JP2001196684A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 互いに接着固定される半導体レーザ素子と光
波長変換素子とからなる半導体レーザモジュールにおい
て、接着剤層の両側（半導体レーザ素子側と光波長変換
素子側）の部材の熱膨張差によって両素子間に位置ずれ
が生じたり、接着剤層が剥離してしまうことを防止す
る。 【解決手段】 基本波を発生する光源である半導体レー
ザ素子10と、この半導体レーザ素子10からの基本波が入
射する光導波路17を有する光波長変換素子12とが、前者
の光出射端面と後者の光入射端面とを相近接させて光学
的に直接結合されてなる半導体レーザモジュールにおい
て、半導体レーザ素子10と光波長変換素子12とを接着剤
15によって固定し、その接着剤15として、半導体レーザ
モジュールの使用温度下におけるＪＩＳ規格番号Ｋ６２
５３によるデュロメータ硬さ試験タイプＤで測定された
硬度が８０未満のものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波を発生する
光源である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子
からの基本波が入射する光導波路を有する光波長変換素
子とが結合されてなる半導体レーザモジュールに関し、
特に詳細には、これら両素子を互いに接着剤によって固
定した構造の半導体レーザモジュールに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基本波光源から発生させたレ
ーザビームを非線形光学材料からなる光波長変換素子に
入射させて、この光波長変換素子により第２高調波等に
波長変換（短波長化）する技術が知られている。

【０００３】また、基本波光源として半導体レーザ素子
を用い、そして光波長変換素子として光導波路型のもの
を用いる場合は、例えば本出願人による特願平１１−９
３８４５号明細書に示されているように、半導体レーザ
素子の光出射端面と光波長変換素子の光入射端面とが相
近接する状態にして両素子を光学的に直接結合し、それ
らをモジュール化することも広く行なわれている。

【０００４】このように半導体レーザ素子と光波長変換
素子とを直接結合して半導体レーザモジュールを構成す
る場合には、接着剤を用いて両素子を固定する手法が多
く採用される。その際は、両素子の端面同士を直接的に
接着固定してもよいし、あるいは上記明細書にも開示さ
れているように、半導体レーザ素子、光波長変換素子を
それぞれ別個の第１、第２ホルダーに搭載して、それら
のホルダー同士を接着剤によって固定してもよい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように半導体レ
ーザ素子と光波長変換素子とを接着固定（それらのホル
ダー同士を接着固定する場合も含むものとする）してな
る半導体レーザモジュールにおいては、これら両素子の
結合位置関係がいわゆるサブミクロンオーダー、つまり
0.1μｍから１μｍ未満程度だけずれても、光結合効率
が低下してしまうという問題が認められている。

【０００６】したがって、それら両素子を結合する際
に、半導体レーザ素子から出射した基本波としてのレー
ザビームが光波長変換素子の光導波路端面に正確に入射
するように両者を調芯する工程や、その状態で両者を固
定する工程はもとより、その後の輸送、保存環境、使用
環境、さらには経時によっても両素子が位置ずれを起こ
さないように対処することが求められている。

【０００７】特に、使用温度変化によるモジュール構成
部材の熱膨張により両素子が位置ずれを起こしやすいの
で、前述のように互いに接着固定される部材は、熱膨張
率（線膨張係数）が等しい材料から形成することが望ま
れる。しかし、その他の事情からやむを得ずに互いに異
なる線膨張係数の材料を使用して各部材を構成しなけれ
ばならないこともあり、そのような場合は、熱膨張した
部材間に応力が作用して接着部分が動いてしまうことが
ある。こうして接着部分が動いてしまうと、半導体レー
ザ素子と光波長変換素子との間に位置ずれが生じること
になる。

【０００８】また、接着剤によって接着されている部材
の間で、線膨張係数の差による相対位置変動が生じた場
合は、接着剤層への応力集中によってこの接着剤層が剥
離してしまうおそれもある。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、互いに接着固定される半導体レーザ素子と光波
長変換素子とからなる半導体レーザモジュールにおい
て、接着剤層の両側（つまり半導体レーザ素子側と光波
長変換素子側）の部材の熱膨張差によって両素子間に位
置ずれが生じたり、さらには、接着剤層が剥離してしま
うことを防止することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザモジュールは、前述したように、基本波を発生する光
源である半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子か
らの基本波が入射する光導波路を有する光波長変換素子
とが、前者の光出射端面と後者の光入射端面とを相近接
させて光学的に直接結合されてなる半導体レーザモジュ
ールにおいて、半導体レーザ素子と光波長変換素子とが
接着剤によって固定され、前記接着剤として、半導体レ
ーザモジュールの使用温度下におけるＪＩＳ規格番号Ｋ
６２５３によるデュロメータ硬さ試験タイプＤで測定さ
れた硬度が８０未満のものが用いられたことを特徴とす
るものである。

【００１１】なお、上記構成を有する本発明の半導体レ
ーザモジュールにおいては、半導体レーザ素子が第１ホ
ルダーに搭載されるとともに、光波長変換素子が前記第
１ホルダーとは別体に形成された第２ホルダーに搭載さ
れ、第１ホルダーの前記光出射端面と同じ側を向いた一
面と、第２ホルダーの前記光入射端面と同じ側を向いた
一面とが、接着剤によって固定されることが望ましい。

【００１２】また前記接着剤の厚みは８μｍ以下である
ことが好ましい。そしてこの接着剤としては、アクリル
系接着剤やエポキシ系接着剤が好適に用いられる。

【００１３】他方、本発明による半導体レーザモジュー
ルは、保存または使用温度範囲が−４５〜８０℃のもの
であることが望ましい。

【００１４】

【発明の効果】本発明による半導体レーザモジュールに
おいては、半導体レーザ素子と光波長変換素子とを接着
する接着剤として、半導体レーザモジュールの使用温度
下におけるＪＩＳ規格番号Ｋ６２５３によるデュロメー
タ硬さ試験タイプＤで測定された硬度が８０未満と比較
的柔軟性の有る接着剤が用いられたことにより、半導体
レーザ素子側と光波長変換素子側との線膨張係数の差に
よる応力が接着部分に作用したとき、この応力は接着剤
の変形によって十分吸収されるようになる。そこで、接
着剤層の両側部分つまり半導体レーザ素子側部分と光波
長変換素子側部分との間に相対位置変動が生じることが
なくなり、両素子間の位置ずれが防止され、また接着剤
層の剥離も防止される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１および図２はそれぞれ、本発
明の１つの実施形態による半導体レーザモジュールの斜
視形状および一部破断側面形状を示すものである。図示
されるように本実施形態の半導体レーザモジュールは、
基本波を発生する光源である半導体レーザ10と、この半
導体レーザ10から入射した基本波を第２高調波に変換す
る光波長変換素子12とが結合されてなるものである。こ
れらの半導体レーザ10および光波長変換素子12は、前者
の光出射端面10ａと後者の光入射端面12ａとを相近接さ
せて光学的に直接結合されている。

【００１６】半導体レーザ10は断面コ字状の第１ホルダ
ー13に搭載され、光波長変換素子12は第１ホルダー13と
は別体に形成された同じく断面コ字状の第２ホルダー14
に搭載されている。そして、第１ホルダー13の上記光出
射端面10ａと同じ側を向いた一面13ａと、第２ホルダー
14の上記光入射端面12ａと同じ側を向いた一面14ａとが
接着剤15によって固定されることにより、半導体レーザ
10および光波長変換素子12が上述のように結合されてい
る。

【００１７】光波長変換素子12は、例えばＭｇＯが５ｍ
ｏｌ％ドープされたＬｉＮｂＯ_３（以下、ＭｇＯ−ＬＮ
と称する）の結晶基板16上に例えぱプロトン交換により
形成された光導波路17と、周期ドメイン反転構造18とを
有している。周期ドメイン反転構造18は、ＭｇＯ−ＬＮ
基板16の自発分極（ドメイン）を反転させたドメイン反
転部が、光導波路17の延びる方向に沿って所定周期で繰
り返してなるなるものである。光導波路17には、半導体
レーザ10から発せられた例えぱ波長９５０ｎｍの基本波
としてのレーザビームが入射される。このレーザビーム
は光導波路17を導波し、周期ドメイン反転構造18で位相
整合（いわゆる疑似位相整合）が取られて、波長が１／
２の第２高調波に変換される。

【００１８】本実施形態では、ＴＥモード導波型の光波
長変換素子12と、同様にＴＥモード導波型の半導体レー
ザ10とを直接結合しているので、双方の基板を平行にで
き、調芯、固定が容易となっている。さらに、半導体レ
ーザ10として、波長チューニング可能でかつ波長ロック
できる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：distributed Brag
g reflector）のものを用いているため、光波長変換素
子12の位相整合波長に発振波長を調整することができ
る。それにより、波長変換効率を最大にして、第２高調
波出力を最大化することができる。

【００１９】以下、上記半導体レーザ10と光波長変換素
子12との結合について、図３および図４を参照して詳し
く説明する。半導体レーザ10および光波長変換素子12
は、双方が上面を向いているとそれぞれの光導波路が顕
微鏡で良く観察できるので、互いの位置調整がしやす
い。

【００２０】そこで、半導体レーザ10については図３
（Ａ）および図４（Ａ）にそれぞれ平面形状、正面形状
を示すように、半導体レーザ本体であるＬＤチップ20を
ヒートシンク21上に固定し、さらにこのヒートシンク21
を第１ホルダー13の凹部の底面上に固定する。第１ホル
ダー13は、その端面13ａが高精度に研磨されて、基準板
22の一方の基準面22ａに密着可能に形成されている。そ
こで、ＬＤチップ20を載置したヒートシンク21を第１ホ
ルダー13に固定するときには、基準板22の基準面22ａに
対してＬＤチップ20、ヒートシンク21および第１ホルダ
ー13の各端面が一直線に並ぶようにする。すなわち、基
準板22の基準面22ａにＬＤチップ20の端面20ａ、ヒート
シンク21の端面21ａおよび第１ホルダー13の端面13ａを
当接させた状態で、ＬＤチップ20をヒートシンク21に、
そしてヒートシンク21を第１ホルダー13に固定する。

【００２１】同様に光波長変換素子12は、図３（Ｂ）お
よび図４（Ｂ）にそれぞれ平面形状、正面形状を示すよ
うに、第２ホルダー14の凹部の底面上に固定する。第２
ホルダー14も、その端面14ａが高精度に研磨されて、基
準板22の他方の基準面22ｂに密着可能に形成されてい
る。そこで、光波長変換素子12を第２ホルダー14に固定
するときには、基準板22の基準面22ｂに対して光波長変
換素子12および第２ホルダー14の各端面が同一平面上に
並ぶようにする。すなわち、基準板22の基準面22ｂに光
波長変換素子12の端面12ａおよび第２ホルダー14の端面
14ａを当接させた状態で、光波長変換素子12を第２ホル
ダー14に固定する。

【００２２】その後第１ホルダー13と第２ホルダー14と
を、それぞれの各端面13ａ、14ａが向き合う状態に互い
を向き合わせて、半導体レーザ10のビーム出射位置と光
波長変換素子12の光導波路17のビーム入射位置との調整
を行なう（図５（Ａ）および（Ｂ）参照）。そしてこの
接合面内での位置調整後に、ホルダー13、14同士を接着
剤15で固定する。ＬＤチップ20と光波長変換素子12と
は、前述したように予め基準板22を用いてそれぞれ第１
ホルダーの端面13ａ、第２ホルダーの端面14ａから突出
しないように位置調整されているので、互いがぶつかっ
て破壊することがなく、５０％以上の光結合効率を得る
ことも可能となる。

【００２３】なお、第１ホルダー13および第２ホルダー
14の各々の凹部の深さは、第１ホルダー13の下面13ｂ
（図４参照）から半導体レーザ10のビーム出射位置まで
の距離と、第２ホルダー14の下面14ｂから光導波路17の
ビーム入射位置までの距離とが一致するように設定する
ことが好ましい。そのようにすれば、第１ホルダー13お
よび第２ホルダー14を水平方向（図４の矢印Ａ方向）に
のみ調整することによって、上記ビーム出射位置と入射
位置とを容易に整合させることができる。

【００２４】次に、上述のようにして形成された半導体
レーザ10および光波長変換素子12からなる半導体レーザ
モジュールに対して、図６に示すようにコリメートレン
ズ25を調整、固定する。具体的には、第１ホルダー13に
取り付けられた半導体レーザ10と第２ホルダー14に取り
付けられた光波長変換素子12との組立体を、まず台座26
に固定する。この台座26には、コリメートレンズ25が取
り付けられており、上記組立体の固定時に、コリメート
レンズ25から出射する第２高調波27が平行光となるよう
に該コリメートレンズ25を調整、固定する。そして、Ｄ
ＢＲレーザである半導体レーザ10に対する光増幅領域注
入電流Ｉ_Ｌ 、およびＤＢＲ領域注入電流Ｉ_Ｔ を調整
することにより、半導体レーザ10の発振波長を光波長変
換素子12の位相整合波長に調整する。それにより、最大
の第２高調波出力が得られるようになる。

【００２５】なお発振波長可変の半導体レーザ10として
は、本実施形態で使用している２電極タイプのＤＢＲレ
ーザの他に、３電極タイプのＤＢＲレーザや、さらには
分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザ等
も使用可能である。

【００２６】次に、第１ホルダー13と第２ホルダー14と
を固定する接着剤15について詳しく説明する。本例にお
いてこの接着剤15の厚みは一例として１μｍである。そ
して、半導体レーザ10および光波長変換素子12の間の位
置ずれ、並びに接着剤層の剥離発生状況を接着剤15の種
類および硬度毎に調べるために、接着剤15としてアクリ
ル系接着剤およびエポキシ系接着剤を用い、それぞれに
おいて接着剤15のＪＩＳ規格番号Ｋ６２５３によるデュ
ロメータ硬さ試験タイプＤで測定された硬度を、３０、
５０、７５、７８、８０および８５の６通りに設定し
た。

【００２７】それら１２通りのサンプルの半導体レーザ
モジュールにおけるレーザビームと導波光との結合効率
を測定したところ、すべて５０％であった。この測定の
後、各半導体レーザモジュールに対して−４５〜８０℃
の温度サイクルを１００回加え、その後の第２高調波出
力を測定するとともに、接着剤15の剥がれ状況を調べ
た。

【００２８】その結果を（表１）に示してある。なおこ
の（表１）中の○、△、×はそれぞれ、（１）温度サイ
クル付加後も第２高調波の出力に変化無し、（２）温度
サイクル付加後に第２高調波出力が低下、（３）第２高
調波出力低下とともに接着剤15の剥がれ発生、の３状況
を示している。

【００２９】

【表１】 （表１）に示されている通り、接着剤15のＪＩＳ規格番
号Ｋ６２５３によるデュロメータ硬さ試験タイプＤで測
定された硬度が７８以下の場合は第２高調波出力が温度
サイクル付加前と変わっていないのに対し、接着剤15の
上記硬度が８０以上の場合は、温度サイクル付加後の第
２高調波出力が低下している。これは、半導体レーザ10
と光波長変換素子12との間に位置ずれが発生しているた
めと考えられる。また、特に上記硬度が８５の場合は接
着剤15の剥がれも発生している。以上の点に鑑みて本発
明においては、接着剤のＪＩＳ規格番号Ｋ６２５３によ
るデュロメータ硬さ試験タイプＤで測定された硬度を８
０未満とするものである。

【００３０】以上、接着剤層の厚みが１μｍとされた実
施形態について説明したが、接着剤層の厚みはこの値に
限定されるものではなく、接着剤がアクリル系あるいは
エポキシ系のものである場合には、接着剤層の厚みが８
μｍ以下であれぱ基本的に本発明による効果が得られ
る。

【００３１】具体的に、上記実施形態における接着剤15
に代えて、層厚を４μｍ、８μｍとした接着剤によって
第１ホルダー13と第２ホルダー14とを固定した半導体レ
ーザモジュールを作製し、それらについても上記と同様
の温度サイクルを付加し、その後の第２高調波出力およ
び接着剤の剥がれ発生を調べたが、結果は（表１）と全
く同じであった。

【００３２】他方、接着剤層の厚みが８μｍを超える程
度まで大きいと、温度変化による接着剤層自身の変形が
顕著になって、半導体レーザ素子と光波長変換素子との
間の位置ずれを招きやすくなる。この接着剤層自身の変
形を小さく抑えることだけを考えれば、接着剤層の厚み
は小さいほど好ましいが、十分な接着強度を確保するた
めに現実的にその厚みの下限値はサブミクロンオーダ
ー、つまり0.1μｍから１μｍ未満程度となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザモジュ
ールを示す斜視図

【図２】上記半導体レーザモジュールの一部破断側面図

【図３】上記半導体レーザモジュールの組立て工程を説
明する平面図

【図４】上記半導体レーザモジュールの組立て工程を説
明する正面図

【図５】上記半導体レーザモジュールの組立て工程を説
明する概略図

【図６】上記半導体レーザモジュールの使用状態を示す
平面図

【符号の説明】

10 半導体レーザ 12 光波長変換素子 13 第１ホルダー 14 第２ホルダー 15 接着剤 16 ＭｇＯ−ＬＮ結晶基板 17 光導波路 18 周期ドメイン反転構造

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基本波を発生する光源である半導体レー
   ザ素子と、この半導体レーザ素子からの基本波が入射す
   る光導波路を有する光波長変換素子とが、前者の光出射
   端面と後者の光入射端面とを相近接させて光学的に直接
   結合されてなる半導体レーザモジュールにおいて、 前記半導体レーザ素子と前記光波長変換素子とが接着剤
   によって固定され、 前記接着剤として、半導体レーザモジュールの使用温度
   下におけるＪＩＳ規格番号Ｋ６２５３によるデュロメー
   タ硬さ試験タイプＤで測定された硬度が８０未満のもの
   が用いられていることを特徴とする半導体レーザモジュ
   ール。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザ素子が第１ホルダーに
   搭載されるとともに、前記光波長変換素子が前記第１ホ
   ルダーとは別体に形成された第２ホルダーに搭載され、 前記第１ホルダーの前記光出射端面と同じ側を向いた一
   面と、前記第２ホルダーの前記光入射端面と同じ側を向
   いた一面とが、前記接着剤によって固定されていること
   を特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
3. 【請求項３】 前記接着剤の厚みが８μｍ以下であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザモ
   ジュール。
4. 【請求項４】 前記接着剤がアクリル系接着剤およびエ
   ポキシ系接着剤のうちの１つであることを特徴とする請
   求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザモジュー
   ル。
5. 【請求項５】 保存または使用温度範囲が−４５〜８０
   ℃であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項
   記載の半導体レーザモジュール。