JP2005109412A

JP2005109412A - レーザモジュール

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Publication number: JP2005109412A
Application number: JP2003344501A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Kuramachi; 照彦蔵町; Hideo Yamanaka; 英生山中; Kazuhiko Nagano; 和彦永野; Yoji Okazaki; 洋二岡崎
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-21
Also published as: TWI268029B; KR20050033029A; TW200518412A; CN100523897C; CN1604413A; KR101093025B1; US7301975B2; US20050058167A1

Abstract

【課題】発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールにおいて、密閉容器内での有機揮発ガスの発生を抑えて、高寿命化を達成する。
【解決手段】発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にあって、５５００時間以上の寿命を持つ半導体レーザＬＤ７を密閉容器４０、４１内に配置してなるレーザモジュールにおいて、密閉容器４０、４１内に配置する光学部品として、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が１０μｇ／ｇ以下のものを用いる一方、光学部品（例えばコリメータレンズ１７）を固定する有機接着剤として、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇ以下のものを用いる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザ素子を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールに関するものである。

従来、半導体レーザ素子、コリメータレンズ、集光レンズ、および光ファイバ等が密閉容器内に配置されてなるレーザモジュールが知られている。この種のレーザモジュールにおいては、密閉容器内に残存する汚染物質が半導体レーザ素子の出射端面、レンズおよび光ファイバ等の光学部品に付着して、レーザ特性を劣化させるという問題が認められている。上記の汚染物質としては、製造工程の雰囲気中から混入する炭化水素化合物が挙げられ、この炭化水素化合物が、レーザ光により重合あるいは分解されて付着することが知られている。

この問題を解決するために、以下に示すように種々の方法が提案されている。例えば特許文献１には、波長４００ｎｍ以下のレーザ光の出力低下を防止するためには容器内の炭化水素量を０．１％以下にすることが効果的であり、これにより炭化水素の光分解による光学部品等への堆積を防止できることが記載されている。また、封止雰囲気をドライエアとすることも提案されており、雰囲気中の酸素と堆積した炭化水素との光化学反応によって、堆積物を除去する効果が期待されている。

また、特許文献２においては、炭化水素等の有機ガスの光分解による半導体レーザ素子端面への汚染物物質の付着を防止するため、このガスを分解することを目的とした酸素を１００ｐｐｍ以上封止ガスに混入させることが記載されている。

また特許文献３には、レーザモジュールにおける油分等の汚染物質を脱脂および洗浄して除去することにより、長期信頼性の確保が可能であることが記載されている。

一方特許文献４には、発振波長が３５０〜４５０ｎｍのＧａＮ系半導体レーザ素子を用いたレーザモジュールが提案されているが、この種のレーザモジュールにおいては、短波長のレーザ光はエネルギーが高いことから、モジュール内に存在する炭化水素が重合あるいは分解したものが、半導体レーザ素子の端面あるいは光学部品等に付着する確率が高く、特に問題となっている。
特開平11-167132号公報米国特許第5392305号明細書特開平11-87814号公報特開2002-202442号公報

レーザ光と炭化水素との反応により生成される炭化水素系堆積物は、上記特許文献２に示されるように、一定量以上の酸素を含んだガス雰囲気中ではＣＯ₂とＨ₂Ｏとに分解されることにより解消される。

しかしながら、この種の堆積物は炭化水素だけでなく、ケイ素化合物の存在が確認されており、酸素を雰囲気中に含有させるだけではケイ素化合物を分解除去することが出来ないことが解っている。炭化水素およびケイ素化合物の堆積物は、光学的な吸収を発生させるため、連続発振における経時信頼性を著しく損なうという問題がある。堆積するケイ素化合物は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）、シラノ−ル基（−Ｓｉ−ＯＨ）等のＳｉを含有した有機化合物ガス（以下有機ケイ素化合物と記す）とレーザ光との光化学反応により発生し、しかも雰囲気中の酸素の存在がその反応速度を大きくする効果がある。ここで言うケイ素化合物とは、有機、無機を問わずケイ素を含むあらゆる構造を有しているものを示し、無機ＳｉＯx、有機ケイ素化合物を含むものである。

発生源としては、主としてレーザモジュール製造工程の任意の場所に使用されているシリコーン系材料から発せられるガスである。これがレーザモジュール内の各部品表面に付着している場合があり、また、モジュールを封止して使用する場合は、その封止ガス中に微量含まれる。これらの製造過程中のガス成分を管理するには通常のクリーンルームや封止ガス精製機の設置では完全に除去することが出来ず、多大な設備投資が必要となる。また、特許文献３に開示されているような油分等の脱脂あるいは洗浄工程を通しても、上記のような製造過程雰囲気からの上記化合物の混入は避けることが出来ない。洗浄には液体有機物を使用する関係上、その乾燥工程における不純物の管理が必要である。さらに容器内に半導体レーザ素子、光学部材等を固定する際に用いる接着剤を溶解させない洗浄剤を選定する必要があり、部品表面に付着する有機物質の洗浄能力の維持と相矛盾する場合が多い。

レーザモジュール内の部品に付着する炭化水素化合物およびケイ素化合物等は、２００℃以上望ましくは３００℃以上の温度での加熱処理による分解蒸発により除去が可能である。しかし、加熱処理は数〜数十時間にわたる処理時間が必要であるとともに、モジュール内部品を有機系接着剤により固定する場合、接着剤の熱劣化による機械特性が劣化するため、この方法を用いることが出来ない。

また、上記特許文献２に記載されているように、半導体レーザ素子を封止したガス中に酸素を１００ｐｐｍ以上混入させる手法は、発振波長が３５０〜４５０ｎｍ程度の範囲にある短波長半導体レーザ素子からなるレーザモジュールに対しては、効果的でないことが解っている。つまり、このような短波長半導体レーザ素子において、雰囲気中の酸素濃度に対する経時劣化速度の依存性は、発振波長が赤外領域にある半導体レーザ素子の場合と異なるものとなり、酸素濃度増加に伴う改良が見られない。すなわち、赤外領域の半導体レーザ素子の場合は、該素子の端面、光学部品、モジュール内ファイバー入射端面等の、レーザ光路上に存在する光学部品表面に堆積する炭化水素系有機化合物の分解反応が酸素濃度の増大に伴って活発になり、経時信頼性の向上が見られるが、上記短波長半導体レーザ素子の場合は、酸素濃度が１００ｐｐｍになると逆に信頼性が低下する。これは、酸素濃度１００ｐｐｍ以上の領域では、珪素化合物の堆積が顕在化することによると考えられる。通常、炭化水素化合物の堆積防止のために酸素を一定量封止することは不可欠であるが、炭化水素ガスが多く存在する雰囲気中でレーザ光を発生させる系においては、珪素化合物の堆積増加による信頼性の悪化が避けられないのである。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にある半導体レーザ素子を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールにおいて、密閉容器内での有機揮発ガスの発生を抑えて、高寿命化を達成することを目的とする。

本発明によるレーザモジュールは、
発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にあって、５５００時間以上の寿命を持つ半導体レーザ素子を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールにおいて、
前記密閉容器内に配置された、前記半導体レーザ素子を含む光学部品の全てが、１５０℃におけるGC-MASS（ガスクロマトグラフ質量分析法）評価による有機揮発ガス発生量が１０μｇ／ｇ（ヘキサデカンの揮発ガス量〔ｇ〕に対する揮発有機物総量〔μｇ〕）以下のものであり、
前記光学部品を前記密閉容器内で固定する有機接着剤として、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇ以下のものが用いられていることを特徴とするものである。

なお本発明は、上記光学部品として、光ファイバと、前記半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を該光ファイバに入力するための入射光学系とを備えているレーザモジュールに適用されることが望ましい。

一方上記有機接着剤としては、エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および、触媒量のオニウム塩光反応開始剤を含有する接着性組成物からなるものを好適に用いることができる。

また上記接着性組成物は、前記光学部品とそれを固定する固定部材との間に、接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入された後、活性エネルギー線により硬化せしめられて、光学部品を前記固定部材に固定していることが望ましい。

また上記接着性組成物は、シランカップリング剤を含有するものや、あるいは０．１μｍ以上１．０μｍ以下の平均直径を有する球状シリカ粒子を含有するものであることが望ましい。

また前記固定部材は金属製部材からなり、その一方前記光学部品は無機透明部材からなるものであることが望ましい。

そして前記オキセタニル基を有する化合物は、下記一般式（１）で表されるものであることが望ましい。

式（１）中Ｒ_１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ₂は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。

なお、本発明において好適に用いられる上記接着性組成物については、特開2001-177166号公報にも記載がなされているが、以下、詳しく説明する。

この接着性組成物は、エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および、触媒量のオニウム塩光反応開始剤を必須成分として含有する。これらの化合物および開始剤はいずれも１種類でも、２種以上の混合物でも良い。

また本発明には、１分子内に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物が使用できるが、このエポキシ化合物としては、１分子内に２個以上のエポキシ基を有し脂環式構造を有しないグリシジル化合物よりも、１分子内に２個以上のエポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物が好ましく用いられる。「エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物」とは、シクロペンテン基、シクロヘキセン基等のシクロアルケン環の二重結合を過酸化水素、過酸等の適当な酸化剤でエポキシ化した部分構造を１分子内に２個以上有する化合物を言う。本発明のエポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物としては、シクロヘキセンオキシド基またはシクロペンテンオキシド基を１分子内に２個以上有する化合物が好ましい。このような脂環式エポキシ化合物の具体例としては、４−ビニルシクロヘキセンジオキサイド、（３，４−エポキシシクロヘキシル）メチル−３，４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレート、ジ（３，４−エポキシシクロヘキシル）アジペート、ジ（３，４−エポキシシクロヘキシルメチル）アジペート、ビス（２，３−エポキシシクロペンチル）エーテル、ジ（２，３−エポキシ−６−メチルシクロヘキシルメチル）アジペート、ジシクロペンタジエンジオキサイド、が挙げられる。エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物は１種類を使用しても、２種以上の混合物を使用しても良い。種々の脂環式エポキシ化合物が市販されており、ユニオンカーバイド日本（株）、ダイセル化学工業（株）等から入手できる。

また、１分子内に２個以上のエポキシ基を有し脂環式構造を有しないグリシジル化合物を前記脂環式エポキシ化合物とほぼ等重量以下併用することもできる。このようなグリシジル化合物としては、グリシジルエーテル化合物やグリシジルエステル化合物を挙げることができるが、グリシジルエーテル化合物を併用することが好ましい。グリシジルエーテル化合物の具体例を挙げると、１，３−ビス（２，３−エポキシプロピロキシ）ベンゼン、ビスフェーノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポシキ樹脂、フェノール・ノボラック型エポキシ樹脂、クレゾール・ノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂等の芳香族グリシジルエーテル化合物、１，４−ブタンジオールグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリトリグリシジルエーテル等の脂肪族グリシジルエーテル化合物が挙げられる。グシシジルエステルとしては、リノレン酸ダイマーのグリシジルエステルを挙げることができる。脂環式エポキシ化合物に併用するグリシジル化合物は、１種類でも良く、または２種以上を混合使用しても良い。グリシジルエーテル類は油化シェルエポキシ（株）等から市販品を入手できる。

また、前記オキセタニル基を有する化合物（以下、単に「オキセタン化合物」ともいう。）は、１分子中にオキセタニル基を１個以上有する化合物である。このオキセタニル基含有化合物は、１分子中に１個のオキセタニル基を有する化合物と、１分子中に２個以上のオキセタニル基を有する化合物に大別される。

１分子中に１個のオキセタニル基を有する単官能オキセタン化合物としては、以下の一般式（１）で表される化合物が好ましい。

式（１）中Ｒ_１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ₂は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。Ｒ₂の炭化水素基としては、フェニル基やベンジル基も採りうるが、炭素数６ないし８のアルキル基が好ましく、２−エチルへキシル基等の分岐アルキル基が特に好ましい。Ｒ₂がフェニル基であるオキセタン化合物の例は、特開平11-140279号公報に記載されている。Ｒ₂が置換されていても良い、ベンジル基であるオキセタン化合物の例は、特開平6-16804号公報に記載されている。Ｒ₁がエチル基であり、Ｒ₂が２−エチルへキシル基であるオキセタン化合物は、優れた希釈剤、硬化促進剤、柔軟性付与剤、および表面張力低下剤として本発明に好ましく使用される。

本発明においては、１分子中に２個以上のオキセタニル基を有する多官能オキセタン化合物が使用できるが、好ましい化合物群は、下記の一般式（２）で表される。

式（２）中、ｍは２、３または４の自然数を示し、Ｚは酸素原子、硫黄原子、またはセレン原子を表す。Ｒ₃は水素原子、フッ素原子、炭素数が１ないし６の直鎖もしくは分岐状のアルキル基、炭素数が１ないし６のフルオロアルキル、アリル基、フェニル基またはフリル基である。Ｒ₄は、ｍ価の連結基であり、炭素数が１ないし２０の基であることが好ましく、１個以上の酸素原子、硫黄原子を含んでいても良い。Ｚは酸素原子が好ましく、Ｒ₃はエチル基が好ましく、ｍは２が好ましく、Ｒ₄としては、炭素数が１ないし１６の線形または分岐アルキレン基、線形または分岐ポリ（アルキレンオキシ）基が好ましく、Ｒ₃、Ｒ₄、Ｚ、およびｍに対する好ましい例の内から任意の２つ以上を組み合わせた化合物はさらに好ましい。

本発明で用いるオニウム塩光反応開始剤は、活性エネルギー線が接着性組成物に照射されることにより、活性な化学種を生成すると考えられるオニウム塩を言う。オニウム塩光反応開始剤としては、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルフォニウム塩等が、熱的に比較的安定であるために、好ましい。ここで、活性エネルギー線とは、オニウム塩に作用して化学反応を開始しうる化学的活性種（ルイス酸、ブレンステッド酸等のカチオン種）を生成しうるエネルギー線であり、紫外線、電子線、ガンマー線、Ｘ線等が含まれるが、紫外線が好ましく用いられる。

芳香族スルフォニウム塩および芳香族ヨードニウム塩をオニウム塩光反応開始剤として使用する場合、その対アニオンとしては、ＢＦ₄ ⁻、ＡｓＦ₆ ⁻、ＳｂＦ₆ ⁻、ＰＦ₆ ⁻、ＰＦ₆ ⁻、Ｂ（Ｃ₆Ｆ₅）₄ ⁻などが挙げられる。開始剤としては、芳香族スルフォニウムのＰＦ₆塩またはＳｂＦ₆塩が、溶解性と適度の重合活性を有するために好ましく使用できる。また、溶解性を改良するために、芳香族基ヨードニウム塩または芳香族スルフォニウム塩の芳香族基、通常はフェニル基に、１ないし１０の炭素を有する、アルキル基またはアルコキシ基を１つ以上導入した化学構造が好ましい。芳香族スルフォニウム塩のＰＦ₆塩またはＳｂＦ₆塩は、ユニオンカーバイド日本（株）等から市販されている。旭電化工業（株）からも、アデカオプトマーＳＰシリーズの商品名で芳香族スルフォニウムのＰＦ₆塩が市販されている。芳香族スルフォニウム塩は約３６０ｎｍまでに吸収を有し、芳香族ヨードニウム塩は約３２０ｎｍまでに吸収を有するので、硬化させるには、この領域の分光エネルギーを含む紫外線を照射するのが良い。

以下に示す化学構造式の中でもスルフォニウム塩PI-3およびPI-4は、光の吸収効率が高いために、好ましく使用される。

本発明で用いるオニウム塩光反応開始剤は、活性エネルギー線の作用により、活性なカチオン種を生成して、脂環式エポキシ化合物およびオキセタニル基を有する化合物をカチオン重合させることにより、本発明の接着性組成物を硬化させると考えられる。

本発明で用いる接着性組成物において、脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の重量比は、（９５ないし６５）重量部対（５ないし３５）重量部であり、好ましくは、（８０ないし７０）重量部対（２０ないし３０）重量部である。単官能オキセタン化合物が少なすぎると接着性組成物の粘度、表面張力等の液物性が良好でなく、逆に単官能オキセタン化合物の添加量が多すぎると、硬化物が柔軟になりすぎ、接着強度が低下する。また、オニウム塩光反応開始剤は触媒量使用すれば良く、その添加量は脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の合計１００重量部に対して、０．３ないし１０重量部であり、０．５ないし５重量部が好ましい範囲である。

上記接着性組成物は、好ましくは、光学部品と固定部材との間に接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入される。この接着厚さ以下では、接着強度が不足し、この厚さ以上では、接着剤の硬化収縮の悪影響が生じやすい。０．０５μｍ以上２μｍ以下の接着厚さが好ましく、０．２μｍ以上１μｍ以下の接着厚さが特に好ましい。

本発明においては、上記接着性組成物に、さらにシランカップリング剤を添加することが好ましい。シランカップリング剤は、光学部品およびその被着体である無機の部材や金属製部材と接着性組成物とを化学的に結合する性質を有していると考えられる。このシランカップリング剤の併用により、接着強度および接着耐久性を改良することができる。本発明に併用するシランカップリング剤としては、１分子中にエポキシ基およびトリメトキシシリル基を有するエポキシシラン類が好ましく用いられる。このようなカップリング剤は、信越化学工業（株）からＫＢＭ３０３、ＫＢＭ４０３、ＫＢＥ４０２等の商品名で入手できる。シランカップリング剤の好ましい使用範囲は、脂環式エポキシ化合物およびオキセタン化合物の合計１００重量部に対して、０．５ないし５重量部とすれば良く、１ないし３重量部が好ましい。

また本発明では、接着性組成物に球状シリカ粒子を含有させることが好ましい。シリカ粒子は、０．１μｍないし２μｍの直径を有し、粒度分布ができるだけ均一であると良い。平均粒度が０．２μｍ以上０．８μｍ以下である粒子が本発明に好ましく使用され、形状が真球状に近く、イオン性の不純物が少ないシリカ粒子が特に好ましく使用される。このシリカ粒子を添加することにより硬化させた接着性組成物の熱耐久性を改良することができる。球状シリカ粒子の添加量は接着性組成物１００重量部に対し、１ないし２０重量部の範囲で適宜選択できる。合成石英球状シリカは（株）龍森等から市販されている。

本発明において上記接着性組成物は、レンズ、反射ミラー等の無機透明部材とこれを接着固定する金属（銅、銅合金、アルミニウム等）製ホルダー等の金属製固定部材との接着に好ましく使用される。

本発明者は鋭意検討の結果、接着性組成物の室温（２５℃）における粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上、１，０００ｍＰａ・ｓ以下に調節することが好ましく、粘度を８０ｍＰａ・ｓ以上、３００ｍＰａ・ｓ以下に調節することがさらに好ましく、加えて、この接着性組成物と被着体との接触角を４０度以下すること、より好ましくは３０度以下とすることが良好な接着固定を与えることを見いだした。組成物粘度を調節するするためには、単官能オキセタン化合物の添加が有効である。また、必要に応じて、フッ素系界面活性剤を添加することにより接触角の調節を行うことができる。フッ素系界面活性剤は、疎水基としてフッ化炭素を有する界面活性剤であり、アニオン、カチオンおよびノニオンの３種があるが、本発明にはフッ素化アルキルエステル系のノニオン界面活性剤の使用が好ましい。このノニオン界面活性剤の添加量は、接着性組成物の１００重量部に対して０．１ないし１重量部である。このノニオン界面活性剤は住友スリーエム（株）等からフロラード（ＦＣ１７０Ｃ、同１７１、同４３０、同４３１等）の商品名で市販されている。

また本発明で用いる接着性組成物には、上記の添加剤の他に、染料、顔料等の不活性成分を適宜添加することができる。また、光硬化性を向上させる目的で、ピレン、ペリレン、アクリジンオレンジ、チオキサントン、２−クロロチオキサントン、ベンゾピラン等の光増感剤を添加しても良い。紫外線により硬化させるために紫外線照射光源として種々の光源を使用することができ、例えば、水銀アークランプ、キセノンアークランプ、炭素アークランプ、タングステン−ハロゲン複写ランプが挙げられる。

GC-MASSは、現在提供されている有機揮発ガス分析方法の中で、最も分析能力が高いものの一つに挙げられる。本発明者等はこのGC-MASSを利用して、一般的なレーザモジュールの使用環境下(温度２０〜３５℃)において、種々のモジュール構成部品からの有機揮発ガス発生量を測定した。それによると、測定値が一般的な測定限界すなわち１０μｇ／ｇ以下を示し、有機揮発ガス発生量が極めて微量であると判断できた部品であっても、それを用いてレーザモジュールを作製し駆動させると、通常の使用に求められる所期の寿命を達成できないことがあることが解った。

図５は、室温においてGC-MASS測定値が測定限界となる脱気処理を施した有機接着剤について、GC-MASS評価時のガス捕捉温度と有機揮発ガス発生量との関係例を示すものである。ここに示される通り、温度が上昇するに従って有機揮発ガス発生量が増加することは定性的に知られているが、有機接着剤等の有機物は、ほぼ１００℃以上に加熱して行くと分解、変質等が始まり、それにより有機揮発ガスが発生すると考えられる。そこで本発明者は、このようにして発生する有機揮発ガスがレーザモジュールの寿命に影響を及ぼしていると推察し、１５０℃（これは１００℃以上であって明らかに有機揮発ガスが発生していると考えられ、かつ接着剤等が完全に分解するするには至らない温度である）における有機揮発ガス発生量と、レーザモジュールの寿命との関係について調べた。

その結果、１５０℃における有機揮発ガス発生量とレーザモジュールの寿命との間に、顕著な相関があることが解った。図６は、これら両者の関係例を示すものである。この関係は、一例として内容積が６７．５ｍｍ³の円筒状のいわゆるキャン型容器内に、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ素子を封止してなるレーザモジュールを用い、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量がそれぞれ９０μｇ／ｇ、１２００μｇ／ｇの有機接着剤を用いて容器内光学部品を接着した場合のものである。なお同図の縦軸が推定寿命（時間）を示し、横軸は故障率（％）〔つまりこの故障率を１００％から減じた値が、縦軸の時間だけ継続して発光する確率（％）となる〕を示している。またこれらのレーザモジュールにおいて、キャン型容器内に配置される光学部品は全て、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が１０μｇ／ｇ以下のもので、光学部品を配置した後にキャン型容器内は、純度９９．９９％のドライエアで封止した。

そして上記半導体レーザ素子の光出力が３０ｍＷとなるようにＡＰＣ（automatic power control）駆動し、そのときの駆動電流が初期値から１．５倍になる時間を寿命と定義し、この時間を、２００〜６００時間駆動後の駆動電流の平均上昇率から算出した値を推定寿命とした。この図６に示される通り、レーザモジュールの推定寿命は、GC-MASS評価による有機揮発ガス発生量に応じて明らかに２群に別れた値を示し、これら両者間に明確な相関が有ることが解る。なお、キャン型容器内を、上記純度９９．９９％のドライエアに代えて純度９９．９９９９％のＮ₂ガスで封止した場合も、基本的に上記と同様の結果が得られる。

以上の知見に基づいて、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量とレーザモジュール寿命との関係を、上記と同じレーザモジュールについて調べたところ、図７に示す結果が得られた。なおここでは、半導体レーザ素子が９５％以上の確率で（つまり故障率５％未満で）継続して発光し続ける時間をレーザモジュールの推定寿命と定義している。この図７から、自身の寿命（つまり有機揮発ガス発生量が０のときの寿命で、該有機揮発ガスによる影響を受けない寿命）が約５５００時間である半導体レーザ素子を用いれば、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇのとき、一般にレーザモジュールに求められる最低限の４０００時間の寿命となる。なお、自身の寿命が５５００時間を超える半導体レーザ素子を用いた際には、上記有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇのとき、当然、４０００時間を超える寿命が得られる。

ここで、上記の４０００時間という寿命に関して説明する。一般的な勤労者の１年間の実労働時間を２４０日、１日の労働時間を８時間、レーザモジュールを利用する頻度を７０％とすると、レーザモジュールの１年間の実使用時間は、２４０日×８時間／日×０．７＝１３４４時間となる。そして一般的な光学機器類と同様にレーザモジュールの減価償却期間を３年とすると、レーザモジュールには約４０００時間の寿命が求められることになる。そこで本発明においては、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇ以下の有機接着剤を用いることにより、９５％以上の確率で４０００時間以上継続して発光できるようにしたものである。

また、本発明のレーザモジュールにおいて、光学部品としては、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が１０μｇ／ｇ以下のものが用いられており、したがってそれらの光学部品の使用環境下(温度２０〜３５℃)における有機揮発ガス発生量も当然１０μｇ／ｇ以下となるので、該光学部品からの有機揮発ガスによってレーザモジュールの寿命が短くなることはない。

なお、GC-MASSによる測定限界の１０μｇ／ｇという値と、図７に示した１５０℃における３００μｇ／ｇという値には何の相関も認められないものであり、したがってこの３００μｇ／ｇという値は、上記１０μｇ／ｇという値に基づいて容易に想到できるようなものではない。

ここで図８に、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が、上記３００μｇ／ｇ以下の範囲にある９０μｇ／ｇである有機接着剤を密閉容器内に入れた場合と、入れない場合について、レーザモジュールの寿命を比較した結果を示す。この関係は、一例として内容積が６７．５ｍｍ³の円筒状のいわゆるキャン型容器内に、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ素子を封止してなるレーザモジュールについて調べたものであり、上記有機接着剤を密閉容器内に入れた場合、入れない場合双方とも、キャン型容器内に配置した光学部品の１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量は、測定限界の１０μｇ／ｇ以下である。なお同図の縦軸、横軸の定義は、前述の図６におけるのと同様である。またこれらのレーザモジュールにおいて、光学部品を配置した後にキャン型容器内は、純度９９．９９％のドライエアで封止した。

そして上記半導体レーザ素子の光出力が３０ｍＷとなるようにＡＰＣ（automatic power control）駆動し、そのときの駆動電流が初期値から１．５倍になる時間を寿命と定義し、この時間を、２００〜６００時間駆動後の駆動電流の平均上昇率から算出した値を推定寿命とした。この図８に示される通り、光出力を３０ｍＷとして駆動した場合も、５０ｍＷとして駆動した場合も、上記有機接着剤が有る場合は無い場合と比べて寿命が明らかに短くなることは無く、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇ以下の有機接着剤を用いれば、用いない場合と基本的に同程度の寿命が確保されることが裏付けられた。なお、３０ｍＷ駆動の場合は上記有機接着剤を用いた方が寿命が短く、それに対して５０ｍＷ駆動の場合は上記有機接着剤を用いた方が寿命が長くなっているが、この相反する結果は測定誤差によるものと考えられる。

なお、密閉容器内に配置される光学部品として、光ファイバと、半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を該光ファイバに入力するための入射光学系とを有するレーザモジュールにおいては、光ファイバの入力端に汚染物質が堆積しやすくなっているため、本発明を適用することは特に効果的であると言える。

また、本発明において、光学部品と固定部材との接着に前述の接着性組成物からなる有機接着剤が用いられた場合、接着剤の硬化時の硬化収縮率（線収縮率）は２％程度に抑えることができる。そこで、レーザモジュールを構成する半導体レーザ素子、コリメータレンズ、集光レンズ、あるいは光ファイバ等の光学部品を該接着性組成物によって固定部材に固定する場合、接着性組成物の層厚が５μｍ以下に調整されていれば、この接着性組成物の未硬化部分の硬化収縮が進行しても収縮は５×０．０２＝０．１μｍ程度と極めて少なく抑えられる。さらに上述の接着性組成物は、光学部品と固定部材との間が１μｍ程度に狭くなっても、均一に浸透して、紫外線等により硬化した後も強力かつ柔軟性のある硬化物を生成するために、低温（−２５℃）から高温（７０℃）にわたる広い温度範囲ではがれの発生の無い接着が実現できる。以上により、上述のような光学部品の相対位置精度が高く保たれるので、上記接着性組成物を用いたレーザモジュールは、この点からも信頼性の高いものとなり得る。

以下、本発明の好ましい実施形態を図１〜４を参照して詳細に説明する。

本実施形態によるレーザモジュールは、図１に示す合波レーザ光源が、図２および図３に示すように密閉容器内に配置されてなるものである。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば７個）のチップ状の横マルチモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，およびＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，および１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０とから構成されている。

ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が全て共通（例えば４０５ｎｍ）であり、最大出力も全て共通（例えば、１００ｍＷ）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いることができる。

上記の合波レーザ光源は、図２の平面図および図３の側面図に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ４６とが取り付けられている。また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダ４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。

なお、図２においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。

図４は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図４の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。

一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。

従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ₁＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。

集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ₂＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．３である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂または光学ガラスをモールド成形することにより形成される。

マルチモード光ファイバ３０は、ステップインデックス型光ファイバ、グレーデッドインデックス型光ファイバ、および複合型光ファイバのいずれでもよく、例えば、三菱電線工業株式会社製のグレーデッドインデックス型光ファイバを好適に用いることができる。この光ファイバは、コア中心部がグレーデッドインデックスで外周部がステップインデックスであり、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．３、端面コートの透過率＝９９．５％以上である。

パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、後述する脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に、上記の合波レーザ光源が他の光学要素と共に気密封止される。

次に、上記レーザモジュールの動作について説明する。合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，およびＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光とされたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。

本例では、コリメータレンズ１１〜１７および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０から出射する。

上記のレーザモジュールでは、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．９となる。従って、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が１００ｍＷの場合には、出力６３０ｍＷ（＝１００ｍＷ×０．９×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。

次に、銅等の金属からなる固定部材であるコリメータレンズホルダ４４に対するコリメータレンズ１１〜１７の接着について説明する。コリメータレンズ１１〜１７の接着面（図３中の下端面）をコリメータレンズホルダ４４の接着面に密着させて、その隙間に以下に詳述する接着性組成物を挿入した後、紫外線照射により硬化させた。脂環式エポキシ化合物としてユニオンカーバイド日本（株）製ＵＶＲ６１２８（ビス（３，４−エポキシシクロヘキシル）アジペート）を使用し、単官能オキセタン化合物として東亜合成（株）のアロンオキセタンＯＸＴ−２１２（ＥＨＯＸ）を使用し、また光反応開始剤としてユニオンカーバイド日本（株）製のＵＶＩ−６９９０（トリアリ−ルスルフォニウムのＰＦ5塩）を使用し、これらの成分の重量比を下記の表１に示すように設定して、接着性組成物実施例１〜３および比較例１を調製した。

接着性組成物を紫外線照射により硬化させた後、接着均一性を光学顕微鏡により目視観察したところ、オキセタン化合物ＥＨＯＸを併用した実施例１〜３の接着剤が、併用しない比較例１の接着剤よりも優れた接着面の均一性を示した。

上記接着性組成物からなる接着剤の、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量は９０μｇ／ｇであり、前述した３００μｇ／ｇ以下とされている。またこの接着剤以外でパッケージ４０内に配置される、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７、コリメータレンズ１１〜１７、集光レンズ２０等の光学部品の１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量は、全て１０μｇ／ｇ以下である。また、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７自身の寿命、つまり上記接着性組成物から発生する有機揮発ガスの影響が無い場合の寿命は、５５００時間以上である。それにより本実施形態のレーザモジュールは、確率９５％以上で４０００時間の寿命を実現できるものとなる。その詳しい理由は、先に詳しく説明した通りである。

次に、コリメータレンズホルダ４４に対するコリメータレンズ１１〜１７の接着を、別の接着性組成物を用いて行った実施例について説明する。コリメータレンズ１１〜１７の接着面（図３中の下端面）をコリメータレンズホルダ４４の接着面に密着させて、その隙間に以下に詳述する接着性組成物を挿入した後、紫外線照射により硬化させた。脂環式エポキシ化合物としてユニオンカーバイド日本（株）製ＵＶＲ６１２８を使用し、さらに２官能グリシジル化合物として油化シェルエポキシ（株）製のビスフェノールＦ型系のエピコート８０６を併用し、単官能オキセタン化合物として東亜合成（株）のアロンオキセタンＯＸＴ−２１２（ＥＨＯＸ）を必要に応じて併用し、また光反応開始剤としてユニオンカーバイド日本（株）製のＵＶＩ−６９９０（トリアリ−ルスルフォニウムのＰＦ5塩）を使用し、シランカップリング剤として信越化学工業（株）製のＫＢＭ３０３、および（株）龍森の合成石英球状シリカ１−ＦＸ（平均粒径０．３８μｍ）を必要に応じて併用し、これらの成分の重量比を下記の表２に示すように設定して、接着性組成物実施例４〜１０を調製した。

接着性組成物を紫外線照射により硬化させ、−２５℃〜７０℃の保存試験を行った後に、接着面のハガレ発生率を測定したところ、表２中に示す結果が得られた。単官能オキセタン化合物ＥＨＯＸを増量した接着性組成物を用いた実施例５および６が実施例４よりも低いハガレ発生率を示し、さらにシランカップリング剤を併用した接着剤を使用した実施例７および８はさらにハガレ発生率が低くなり、特に実施例８においてはハガレの発生が認められなかった。また、実施例９は、ビスフェノールＦ型のジグリシジル化合物を脂環式エポキシ化合物に任意的に併用した実施態様であり、さらに実施例１０は、合成石英球状シリカを任意的に添加した実施態様であるが、いずれも、強制保存試験によってもコリメータレンズホルダ４４と接着層の間のハガレを生じていない。

また、上記接着性組成物に紫外線を照射して硬化させた後に、コリメータレンズホルダ４４とコリメータレンズ１１〜１７との間の各接着剤の層厚を測定したところ、約０．３〜０．６μｍであった。そしてこの接着剤は、体積硬化収縮が４〜５％であり、−２５℃〜７０℃の保存試験を行なった後の各接着剤層の厚さ変化は、０．０３μｍ以下に抑えられた。したがって、光軸調整されたＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７とコリメータレンズ１１〜１７との相対位置関係が、上記接着のために狂うようなことがなく、良好な合波効果が得られる。

本例においても、上記接着性組成物からなる接着剤の、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量は９０μｇ／ｇであり、前述した３００μｇ／ｇ以下とされている。またこの接着剤以外でパッケージ４０内に配置される、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７、コリメータレンズ１１〜１７、集光レンズ２０等の光学部品の１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量は、全て１０μｇ／ｇ以下である。また、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７自身の寿命、つまり上記接着性組成物から発生する有機揮発ガスの影響が無い場合の寿命は、５５００時間以上である。それにより本例においても、確率９５％以上で４０００時間の寿命を実現できるものとなる。

なお、以上説明したコリメータレンズ１１〜１７とコリメータレンズホルダ４４との接着に使用した各接着性組成物は、パッケージ４０内のその他の光学部品と固定部材との接着、例えば集光レンズ２０と集光レンズホルダ４５との接着、マルチモード光ファイバ３０とファイバホルダ４６との接着等にも適用可能であり、そのようにした場合も、基本的に上述と同様の効果を奏するものである。

さらに上述の各接着性組成物は、図１〜４に示したレーザモジュールに限らず、一般に光源、レンズ、ミラー、ハーフミラー、凹面鏡、凸面鏡、回折格子、等の光学部品を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールにおいて、それらの光学部品とそれらの固定部材との接着固定に広く適用することができ、そのようにした場合も、基本的に上述と同様の効果を奏するものである。

本発明の一実施形態によるレーザモジュールの要部を示す概略構成図上記レーザモジュールを示す平面図上記レーザモジュールを示す側面図上記レーザモジュールの部分立面図レーザモジュールの温度と発生する揮発有機物の量との関係を示すグラフ GC-MASS評価による有機接着剤からの有機揮発ガス発生量と、レーザモジュール寿命との関係を、有機揮発ガス発生量が異なる場合について比較して示すグラフ GC-MASS評価による有機接着剤からの有機揮発ガス発生量と、レーザモジュール寿命との関係を示すグラフ有機接着剤を用いる場合と用いない場合とについて、レーザモジュールの寿命を比較して示すグラフ

符号の説明

１０ヒートブロック
１１〜１７コリメータレンズ
２０集光レンズ
３０マルチモード光ファイバ
３０ａコア
４０パッケージ
４１パッケージ蓋
４４コリメータレンズホルダ
４５集光レンズホルダ
ＬＤ１〜ＬＤ７ＧａＮ系半導体レーザ

Claims

発振波長が３５０〜４５０ｎｍの範囲にあって、５５００時間以上の寿命を持つ半導体レーザ素子を密閉容器内に配置してなるレーザモジュールにおいて、
前記密閉容器内に配置された、前記半導体レーザ素子を含む光学部品の全てが、１５０℃におけるGC-MASS（ガスクロマトグラフ質量分析法）評価による有機揮発ガス発生量が１０μｇ／ｇ（ヘキサデカンの揮発ガス量〔ｇ〕に対する揮発有機物総量〔μｇ〕：以下同様）以下のものであり、
前記光学部品を前記密閉容器内で固定する有機接着剤として、１５０℃におけるGC-MASS評価による有機揮発ガス発生量が３００μｇ／ｇ以下のものが用いられていることを特徴とするレーザモジュール。
前記光学部品として、光ファイバと、前記半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を該光ファイバに入力するための入射光学系とを有することを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
前記有機接着剤が、エポキシ基を有する脂環式エポキシ化合物、オキセタニル基を有する化合物、および、触媒量のオニウム塩光反応開始剤を含有する接着性組成物からなることを特徴とする請求項１または２記載のレーザモジュール。
前記接着性組成物が、前記光学部品とそれを固定する固定部材との間に、接着厚さが０．０５μｍ以上５μｍ以下となるように挿入された後、活性エネルギー線により硬化させることにより、前記光学部品が前記固定部材に固定されていることを特徴とする請求項３記載のレーザモジュール。
前記接着性組成物がシランカップリング剤を含有することを特徴とする請求項３または４記載のレーザモジュール。
前記接着性組成物が０．１μｍ以上１．０μｍ以下の平均直径を有する球状シリカ粒子を含有することを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載のレーザモジュール。
前記固定部材が金属製部材からなり、前記光学部品が無機透明部材からなることを特徴とする請求項３から６いずれか１項記載のレーザモジュール。
前記オキセタニル基を有する化合物が、下記一般式（１）で表されるものであることを特徴とする請求項３から７いずれか１項記載のレーザモジュール。

式（１）中Ｒ_１はメチル基またはエチル基を示し、Ｒ₂は炭素数６ないし１２の炭化水素基を示す。