(57)【要約】【課題】パッケージの反りによる光学部品間の角度変動が抑制されたレーザモジュールを提供する。【解決手段】レーザ光を出力するレーザモジュールであって、光学部品と、光学部品を格納するパッケージと、パッケージの内壁に設置されるベース部と、ベース部の表面に設置され、光学部品を載置する載置部と、ガラス転移温度がレーザモジュールの使用温度の下限値より低く、ベース部および載置部を接着する接着部とを備えるレーザモジュール。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザモジュールであって、
光学部品と、
前記光学部品を格納するパッケージと、
前記パッケージの内壁に設置されるベース部と、
前記ベース部の表面に設置され、前記光学部品を載置する載置部と、
ガラス転移温度が前記レーザモジュールの使用温度の下限値より低く、前記ベース部および前記載置部を接着する接着部と
を備えるレーザモジュール。
【請求項２】
前記載置部、前記接着部および前記ベース部の組み合わせを複数備える
請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
それぞれの前記ベース部および前記パッケージの間に、それぞれの前記ベース部に対して共通に設けられ、それぞれの前記ベース部が固定される共通板を更に備える
請求項２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
前記載置部を複数備え、
それぞれの前記載置部は、共通の前記ベース部に前記接着部を介して設置される
請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
前記レーザモジュールの使用温度の下限値が摂氏−５度である
請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
前記接着部の熱硬化温度は、前記使用温度の上限値より大きい
請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
前記パッケージおよび前記ベース部は、異なる線膨張係数を有する
請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
前記載置部および前記ベース部は、異なる線膨張係数を有する
請求項１から６のいずれか一項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、レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パッケージの内部に半導体レーザ素子などの光学部品を支持する光学ベンチを設け、当該光学ベンチをパッケージ内部に配置された温度制御素子等の表面に固定し、光ファイバをパッケージの側面から挿入してパッケージを気密封止したレーザモジュールが知られている。ここで、光学ベンチと温度制御素子とが半田によって接合されるもの、および、樹脂により接合されるものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１  特開平８−２０４２５６号公報
特許文献２  特開２００４−３１７８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
パッケージの外部の環境温度が変化すると、パッケージに反りが生じる。すると、パッケージの反りに応じて光学ベンチも反る。そのため、光学部品の角度が光軸からずれて、レーザモジュールの光学特性が変動してしまう。その結果、広範囲な温度範囲でのレーザモジュールの信頼性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、レーザ光を出力するレーザモジュールであって、光学部品と、光学部品を格納するパッケージと、パッケージの内壁に設置されるベース部と、ベース部の表面に設置され、光学部品を載置する載置部と、ガラス転移温度がレーザモジュールの使用温度の下限値より低く、ベース部および載置部を接着する接着部とを備えるレーザモジュールが提供される。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態にかかるレーザモジュールの断面図である。
【図２】図１に示すレーザモジュールの光学系を単純化した模式図である。
【図３】図２に示す光学系における角度変動と出力変動の関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す接着部に使用する接着材のヤング率と、−２０℃から８０℃の使用温度範囲における角度変動との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態にかかるレーザモジュールの断面図である。
【図６】第３実施形態にかかるレーザモジュールの断面図である。
【図７】第４実施形態にかかるレーザモジュールの断面図である。
【図８】第５実施形態にかかるレーザモジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるレーザモジュール１００の断面図を示す。レーザ光を出力するレーザモジュール１００は、光学部品１０と、光学部品１０を格納するパッケージ２０と、パッケージ２０の内壁に設置されるベース部３０と、ベース部３０の表面に設置され、光学部品１０を載置する載置部４０と、ベース部３０および載置部４０を接着する接着部５０と、一方の先端６２がパッケージ２０の内側に配置された光ファイバ６０と、光ファイバ６０を挿通させパッケージ２０内部に誘導する導入部７０とを備える。
【０００９】
導入部７０は、長さ方向の中心軸に沿って導入孔７２が貫通する略円筒形の形状を有する。導入部７０は、パッケージ２０の側板２４を貫通して設けられる。導入孔７２は光ファイバ６０をパッケージ２０の外側からパッケージ２０の内側に挿通する。導入孔７２の、パッケージ２０の内側に設けられた開口は、ガラスまたは半田等の封止部７４で封止される。
【００１０】
パッケージ２０には、複数の光学部品１０が格納される。本例のレーザモジュール１００は、複数の光学部品１０として、レーザ素子１０−１、コリメートレンズ１０−２および集光レンズ１０−３を有する。レーザモジュール１００は、光学部品１０として、他に、アイソレータ、モニター用半導体受光素子、ビームスプリッタ、エタロン等を有してよい。
【００１１】
レーザ素子１０−１は、半導体レーザ素子であってよい。レーザ素子１０−１は、ポンピング光を出射する励起用半導体レーザ素子ではなく、信号出力用の半導体レーザ素子であってよい。
【００１２】
集光レンズ１０−３は、パッケージ２０の外部に固定されてもよい。その場合、光ファイバ６０の先端６２は、パッケージ２０の外部であって集光レンズ１０−３の後方に配置される。
【００１３】
本例のパッケージ２０は、底板２２、側板２４及び天板２６から構成される略直方体の箱型形状を有する。底板２２及び側板２４は、一体成形により形成されてよい。底板２２、側板２４及び天板２６は、ガラス材により形成されてよい。また、底板２２、側板２４及び天板２６は、ガラス材と熱膨張率が近いコバール材により形成されてもよい。コバール材の熱膨張率は、例えば、７×１０−７／Ｋである。
【００１４】
ベース部３０は、底板２２に半田等により固定される。ここで、半田は、例えば、ＡｕＳｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇＣｕ、Ｉｎ等であり、ヤング率は数十ＧＰａ程度である。ベース部３０は、光学部品１０と、光ファイバ６０との垂直方向の高さを合わせるための厚さを有する板状の土台であってよい。
【００１５】
ベース部３０は、半導体、セラミックス、金属等から形成されてよい。ベース部３０は、パッケージ２０とは熱膨張率の異なる材料で形成されてよい。また、ベース部３０は、光学部品１０の温度を制御するための温度制御素子を有してもよい。温度制御素子は、ペルチェ素子等の熱電冷却素子（ＴＥＣ）であってよい。
【００１６】
載置部４０は、ベース部３０と略同一の面形状を有する板状部材であってよい。載置部４０は、ベース部３０より薄くてよい。載置部４０は、表面上において光学部品１０を載置する光学ベンチとして機能する。載置部４０およびベース部３０は、異なる線膨張係数を有してよい。載置部４０は、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などのセラミック材、シリコンなどの半導体、銅タングステンのような金属により形成される。
【００１７】
載置部４０の表面には金メッキが施され、その上に半田により光学部品１０が固定されてよい。載置部４０の表面上において光学部品１０が所定の位置に配置されることにより、レーザ素子１０−１と光ファイバ６０とが光学的に結合される。ここで、光学的に結合されるとは、載置部４０の表面上に載置されたレーザ素子１０−１の出射面から出射したレーザ光が、載置部４０の表面上に載置された他の光学部品１０を介して、光ファイバ６０の先端６２のコアに入射することをさす。
【００１８】
接着部５０は、ベース部３０の表面と載置部４０の裏面との間に設けられ、ベース部３０と載置部４０とを接着する。接着部５０は、レーザモジュール１００の使用温度範囲において、ヤング率が１ＧＰａ以下等の柔らかい樹脂接着材であってよい。接着部５０のヤング率が低いことで、パッケージ２０、ベース部３０および載置部４０の線膨張係数の違いによって生じる載置部４０の反りを低減できる。このため、載置部４０上の光学部品１０の光軸のずれを低減することができる。
【００１９】
また、接着部５０における接着材は、ガラス転移温度がレーザモジュール１００の使用温度の下限値より低い。接着部５０は、熱硬化性弾性エポキシ接着材、熱硬化性弾性アクリル接着材、熱硬化性弾性ウレタン接着材のうち、少なくとも一つを含んでよい。
【００２０】
ここで、レーザモジュール１００の使用温度とは、レーザモジュール１００の使用時における周囲温度範囲の製品仕様値であってよい。また、レーザモジュール１００の使用温度とは、製品仕様値に対して数度程度のオフセットを設けた値であってもよい。例えば、レーザモジュール１００の製品仕様値の下限値が−１０℃の場合において、接着部５０のガラス転移温度は−７℃であってよく、−５℃であってよい。オフセット温度があまり大きいと、製品仕様値の下限値付近の温度での角度変動が大きくなり光学特性に影響を与えるので好ましくない。
【００２１】
また、レーザモジュール１００の使用温度の下限値は、−５℃、−１０℃または−２０℃等の予め定められた値であってもよい。また、レーザモジュール１００の使用温度の上限値は、７０℃、７５℃、８０℃等の予め定められた値であってよい。
【００２２】
接着部５０のガラス転移温度がレーザモジュール１００の使用温度の下限値より低いので、接着部５０は、レーザモジュール１００の使用時において、柔軟性を維持することができる。このため、レーザモジュール１００の使用時において、光学部品１０の光軸のずれを低減できる。
【００２３】
パッケージ２０の外気の環境温度が変化すると、各部品間の線膨張係数の差によってベース部３０に反りが生じる。例えば、パッケージ２０と、パッケージ２０が固定される外部部品との線膨張係数の差によってパッケージ２０に反りが生じる。パッケージ２０の反りは、パッケージ２０の底板２２とベース部３０との間の接合面に応力を生じさせる。ベース部３０は底板２２と半田により固着されているので、応力によりベース部３０にも反りが生じる。また、パッケージ２０およびベース部３０の間の線膨張係数の差によってもベース部３０に反りが生じる。
【００２４】
ベース部３０と載置部４０とを半田により固着した場合、その接合面で発生する応力により、ベース部３０の反りが載置部４０にも伝播する。また、ベース部３０および載置部４０の間の線膨張係数の差によっても、載置部４０に反りが生じうる。その結果、載置部４０上に固定された光学部品１０間の相対位置及び光軸に対する角度が変動し、レーザ出力変動などのレーザモジュール１００の光学特性が変化してしまう。なお、載置部４０のサイズは、光学部品１０のサイズに比べ大きいので、光学部品１０自体の反りよりも載置部４０の反りの方がレーザモジュール１００の光学特性に与える影響が大きい。
【００２５】
ベース部３０と載置部４０とを、レーザモジュール１００の使用温度範囲において柔軟性を維持する接着部５０により接着することで、ベース部３０と載置部４０との間に生じる応力が緩和され、載置部４０の反りが低減される。したがって、載置部４０上に載置された光学部品１０間の相対位置及び光軸に対する角度の変動を抑えることができるので、光ファイバ６０からの出力変動などのレーザモジュール１００の光学特性の変化を抑えることができる。また、光学部品１０としてエタロンを使用した場合には透過するレーザ光のピーク波長の変動を低減することができる。結果として、レーザモジュール１００の信頼性が向上する。
【００２６】
また、パッケージ２０、ベース部３０、載置部４０などの部品の材料を線膨張係数が近いもので構成する必要がなくなるので、部品の材料選択の幅が広がる。また、レーザ素子１０−１が信号出力用の半導体レーザ素子の場合、発熱量が小さいので、樹脂接着材を用いても接着部５０の劣化が小さい。
【００２７】
接着部５０の接着材のガラス転移温度は、接着材の材料を選択することにより調整することができる。接着材の材料が、アクリル系接着材である場合には、アルキル基の炭素数等でガラス転移温度を調整できる。例えば、アクリル酸エチル（アルキル基の炭素数２）のガラス転移温度は−２０度程度であり、アクリル酸ブチル（アルキル基の炭素数４）のガラス転移温度は−５５度程度であり、アクリル酸ジエチルヘキシル（アルキル基の炭素数８）のガラス転移温度は−７０度程度である。
【００２８】
同様に、接着材の材料がウレタン系接着材またはエポキシ系接着材である場合には、ウレタン基、エポキシ基の濃度等でガラス転移温度を調整できる。例えば、ウレタン基またはエポキシ基の濃度を小さくすれば、ガラス転移温度を下げることができる。このため、レーザモジュール１００の使用温度の下限値よりもガラス転移温度が低い接着部５０を形成することができる。
【００２９】
また、ベース部３０が温度制御素子を有する場合には、接着部５０の熱伝導率は、１Ｗ／Ｋ・ｍ以上であるのが好ましい。熱伝導率の大きい接着材を用いることで、載置部４０に載置された光学部品１０の温度を正確かつ迅速に制御することができる。また、接着部５０の熱硬化温度は、レーザモジュールの使用温度の上限値より大きいことが好ましい。熱硬化温度がレーザモジュールの使用温度の上限値より低いと、接着部５０が硬化後さらに高温となった場合、接着部５０から有機ガスが発生する。発生した有機ガスはパッケージ２０内に充満し、レーザモジュール１００の信頼性に影響を与えるため好ましくない。
【００３０】
図２は、レーザモジュール１００の光学系を単純化して示す。光学系は、レーザ素子１０−１、コリメートレンズ１０−２、集光レンズ１０−３及び光ファイバ６０を含む。レーザ素子１０−１は出射面から所定の波長のレーザ光を出射する。コリメートレンズ１０−２は、出射されたレーザ光をコリメート光に変換する。集光レンズ１０−３はコリメート光を光ファイバ６０のコア部に集光する。光ファイバ６０は、コア部を通じてレーザ素子１０−１からの光信号を伝送する。
【００３１】
図３は、図２に示す光学系において、レーザ素子１０−１及びコリメートレンズ１０−２の光軸が一緒に角度変動した場合の角度変動値と光ファイバ６０からの出力変動値（ｄＢ）との関係を示すグラフである。他の光学部品１０の光軸は変動しないものとする。
【００３２】
つまり、図３における角度変動値は、図２に示したレーザ素子１０−１およびコリメートレンズ１０−２の光軸の角度変動値を示す。出力変動値とは、角度変動が０度の場合に対する、光ファイバ６０からのレーザ出力値の変動を示す。なお、レーザ素子１０−１のスポットサイズは２μｍ、コリメートレンズ１０−２の焦点距離は１．５ｍｍ、集光レンズ１０−３の焦点距離は３ｍｍのものを使用した。
【００３３】
一例として、レーザモジュールの出力変動は、信頼性の観点から使用温度の範囲で±０．３ｄＢ以下であることが要求される。したがって、本例では、光学系の角度変動を約０．０１５°以下に抑えることが好ましい。
【００３４】
図４は、接着部５０の接着材のヤング率と、レーザモジュール１００の光学系の角度変動との関係を示すグラフである。図４における角度変動は、図３における角度変動と対応する。本例では、ベース部３０を銅タングステンで形成し、載置部４０をシリコンにより形成した。また、ベース部３０及び載置部４０の表面サイズを１０ｍｍ平方とし、載置部４０の厚さを１ｍｍ程度とした。また、レーザ素子１０−１及びコリメートレンズ１０−２を載置部４０の端部に配置した。つまり、図４の角度変動は、載置部４０の端部と、載置部４０の中央部との角度差の変動を示す。
【００３５】
図４の例では、パッケージ２０の外部環境温度を−２０℃から８０℃まで変化させたときの各接着材のヤング率と角度変動との関係を調べた。グラフより、ヤング率が０から約１ＧＰａまでは、角度変動が急激に増加する。また、ヤング率が約１ＧＰａ以上では、角度変動は徐々に増加するのがわかる。本例において、角度変動を約０．０１５°以下とするためには、ヤング率が約１ＧＰａ以下の接着材を接着部５０に使用するのが好ましい。また、接着材のヤング率は、２ＧＰａ以下であってもよい。
【００３６】
また、ベース部３０と載置部４０とを、ヤング率が数十ＧＰａ程度のＩｎ半田により接合した場合、角度変動は０．０２８°となった。尚、ヤング率と角度変動との関係は、ベース部３０及び載置部４０の線膨張係数、ベース部３０及び載置部４０の大きさ及び形状、使用温度範囲等によって異なる。したがって、接着部５０の接着材は、ヤング率が１ＧＰａ以下のものに限定されない。つまり、接着部５０の接着材は、レーザモジュールの使用温度範囲内において、角度変動が約０．０１５°以下となるようなヤング率を有する程度に柔軟であればよい。
【００３７】
図５は、第２実施形態にかかるレーザモジュール２００の断面を示す。第１実施形態と機能が同一の部材には同一の符号を付し説明を省略する。レーザモジュール２００は、載置部４０および接着部５０を複数備える点で第１実施形態と異なる。本例のレーザモジュール２００は、２つの載置部４０−１および４０−２を有する。また、本例のレーザモジュール２００は、２つの接着部５０−１および５０−２を有する。
【００３８】
それぞれの載置部４０は、共通のベース部３０に、対応する接着部５０により接着される。それぞれの載置部４０には、光学部品１０が固定される。本例の載置部４０−１上には、レーザ素子１０−１が固定され、載置部４０−２上にはコリメートレンズ１０−２、集光レンズ１０−３が固定される。
【００３９】
本例のレーザモジュール２００によっても、ベース部３０と、それぞれの載置部４０とを柔軟な接着部５０により接着することで、載置部４０の反りが防止される。したがって、それぞれの載置部４０上に載置された光学部品１０の相対位置及び角度変動を抑えることができる。
【００４０】
尚、それぞれの接着部５０のヤング率は同じであってよく、異なっていてもよい。また、それぞれの接着部５０の厚さは同じであってよく、異なっていてもよい。例えば、それぞれの接着部５０は、対応する載置部４０の、線膨張係数、面積、厚さ等に応じたヤング率および厚さを有する。また、ベース部３０は、載置部４０ごとに設けられてもよい。つまり、レーザモジュール２００は、図１に示した載置部４０、接着部５０およびベース部３０の組み合わせを複数有してよい。
【００４１】
図６は、第３実施形態にかかるレーザモジュール３００の断面を示す。レーザモジュール３００は、レーザモジュール１００またはレーザモジュール２００に対して、載置部４０、接着部５０およびベース部３０の組み合わせを複数備える点、及び、それぞれのベース部３０が共通に固定される共通板８０を更に備える点で異なる。他の構成は、レーザモジュール１００またはレーザモジュール２００と同一であってよい。
【００４２】
本例では、組み合わせが２個の場合を説明するが、組み合わせの数は２個に限定されない。共通板８０は、それぞれのベース部３０およびパッケージ２０の間に、それぞれのベース部３０に対して共通に設けられる。ここで、共通に設けられるとは、一枚の共通板８０上に複数のベース部３０が設置されることをさす。
【００４３】
共通板８０は、略正方形の薄い板状の部材であり、ベース部３０と線膨張係数が等しいか、または、近い材料により形成されている。共通板８０とパッケージ２０の底板２２の内側面とは半田または樹脂接着材により固定されてよい。本例の共通板８０上には、所定の距離だけ離隔されて、２つのベース部３０が設置されている。それぞれのベース部３０の表面積は等しくてもよいし、異なってもよい。それぞれのベース部３０と共通板８０とは、半田により固定されてよい。それぞれのベース部３０の厚さは、互いに異なってよい。
【００４４】
このような構成により、それぞれのベース部３０が、パッケージ２０と直接接続されないので、ベース部３０に独立に応力が生じることを防ぐことができる。つまり、ベース部３０と線膨張係数が略等しい共通板８０を設けることで、パッケージ２０との接合面で生じる応力を、共通板８０で受けることができ、それぞれのベース部３０に、同様の応力を生じさせることができる。
【００４５】
図７は、第４実施形態にかかるレーザモジュール４００の断面を示す。レーザモジュール４００は、レーザモジュール１００、２００または３００に対して、レーザ素子１０−１および載置部４０−１に替えて、光導波路１０−４、導入部８２および光ファイバ８４を備える点で異なる。他の構成は、レーザモジュール１００、２００または３００のいずれかと同一であってよい。
【００４６】
光導波路１０−４は、接着部５０を介してベース部３０に固定される。光導波路１０−４には、光ファイバ８４を介して外部からレーザ光が導入され、コリメータレンズ１０−２等の光学部品１０にレーザ光を出力する。光導波路１０−４は、コア部をシリコンにより形成したシリコン光導波路であってよい。また、光導波路１０−４は、シリコン基板上にＳｉＯ２のアンダークラッドと、ＳｉＯ２−ＧｅＯ２の導波路コアと、ＳｉＯ２からなるオーバークラッドを順に堆積して形成したＰＬＣ光導波路であってもよい。本例では、光導波路１０−４における基板が、載置部４０−１に対応する。
【００４７】
光ファイバ８４は、導入部８２の導入孔８６を通じてパッケージ２０を貫通して設けられる。導入孔８６のパッケージ２０の内部における開口は、ガラスまたは半田等の封止部８８で封止させる。
【００４８】
図８は、第５実施形態にかかるレーザモジュール５００の断面を示す。レーザモジュール５００は、レーザモジュール４００に対して、光ファイバ６０および導入部７０に替えて、受光素子１０−５を備える点で異なる。他の構成は、レーザモジュール４００と同一であってよい。受光素子１０−５は、載置部４０−２に固定され、集光レンズ１０−３からのレーザ光を受光する。受光素子１０−５は、フォトダイオードであってよい。
【００４９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００５０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００５１】
１０・・・光学部品、２０・・・パッケージ、２２・・・底板、２４・・・側板、２６・・・天板、３０・・・ベース部、４０・・・載置部、５０・・・接着部、６０・・・光ファイバ、６２・・・先端、７０・・・導入部、７２・・・導入孔、７４・・・封止部、８０・・・共通板、８２・・・導入部、８４・・・光ファイバ、８６・・・導入孔、８８・・・封止部、１００、２００、３００、４００、５００・・・レーザモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012256770.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012256770.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012256770.tif 000009
【図８】
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