(57)【要約】【課題】光出力の低下を抑制することができる光ファイバモジュールの製造方法、光ファイバモジュール、及びレーザモジュールを提供する。【解決手段】光ファイバモジュールは、ステム４４にフェルール４６が取り付けられた光ファイバ４８が挿入されて固定され、かつキャップ部材５０が気密封止された構成となっている。キャップ部材５０のレーザ光の入射側には、ガラス窓５２が取り付けられている。半導体レーザ２０から出射されたレーザ光は、レンズ２８及びガラス窓５２を透過して光ファイバ４８の端面付近で結像される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとを、溶接により固定する溶接工程を含む光ファイバモジュールの製造方法。
【請求項２】
前記キャップ部材の前記開口側と前記ステムとが、電気溶接により固定されたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバモジュールの製造方法。
【請求項３】
別個独立の前記フェルールと前記ステムとを所定方法により溶接よりも高い温度で固定する工程を、前記溶接工程より前に含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバモジュールの製造方法。
【請求項４】
前記所定方法は半田付けであることを特徴とする請求項３記載の光ファイバモジュールの製造方法。
【請求項５】
開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとが封止された光ファイバモジュール。
【請求項６】
前記キャップ部材の開口側の面が前記フェルールの外径よりも大きな径を有し、かつ前記ステムの外径が前記キャップ部材の開口側の面よりも大きな外径を有することを特徴とする請求項５記載の光ファイバモジュール。
【請求項７】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を集光するレンズと、
開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとが封止された光ファイバモジュールと、
を備え、
前記透過部材の前記レーザ光の入射端面における光密度が８［Ｗ／ｍｍ２］以下であることを特徴とするレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバモジュールの製造方法、光ファイバモジュール、及びレーザモジュールに係り、特に、短波長のレーザ光を入射して伝播させる光ファイバモジュールの製造方法、光ファイバモジュール、及びレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザの光を光ファイバに集光するレーザモジュールが提案されている。例えば特許文献１、２には、ＣＡＮパッケージされた半導体レーザ、レンズ、及び光ファイバからなるレーザモジュールにおいて、光ファイバのレーザ光の入射面は特にキャップされておらず大気に曝されている。
【０００３】
また、特許文献３には、光ファイバのレーザ光の入射面を含むフェルール先端面に光透過性及びガスバリア性を有する部材を形成することにより、光ファイバとフェルールとを接着する接着剤に起因する光ファイバの汚染を防止する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献４には、レーザモジュールと外界との間に吸着剤を設けてモジュール内の光学部品に異物が付着するのを防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−２０３８４５号公報
【特許文献２】実開平５−７７９６４号公報
【特許文献３】特開２００５−２１５４２６号公報
【特許文献４】特開２００６−１６５１９４号公報
【特許文献５】特開２００４−２５３７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
短波長光（特に５００ｎｍ以下）のレーザモジュールにおいては、光密度の高い部分（特に光ファイバの先端部）に大気中の有機物の化学的堆積（ＣＶＤ効果）が生じ、光透過率や光ファイバへの結合効率が低下して光ファイバからの出力が低下する、という問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献３に記載された技術では、光ファイバ先端部での光密度が大きいために、光路を通過するごみが燃えて光ファイバが焼きつく場合がある、という問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献４に記載された技術では、吸着剤で完全に有機物を除去するのは困難である、という問題があった。
【０００８】
例えば波長が４０５ｎｍなどの短波長の光源を用いた場合、ファイバ端において汚染が発生して光出力低下が起こり、品質上問題になることが知られている。特に、光出力密度が高くなると、ガラスなどの透明部材と空気とが接している表面において、汚染による出力の低下が顕著になることが知られている。
【０００９】
この汚染による光出力の低下を抑えるため、特許文献５には、光ファイバの先端を気密封止したレーザモジュールが開示されている。
【００１０】
しかしながら、本発明者らが特許文献５に記載されたレーザモジュールの通電試験を実施した結果、光ファイバの端面が汚染されて寿命が短くなる、という結果が得られた。これは、高温で気密封止する必要があるため温度上昇により不純物ガスが混入すること、半導体レーザ等を収容するキャップ内の洗浄が困難なこと等の理由が考えられる。
【００１１】
本発明は上記事実を考慮してなされたものであり、光出力の低下を抑制することができる光ファイバモジュールの製造方法、光ファイバモジュール、及び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】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明の光ファイバモジュールの製造方法は、開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとを、溶接により固定する溶接工程を含むことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとを、比較的低温度で固定できる溶接により固定する。これにより、比較的高温度となる半田付けで固定する場合と比較して、キャップ部材内部に不純物を含んだガスが残留するのを防ぐことができ、光ファイバのレーザ光の入射面が汚染するのを防ぐことができる。従って、光出力が低下するのを防ぐことができる。
【００１４】
なお、請求項２に記載したように、前記キャップ部材の前記開口側と前記ステムとが、電気溶接により固定されるようにしてもよい。
【００１５】
また、請求項３に記載したように、別個独立の前記フェルールと前記ステムとを所定方法により溶接よりも高い温度で固定する工程を、前記溶接工程より前に含むようにしてもよい。
【００１６】
この場合、請求項４に記載したように、前記所定方法は半田付けとしてもよい。このように、不純物ガスが残留する虞のある半田付けの工程を溶接工程よりも前にすることにより、キャップ部材内部に不純物ガスが残留するのを確実に防止することができる。
【００１７】
請求項５記載の発明の光ファイバモジュールは、開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとが封止されたことを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすることにより、光ファイバのレーザ光の入射端面が汚染して光出力が低下するのを防ぐことができる。
【００１９】
なお、請求項６に記載したように、前記キャップ部材の開口側の面が前記フェルールの外径よりも大きな径を有し、かつ前記ステムの外径が前記キャップ部材の開口側の面よりも大きな外径を有する構成としてもよい。これにより、例えばキャップ部材内部の洗浄が容易となるので、汚染を防ぐことができると共に、製造も容易となる。
【００２０】
請求項７記載の発明のレーザモジュールは、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を集光するレンズと、開口側と反対側の面にレーザ光を透過する透過部材が窓部として設けられたキャップ部材の前記開口側と、光ファイバが固定されたフェルールに形成されたステムとが封止された光ファイバモジュールと、を備え、前記透過部材の前記レーザ光の入射端面における光密度が８［Ｗ／ｍｍ２］以下であることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、透過部材のレーザ光の入射端面における光密度が８［Ｗ／ｍｍ２］以下、すなわち汚染が発生するのを防ぐことができる光密度以下になっているので、効果的に汚染を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光出力の低下を抑制することができる、という効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１には、本実施形態に係るレーザモジュール１０の断面図を、図２にはレーザモジュール１０の底面側から見た斜視図を示した。図１に示すように、レーザモジュール１０は、半導体レーザ２０を備えており、ＬＤホルダ２２内に収容されている。半導体レーザ２０は、例えば可視〜紫外光域の波長（例えば３７０〜５００ｎｍ）で高出力（例えば１００ｍＷ以上）レーザ光を出射する半導体レーザを用いることができる。このＬＤホルダ２２は、ネジ２４により、ヒートシンク２６に固定される。
【００２５】
半導体レーザ２０のレーザ光の出射側には、レンズ２８が設けられている。このレンズ２８は、外形が略円筒状のレンズホルダ３０によって保持されている。このレンズホルダ３０の外径はＬＤホルダ２２の内径と略一致とされており、レンズホルダ３０はＬＤホルダ２２に固定される。
【００２６】
レンズホルダ３０には、スリーブ３２が取り付けられており、このスリーブ３２内に光ファイバモジュール４０が挿入されている。
【００２７】
光ファイバモジュール４０は、ファイバスリーブ４２を備えており、このファイバスリーブ４２にはステム４４が固定されている。そして、図３に示すように、ステム４４にはフェルール４６が取り付けられた光ファイバ４８が挿入されて固定されており、かつキャップ部材５０が気密封止されている。
【００２８】
キャップ部材５０のレーザ光の入射側には、低融点ガラスで構成されたガラス窓５２がシーリング装置により取り付けられており、このガラス窓５２を透過したレーザ光が光ファイバの端部付近で結像される。なお、ガラス窓５２は、ガラス材料に限られるものではなく、レーザ光を透過するのであれば他の透過材料により構成されていてもよい。
【００２９】
次に、光ファイバモジュールの製造方法について説明する。
【００３０】
まず、図４（Ａ）に示すように、コバルト金メッキされたフェルール４６に、金メッキされたメタライズファイバである光ファイバ４８を挿入して、半田付けにより固定する。
【００３１】
次に、同図（Ｂ）に示すように、ステム４４にフェルール４６が固定された光ファイバ４８を挿入し、半田付けによりステム４４とフェルール４６とを固定する。
【００３２】
次に、ステム４４に固定されたフェルール４６及び光ファイバ４８の端面を例えばプラズマ洗浄及びＵＶ洗浄の少なくとも一方の方法により洗浄する。
【００３３】
次に、同図（Ｃ）に示すように、開口側の面がフェルール４６の外径よりも大きな径を有するキャップ部材５０を、前記開口側の面よりも大きな外径を有するステム４４に被せ、同図（Ｄ）に示すように、ステム４４とキャップ部材５０の境界を気密封止できる所定温度で電気溶接により固定し、気密封止する。
【００３４】
なお、キャップ部材５０をステム４４に固定する前に、キャップ部材５０内部を洗浄するようにしてもよい。キャップ部材５０の開口側の面は、フェルール４６の外径よりも大きな径を有しているため洗浄がしやすい。
【００３５】
なお、溶接は、ドライエア雰囲気中で行う。また、洗浄後に汚染するのを防止するため、洗浄後少なくとも２４時間以内に溶接する。また、ステム４４とキャップ部材５０との境界全てを電気溶接することが好ましいが、気密封止できるのであれば必ずしも境界全てを電気溶接しなくてもよい。
【００３６】
仮に例えばステム４４とキャップ部材５０とをフェルール４６とステム４４とを固定する際と同様に半田付けで固定した場合や、ステム４４にフェルール４６を半田付けにより固定するよりも先に、キャップ部材５０をステム４４に溶接により固定した場合、半田付けする部位の温度は３００°Ｃ近い高温となるため、不純物を含むガスが発生し、これがキャップ部材５０内に残留する場合がある。このため、キャップ部材５０内部にレーザ光が照射されると特に光密度が高い結像部分において集塵効果等による汚染が発生し、光ファイバ４８の端面が汚染される場合がある。
【００３７】
これに対し、溶接の場合、少なくとも半田付けした場合よりも低い温度、すなわち不純物ガスが発生しない温度（例えば２００°Ｃ以下）で溶接することができるため、キャップ部材５０をステム４４に固定した後にキャップ内部に不純物ガスが残留するのを防ぐことができ、光ファイバ４８の端面が汚染されるのを防ぐことができる。なお、溶接方法は、電気溶接に限らずレーザ溶接やＹＡＧ溶接等、不純物ガスが発生しない温度で溶接できるのであれば他の溶接方法であってもよい。
【００３８】
最後に、ファイバスリーブ４２内にステム４４を固定して光ファイバモジュール４０が完成する。
【００３９】
このように、本実施形態では、ステム４４にキャップ部材５０を固定してからステム４４にフェルール４６を固定するのではなく、ステム４４にフェルール４６を固定してから電気溶接によりステム４４にキャップ部材５０を固定するので、ステム４４とフェルール４６とを半田付けにより固定した場合でも、キャップ内部に不純物ガスが残留するのを防ぐことができ、光ファイバ４８の端面が汚染されるのを防ぐことができる。
【００４０】
次に、光密度と汚染との関係について説明する。
【００４１】
波長が３７０〜５００ｎｍのレーザ光が透明部材を透過するとき、その透明部材の入出射端が光密度に応じて汚染し、透過率を低下させる汚染物が付着することは知られているが、本発明者は、鋭意検討の結果、出力低下の度合いと光密度との間に直線的な相関関係があることを見出した。これについて以下に説明する。
【００４２】
本発明者は、５０〜４００ｍＷで駆動したレーザの出射光を所定のパワー密度になるようにレンズで集光し、その集光点にガラス部材で構成された透明部材を配置し、その透明部材をレーザ光の主軸に沿って移動させることにより光密度を変えながらレーザ光の透過率の経時変化を測定した。
【００４３】
その結果を図５に示す。横軸は透明部材のレーザ光の入射端面における光密度（Ｗ／ｍｍ２）であり、縦軸は汚染による光出力低下の度合い、すなわち透明部材を透過した光の時間当たりの透過率低下の度合いを示している。なお、同図において○印が実際の測定点であり、同図に示す直線は、各測定点を最小自乗法で求めた直線である。そして、その直線を表わす式は次のようになった。
【００４４】
ＬｏｇＲ＝−６．５＋０．９×Ｌｏｇ（Ｐ／Ｓ）    ・・・（１）
ここで、Ｒは時間当たりの透過率低下の度合いであり、Ｐはレーザ光の出力値（Ｗ）、Ｓは透明部材の入射端面におけるビーム面積（ｍｍ２）である。
【００４５】
例えばレーザ光の透過率が予め定めた所定の透過率から２０％低下した時をレーザ光源の寿命と定義した場合において、寿命１万（１０４）時間のレーザを使用した場合、汚染による出力低下分を、レーザ光源の寿命までの透過率の低下分に対して１／１０以下、すなわち２％以下に抑えることを目標とすると、その低下分は０．０２／１０４＝２．０×１０−６となる。この値に対応する光密度は、図５より８［Ｗ／ｍｍ２］となる。
【００４６】
従って、図３の構成において、透明部材であるガラス窓５２の入射端面における光密度が例えば８［Ｗ／ｍｍ２］以下となるようにすることにより、汚染による光出力の低下を抑えることができる。具体的には、ガラス窓５２の入射端面における光密度が８［Ｗ／ｍｍ２］以下となるように、半導体レーザ２０の出力値、レンズ２８の倍率、ガラス窓５２と光ファイバ４８のレーザ光入射側の端面との距離、ガラス窓５２の屈折率等を設定する。
【００４７】
以上より、ガラス窓５２の空気に曝された入射端面におけるビーム面積をＳ［ｍｍ２］とすると、レーザモジュール１０における光出力Ｐが次式を満たすようにすることで汚染による光出力の低下を抑えることができる。
【００４８】
Ｐ［Ｗ］  ≦  ８［Ｗ／ｍｍ２］×Ｓ［ｍｍ２］  ・・・（２）
本実施形態では、ガラス窓５２の入射端面における光密度を８［Ｗ／ｍｍ２］以下となるようにレーザモジュール１０を構成している。これにより、汚染による光出力の低下を抑えることができる。
【実施例】
【００４９】
上記のような構成のレーザモジュール１０において、ガラス窓５２の入射端面における光密度が８［Ｗ／ｍｍ２］以下となるように設計した。
【００５０】
具体的には、レーザ光源の出力Ｐ［Ｗ］、ビーム面積Ｓが上記（２）式を満たすようにすればよいが、ビーム面積Ｓは、ビームの形状が楕円であるとすると、長軸半径をｒ１、短軸半径をｒ２とすると（ｒ１×ｒ２×π）で表される。ここで、レーザ光源から出射されるレーザ光の垂直方向の放射半角をＮＡ⊥、水平方向の放射半角をＮＡ／／、ガラス窓５２と光ファイバ４８のレーザ光入射側の端面との距離をＬ、ガラス窓５２の屈折率をｎ、レンズ２８の倍率をαとした場合、長軸半径ｒ１、短軸半径ｒ２は次式で表される。
【００５１】
ｒ１＝Ｌ×ＮＡ⊥／ｎ×１／α      ・・・（３）
ｒ２＝Ｌ×ＮＡ／／／ｎ×１／α    ・・・（４）
従って、次式を満たすようにガラス窓５２と光ファイバ４８のレーザ光入射側の端面との距離Ｌを設定することで汚染による光出力の低下を抑えることができる。
【００５２】
Ｐ≦８×Ｌ×ＮＡ⊥／ｎ×１／α×
Ｌ×ＮＡ／／／ｎ×１／α ×π      ・・・（５）
さらに、次式を全て満たすようにガラス窓５２の直径φを設定することでビームがけられない構成とすることができる。
【００５３】
φ  ＜  ｒ１×２      ・・・（６）
φ  ＜  ｒ２×２      ・・・（７）
なお、作製した光ファイバモジュールにおける半導体レーザの端面の発光形状の面積Ｓは７×１［μｍ２］、垂直方向の放射角θ⊥は４２°、水平方向の放射角θ//は１６°、レーザ光の出力Ｐは５００ｍＷであり、ガラス窓５２と光ファイバ４８の端面との距離Ｌは３［ｍｍ］とした。この構成において通電試験を行った所、ガラス窓５２の入射端面における光密度は、５．２［Ｗ／ｍｍ２］となり、ガラス窓５２の汚染は確認できなかった。
【００５４】
次に、距離Ｌを１［ｍｍ］として同様の通電試験を行った所、汚染による出力低下が発生した。このときのガラス窓５２の入射端面における光密度は１０．４［Ｗ／ｍｍ２］であり、上記（５）式を満たしていなかった。
【００５５】
そこで、上記（５）式を満たすように、レンズ２８の倍率α＝４の場合におけるガラス窓５２と光ファイバ４８の端面との距離Ｌを再設定した。具体的には、ＮＡ⊥＝０．３８３、ＮＡ//＝０．１４１、ｎstab＝１．４６であり、Ｐ＝５００ｍＷであるから、Ｌ＝２．４１［ｍｍ］以上、直径４６３［μｍ］以上のガラス窓５２を用いることで汚染による劣化が無視できる光源を作製することができた。
【００５６】
図６には、上記（５）式を満たすように構成した本発明に係るレーザモジュールの複数のサンプルの光出力特性６０と、従来のように上記（５）式を満たさない構成のレーザモジュールの複数のサンプルの光出力特性６２と、を示した。
【００５７】
同図に示すように、従来構成のレーザモジュールは、すぐに光出力が大きく低下してしまうのに対し、本発明の構成のレーザモジュールは、光出力が緩やかに低下しているのが判る。これにより、上記（５）式を満たすようにレーザモジュールを構成することにより、光出力の低下を大幅に改善できることが判った。
【００５８】
なお、本発明に係るレーザモジュール１０は、これを露光用の光源とした露光装置、例えばプリント基板の配線形成用に露光するための露光装置等に用いることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、ステム４４とフェルール４６とが別個独立した構成の場合について説明したが、これに限らず、フェルール４６とステム４４とが一体化された構成にも本発明を適用可能である。
【００６０】
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】レーザモジュールの断面図である。
【図２】レーザモジュールの斜視図である。
【図３】光ファイバモジュールの断面図である。
【図４】光ファイバモジュールの製造工程について説明するための図である。
【図５】光密度と汚染による光出力低下との関係を示すグラフである。
【図６】光出力と駆動時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０      レーザモジュール
２０      半導体レーザ
２２      ＬＤホルダ
２６      ヒートシンク
２８      レンズ
３０      レンズホルダ
３２      スリーブ
４０      光ファイバモジュール
４２      ファイバスリーブ
４４      ステム
４６      フェルール
４８      光ファイバ
５０      キャップ部材
５２      ガラス窓（透過部材）
【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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【図６】
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