(57)【要約】【課題】少なくともモニタ用の光軸ずれを抑えることができる半導体レーザモジュールを提供すること。【解決手段】筐体２０底部に配置されるペルチェ素子２の上部に膨張係数が異なる２層以上の複数の板状部材である基台４，５を重ね合わせ、少なくとも最上層の基台５の一部領域に該最上層の基台５と異なる膨張係数を有した抑制部材２２をさらに設け、基台５および／または抑制部材２２に光学素子を配置する。これによって、ペルチェ素子２にそりが発生しようとする場合であっても、基台４、基台５、および抑制部材２２の合板構造によってそりの発生を抑えるため、基台４および抑制部材２２にそりが発生し難く、ビームスプリッタ８とエタロン９との間の光軸ずれが発生し難くなる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御素子の上部に少なくとも一つの基台を介して、光結合された複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、
前記少なくとも一つの基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の歪み部分の少なくとも一部上に、前記少なくとも一つの基台の歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の線膨張係数を補償する大きさの線膨張係数を有する抑制部材を配置したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記少なくとも一つの基台は、半導体レーザ素子を搭載する第１の基台と、少なくとも一つの前記光学素子を搭載し、かつ前記第１の基台上に積載された第２の基台とを含み、前記第１の基台および／または前記第２の基台の表面に前記抑制部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記第１の基台の線膨脹係数と前記第２の基台の線膨脹係数との大小関係と、前記第２の基台の線膨脹係数と前記抑制部材の線膨脹係数の大小関係が逆の関係にあることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
前記第１の基台の線膨脹係数と前記第１の基台の層厚との積算値は、前記第２の基台上に配置された前記抑制部材の前記線膨脹係数と該抑制部材との積算値とほぼ等しいか、あるいは、より小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項５】
前記抑制部材は前記光学素子の存在しない表面に配置され、前記歪みを抑制する形状をとることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項６】
前記第２の基台の光学部品を固定した端部は片もち梁構造で前記第１の基台上に積載されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項７】
温度制御素子の上部に複数の基台を介して、複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、
前記複数の基台の中の少なくとも一つの基台は、前記複数の基台に含まれる該少なくとも一つの基台の他の基台の温度変化に伴う線膨張係数の差異から生じる歪みを抑制するために、該他の基台の歪みを抑制する線膨脹係数を有する抑制層であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記複数の基台の表面に、前記複数の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するための抑制部材が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記温度制御素子とその上の基台とは中央部周辺のみにおいて接触していることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
前記抑制部材の上部にはさらに光学素子が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１１】
前記抑制部材の上部には放熱構造が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
温度変化によって反りを生じる基台のそりを抑制する抑制部材であって、基台の線膨脹係数の差異を補償することによって基台のそりを抑制することを特徴とする抑制部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光軸のズレを抑制することによって、ロック波長の変動を抑えることができる半導体レーザモジュールおよび抑制部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子、集光レンズ、出力光をモニタする光検出器、ペルチェ素子などの温度制御素子、アイソレータなどの多くの構成部品を備えている。この半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子からの出力光を、集光レンズで集光して平行光とした後、アイソレータを介して光ファイバに導き、光ファイバ内を導波して所望の用途に供している。
【０００３】
ここで、半導体レーザモジュールでは、多くの構成部品によって半導体レーザ素子から光ファイバに至る光経路が形成されるため、光軸、特に、集光レンズとアイソレータとの間の光軸は厳密に調整される必要がある。ここで光軸ずれが生じると、例えば、集光レンズから出射した光がアイソレータの一部によってけられ、光の結合効率が低下するため、集光レンズを保持するレンズホルダおよびアイソレータとを共通の固定部材上に固定配置するものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１９４５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光軸のずれの影響の一例を示すと、半導体レーザモジュールでは、集光レンズから光ファイバに至る光軸上にビームスプリッタを設け、このビームスプリッタによってレーザ光の一部を分岐し、この分岐した光に対してエタロンなどの波長フィルタによってフィルタリングし、フィルタリングされた波長の光出力を光検出器でモニタし、波長ロック制御を行うようにしている。
【０００６】
ここで、ビームスプリッタからエタロンまでの光軸にずれが生じると、波長ロック制御を精度高く行うことができない。特に半導体レーザモジュールの底部に配置された温度制御素子としてのペルチェ素子は、ペルチェ素子自体の上部と下部とで温度差が生じるため、水平方向にそりが生じ、このそりによってモニタ光軸の光軸ずれが発生する。この場合、ビームスプリッタおよびエタロンを共通の固定部材上に配置しても、ペルチェ素子と固定部材との線膨張係数の違いに起因するそりが、あるいは固定部材の温度分布により生じるそりが、さらに固定部材が複数の材料からなる層から構成されている場合はそれぞれの層の線膨張係数の差に起因するそりが生じ、結果として、大きな光軸ずれが発生する。また、この光軸ずれは、ビームスプリッタの反射光の光軸である場合、ビームスプリッタのずれ角度は、２倍のずれ角度をもった光軸ずれとして現れることになる。
【０００７】
図１１は、光軸がエタロン入力面に垂直な状態のときの光軸角度を０°とした場合における光軸角度に対する波長シフト量の関係を示した図である。図１１において、光軸角度が小さな場合には大きな波長シフト量を示さないが、光軸角度が大きくなるにしたがって、波長シフト量は比例関係を超えて増大する。たとえば、エタロンの初期角度が１．４°のときの波長シフト量は−２００ｐｍであり、０．２°の角度ずれが生じると、１００ｐｍという大きな波長シフト量のずれとして現れ、許容範囲内の波長ロック制御を行うことができない。
【０００８】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、温度制御素子の上に配置された固定部材のそりを抑制し、固定部材の上部に配置された光学素子間に形成された光路の光軸のずれを抑えることができる半導体レーザモジュールおよび抑制部材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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、温度制御素子の上部に少なくとも一つの基台を介して、光結合された複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、前記少なくとも一つの基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の歪み部分の少なくとも一部上に、前記少なくとも一つの基台の歪みを抑制するために、前記少なくとも一つの基台の線膨張係数を補償する大きさの線膨張係数を有する抑制部材を配置したことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記少なくとも一つの層は、半導体レーザ素子を搭載する第１の基台と、少なくとも一つの前記光学素子を搭載し、かつ前記第１の基台上に積載された第２の基台とを含み、前記第１の基台および／または前記第２の基台の表面に前記歪みを抑制する部材が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１の基台の線膨脹係数と前記第２の基台の線膨脹係数との大小関係と、前記第２の基台の線膨脹係数と前記抑制部材の線膨脹係数の大小関係が逆の関係にあることを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１の基台の線膨脹係数と前記第１の基台の層厚との積算値は、前記第２の基台上に配置された前記抑制部材の前記線膨脹係数と該抑制部材との積算値とほぼ等しいか、あるいは、より小さいことを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材は前記光学素子の存在しない表面に配置され、前記歪みを抑制する形状をとることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第２の基台の光学部品を固定した端部は片もち梁構造で前記第１の基台上に積載されている。
【００１５】
また、この発明にかかる別の半導体レーザモジュールは、温度制御素子の上部に複数の基台を介して、複数の光学素子が配置された半導体レーザモジュールにおいて、前記複数の基台の中の少なくとも一つの基台は、前記複数の基台に含まれる該少なくとも一つの基台の他の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するために、該他の基台の歪みを抑制する線膨脹係数を有する抑制層である。
【００１６】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記複数の基台の表面に、前記複数の基台の温度変化に伴う歪みを抑制するための抑制部材がさらに配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記温度制御素子とその上の基台とは中央部において接触していることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材の上部にはさらに光学素子が配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記抑制部材の上部には放熱構造が設けられている。
【００２０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる抑制部材は、温度変化によって反りを生じる基台のそりを抑制する抑制部材であって、基台の線膨脹係数の差異を補償することによって基台のそりを抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、底部に配置される温度制御素子上に、基台が載置されると、温度制御素子と基台の間の線膨張係数の差により生じるそり、この温度分布による基台のそり、あるいは温度制御素子上に線膨張係数が異なる２層以上の複数の板状部材を重ね合わせた基台を用いると、その線膨張係数の差による基台の合板のそりが生じるが、これらの基台の上にさらにそりを抑制するための抑制部材を設ける、あるいはそりの抑制用の抑制層を合板構造にさらに挿入することによって、温度制御素子上の基台にそりが発生しようとしても、このそりの抑制構造によって温度制御素子上の基台のそりの発生を抑制するので、光学部品間の光軸ずれの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
一般的には反りの抑制には剛性の強い部材が使われている、しかしながら温度変化によってそりが生じる場合には単に剛性が高いだけではその線膨脹係数の大きさによって逆にそりを助長してしまう場合もある。本件発明者らは温度変化によるそりを抑制するためにはそりを生じている部材の線膨脹係数を検討して、その部材の線膨脹係数の差異を補償し得る線膨脹係数を有する部材を抑制部材として用いることによって効果的にそりを抑制できることを発見した。本発明はこの発見に基づく。以下、図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザモジュールおよび抑制部材の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュールの構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。さらに、図３は、図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。図１〜図３において、この半導体レーザモジュール１は、筐体２０の底部に温度制御素子としてのペルチェ素子２が固定配置される。このペルチェ素子２の上部全面には、アルミナからなる接合部材３が接合される。さらに、接合部材3の上部全面には銅タングステンからなる板状の基台４が接合され、この基台４の長手方向の一方の端部には段部が形成され、この段部には半導体レーザ素子６が配置される。
【００２４】
基台４の段部以外の領域には、ＦｅＮｉＣｏ合金、たとえばコバール（Kovar、登録商標）からなる板状の基台５が設けられ、この基台５の上部には、半導体レーザ素子６から出力されたレーザ光を集光して平行光に変換する集光レンズ７、この平行光に対するアイソレータ機能を有し、平行光の一部を分岐するビームスプリッタ８、ビームスプリッタ８によって分岐された光を波長フィルタリングするエタロン９、エタロン９を支持する支持部１０、およびエタロン９によって波長フィルタリングされた光を検出する光検出器１１が搭載されている。さらに、基台５の上部であって、集光レンズ７、ビームスプリッタ８、エタロン９、支持部１０、および光検出器１１が搭載された領域以外の領域にアルミナからなる板状の抑制部材２２が設けられる。なお、開口部１２には、光ファイバなどを取り付けるフェルールなどが挿入される。
【００２５】
ここで、基台４、基台５、および抑制部材２２は、それぞれが異なる線膨張係数を有する板状部材であり、たとえば、基台４の銅タングステンは６．６５×１０−０６（／℃）、基台５のＦｅＮｉＣｏ合金は４．８５×１０−０６（／℃）、抑制部材２２のアルミナは７．２０×１０−０６（／℃）で、隣り合う板状部材が異なる線膨張係数を有するものであり、各板状部材が重ね合わされた合板構造を有する。各層の材料はせん断に強いものが好ましく、また抑制部材としては、線膨張係数が他の層の線膨張係数を補償する線膨張係数を持っていることが必要であるが、剛性の高い材料であるとさらに好ましい。ここで抑制部材２２がない従来の場合は、基台４より基台５の線膨張係数が小さいのでそりを生じることとなる。しかしながら、本件発明によればさらに、ＦｅＮｉＣｏ合金（コバール）よりも線膨張係数の大きいアルミナを抑制部材としてＦｅＮｉＣｏ合金（コバール）の基台５上に設けているので基台５の上下で線膨張係数の違いがバランスし、そりが解消される。線膨張係数の大きさは基台の材質により、たとえば、基台４→基台５→抑制部材２２の順に、大→小→大の膨張係数を有する板状部材を積層してもよいし、基台４→基台５→抑制部材２２の順に、小→大→小の膨張係数を有する板状部材を積層してもよい。また合板構造は複数の層からなっても、それぞれの熱膨張係数が補償されるような関係になっていれば良い。各板状部材は、互いにそりを相殺して抑える作用が生じ、接合部材３を含むペルチェ素子２にそりが生じても、基台５および／または抑制部材２２にそりが生じ難くなり、ビームスプリッタ８とエタロン９との間の光軸ずれが発生し難くなる。また、上述のように基台４と基台５の熱膨張によるそりの抑制だけではなく、ペルチェ素子２、接合部材３、基台４および基台５によって生じるそりを補償するように抑制部材２２を選択しても良い。これによって、波長ロック制御を精度高く行うことができる。なお、抑制部材２２は、基台４および基台５のみの２層構造に関して、基台５上のビームスプリッタ８などの光学素子の配置されていない場所に配置することができる。また、抑制部材２２の配置されない部分のそりを抑制するために、抑制部材２２により大きな抑制効果を与えように、基台上の温度分布に対応した形状をとっても良い。
【００２６】
ここで、基台４、基台５、および抑制部材２２の厚さは、各板状部材間の接合状態および膨張係数によって決定される。すなわち、隣接する各板状部材が、各板状部材間が接する面の体積と線膨張係数との乗算値が略一致するように厚さが設定される。単純化して、抑制部材２２が配置される部分の合板構造の厚みと線膨張係数の積算値と抑制部材２２の厚みと線膨張係数の積算値が近づくように、あるいは抑制部材に関わる積算値が若干小さいように設定してもよい。このため、たとえば、図３に示すように、抑制部材２２の膨張係数が、基台４の線膨張係数に比して小さい場合には、抑制部材２２の厚さを基台４の厚さより厚くした抑制部材２２ａとすることが好ましい。
【００２７】
また、基台４、基台５、および抑制部材２２は、各板状部材をさらに複数層の板状部材によって形成されるようにしてもよい。この場合、膨張係数が略同じであってもよい。要は、抑制部材２２を含めた、線膨張係数が異なる３層以上の板状部材が相互にそりを補償するように積層されるようにすればよい。ここで板状構造には新たにそりを補償するための層を挿入しても良い。さらに基台が一層だったとしても、その熱分布によりそりが生じる場合には本発明の抑制部材２２をその表面に設けてそりを抑制することもできる。
【００２８】
なお、図４に示すように、エタロン２９などの光学素子は、基台５上のみならず、抑制部材２２上に搭載するようにしてもよい。さらに、抑制部材２２上に全ての光学素子を搭載するようにしてもよい。また、抑制部材２２上に放熱構造を設けてもよい。
【００２９】
（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。また、図６は、図５に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。図５および図６において、この半導体レーザモジュール２１は、基台４に対応する基台２４が、ペルチェ素子２の略中央部分のみにおいて接合部材３に接合するとともに、半導体レーザ素子６が搭載される端部側およびビームスプリッタ８およびエタロン９が搭載される端部側が接合部材３に接合しないようにしている。これによって、基台２４上の半導体レーザ素子６が搭載される領域は、片持ち梁構造となって浮いた状態となり、基台５に対応する基台２５上のビームスプリッタ８およびエタロン９が搭載される端部領域も片持ち梁構造となって浮いた状態となる。
【００３０】
なお、基台２４には凹部が、基台２５には下に凸部が形成されており、これらの凹凸が嵌合するようになっている。この嵌合構造は、基台２４がＹ方向にスライドして基台２５に結合するようになっている。もちろん、この嵌合構造は、接合部材３と基台２４との間にも形成してもよい。また、この嵌合はアリ溝ガイド構造のように設計することもできる。
【００３１】
この実施の形態２では、上述した片持ち梁構造としているため、基台２４と基台２５の線熱膨張係数の違いによるそりがこの領域では発生しない。また、ペルチェ素子２と基台２４との接続部分は中央部のみとなっているので、ペルチェ素子２自体の接合面のそりが影響するのは、中央部分のみとなり、たとえペルチェ素子１にそりが発生したとしても、基台２４，２５を含む合板構造へのペルチェ素子２のそりの影響が最小限に抑えられる。この場合は単純に合板構造の基台間の線膨張係数を考慮すればよい。この例では特に、ビームスプリッタ８およびエタロン９、あるいは半導体レーザ６が搭載される端部が片持ち梁構造となっており、端部側にそりが発生しないので、光軸ずれが一層発生し難くなることになる。
【００３２】
なお、図７に示すように、実施の形態１と同様に、エタロン２９などの光学素子を抑制部材２２上に搭載するようにしてもよい。
【００３３】
（実施例）
ここで、上述した実施の形態１，２および従来との比較について説明する。図８は、実施の形態１に対応した比較例１の構造を示し、エタロン２９を基台５上であって集光レンズ７とビームスプリッタ８との間で光軸からずれた位置に設けている。また、図９は、実施の形態２に対応して片持ち梁構造をもたせた比較例２を示し、エタロン２９を基台２５上であって集光レンズ７とビームスプリッタ８との間で光軸からずれた位置に設けている。なお、比較例１，２の双方とも、基台５、２５上には、抑制部材２２を設けている。すなわち、比較例１，２ともに３層構造の板状部材による合板構造を形成している。なお、従来例としては、単層構造の板状部材としての基台上に、半導体レーザ素子６、ビームスプリッタ８、およびエタロン５を設ける。
【００３４】
図１０は、実施の形態１，２に対応した比較例１，２および従来例に対する基台−Ｙ方向に対するＺ方向の変位量を示す図である。曲線Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ従来例、比較例１、比較例２によるＺ方向変位量の−Ｙ方向位置依存性を示している。図１０に示すように、従来例では、１５μｍ程度の大きなＺ方向変位が中央部に生成する。これに対し、比較例１では、５μｍ程度のＺ方向変位が中央部に生成する。また、比較例２では、相対的に１０μｍ程度のＺ方向変位が生成している。したがって、比較例１，２では、従来例に比してＺ方向の変位量を小さくすることができる。
【００３５】
また、比較例１では、中央部に位置するエタロン２９のＹ方向角度がほぼ０であるのに対し、比較例２では、中央部に位置するエタロン２９のＹ方向角度が、ビームスプリッタ８のＹ方向角度とほぼ同じ値で、かつ同じ方向に傾いている。すなわち、比較例２では、ビームスプリッタ８とエタロン２９との変位が同じ傾きとなっているため、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間の相対的な変位量（相対的変位角度）が極めて小さくなることがわかる。
【００３６】
具体的に、図１０を参照すると、従来例では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．１９°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．０１°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．１８°となる。また、比較例１では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．０９°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．００°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．０９°となる。さらに、比較例２では、ビームスプリッタ８のＹ方向変位角度は、０．０７°であり、エタロン２９のＹ方向変位角度は、０．０３°であり、この結果、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間のＹ方向相対的変位角度は、０．０４°となる。なお、Ｙ方向変位角度とは、光学素子のＺ方向への変位によって生じる、Ｙ軸に対する傾斜角度をいう。
【００３７】
したがって、この比較例１，２では、ビームスプリッタ８とエタロン２９との間の相対的な光軸ずれの発生を小さくすることができ、特に比較例２では、この相対的な光軸ずれを極めて小さくすることができ、精度の高い波長ロックを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザモジュールの構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。
【図３】図１に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。
【図４】図１に示した半導体レーザモジュールの変形例の構成を示す縦断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２である半導体レーザモジュールの縦断面を斜めからみた図である。
【図６】図５に示した半導体レーザモジュールの縦断面図である。
【図７】図５に示した半導体レーザモジュールの変形例の構成を示す縦断面図である。
【図８】この発明の実施の形態１に対応した比較例１の構成を示す縦断面図である。
【図９】この発明の実施の形態２に対応した比較例２の構成を示す縦断面図である。
【図１０】従来例、比較例１、および比較例２によるＺ方向変位量のＹ方向位置依存性を示す図である。
【図１１】光軸角度に対する波長シフト量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，２１  半導体レーザモジュール
２  ペルチェ素子
３  接合部材
４，５，２４，２５  基台
６  半導体レーザ素子
７  集光レンズ
８  ビームスプリッタ
９，２９  エタロン
１０  支持部
１１  光検出器
１２  開口部
１９  接合部
２０  筐体
２２，２２ａ  抑制部材
【図１】
2009267386.tif 000003
【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】
2009267386.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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