(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザを冷却する水冷ヒートシンクと、
前記半導体レーザの出射光をコリメート光に変換するＦａｓｔ軸コリメーションレンズと、
前記Ｆａｓｔ軸コリメーションレンズにより前記半導体レーザと光結合された光ファイバアレイと、
前記光ファイバアレイを保持しベースに固定された光ファイバアレイ台座と、
を有する半導体レーザモジュールであって、
前記水冷ヒートシンクは、内部に水路が設けられており、冷媒の出入り口である２つの孔を有し、
前記ベースには、前記水冷ヒートシンクの孔に対応して２つの貫通孔を形成し、
前記水冷ヒートシンクの孔と前記ベースに形成された貫通孔との結合部にＯリングを備え、
前記２つの貫通孔の中点に設けられた１本のネジによって、前記水冷ヒートシンクを、前記ベースと押え板とに挾持されるように固定し、
且つ、
前記水冷ヒートシンクと前記ベースとが接している周囲のうち少なくとも対向する２辺を接着剤で固着し、
前記接着剤は、紫外線硬化樹脂、はんだ、の中から選ばれる少なくとも一つである、
半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記ネジの固定位置と前記貫通孔の位置とを結ぶ線分の延長上に、前記接着剤で固定した辺が位置するように、前記水冷ヒートシンクの孔と前記ベースに形成された貫通孔の位置を設定した、
請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザと光学素子とを光学的に結合して光ファイバよりレーザ光を取り出す半導体レーザモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザモジュールにおいて高出力化が図られ、それに伴う発熱を効率良く排熱するための液体冷却型のヒートシンクが用いられている。
【０００３】
図８は従来技術に係る半導体レーザモジュールの構造を示す断面斜視図である。
【０００４】
半導体レーザモジュール２００では、半導体レーザ２０１とレンズ２０６と光ファイバアレイ２０７が同一光軸上に配置されており、半導体レーザ２０１は水冷ヒートシンク２１２に設置され、レンズ２０６及び光ファイバアレイ２０７はレンズ台座２０８に設置されている。さらに、水冷ヒートシンク２１２とレンズ台座２０８は半導体レーザモジュールのベース２１５の上に搭載されている。そのため、半導体レーザ２０１の高さ精度は水冷ヒートシンク２１２のベース２１５に対する高さ精度によって決定される。
【０００５】
従来の液体冷却型のヒートシンクを用いた半導体レーザモジュール２００は冷媒の漏れを防ぐためのシール材としてゴム状のＯリング２１４が採用されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／００１１３３号
【特許文献２】特開２００６−８６２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術に係る半導体レーザモジュールでは、水冷ヒートシンクと水冷ヒートシンクに冷媒を供給するための流路を備えたベースとの結合部にＯリングが用いられているため、通常、押圧しながらベースに水冷ヒートシンクを固定している。そのため押圧固定時にＯリングを十分に潰し切れず、時間が経つにつれＯリングが次第に潰され、水冷ヒートシンク上に搭載された半導体レーザの高さが変化するという現象が生じていた。
【０００８】
したがって本来同一光軸上に配置されているはずの半導体レーザとレンズと光ファイバアレイが同一光軸から逸脱してしまい、光ファイバから出力される光の特性が劣化するという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は、同一光軸上にあるべき半導体レーザとレンズと光ファイバアレイの位置関係を変化させないことを可能とし、光ファイバから出力される光の特性が劣化を防ぐことができる半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザと、前記半導体レーザを冷却する水冷ヒートシンクと、前記半導体レーザの出射光をコリメート光に変換するＦａｓｔ軸コリメーションレンズと、前記Ｆａｓｔ軸コリメーションレンズにより前記半導体レーザと光結合された光ファイバアレイと、前記光ファイバアレイを保持しベースに固定された光ファイバアレイ台座と、を有する半導体レーザモジュールであって、前記水冷ヒートシンクは、内部に水路が設けられており、冷媒の出入り口である２つの孔を有し、前記ベースには、前記水冷ヒートシンクの孔に対応して２つの貫通孔を形成し、前記水冷ヒートシンクの孔と前記ベースに形成された貫通孔との結合部にＯリングを備え、前記２つの貫通孔の中点に設けられた１本のネジによって、前記水冷ヒートシンクを、前記ベースと押え板とに挾持されるように固定し、且つ、前記水冷ヒートシンクと前記ベースとが接している周囲のうち少なくとも対向する２辺を接着剤で固着し、前記接着剤は、紫外線硬化樹脂、はんだ、の中から選ばれる少なくとも一つである、というものである。
【００１１】
好ましくは、前記ネジの固定位置と前記貫通孔の位置とを結ぶ線分の延長上に前記接着剤で固定した辺が位置するように、前記水冷ヒートシンクの孔と前記ベースに形成された貫通孔の位置を設定したものである。
【発明の効果】
【００１３】
上記の構成により、本発明に係る半導体レーザモジュールでは、光軸が調整された状態で水冷ヒートシンクとベースの位置関係が固定されることで、時間が経つにつれＯリングが次第に潰され水冷ヒートシンク上に搭載された半導体レーザの高さが変化してしまうという現象が抑制されるので、同一光軸上にあるべき半導体レーザとレンズと光ファイバアレイの位置関係を変化させないことを可能とし、光ファイバから出力される光の特性が劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す平面図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す組立断面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す側面図
【図４】本発明の実施形態における水冷ヒートシンクを中心とした分解斜視図
【図５】本発明の実施形態における水冷ヒートシンク内冷媒出入口を異なる位置に配置した一例を示す平面図
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す平面図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す側面図
【図８】従来技術に係る半導体レーザモジュールの構造を示す断面斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００１６】
（実施の形態１）
＜半導体レーザモジュールの主要構成＞
以下、図１から図３を用いて本発明の実施の形態１の全体構成を説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す平面図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す組立断面図である。図３は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す側面図である。
【００１７】
半導体レーザモジュール１００は、水冷ヒートシンク１２、絶縁テープ５、ボンド板４、Ａｕワイヤ３、サブマウント２、半導体レーザ１、押え板９、絶縁キャップ１０、ネジ１１を備えており、水冷ヒートシンク１２内に設けられた水路１３とベース１５が有する貫通孔１６はＯリング１４にてシールされ冷媒の漏出を防いでいる。
【００１８】
また、光ファイバアレイ７の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸は一致しており、光ファイバアレイ７はステンレスからなる光ファイバアレイ台座８と熱硬化樹脂（図示せず）により固定され、光ファイバアレイ台座８はベース１５と溶接により固定されている。
【００１９】
＜水冷ヒートシンクの詳細な構成＞
水冷ヒートシンク１２は構造が複雑であるため、その構造を示す分解斜視図である図４を用いて詳細を説明する。
【００２０】
図４では、部材１２ａと部材１２ｂと部材１２ｃという３つ部材により構成される水冷ヒートシンク１２と、Ｏリング１４とベース１５を示している。部材１２ａと部材１２ｂと部材１２ｃは互いに金属接合されることで一体化し水冷ヒートシンク１２を構成している。
【００２１】
サブマウント２上に実装された半導体レーザは水冷ヒートシンク１２上に搭載されている。
【００２２】
ベース１５にはＯリング用のザグリ２７が設けられ、ここにＯリング１４が据え付けられ、ベース１５とＯリング１４と水冷ヒートシンク１２と押え板９をネジ１１により一体化する。
【００２３】
ここで、押え板部ネジ孔２０ａと水冷ヒートシンク内ネジ孔２０ｂ−１と水冷ヒートシンク内ネジ孔２０ｂ−２と水冷ヒートシンク内ネジ孔２０ｂ−３とベース部ネジ孔２０ｃは水冷ヒートシンク１２とベース１５の連結用のネジ孔を構成している。ネジ孔は、Ｏリング１４の配置される貫通孔の中点に設けられている。
【００２４】
なお、このＯリングの材質として、我々はＥＰＤＭを用いたが、ＮＢＲやフッ素系ゴムなどを用いても構わない。
【００２５】
＜半導体レーザモジュールの冷却動作＞
ここで冷媒の流れを説明する。水などからなる冷媒はベース１５に備えられた貫通孔１６ａから流入し、水冷ヒートシンク構成部材１２ｃに設けられた水冷ヒートシンク内流路２１を通り、水冷ヒートシンク内冷媒拡散部２２内に拡散する。
【００２６】
次に、水冷ヒートシンク内冷媒拡散部２２内で拡散した冷媒は水冷ヒートシンク構成部材１２ｂに設けられた複数の水冷ヒートシンク内流路２３を通り、水冷ヒートシンク構成部材１２ａ設けられた水冷ヒートシンク内冷媒拡散部２４内で拡散し、水冷ヒートシンク構成部材１２ｂに設けられた水冷ヒートシンク内流路２５を通り、水冷ヒートシンク構成部材１２ｃに設けられた水冷ヒートシンク内流路２６に流入した後、ベース１５に備えられた貫通孔１６ｂに抜けて行く。
【００２７】
上述のように水冷ヒートシンク１２内を冷媒が流れることによって水冷ヒートシンク１２上に搭載された半導体レーザが冷却される。
【００２８】
そのためヒートシンク１２は伝熱性が高いものが好ましく、銅に代表されるような金属を用いて形成される。また、ヒートシンク１２と半導体レーザ１を搭載したサブマウント２は、はんだにより接合されるためヒートシンクの表面はＡｕメッキが施されている（図示しない）。
【００２９】
＜半導体レーザモジュールの組立手順＞
以下に本発明の実施の形態１の組立手順を図１から図３を用いて説明する。
【００３０】
まず、半導体レーザ１をサブマウント２上に実装し、絶縁テープ５によってボンド板４が設置された水冷ヒートシンク１２上に、半導体レーザ１が実装されたサブマウント２を実装した後、ワイヤ３によって半導体レーザ１とボンド板４を接続する。
【００３１】
次に、前述の半導体レーザ１などが設置された水冷ヒートシンク１２とベース１５を絶縁キャップ１０を介し押え板９とネジ１１により締結する。
【００３２】
なお、水冷ヒートシンク１２内に設けられた水路１３とベース１５が有する貫通孔１６はＯリング１４にてシールされ冷媒の漏出を防いでいる。
【００３３】
その後、水冷ヒートシンク１２とベース１５を紫外線硬化樹脂１７により固定する。
【００３４】
紫外線硬化樹脂１７は図１及び図３に示すような半導体レーザ１の発光面側以外の２辺に塗布し硬化させた。
【００３５】
尚、紫外線硬化樹脂１７の塗布領域は半導体レーザ１の発光面側以外であればよく、前述の２辺に加え半導体レーザ１の発光面側以外の残りの１辺にも塗布しても構わない。
【００３６】
因みにここで用いる樹脂については、紫外線硬化樹脂のみならず熱硬化樹脂を用いても構わないし、樹脂骨格としてアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂などを用いても構わないが水冷ヒートシンク１２とベース１５の界面に浸透しないような高粘度樹脂であることが望ましい。
【００３７】
一方、Ｆａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸とが一致するように位置決めをして樹脂（図示せず）によってＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６を光ファイバアレイ７に固定し、さらに光軸が一致して固定されたＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６と光ファイバアレイ７をステンレスからなる光ファイバアレイ台座８と熱硬化樹脂（図示せず）によって固定する。
【００３８】
ここで、光軸が一致して固定されたＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６と光ファイバアレイ７との光軸と、水冷ヒートシンク１２に搭載された半導体レーザ１の光軸とを一致するよう位置決めしたところで光ファイバアレイ７と一体となった光ファイバアレイ台座８とベース１５とを溶接することにより半導体レーザ１の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸は一致した状態で固定される。
【００３９】
因みに、半導体レーザ１が搭載された水冷ヒートシンク１２とベース１５と押え板９とＯリング１４とを絶縁キャップ１０を介しネジ１１により一体化した後、Ｏリング１４がネジの締結応力によって時間が経つにつれてさらに潰され水冷ヒートシンク上に搭載された半導体レーザの高さが変化する量は、Ｏリング１４の配置される貫通孔の中点にネジ孔を設けたことにより１〜３μｍ程度に抑制できる。
【００４０】
しかしながら、この数μｍの動きでも、光ファイバアレイから出力される光特性の中の特にＮＡ値に悪影響を及ぼすことが本願発明者によって分かった。そこで本発明では更に精度を向上させるために接着剤での固定を併用した。
【００４１】
＜本発明の作用＞
本実施の形態の構成において、半導体レーザモジュールとしての最終的な光の特性を決定することになる半導体レーザ１の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸との位置決め作業を行う前に、紫外線硬化樹脂１７を用いて水冷ヒートシンク１２とベース１５を固定したことにより、ベース１５と水冷ヒートシンク１２との間に存在するＯリング１４の潰れ量がネジ１１のみの締結応力でＯリングを潰した時と比べ、紫外線硬化樹脂１７の硬化収縮応力が加わった分さらに押し潰されることで本半導体レーザモジュールの水路に掛かる高水圧に耐え得ることができるようになり、且つネジ１１の締結応力と紫外線硬化樹脂１７の硬化収縮応力によりＯリングが十分に潰され樹脂にて位置固定されたことによりＯリングの変形が抑制されることで水冷ヒートシンク１２に搭載された半導体レーザの高さ変化を防ぐことが出来る。
【００４２】
変化を抑制することが可能となり、半導体レーザ１の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸を一致させたままの状態を保つことができ、光ファイバアレイから出力される光特性の変化を防ぐことが出来る。
【００４３】
故に半導体レーザ１の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸は一致したままの状態が保たれ、光ファイバアレイから出力される光特性の経時的な変化を防ぐことが出来る。
【００４４】
なお、本説明では図４にあるような水冷ヒートシンク内流路２１と水冷ヒートシンク内流路２６との両方が水冷ヒートシンクの短手方向の中央に位置するようなもので説明したが、これら水路については図５に示した水冷ヒートシンク内冷媒出入口２８のように、必ずしも水冷ヒートシンクの短手方向の中央に配置することに限定するものではない。
【００４５】
図５は本発明の実施形態における水冷ヒートシンク内冷媒出入口を異なる位置に配置した一例を示す平面図である。この例では、紫外線硬化樹脂１７を用いて水冷ヒートシンク１２とベース１５を固定する２辺が、ネジ１１の固定位置と冷媒出入口の貫通孔の位置２８とを結ぶ線分の延長上になるように、水冷ヒートシンクの孔とベースに形成された貫通孔の位置を設定した。
【００４６】
このようにすることで、ネジ１１の締結応力でＯリングを潰し紫外線硬化樹脂１７の硬化収縮応力でさらに押し潰す場合に、ネジ位置を支点、接着された辺が力点としてより効果的にＯリングを潰すことができる。
【００４７】
（実施の形態２）
本発明の半導体レーザモジュールの第２の実施形態について、図を用いて説明する。第１の実施形態と説明が重複する点については簡略化、あるいは省略し、異なる箇所について説明するものとする。また、符号については同一構成については同一の番号を付している。
【００４８】
図６は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す平面図である。図７は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成を示す側面図である。これらの図で示す半導体レーザモジュール１０１の構成において、実施の形態１と異なるのは、ベース１５の表面に必要な領域だけ部分Ａｕメッキ１９を設けた点と、Ａｕメッキされた水冷ヒートシンク１２とＡｕメッキされたベース１５をはんだ１８にて接合することにより固定した点である。
【００４９】
このように水冷ヒートシンク１２とベース１５の両方にＡｕメッキを施すことで両者を互いにはんだ１８によって接合することが可能となり、実施の形態１で示した紫外線硬化樹脂１７の硬化収縮応力と同様のはんだによる凝固収縮応力が発生し、実施の形態１の効果と同様な、効果を得る事が出来、半導体レーザ１の光軸とＦａｓｔ軸コリメーションレンズ６の光軸と光ファイバアレイ７の光軸が一致したままの状態が保たれ、光ファイバアレイから出力される光特性の経時的な変化を防ぐことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかる半導体レーザモジュールは、同一光軸上にあるべき半導体レーザとレンズと光ファイバアレイの位置関係を変化させないことを可能とし、光ファイバから出力される光の特性が劣化を防ぐことができるものであり、半導体レーザと光学素子とを光学的に結合して光ファイバよりレーザ光を取り出す半導体レーザモジュール等において有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１００    半導体レーザモジュール
１０１    半導体レーザモジュール
１０２    半導体レーザモジュール
１    半導体レーザ
２    サブマウント
３    Ａｕワイヤ
４    ボンド板
５    絶縁テープ
６    Ｆａｓｔ軸コリメーションレンズ
７    光ファイバアレイ
８    光ファイバアレイ台座
９    押え板
１０    絶縁キャップ
１１    ネジ
１２    水冷ヒートシンク
１２ａ    水冷ヒートシンク構成部材
１２ｂ    水冷ヒートシンク構成部材
１２ｃ    水冷ヒートシンク構成部材
１３    水路
１４    Ｏリング
１５    ベース
１６    貫通孔
１６ａ    貫通孔
１６ｂ    貫通孔
１７    紫外線硬化樹脂
１８    はんだ
１９    部分Ａｕメッキ
２０ａ    押え板部ネジ孔
２０ｂ    水冷ヒートシンク部ネジ孔
２０ｂ−１    水冷ヒートシンク内ネジ孔
２０ｂ−２    水冷ヒートシンク内ネジ孔
２０ｂ−３    水冷ヒートシンク内ネジ孔
２０ｃ    ベース部ネジ孔
２１    水冷ヒートシンク内流路
２２    水冷ヒートシンク内冷媒拡散部
２３    水冷ヒートシンク内流路
２４    水冷ヒートシンク内冷媒拡散部
２５    水冷ヒートシンク内流路
２６    水冷ヒートシンク内流路
２７    Ｏリング用ザグリ
２８    水冷ヒートシンク内冷媒出入口
【図１】
0006500208.tif 000002
【図２】
0006500208.tif 000003
【図３】
0006500208.tif 000004
【図４】
0006500208.tif 000005
【図５】
0006500208.tif 000006
【図６】
0006500208.tif 000007
【図７】
0006500208.tif 000008
【図８】
0006500208.tif 000009