(57)【要約】 【課題】  レーザモジュールにおいて、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みを安定的に抑制し、モジュールを構成する光学系の位置精度を良好とする。【解決手段】  レーザモジュール１は、板状のパッケージベース２１と、パッケージベース２１に熔接固定された筒状のパッケージフレーム２２と、パッケージフレーム２２に固定され、透光性窓２３ａが取り付けられたパッケージリッド２３とからなるパッケージ２０の内部に、複数のレーザ素子１１が、透光性窓２３ａに向けて光を出射するようパッケージベース２１に固定されて気密封止されたレーザパッケージ１０を備えたものであり、パッケージベース２１の板厚をＴ１（ｍｍ）とし、パッケージフレーム２２の高さをＴ２（ｍｍ）としたとき、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足するものである。【選択図】  図２
2007067271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの板厚をＴ１（ｍｍ）とし、前記パッケージフレームの高さをＴ２（ｍｍ）としたとき、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足することを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの底面における、前記パッケージベースと前記パッケージフレームとの熔接で発生した最大熔接歪みが、１．０μｍ以下であることを特徴とするレーザモジュール。
【請求項３】
前記レーザパッケージは、前記パッケージの内部に、前記複数のレーザ素子と、該複数のレーザ素子からの出射光を平行光束化する複数のコリメートレンズとが気密封止されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、該集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記パッケージベースの主成分がＣｕＷ合金であり、前記パッケージフレームの主成分がＦｅＮｉＣｏ合金及び／又はＦｅＮｉ合金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モジュール。
【請求項６】
前記レーザ素子の発振波長が３５０〜５００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザ素子がパッケージ内に気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールに係り、特に、そのレーザパッケージ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び２には、光出射用の透光性窓を備えたパッケージ内にレーザ素子が気密封止されたレーザパッケージと、レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとがユニット化された、いわゆるピッグテール型のレーザモジュールが開示されている。
【０００３】
レーザ素子を気密封止する上記パッケージとしては、板状のパッケージベースと、パッケージベースに固定された筒状のパッケージフレームと、パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージが広く使用されている。一般に、レーザ素子は放熱ブロックに実装された形態で、透光性窓に向けて光を出射するようパッケージベースに固定されて、パッケージ内に気密封止される。
【０００４】
レーザ素子としては、従来、発振波長９８０ｎｍ／出力９０ｍＷの赤外半導体レーザ素子など、比較的低出力のレーザ素子が用いられていたが、より高出力、例えば出力３５０〜５００ｍＷのＧａＮ系等の紫外半導体レーザ素子（ブロードエリア半導体レーザ素子）を用いることが検討されている。さらに、１個のパッケージ内に複数の高出力レーザ素子を気密封止し、複数のレーザ素子からの出射光を合波して光ファイバに入射させ、高輝度光を出力する合波レーザモジュールが検討されている。
【特許文献１】特開2004-288879号公報
【特許文献２】特開平7-168064号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記レーザパッケージにおいては、気密封止のために、パッケージベースとパッケージフレームとを抵抗熔接（シーム熔接）等により熔接固定することがなされている。熔接固定では、熔接に伴う局所的な熱塑性変化によって、パッケージベースに僅かながらも歪みが発生することがある。本発明者は、高出力レーザ素子用の汎用パッケージでは、最大で３〜６μｍ程度の熔接歪みが発生することを見出している（図４の比較例を参照）。
【０００６】
１個のレーザ素子を用いるレーザモジュールでは、パッケージベースとパッケージフレームとを熔接固定してから、熔接歪みを考慮した上で、レーザ素子をパッケージベースに固定することができる。
【０００７】
これに対して、複数のレーザ素子を用いる合波レーザモジュールでは、工程容易性から、パッケージベースに複数のレーザ素子を固定した後、パッケージベースとパッケージフレームとを熔接固定して、気密封止することが好ましい。かかる手順では、個々のレーザ素子の出射光の出射方向が、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みによって、パッケージベースへの取付け時とは僅かながらもずれてしまう。すなわち、ある光学設計でレーザ素子をパッケージベースに固定したにもかかわらず、取付け後に個々のレーザ素子の出射光の出射方向が、それぞれ光学設計から僅かながらもずれてしまう。複数のレーザ素子からの出射方向がそれぞれ光学設計からずれると、複数のレーザ素子からの出射方向がばらつくことになり、光学精度に影響を与える恐れがある。
【０００８】
また、複数のレーザ素子からの出射光を合波して光ファイバに入射する合波レーザモジュールでは、高輝度出力を得るために、例えば、８個等の複数のレーザ素子からの出射光が束ねられたビーム径の大きい光束が、集光光学系を介して集光されて、コア径５０〜６０μｍ等の小コア径の光ファイバに入射される。かかる合波レーザモジュールでは、１個のレーザ素子を用いるレーザモジュールに比して、集光光学系として高倍率の拡大光学系を用いる必要があるため、熔接歪みによる個々のレーザ素子の出射光の出射方向の光学設計からのずれによる光ファイバの光入射面上における集光点の位置ずれが無視できないレベルとなり、光ファイバのコアに入射する光量が低下する恐れがある。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みが安定的に抑制され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好なレーザモジュールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザモジュールは、板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの板厚をＴ１（ｍｍ）とし、前記パッケージフレームの高さをＴ２（ｍｍ）としたとき、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足することを特徴とするものである。
【００１１】
上記構成の本発明のレーザモジュールによれば、板状のパッケージベースと、該パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、該パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、前記透光性窓に向けて光を出射するよう前記パッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールにおいて、
前記パッケージベースの底面における、前記パッケージベースと前記パッケージフレームとの熔接で発生した最大熔接歪みが、１．０μｍ以下であることを特徴とするレーザモジュールを実現することができる。
【００１２】
本明細書において、「レーザ素子のパッケージベースへの固定」は、直接固定だけでなく、放熱ブロック等を介した固定も含まれる。
【００１３】
「パッケージベースの底面」は、パッケージベースのレーザ素子を取り付ける側と反対側の面を意味するものとする。また、「パッケージベースの底面における最大熔接歪み」は、パッケージベースの底面の表面粗さを、（株）ミツトヨ社製３次元非接触式表面粗さ計「QV404-PR06F」にて計測し、熔接前のデータを差し引いて得られるデータ（図４参照）から求めるものとする。
【００１４】
本発明のレーザモジュールは、前記レーザパッケージが、前記パッケージの内部に、前記複数のレーザ素子と、該複数のレーザ素子からの出射光を平行光束化する複数のコリメートレンズとが気密封止された構造を有するモジュールに好ましく適用できる。
【００１５】
本発明のレーザモジュールにおいては、前記レーザパッケージからの出射光を集光する集光光学系と、該集光光学系により集光された光が入射する光ファイバとをさらに備えた構成が好ましい。
【００１６】
本発明のレーザモジュールにおいて、前記パッケージベースの主成分としてはＣｕＷ合金が挙げられ、前記パッケージフレームの主成分としてはＦｅＮｉＣｏ合金及び／又はＦｅＮｉ合金が挙げられる。
【００１７】
ここで、パッケージベースあるいはパッケージフレームが、上記合金を「主成分とする」とは、上記合金の物性（例えば熱伝導率）がレーザモジュールの組立てに対して実質的に影響を与えない程度まで、上記合金が含まれていることを意味する。ＦｅＮｉＣｏ合金の組成としては、Ｎｉ２９質量％／Ｃｏ１６質量％が好ましい。
【００１８】
本発明のレーザモジュールは、前記レーザ素子の発振波長が３５０〜５００ｎｍの範囲にある系などに好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のレーザモジュールは、パッケージベースの板厚をＴ１（ｍｍ）とし、パッケージフレームの高さをＴ２（ｍｍ）としたとき、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足することを特徴とするものである。本発明者は、かかる構成とすることで、パッケージベースの底面における、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接で発生する最大熔接歪みを、１．０μｍ以下に安定的に抑制できることを見出している。
【００２０】
本発明によれば、パッケージベースとパッケージフレームとの熔接歪みを安定的に抑制することができるので、気密封止前のレーザ素子の出射光の出射方向が気密封止後にも高精度に維持され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好なレーザモジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザモジュールについて説明する。図１は、レーザモジュールをなす後記レーザパッケージのパッケージベースとパッケージフレームとを取り出して示す斜視図及び上面図である。図２及び図３は各々、レーザモジュール全体のモジュール中心軸を通るｘ方向断面図及びｙ方向断面図である。図中、ｘ〜ｚ軸は便宜上付したものである。
【００２２】
本実施形態は、レーザ素子１１を気密封止するパッケージ２０の寸法を特定したことが特徴的である。
【００２３】
（全体構造）
本実施形態のレーザモジュール１はいわゆるピッグテール型の合波レーザモジュールであり、光源である複数のレーザ素子１１が気密封止されたレーザパッケージ１０を含むレーザユニット２と、レーザパッケージ１０からの出射光Ｌを集光する集光レンズ（集光光学系）４１、４２を含む集光光学系ユニット３と、集光光学系ユニット３により集光された光Ｌが入射する光ファイバ５１を含む光ファイバユニット４とがユニット化されたモジュールである。
【００２４】
レーザパッケージ１０は、パッケージ２０内に、複数のレーザ素子１１と複数のレーザ素子１１からの出射光を平行光束化する複数のコリメートレンズ１４とが気密封止されたものである。パッケージ２０は、パッケージベース２１と、パッケージベース２１に熔接固定されたパッケージフレーム２２と、パッケージフレーム２２に固定され、透光性窓２３ａが取り付けられたパッケージリッド２３とから構成されている。
【００２５】
パッケージベース２１は、ｙ方向がｘ方向よりも長い略矩形の板状部材であり、パッケージフレーム２２は、一辺の長さがパッケージベース２１のｘ方向の長さと略等しい平面視略正方形の角筒状部材である。パッケージベース２１とパッケージフレーム２２のｘ方向とｙ方向の寸法の例を図１（ｂ）に示してある（寸法の単位はｍｍ）。気密性を考慮すれば、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接は、抵抗熔接（シーム熔接）が好ましい。パッケージ２０内には、不活性ガスが封入されている。
【００２６】
パッケージベース２１の主成分としては制限なく、放熱性を考慮すれば、熱伝導性が高いＣｕＷ合金（熱伝導率：２００Ｗ／ｍＫ）等が好ましく用いられる。パッケージフレーム２２及びパッケージリッド２３の主成分としては制限なく、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接時の熱拡散を抑えるために、熱伝導率が低い、ＦｅＮｉＣｏ合金（熱伝導率：１０Ｗ／ｍＫ）及び／又はＦｅＮｉ合金（熱伝導率：１０Ｗ／ｍＫ）等が好ましく用いられる。
【００２７】
レーザ素子１１としては特に制限なく、ＧａＮ系（３７０〜４５０ｎｍ）、ＡｌＧａＩｎＰ系（５８０〜６９０ｎｍ）、ＩｎＧａＰ系（６５０〜１０００ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓ系（７００〜１０００ｎｍ）、ＧａＡｓＰ系（７００〜１０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ系（１０００〜３５００ｎｍ）、ＩｎＡｓＰ系（１０００〜３５００ｎｍ）等の半導体レーザ素子等が挙げられる。（）内の数字は発振波長域を示す。
【００２８】
高出力半導体レーザ素子を用いる系では、光密度が大きいため、レーザ素子１１の光出射面や複数のレーザ素子１１からの出射光が集光されて入射する光ファイバ５１の光入射面等が、集塵効果等により汚染されやすい傾向にある。
【００２９】
本実施形態では、レーザ素子１１及びコリメートレンズ１４をパッケージ２０内に気密封止すると共に、パッケージ２０内に不活性ガスを封入し、光ファイバユニット４についても気密封止構造及び不活性ガス封入構造（詳細については後記）を採用している。すなわち、本実施形態では、光密度の大きい部分については気密封止構造を採用して、外部からの埃等の異物の侵入を抑制し、レーザ素子１１の光出射面や光ファイバ５１の光入射面等における汚染を抑制する構成を採用している。したがって、本実施形態のレーザモジュール１は、従来一般に使用されている比較的低出力の赤外半導体レーザ素子はもちろんのこと、高出力の紫外半導体レーザ素子（例えば、ＧａＮ系等、発振波長３５０〜５００ｎｍ、出力２００〜５００ｍＷ）の使用にも対応可能なものである。
【００３０】
複数のレーザ素子１１は、レーザ素子基板１３に突設された複数の放熱ブロック１２に各々、公知方法にてろう材（ＡｕＳｎやＩｎ等）を介して実装されている。レーザ素子１１は、光出射面が透光性窓２３ａと対向するよう配置されている。放熱ブロック１２の材質としては、Ｃｕ等が好ましく用いられる。レーザ素子基板１３の材質としては、ＡｌＮ等が好ましく用いられる。レーザ素子基板１３がパッケージベース２１の内面にろう材（ＡｕＳｎやＩｎ等）を介して固定されている。すなわち、複数のレーザ素子１１は、放熱ブロック１２及びレーザ素子基板１３を介して、パッケージベース２１に固定されている。
【００３１】
複数のコリメートレンズ１４は、レーザ素子基板１３に固定されたレンズ保持ブロック１５に保持されて、パッケージ２０内に固定されている。
【００３２】
レーザ素子１１の個数及び配列パターンに制限はなく、レーザ素子１１をｘ方向に４個ｙ方向に２個マトリクス状に配列し、計８個のレーザ素子１１を用いた合波レーザモジュールを例として図示してある。図示例では、コリメートレンズ１４は、レーザ素子１１の個数と配列パターンに対応して、計８個備えられている。
【００３３】
レーザ素子１１に駆動電流を供給するリード線等の配線類１６が、パッケージフレーム２２から外部に引き出されている。
【００３４】
レーザパッケージ１０の製造手順としては制限なく、あらかじめレーザ素子１１を放熱ブロック１２に実装した後、レーザ素子基板１３に対して放熱ブロック１２の実装を行い、このレーザ素子基板１３をパッケージベース２１に固定し、次いで、レーザ素子１１に対してコリメータレンズ１４の位置を高精度に調整して、レンズ保持ブロック１５及びこれに保持されたコリメータレンズ１４をレーザ素子基板１３に固定し、その後、パッケージベース２１とパッケージリッド２３があらかじめ熔接固定されたパッケージフレーム２２とを熔接固定する手順が好ましい。
【００３５】
レーザユニット２には、レーザパッケージ１０の他に、レーザパッケージ１０を集光光学系ユニット３と連結するための連結部材３１（図３参照）が備えられている。連結部材３１は、パッケージベース２１上であってパッケージフレーム２２より外側の部分に突設され、パッケージフレーム２２のｘ方向に平行な両側面を覆う部材である。連結部材３１は、パッケージベース２１に固定ネジ３２により固定されている。
【００３６】
集光光学系ユニット３は、レーザ素子１１からの出射光のｘ方向成分を集光する第１の集光レンズ４１と、レーザ素子１１からの出射光のｙ方向成分を集光する第２の集光レンズ４２と、これら集光レンズ４１、４２を共に保持する略円筒状の集光レンズホルダ４３と、集光レンズホルダ４３の光出射側端面に取り付けられ、光ファイバユニット４との連結用である連結部材４５とから構成されている。
【００３７】
第１の集光レンズ４１は、光入射面にｙ軸を対称軸とする対称凸面を有するシリンドリカルレンズであり、第２の集光レンズ４２は、光入射面にｘ軸を対称軸とする対称凸面を有するアナモルフィックレンズである。集光レンズ４１、４２の光入射面の端部にはいずれも、これらレンズの位置合わせを高精度に行う際の基準面となる平坦な参照面が設けられている。集光レンズ４１、４２としては、精密ガラスモールドで製作されたレンズが好ましい。集光レンズ４１、４２の組合せは適宜設計できる。
【００３８】
集光レンズホルダ４３は、ホルダ本体４３ａとレーザユニット２との連結用である連結部材４３ｂとから構成され、これらホルダ本体４３ａと連結部材４３ｂとは固定ネジ４４により固定されている。ホルダ本体４３ａの内部に、集光レンズ４１、４２を各々保持する、レンズ保持面が平坦な保持台４３ｃ、４３ｄが設けられており、集光レンズ４１、４２は、高精度に位置合わせがなされた後、保持台４３ｃ、４３ｄに固定されている。
【００３９】
比較的光密度の小さい集光光学系ユニット３は、それ程高い気密性は要求されず、ある程度、外部からの埃等の異物の侵入が抑制されればよいので、集光レンズホルダ４３をなすホルダ部材４３ａと連結部材４３ｂとの連結、及びレーザユニット２と集光光学系ユニット３との連結については、Ｏ−リングＯＲを用いた封止構造が採用されている。接着剤（光硬化性接着剤等）を用いた接着固定等の他の封止構造を採用することもできる。集光光学系ユニット３は、それ程高い気密性は要求されないので、集光レンズ４１、４２の保持台４３ｃ、４３ｄへの固定は、接着剤（光硬化性接着剤等）を用いた接着固定等を採用することができる。
【００４０】
光ファイバ５１は、光ファイバ５１の光入射側端部がフェルール５２に挿入固定され、フェルール５２がフェルール５２の外径に略等しい内径の略筒状の光ファイバパッケージ５３に挿入固定された光ファイバユニット４の形態で、集光光学系ユニット３に取り付けられるようになっている。
【００４１】
光ファイバパッケージ５３の光入射側端面は、フェルール５２の光入射側端面よりレーザユニット２側に突出しており、光ファイバパッケージ５３内において、光ファイバパッケージ５３の光入射側端面とフェルール５２の光入射側端面との間はテーパ状に拡径され、集光光学系ユニット３により集光された光Ｌが通る光通過孔５４が設けられている。光ファイバパッケージ５３の光入射側端面には、光通過孔５４を閉じる透光性窓５５が取り付けられている。透光性窓５５は光ファイバ５１の光入射面を保護する機能を有する。
【００４２】
光ファイバ５１としては制限なく、コア径５０〜６０μｍのマルチモード光ファイバ等が好ましく用いられる。
【００４３】
集光光学系ユニット３に設けられた、光ファイバユニット４との連結用である連結部材４５は、集光レンズホルダ４３の光出射側開口端を閉じる円板状部４５ａと、円板状部４５ａを貫通する形態で円板状部４５ａと一体形成された円筒状部４５ｂとからなり、円筒状部４５ｂの内径が光ファイバパッケージ５３の外径に略等しく設定されている。
【００４４】
なお、集光光学系ユニット３と光ファイバユニット４との固定前においては、連結部材４５が集光レンズホルダ４３の光出射側端面上においてｘ方向及びｙ方向に移動自在とされ、光ファイバユニット４が連結部材４５の円筒状部４５ｂ内をｚ方向に摺動自在とされ、光ファイバ５１の光入射面におけるコア中心と光Ｌの集光点とが略一致する位置（例えば、光ファイバ５１の光入射面上の集光ビーム径：３０μｍ）に調整された後、集光レンズホルダ４３と連結部材４５との固定、及び連結部材４５の円筒状部４５ｂと光ファイバユニット４との固定（いずれも熔接固定や接着固定等）が実施される。
【００４５】
本実施形態の光学設計例を以下に示す。  
コリメートレンズ１４：ＮＡ０．６、焦点距離３ｍｍ
集光レンズ４１：シリンドリカルレンズ、ＮＡ０．１６５、焦点距離４５．１２ｍｍ
集光レンズ４２：アナモルフィックレンズ、ＮＡ０．０９５、焦点距離１４．６８ｍｍ
コリメートレンズ１４の光出射面から光ファイバ５１の光入射面までの距離：６０ｍｍ
光ファイバ５１：ＮＡ０．２２、コア径５０〜６０μｍφ
光ファイバ５１の光入射面上の集光ビーム径：３０μｍ
【００４６】
（パッケージ２０の寸法）
本実施形態では、レーザ素子１１を気密封止するパッケージ２０の寸法を特定したことが特徴的であることを述べた。以下、この特徴点について詳述する。
【００４７】
本実施形態では、パッケージ２０が、パッケージベース２１の板厚をＴ１（ｍｍ）とし、パッケージフレーム２２の高さをＴ２（ｍｍ）としたとき（図１参照）、Ｔ１+Ｔ２≧２２（好ましくはＴ１+Ｔ２≧２４）を充足するよう、設計されている。
【００４８】
本発明者は、Ｔ１+Ｔ２が上記式を充足するよう構成すれば、パッケージベース２１の底面２１ａにおける、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接で発生する最大熔接歪みを、１．０μｍ以下に安定的に抑制できることを見出している。
【００４９】
従来、発振波長３５０〜５００ｎｍ等の高出力用レーザ素子用に使用されているパッケージとしては、Ｔ１＝３、Ｔ２＝１０のものが汎用品として市販されている。すなわち、従来使用されていた汎用パッケージでは、Ｔ１+Ｔ２＝１３＜２２である。汎用パッケージのｘ方向とｙ方向の寸法は、本実施形態と同様であり、図１（ｂ）に示す通りである。汎用パッケージのパッケージベースの材質はＣｕＷ合金、パッケージフレームの材質はＦｅＮｉＣｏ合金（商品名Ｋｏｖａｒ）である。
【００５０】
上記汎用パッケージを用いて、パッケージベースとパッケージフレームとをシーム熔接した際のパッケージベースの熔接歪みを測定した実測例を図４に破線で示す（比較例）。図示横軸は、パッケージのｙ方向位置（ｙ方向の一端を基準（０ｍｍ）としたｙ方向位置）である。縦軸は、（株）ミツトヨ社製３次元非接触式表面粗さ計「QV404-PR06F」にて計測し、熔接前のデータを差し引いて得られたデータである。
【００５１】
図示するように、Ｔ１+Ｔ２＝１３＜２２の汎用パッケージを用いた場合、熔接により中央部が端部より外側に突出した湾曲歪みが生じることが示されている。最大熔接歪み（外側に最も突出した点と最も奥まった点との差）は５μｍ程度であり、パッケージベースの底面に最大で５μｍ／１０mm（＝５／１００００）程度の傾斜が生じることが示されている。この値は、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、１個のレーザ素子を用いた従来のレーザモジュールでは特に問題とならないレベルであるが、本実施形態のように複数のレーザ素子１１を用いた合波レーザモジュールでは、拡大集光光学系を用いるため、光学精度の低下を招いてしまう。
【００５２】
レーザ素子１１とコリメートレンズ１４とを共に同一のパッケージ２０内に収容し、光密度の大きい部分を気密封止する本実施形態では、熔接歪みが光学精度に与える影響が特に大きい。本実施形態の構成では、レーザ素子１１とコリメートレンズ１４との位置を高精度に調整して、レーザ素子１１とコリメートレンズ１４とをパッケージベース２１に取り付け、その後、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２とを熔接固定する。そのため、先に高精度に調整したレーザ素子１１とコリメートレンズ１４との位置が熔接歪みによってずれてしまい、レーザ素子１１からの出射光の出射方向及びコリメートレンズ１４からのコリメート光の出射方向にずれが生じ、光学精度が低下してしまう。「出射方向がずれる」とは、出射位置及び／又は出射方向の方向ベクトルがずれることを意味する。
【００５３】
例えば、８個のレーザ素子１１を用い、３０μｍに絞った集光ビームをコア径６０μｍφのマルチモードの光ファイバ５１に結合する場合、コリメートレンズ１４の光出射面から光ファイバ５１の光入射面までの距離は約６０ｍｍに設計される。この場合、熔接によりパッケージベース２１の底面に５μｍ／１０mm（＝５／１００００）の傾斜歪みが発生すると、コリメートレンズ１４からのコリメート光の出射方向が熔接歪みと同レベル（５μｍ／１０mm）ずれ、コア径６０μｍφの光ファイバ５１に対して、光ファイバ５１の光入射面上におけるビーム集光点の中心位置がコア中心から３０μｍ程度ずれてしまう計算になる。
【００５４】
上記系では、光ファイバ５１の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれは、コア径の１／１０以下（６μｍ以下）に抑えられることが好ましい。これは最大熔接歪みを１μｍ以下に抑えることに相当する。
【００５５】
光ファイバ５１の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれは、コア径の１／２０以下（３μｍ以下）に抑えられることが特に好ましい。これは最大熔接歪みを０．５μｍ以下に抑えることに相当する。
【００５６】
本発明は上記系に限定されるものではないが、本実施形態と同様のピッグテール型の合波レーザモジュールであれば、最大熔接歪みを１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下に抑えれば、光ファイバ５１の光入射面上におけるビーム集光点のコア中心からの位置ずれを上記系と同様のレベルに抑えることができる。
【００５７】
なお、レーザ素子基板１３のパッケージベース２１への固定（半田固定等）に際しても、パッケージベース２１には全体的に熱がかかり、数〜１０数μｍの歪みが発生するが、レーザ素子１１とコリメートレンズ１４との位置合わせを行う際に上記歪みによる光軸ズレの補正を行った上で固定を行うので、特に問題とはならない。レーザ素子１１とコリメートレンズ１４との位置合わせ後に、パッケージベース２１に熔接歪みが発生することが問題なのである。
【００５８】
本発明者は、市販の熔接解析ソフト（株）計算力学センター製「Qwick  Welder」を用い、Ｔ１とＴ２を変化させたときの最大熔接歪みを評価した。この結果を図５に示す。横軸がＴ２であり、Ｔ１＝３、６、１２と変えた時の最大熔接歪みをシミュレーション評価した。シミュレーション条件は、パッケージベース２１：ＣｕＷ合金（Ｃｕ２０質量％／Ｗ８０質量％、熱伝導率：２００Ｗ／ｍＫ）、パッケージフレーム２２：ＦｅＮｉＣｏ合金（熱伝導率：１６Ｗ／ｍＫ）とした。
【００５９】
図５に示すように、Ｔ２と最大熔接歪みとの間には、最大熔接歪みを対数表示したときに略直線的な関係を示し、これらの間には指数関数的な関係があることが明らかとなった。本発明者は、図５に示す評価結果から、Ｔ１の値が大きくなる程、最大熔接歪みは抑制される傾向にあり、Ｔ２の値が大きくなる程、最大熔接歪みは抑制される傾向にあり、最大熔接歪みが１．０μｍとなる条件は概ねＴ１＋Ｔ２＝２２であることを見出した。Ｔ１＋Ｔ２＝２２の条件が、パッケージ２０全体が熔接に伴う熱塑性変化による局所的な応力の発生に耐え得る最小限の大きさと考えられる。本発明者は、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足することで、最大熔接歪みを安定的に１．０μｍ以下に抑えることができることを見出した。
【００６０】
また、最大熔接歪みが０．５μｍとなる条件は概ねＴ１＋Ｔ２＝２４であることを見出した。そして、Ｔ１+Ｔ２≧２４を充足することで、最大熔接歪みを安定的に０．５μｍ以下に抑えることができることを見出した。
【００６１】
実際に、Ｔ１＝６、Ｔ２＝１６（Ｔ１+Ｔ２＝２２）として、それ以外の条件は上記比較例と同様にして、熔接歪みを実測した結果を図４に実線で示す（実施例）。Ｔ１+Ｔ２＝２２とすることで、最大熔接歪みが１．０μｍ以下に抑えられることが実測で確認された。
【００６２】
本実施形態では、レーザ素子１１を、放熱ブロック１２及びレーザ素子基板１３を介してパッケージベース２１に固定し、コリメータレンズ１４を、レンズ保持ブロック１５及びレーザ素子基板１３を介してパッケージベース２１に固定する構成としている。かかる態様は、レーザ素子基板１３の板厚Ｔ３分、パッケージベース２１が補強されて熔接歪みが抑制されるので、特に好ましい。Ｔ３は例えば６ｍｍである。なお、Ｔ１＋Ｔ２≧２２の条件では、必然的にＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３≧２２をも充足することとなる。
【００６３】
本実施形態のレーザモジュール１は、以上のように構成されている。
【００６４】
本実施形態のレーザモジュール１は、パッケージベース２１の板厚をＴ１（ｍｍ）とし、パッケージフレーム２２の高さをＴ２（ｍｍ）としたとき、Ｔ１+Ｔ２≧２２を充足することを特徴とするものである。先に詳述したように、本発明者は、かかる構成とすることで、パッケージベース２１の底面２１ａにおける、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接で発生する最大熔接歪みを、１．０μｍ以下に安定的に抑制できることを見出している。
【００６５】
本実施形態によれば、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接歪みを安定的に抑制することができるので、気密封止前のレーザ素子１１からの出射光の出射方向が気密封止後にも高精度に維持され、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好なレーザモジュール１を安定的に提供することができる。
【００６６】
本実施形態では、レーザ素子１１とコリメータレンズ１４とを同一パッケージ２０内に気密封止する構成を採用しているので、光密度の大きい部分が気密封止され、高出力半導体レーザを用いる場合も光学部品の汚染が抑制され、好ましい。本実施形態では、パッケージベース２１とパッケージフレーム２２との熔接歪みを安定的に抑制することができるので、レーザ素子１１とコリメータレンズ１４とを高精度に位置合わせをし、その精度を維持したまま、気密封止を行うことができ、モジュールを構成する光学系の位置精度が良好で、出力輝度等の光学特性が良好で、光学部品の汚染が抑制され、長期信頼性にも優れたレーザモジュール１を安定的に提供することができる。
【００６７】
（設計変更）
本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
【００６８】
上記実施形態ではピッグテール型のレーザモジュールについて説明したが、本発明は、板状のパッケージベースと、パッケージベースに熔接固定された筒状のパッケージフレームと、パッケージフレームに固定され、透光性窓が取り付けられたパッケージリッドとからなるパッケージの内部に、複数のレーザ素子が、透光性窓に向けて光を出射するようパッケージベースに固定されて気密封止されたレーザパッケージを備えたレーザモジュールであれば、いかなる構造のレーザモジュールにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明のレーザモジュールは、光通信、レーザ加工機、固体レーザ励起用光源等の用途に好ましく利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る実施形態のレーザモジュールをなすレーザパッケージのパッケージベースとパッケージフレームとを取り出して示す斜視図及び上面図
【図２】本発明に係る実施形態のレーザモジュール全体のモジュール中心軸を通るｘ方向断面図
【図３】本発明に係る実施形態のレーザモジュール全体のモジュール中心軸を通るｙ方向断面図
【図４】実施例と比較例の熔接歪みの実測結果を示すグラフ
【図５】最大熔接歪みのシミュレーション結果を示すグラフ
【符号の説明】
【００７１】
１  レーザモジュール
１０  レーザパッケージ
１１  レーザ素子
１４  コリメートレンズ
２０  パッケージ
２１  パッケージベース
２１ａ  パッケージベースの底面
２２  パッケージフレーム
２３  パッケージリッド
２３ａ  透光性窓
４１、４２  集光レンズ（集光光学系）
５１  光ファイバ
Ｌ  光
Ｔ１  パッケージベースの板厚
Ｔ２  パッケージフレームの高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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