン２２Ａの間にＡｕなどの導電性リボン３Ａを懸架し接続した後、超音波振動圧着により、ループの一部が一方のＬＤアセンブリ１のサブマウント３２のメタライズパターン３２ｂとそれぞれ電気接続される。さらに、もう片側２つのリードピン２２Ａの間にＡｕなどの導電性リボン３Ａを懸架し接続した後、超音波振動圧着により、ループの一部が他方のＬＤアセンブリ１のサブマウント３２のメタライズパターン３２ｂとそれぞれ電気接続される。
【００４３】
図８は、図５に示したレーザ光源モジュールの給電および放熱を示す構成図である。レーザ光源モジュールは、必要に応じて、各保持ブロック１３の上に、各マルチエミッタＬＤバー１１からのレーザ光を集光するレンズ４、例えば、集光レンズ、コリメートレンズなどを設置してもよく、さらに、ステムベース２１Ａの上に各ＬＤアセンブリ１を包囲するカバー５を設置してもよい。レンズ４は、保持ブロック１３の上面に接着剤、半田等を用いて固定できる。カバー５は、使用時の発熱による結露予防のため、窒素封入の後、シーム溶接を用いて気密的に固定することが望ましい。
【００４４】
給電に関して、電源７の２つの出力端子がリードピン２２Ａおよびステムベース２１Ａとそれぞれ接続され、電源７から電流が供給されると、各マルチエミッタＬＤバー１１が通電され、各発光点からレーザ光が放射される。
【００４５】
放熱に関して、ステムベース２１の下方には、一般にはヒートシンクが設置されるが、図８に示すように、ヒートシンクの代わりに、通電による熱輸送が可能なペルチェ素子６を設置してもよい。マルチエミッタＬＤバー１１の近傍に温度センサが設けられ、温度コントローラは、温度センサからの信号に基づいてペルチェ素子６の駆動電流をフィードバック制御することによって、マルチエミッタＬＤバー１１の素子温度を所望の値に調整することができる。
【００４６】
リードピン２２Ａは、ペルチェ素子６から電気的に絶縁される。ペルチェ素子６とステムベース２１Ａの間には、隙間による熱伝導損失を低減するため、熱伝導率の大きい弾性シートを挟むことが望ましい。また、ステムベース２１Ａとペルチェ素子６の間には、電気絶縁を確保するために電気絶縁板８を介在させる。この電気絶縁板８は、熱伝導率の大きい材料が好ましい。
【符号の説明】
【００４７】
１，１Ａ  ＬＤアセンブリ、  ２，２Ａ  ステム、  ３，３Ａ  導電性リボン、
４  レンズ、  ５  カバー、  ６  ペルチェ素子、  ７  電源、
８  電気絶縁板、  １１  マルチエミッタＬＤバー、
１２，３２  サブマウント、  １２ａ，３２ａ  電気絶縁体、
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，３２ｂ，３２ｄ  メタライズパターン、
１３  保持ブロック、  １４  導電性ワイヤ、  ２１，２１Ａ  ステムベース、
２２，２３，２２Ａ  リードピン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015213109.tif 000006
【図５】
2015213109.tif 000007
【図６】
2015213109.tif 000008
【図７】
2015213109.tif 000009
【図８】
2015213109.tif 000010