JP5649090B2 - 半導体レーザモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザダイオードと、そこから照射されるレーザ光を光ファイバへ光結合させた半導体レーザモジュールにおいて、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイの調芯方法とその構成部材の固定方法、およびこの調芯方法と固定方法を適用した半導体レーザモジュールおよびその製造方法に関するものである。

近年、レーザダイオードの高出力化にともない、これを光源、または励起源としたレーザ加工装置が、溶接、溶着、切断、改質など種々の材料加工に広く用いられている。

レーザダイオードから出力されたレーザ光を光ファイバへ効率よく伝送させるため、一般にレーザダイオードを用いた半導体レーザモジュールは、レーザダイオードと光ファイバとを精密に調芯し、この調芯がずれないようにそれぞれの保持部材へ固定した構成としている。これら保持部材の所定位置への固定は、レーザ溶接、はんだ付け、接着剤のいずれか、または、これらの組み合わせを用いて実現されている（例えば、特許文献１参照）。

また、産業用に利用されている半導体レーザモジュールとして、複数の発光エミッタが並列に配列されたレーザダイオードアレイと、レーザダイオードの発光エミッタ数と少なくとも同数の光ファイバとを並列に配列した光ファイバアレイより構成された半導体レーザモジュールが提案されている（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。

近年は、レーザダイオードの発光エミッタ１個あたりの光強度において、１０Ｗ付近まで高輝度化が進み、１００Ｗ以上のファイバ出力を有する半導体レーザモジュールが出現している。これら高出力の半導体レーザモジュールの光ファイバアレイは、レーザダイオードアレイの各発光エミッタ幅以上のコア径を有するマルチモード光ファイバを発光エミッタ数と同じ本数、かつ各発光エミッタ間隔と同じピッチで基板上に並列固定したものである。光ファイバアレイは、光ファイバアレイから出力される光強度が最大となるようにレーザダイオードアレイと調芯され、前述したような各種の固定方法により筐体へ固定されている。このレーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの調芯は、光ファイバアレイを精密治具や精密ステージに取り付け、一括で調芯される（例えば、特許文献４および特許文献５参照）。

レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの調芯は、特許文献３などに示されるように光ファイバアレイのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のアライメントと、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸回りの回転角であるＸθ、ＹθおよびＺθ回りのアライメントの合計６軸で行われる。

通常、光ファイバへ入力された光強度をモニタし、その光強度が最大になるように６軸の調整をすることにより調芯される。特に光ファイバアレイの場合は、複数本の光ファイバまたは全ての光ファイバの光強度合算値、あるいは光ファイバアレイ中心部や両端部など、代表位置の光ファイバを選択し、それら光ファイバの光強度を用いて、各軸に適合した調芯が行われる。

また、レーザダイオードの発光エミッタより出力されるレーザ光は、その厚み方向（ファーストアクシス）と幅方向（スローアクシス）とに異なった拡がり角を持つ。そのため、これをコリメートしてレーザダイオードと光ファイバアレイとを調芯する際、このビーム形状に起因して、所望の光結合が得られる調芯位置の許容範囲が各軸によって異なってくる。

特にレーザダイオードの厚み方向に対応するＹ軸上の調芯位置は、光結合効率および光ファイバ導光後の光ビーム品質（例えば、ＮＡ）に対して敏感であることがわかっている。加えて、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの調芯においては、Ｚθ回りの調芯においてＹ方向成分が含まれるため、その調芯はより複雑なものとなる。

近年、特に産業用に利用されている半導体レーザモジュールは、より高い光結合効率はもとより、高品質の光出力ビームの拡がり角（ＮＡ）が求められており、調芯位置の適正範囲はとても狭い。例えば、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの光結合効率を約９０％、各光ファイバからの出力ビーム品質をＮＡ０．１２程度とすると、これを満たすＹ軸上の範囲は１．５〜２．０ミクロン程度の狭い範囲である。

このように、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの調芯には、所望の光結合が得られる調芯位置を判断するためのセンシング手段と調芯手順、６軸制御を行い調芯位置へ要求される公差で位置決めを行う精密ステージなど高機能かつ高精度の調芯機構が必要である。

さらに、所望の光結合が得られる調芯位置を維持するための、光ファイバアレイの固定方法とこれに適合した部材構成も必要不可欠である。これらが相まった調芯装置によって、高性能・高信頼性の半導体レーザモジュールの組立や製造が実現される。

例えば、特許文献５で提案された調芯装置のように、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとが所望の光結合となるよう精密調芯を行う方法は、種々提案されており、実用化されているものも多い。また、調芯機構についても、昨今の精密ステージの高機能化および高精度化はめざましく、光ファイバアレイのサブミクロン単位での６軸制御と位置決めは十分可能である。

一方、光ファイバアレイの固定方法とこれに適合した部材構成は、未だ課題が多い。光ファイバアレイを含め光学部材の固定方法として、接着剤の使用が一般的である。これは、接着剤が光学部材とこれを保持する部材や筐体などの隙間をうめる充填剤的な役割を担うため、両者の位置関係は比較的曖昧で良く、扱いやすさ、組み立てやすさが一因となっている。

しかしながら、接着剤が硬化する際には収縮方向に体積変化するため、光ファイバが調芯位置からずれてしまうことがあり、光出力や光ビーム品質が低下し、その結果として製品の歩留まり低下を招く恐れがある。実際の製造においては、接着剤の硬化収縮を加味して調芯位置から収縮分だけの位置ずれを補正するなど、非常に多くの検討時間とノウハウを要している。また、製造後の半導体レーザモジュールについても、接着部が経年変化により劣化し、調芯位置からのずれや部材の脱落など、長期信頼性を確保する上において課題を有している。

上述のように最近の産業用半導体レーザモジュールは、より高出力、高効率および高ビーム品質が求められ、調芯位置の許容範囲は非常に狭い。また光ファイバアレイの使用はこれまでの一本のみの光ファイバとマイクロオプティクスの使用に比べ、全体の体積および重さとも数倍となる。必然的に、接着剤の使用量も多くなり、上述の接着剤に関わる課題はより顕著となる可能性が高い。

一方、接着剤の硬化収縮と経年劣化による課題を補う固定方法として、レーザ溶接がある。レーザ溶接は固定したい部位を極短時間、局部加熱し溶融結合させるもので、接着剤に起こるような経年劣化の心配はほとんどない。

しかしながら、レーザ溶接の局部加熱という原理的な性質上、溶接したい部材間の隙間および合わせ面の精度には敏感であり、接着剤とは異なり固定対象の部材間の状態は厳密な管理が必要となる。部材間の隙間および合わせ面の精度が悪いと、たとえレーザ溶接固定ができても、溶融状態からの凝固収縮で、光ファイバが調芯位置よりずれてしまうことがある。逆に言えば、光ファイバアレイを固定する際の保持部材との隙間および合わせ面の精度が十分確保されていれば、接着剤にはない固定精度と信頼性を得ることができる。しかしながら、調芯に必要な６軸に加えて、レーザ溶接接合面の面合わせに対して追加のステージ調整機構が必要となり、非常に複雑な調芯装置となってしまう。

調芯方法を含む、光ファイバアレイを用いた半導体レーザモジュールの一例として、例えば特許文献３がある。レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの間に光ファイバアレイ位置決め用のガイド板が予め具備されており、それに光ファイバアレイを押し当てるなどガイド板を位置合わせの基準とすることで、調芯軸数を簡便化することが提案されている。

サブマウント上へのレーザダイオードアレイの実装は、レーザダイオードチップサイズが数ミリ角程度と比較的大きいこともあり、数ミクロン程度の実装ずれや回転ずれは、通常起こってしまう。上述のようにレーザダイオードアレイと光ファイバアレイとの調芯位置の関係はミクロンオーダである。このことから、レーザダイオードアレイの実装位置の個体差が、上述のガイド板を使用してミクロン単位で補正し、吸収されなければならない。この作業を個々の半導体レーザモジュールで行うことは非常に困難である。また、固定方法としてレーザ溶接を適用する場合、溶接箇所の隙間および合わせ面の精度も同様に個々の半導体レーザモジュールで確保することは困難である。

特開２００２−３４１１９６号公報 米国特許第４８１８０６２号明細書 特開２００５−０１０３７４号公報 特開２００４−３２６００４号公報 特開２００８−１８６０３５号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、レーザダイオードアレイと光ファイバアレイとが光結合された半導体レーザモジュールについて、所望の光結合を得るための、いわゆる６軸の調芯以上にあらたな調整および位置決めをすることなしに、光ファイバアレイをレーザ溶接固定する方法である。また、本発明は、この固定方法を適用した高精度で組み立てられ、かつ、高信頼性の半導体レーザモジュールおよびその製造方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザモジュールは、レーザダイオードアレイと、光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、上記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、上記レーザダイオードアレイおよび上記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、上記ファイバアレイ金具を支持した状態で上記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、を備えている。上記ファイバアレイ金具および上記支持金具は、上記レーザダイオードアレイの発光面と平行な平面部に対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ上記第１の接触部において第１のレーザ溶接部により固定されている構成からなる。さらに、上記支持金具および上記筐体は、上記レーザダイオードアレイの上記発光面と垂直な平面部に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ上記第２の接触部において第２のレーザ溶接部により固定されている。さらに上記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、上記光ファイバアレイは上記ファイバアレイ金具に固定される。さらに、上記光ファイバアレイの調芯動作時に、上記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な上記平面部において、上記支持金具は、その自重により上記筐体と線接触または面接触した状態で、上記筐体に対して移動する構成からなる。

この構成により、レーザ溶接を用いた調芯に不可欠な溶接部の面合わせを、精度良く、簡単に行うことができる。これにより、高精度、高品質な光結合を得ることができ、かつ光ファイバアレイ固定時に調芯位置がずれることのないため製造歩留まりも向上し、経年劣化のない高信頼性の半導体レーザモジュールを提供できる。

また、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法は、レーザダイオードアレイと、光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、レーザダイオードアレイおよび光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、上記ファイバアレイ金具を支持した状態でファイバアレイ金具および筐体に固定される支持金具と、を備えた半導体レーザモジュールの製造方法である。そして、本発明の半導体レーザモジュールの製造方法において、ファイバアレイ金具および支持金具は、レーザダイオードアレイの発光面と平行な平面部に対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ第１の接触部において第１のレーザ溶接部により固定され、支持金具および筐体は、レーザダイオードアレイの発光面と垂直な平面部に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ第２の接触部において第２のレーザ溶接部により固定されている。さらに上記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、上記光ファイバアレイは上記ファイバアレイ金具に固定される。さらに、上記光ファイバアレイの調芯動作時に、上記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な上記平面部において、上記支持金具は、その自重により上記筐体と線接触または面接触した状態で、上記筐体に対して移動する方法からなる。

この方法により、レーザ溶接を用いた調芯に不可欠な溶接部の面合わせを、精度良く、簡単に行うことができる。これにより、高精度、高品質な光結合を得ることができ、かつ光ファイバアレイ固定時に調芯位置がずれることのないため製造歩留まりも向上し、経年劣化のない高信頼性の半導体レーザモジュールを製造できる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの全体構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの全体構成を示す側面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールのファイバアレイ金具と支持金具との第１の接触部を示す平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールのファイバアレイ金具と支持金具との第１の接触部を示す側面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの支持金具と筐体との第２の接触部を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの支持金具と筐体との第２の接触部を示す側面図である。 図４は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールのファイバアレイ金具と支持金具との接触部を示す要部拡大図である。 図５は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの組立例を示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュールの組立例を示す側面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの全体構成を示す平面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの全体構成を示す側面図である。 図８は、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの組立工程を示すフローチャートである。 図９Ａは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの組立工程を説明する平面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの組立工程を説明する平面図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの組立工程を説明する平面図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュールの組立工程を説明する平面図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１の平面図および側面図を示したものである。図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１のファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１を示す平面図および側面図である。図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１の支持金具６と筐体２との第２の接触部１２を示す平面図および側面図である。

図１に示すように本実施の形態１の半導体レーザモジュール１は、筐体２と、レーザダイオードアレイ３と、光ファイバアレイ４と、ファイバアレイ金具５と、支持金具６と、を含んで構成されている。ここで、レーザダイオードアレイ３は、サブマウント７上に実装されている。光ファイバアレイ４は、光ファイバ１０が基板４ａ上に配列されている。ファイバアレイ金具５は、光ファイバアレイ４を固定する。支持金具６は、筐体２へファイバアレイ金具５を固定する。

光ファイバアレイ４とファイバアレイ金具５との固定は、接着剤、はんだ付け、レーザ溶接などによって、調芯作業に先立ってあらかじめ行われている。調芯後の部材固定は、その固定方法によらず、位置精度の確保および固定強度の確保を両立させる必要がある。しかしながら、光ファイバアレイ４とファイバアレイ金具５との固定は、調芯前であるため硬化収縮、凝固収縮などの影響による多少の位置ずれに対する厳密な管理が必要なく、比較的容易である。これにより、レーザダイオードアレイ３に対する調芯の時には、光ファイバアレイ４とファイバアレイ金具５とは、完全に一体化している。

レーザダイオードアレイ３は、ＬＤバー（レーザダイオードバー）とも呼ばれ、複数のレーザダイオードが並列に配列されたもので、レーザビームを照射する発光エミッタが並列に横並びになった構造をしている。各発光エミッタから照射されるビームが、光ファイバアレイ４の入力端に向かうようにレーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４の入力端が対向する配置構成となっている。

光ファイバアレイ４は、Ｖ溝など光ファイバの固定溝が精密加工された基板上に、複数の光ファイバ１０が並列に接着固定されたもので、レーザダイオードアレイ３の発光エミッタと同数、かつ発光エミッタ間隔と同じピッチでそれぞれの光ファイバ１０が基板上に配列されている。

レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４との調芯は、光ファイバ１０が並列に基板上に固定されているため一括して行われる。すなわち、レーザダイオードアレイ３の各光軸に向かって、対応する光ファイバ１０の入力コアの光軸が一致するように、また、光ファイバ１０への入力光強度が最大となるように光ファイバアレイ４の位置調整が行われる。

また、光ファイバアレイ４の調芯は図１Ａ、図１Ｂに示すとおり、レーザダイオードアレイ３の発光面に沿った方向であるＸ軸方向、レーザダイオードアレイ３の厚み方向であるＹ軸方向および照射ビームの光軸に沿った方向であるＺ軸方向と、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の回転方向の角度調整であるＸθ、ＹθおよびＺθの回りの６軸で行われる。

ファイバアレイ金具５と支持金具６とは、レーザダイオードアレイ３の発光面３ａに平行な平面部２０、すなわち、Ｘ−Ｙ平面と平行な平面部２０の一部において、線接触または面接触している。

図２Ａおよび図２Ｂの破線で囲った部分がファイバアレイ金具５と支持金具６の第１の接触部１１である。ファイバアレイ金具５と支持金具６とは、第１の接触部１１の界面をレーザ溶接することで固定される。図１Ａおよび図１Ｂでは、レーザ溶接による固定の一例としてレーザ溶接部８ｂを示している。左側および右側に上下２点のレーザスポット溶接をそれぞれ行い、合計４箇所のレーザスポット溶接を行うことでファイバアレイ金具５と支持金具６とは溶接固定されている。なお、レーザ溶接は、ＹＡＧレーザ溶接機により、レーザのスポット径は直径２００μｍ、パルス幅５ｍｓｅｃで３０Ｊ（ジュール）のエネルギーのパルスを照射して行う。この時の溶接面は、ファイバアレイ金具５と支持金具６とが合わさった面であるが、ＹＡＧレーザ溶接の場合には、特にこれらの合わせ面の精度が重要である。なお、ファイバアレイ金具５および支持金具６は、例えば鉄を含む金属（ＳＵＳなど）で製作している。

支持金具６と筐体２とは、レーザダイオードアレイ３の発光面３ａに垂直な平面部２１、すなわち、Ｚ−Ｘ平面と平行な平面部２１において、線接触または面接触している。

図３Ａおよび図３Ｂの破線で囲った部分が支持金具６と筐体２との第２の接触部１２である。支持金具６と筐体２とは、第２の接触部１２の界面をレーザ溶接することで固定される。図１Ａおよび図１Ｂでは、その一例としてレーザ溶接部８ａを示している。レーザダイオードアレイ３に近い側および遠い側に左右２点のレーザスポット溶接をそれぞれ行い、合計４箇所のレーザスポット溶接を行うことで筐体２と支持金具６とは溶接固定されている。

なお、溶接固定方法は本例に示したレーザ溶接部８ａ、８ｂに限定されるものではなく、レーザスポット溶接の数を変えて溶接する、あるいはレーザスポット溶接に限らず、ステッチ溶接や連続溶接など種々の溶接の変形例がある。被溶接物に応じて溶接強度と位置精度の確保ができる溶接条件を適宜選択すればよい。

ところで、レーザ溶接の凝固収縮の影響を最小限にして調芯位置精度を確保するためには、第１の接触部１１および第２の接触部１２の面合わせ精度が重要である。

近年の機械加工装置の性能ならびに加工技術の進展はめざましく、第１の接触部１１および第２の接触部１２における両部材の平面度、面荒さを必要な面合わせ精度、例えば平面度１０μｍ、Ｒａ（算術平均粗さ）０．８μｍ、垂直度１０μｍに加工することは十分可能である。また、第１の接触部１１はＸ−Ｙ平面に平行となり、第２の接触部１２はＺ−Ｘ平面に平行となるが、必要な平行度、例えば平面度１０μｍ、Ｒａ０．８μｍ、垂直度１０μｍでの加工も十分可能である。

図４は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１のファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１を示す要部拡大図である。図４は、ファイバアレイ金具５と支持金具６とを第１の接触部１１を介して高精度に面合わせさせるための加工方法の一例を示したものである。なお、第１の接触部１１を高精度に面合わせを行わないとＹＡＧレーザ溶接による溶接固定が難しい。

ファイバアレイ金具５において、レーザ溶接が行われる近傍で必要最小限の面積を残し、第１の接触部１１の切削加工を行っている。この切削加工は、第１の接触部１１で支持金具６の接触面６ａと接触するファイバアレイ金具５の接触面５ａを有する凸部５ｂを、図４に示すようにファイバアレイ金具５の左右の両端に形成するものである。このように加工することによって、レーザ溶接を行うところ、第１の接触部１１の近傍より離れた部位での接触を避けることができる。さらに外観から観察される第１の接触部１１の状態と実際の接触部がほぼ一致するため、面合わせの作業と状態確認を精度良く行うことができる。

すなわち、ファイバアレイ金具５は、左右の両端に凸部５ｂを有し、凸部５ｂの接触面が支持金具６の接触面６ａと接触して第１の接触部１１を形成する構成としてもよい。この構成により、面合わせの作業と状態確認を精度良く行うことができる。

第２の接触部１２においても支持金具６に対して、筐体２の接触面（図示せず）と接触する支持金具６の接触面（図示せず）に対しても同様の切削加工を行うことで面合わせ精度の確保を実現することができる。このような、面合わせ精度を確保することにより、確実にＹＡＧレーザ溶接により溶接固定を行うことができる。

上述のように精密に機械加工された部材を用いて高精度に実装されたレーザダイオードアレイではあるが、許容される公差の範囲での加工面の傾き、実装ずれを生じる。既に述べたように、所望の光結合が得られる調芯位置の許容範囲が数μｍであり、この範囲で調芯をして固定しなければならない調芯軸があることがわかっている。たとえ僅かな加工面の傾きであっても、調芯精度に影響し所望の光強度やビーム品質が得られない恐れがある。

図５は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１の組立例を示す平面図で、光ファイバアレイ４が僅かにＸ−Ｚ平面（レーザダイオードアレイ３の発光面３ａに垂直な平面）で回転してファイバアレイ金具５へ固定された場合の各部材の配置構成を表す説明図である。説明をわかりやすくするために、図５に示す光ファイバアレイ４は、その回転度合いを強調して記載している。

図５に示すように、光ファイバアレイ４が僅かに回転してファイバアレイ金具５へ固定された状態で調芯されると、ファイバアレイ金具５が回転して配置されてしまう。しかしながら、このような場合においても支持金具６を、図４のようにファイバアレイ金具５との面合わせ精度が確保された状態に配置すれば、光ファイバアレイ４は調芯位置からずれることなくレーザ溶接固定することができる。

すなわち、光ファイバアレイ４の調芯動作時に、レーザダイオードアレイ３の発光面３ａと垂直な平面部２１において、支持金具６はその自重により筐体２と線接触または面接触した状態である構成としてもよい。この構成により、支持金具６は、ファイバアレイ金具５との面合わせ精度が確保された状態に配置され、光ファイバアレイ４は調芯位置からずれることなくレーザ溶接固定することができる。

図６は、本発明の実施の形態１における半導体レーザモジュール１の組立例を示す側面図で、支持金具６を固定する筐体２の平面部２１が僅かに傾いて加工されている場合の各部材の配置構成を表す説明図である。説明をわかりやすくするために、図６は、筐体２の平面部２１の傾きを強調して記載している。また、図６は、レーザダイオードアレイ３の発光面側から見た光ファイバアレイ４周辺の部材配置を示したものである。したがって、レーザダイオードアレイ３は省略して描いている。

図６に示すように筐体２の平面部２１が僅かに傾いて加工されていると、筐体２と面合わせを行った支持金具６は同じ傾きで配置される。しかしながら、調芯を行ったファイバアレイ金具５はこの傾きの影響を受けることなく、支持金具６と面合わせ精度が確保された状態で配置することができる。したがって、光ファイバアレイ４は、ファイバアレイ金具５と一体化して配置されるので、上述と同様、この場合も光ファイバアレイ４は調芯位置からずれることなくレーザ溶接固定することができる。

なお、レーザダイオードアレイ３のＹθ方向回転、あるいはＺθ方向傾きといった僅かな実装ずれに対しても光ファイバアレイ４の部材配置は上記のようになり、調芯位置からずれることなく光ファイバアレイ４をレーザ溶接固定することができる。

以上の例に示すように、ファイバアレイ金具５と支持金具６とを組み合わせた光ファイバアレイ４の固定方法は、これらの合わせ面精度が確保されているので調芯位置からずれることなくレーザ溶接固定できることに加え、部材の加工精度や半導体レーザの実装精度などによる調芯位置のずれの影響を相殺する効果を有するものである。

以上、本発明によれば、光ファイバアレイを高精度にレーザ溶接固定することができる。これにより、製造歩留まりを飛躍的に向上させることができるとともに、経年劣化のない高性能で高信頼性の半導体レーザモジュールおよびその製造方法を提供することができる。

（実施の形態２）
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュール３１の平面図および側面図を示したものである。第１の実施の形態で説明した半導体レーザモジュール１と同様、半導体レーザモジュール３１は、筐体２と、レーザダイオードアレイ３と、光ファイバアレイ４と、ファイバアレイ金具５と、支持金具６と、を含んで構成されている。ここで、レーザダイオードアレイ３は、サブマウント７上に実装されている。光ファイバアレイ４は、光ファイバ１０が基板４ａ上に配列されている。ファイバアレイ金具５は、光ファイバアレイ４を固定する。支持金具６は、筐体２へファイバアレイ金具５を固定する。

本実施の形態２の半導体レーザモジュール３１は、図７Ａおよび図７Ｂに示すようにガイドピン９が支持金具６に圧入加工されている点が実施の形態１の半導体レーザモジュール１と異なる。レーザ溶接前の調芯時においては、支持金具６は、その自重によって筐体２と接している。ガイドピン９の役割は、調芯時のファイバアレイ金具５の、Ｚ−Ｘ平面内の移動に対して、支持金具６が追随して動くためのガイドである。

また、本動作中、支持金具６と筐体２とは、レーザダイオードアレイ３の発光面３ａに垂直な平面、すなわち、Ｚ−Ｘ平面と平行な平面部２１において、支持金具６の自重により線接触または面接触しており、常に良好な面合わせ状態となっている。

図７Ａおよび図７Ｂでは、レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４とが調芯され、かつファイバアレイ金具５が支持金具６によって筐体２にレーザ溶接固定された状態を示している。

すなわち、図７Ａおよび図７Ｂに示す半導体レーザモジュール３１の状態においては、ファイバアレイ金具５と支持金具６との接触面５ａ、６ａと光ファイバアレイ４の受光面４ｂは、レーザダイオードアレイ３の発光面３ａに対して平行となっている。これは、レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４との６軸調芯におけるＸθ調芯は、ファイバアレイ金具５と支持金具６との面合わせと、６軸におけるＹθ調芯を組み合わせたものへ置き換えることができることを示している。すなわち、ファイバアレイ金具５と支持金具６との面合わせを行い、レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４とはＸθ調芯を除く５軸を調芯すればよいことになる。

さらに光ファイバアレイ４へ入射するＸθ回転方向のビームは、レーザダイオードアレイ３から照射されたファースト方向のビームをコリメートしたものである。

このコリメートされたファースト方向のビームはビーム品質（ＮＡ）が非常に良く、光ファイバアレイ４へ入射するビーム光軸と光ファイバの光が伝播する方向に沿った長手方向の光軸に、多少のずれがあっても、光ファイバへの光結合効率と光ファイバアレイ４から出力されるビーム品質にはほとんど影響しない。

すなわち、ファイバアレイ金具５を高精度ステージで操作し、支持金具６と面合わせ調整をおこなうことは、Ｘθ回転方向の調芯を行っていることに他ならず、光ファイバへ入力された光強度をモニタし、その強度が最大になるようＸθ軸を調整する調芯を行う必要はない。

図７Ａおよび図７Ｂの半導体レーザモジュール３１の完成に至る、レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４との調芯から固定までの動作フローを図８に示す。図８は、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュール３１の組立工程を示すフローチャートである。図９Ａおよび図９Ｂ並びに図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体レーザモジュール３１の組立工程を説明する平面図で、動作フローの各工程における、半導体レーザモジュール３１の構成部材の配置を示したものである。

まず、組立工程の動作フロー第１の工程であるファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１での面合わせは、ファイバアレイ金具５を高精度ステージで操作し、支持金具６との第１の接触部１１で線接触または面接触させる調整である（ステップＳ１０）。この面合わせを行った結果、ファイバアレイ金具５と支持金具６とは高精度に線接触また面接触した状態で、かつその接触面はＹ軸回りの平面と平行となる。このファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１での面合わせをステップＳ１０で高精度に合わせる。これにより、後述するようにファイバアレイ金具５をレーザダイオードアレイ３から一度離れた位置に移動させて、その後に支持金具６の合わせ面に面接触させても、ファイバアレイ金具５と支持金具６とは高精度に面接触した状態を再現できる。したがって、ファイバアレイ金具５と支持金具６とのＹＡＧレーザ溶接は、十分容易である。

また、この時点で、光ファイバアレイ４の受光面もＹ軸回りの平面と平行となる。図９Ａは第１の工程が完了した時点での、半導体レーザモジュール３１の構成部材配置を示したものである。

動作フロー第２の工程である光ファイバアレイ４の５軸調芯は、レーザダイオードアレイ３と光ファイバアレイ４とについてＸθ軸を除く５軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｙθ、Ｚθ）の調芯を行うものである（ステップＳ１１）。この５軸の調芯を行った結果、光ファイバアレイ４は６軸全て調芯された状態となる。

一方、支持金具６は、５軸の調芯動作にともなうファイバアレイ金具５の移動に追随し、ファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１はＹ軸回りの平面と平行を保った状態ではあるが、面合わせ状態は崩れてしまう。図９Ｂは第２の工程が完了した時点での、半導体レーザモジュール３１の構成部材配置を示したものである。

動作フロー第３の工程であるファイバアレイ金具５と支持金具６との第１の接触部１１の面合わせは、第２の工程で崩れてしまったファイバアレイ金具５と支持金具６との面合わせを再び行うものである。第３の工程の前の工程で得られた６軸の調心座標を記憶しておき（ステップＳ１２）、図１０Ａに示すようにファイバアレイ金具５をＺ軸の正方向へ移動させる（ステップＳ１３）。ファイバアレイ金具５は支持金具６のガイドピン９で拘束されているため、ファイバアレイ金具５の移動にともない、支持金具６も追随してＺ軸の正方向へ移動する。

そして図１０Ｂに示すように再びファイバアレイ金具５を記憶しておいた６軸調芯座標へ向かって（Ｚ軸の負方向へ）移動させる。このときファイバアレイ金具５と支持金具６とは、面合わせ時と同じ接触状態で、ファイバアレイ金具５の移動にともない支持金具６も追随して移動する。再び、光ファイバアレイ４がステップＳ１２で記憶した６軸の調心座標へセットされたとき、ファイバアレイ金具５と支持金具６との接触面５ａ、６ａは、面合わせ時と同等の状態、すなわち高精度に線接触また面接触した状態で、かつレーザダイオードアレイ３の発光面３ａと平行になっている（ステップＳ１４）。支持金具６と筐体２との接触面である平面部２１は全行程一貫して、支持金具６の自重により高精度の線接触また面接触した状態を確保している。

この状態で第４の工程である、図７Ａおよび図７Ｂに示すようにレーザ溶接を行えば、調芯位置がずれることなく光ファイバアレイ４をレーザ溶接部８ａ、８ｂにより固定することができる（ステップＳ１５）。

以上、第１の工程から第４の工程において高精度のステージ調整するのは面合わせ１回と５軸調芯であり、従来から行われている６軸調芯と変わらない。

以上のように、本発明によれば、光ファイバアレイの固定にレーザ溶接を適用しているため、経年劣化のない高信頼性の半導体レーザモジュールを提供することができる。またその製造過程においては、レーザ溶接を用いた調芯に不可欠な溶接部の面合わせを、精度良く、簡単に行うことができる。これにより、あらたな調整や調芯の工数を負荷することなく、高精度かつ高品質な光結合を得ることができ、かつ光ファイバアレイ固定時に調芯位置がずれることのないため製造歩留まり向上も実現される。

なお、本実施の形態においてはガイドピン９を例に示したが、支持金具６が筐体にその自重により接した状態で、ファイバアレイ金具５の動作に追随すればよく、ガイドピン９に限らず種々の変形例が存在する。

本発明の半導体レーザモジュールは、高出力かつ高品質のレーザを高信頼性で出力することができ、特に加工用途の産業用レーザなどの熱源、励起源として有用である。

１，３１ 半導体レーザモジュール
２ 筐体
３ レーザダイオードアレイ
３ａ 発光面
４ 光ファイバアレイ
４ａ 基板
４ｂ 受光面
５ ファイバアレイ金具
５ａ，６ａ 接触面
５ｂ 凸部
６ 支持金具
７ サブマウント
８ａ，８ｂ レーザ溶接部
９ ガイドピン
１０ 光ファイバ
１１ 第１の接触部
１２ 第２の接触部
２０，２１ 平面部

Claims (12)

1. レーザダイオードアレイと、
   光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、
   前記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、
   前記レーザダイオードアレイおよび前記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、
   前記ファイバアレイ金具を支持した状態で前記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、を備え、
   前記支持金具は前記筐体に対して平行な平面部と、前記平面部における前記レーザダイオードアレイ側端面の左右のコーナーから垂直方向に延伸する２つの柱状部とを有し、
   前記ファイバアレイ金具は、前記２つの柱状部のそれぞれに対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ前記第１の接触部において前記ファイバアレイ金具と前記支持金具が第１のレーザ溶接部により固定され、
   前記支持金具の前記平面部は、前記筐体に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ前記第２の接触部において、前記支持金具と前記筐体が第２のレーザ溶接部により固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、前記光ファイバアレイは前記ファイバアレイ金具に固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作時に、前記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な前記平面部において、前記支持金具は、その自重により前記筐体と線接触または面接触した状態で、前記筐体に対して移動する半導体レーザモジュール。
2. 前記ファイバアレイ金具は、左右の両端に凸部を有し、前記凸部の接触面が前記２つの柱状部の接触面とそれぞれ接触して前記第１の接触部を形成する請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. レーザダイオードアレイと、
   光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、
   前記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、
   前記レーザダイオードアレイおよび前記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と
   、
   前記ファイバアレイ金具を支持した状態で前記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、を備え、
   前記ファイバアレイ金具および前記支持金具は、前記レーザダイオードアレイの発光面と平行な平面部に対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ前記第１の接触部において第１のレーザ溶接部により固定され、
   前記支持金具および前記筐体は、前記レーザダイオードアレイの前記発光面と垂直な平面部に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ前記第２の接触部において第２のレーザ溶接部により固定され、
   前記ファイバアレイ金具の前記レーザダイオードアレイの発光面に垂直な平面内の移動に対して前記支持金具が追随して移動するようにガイドするガイドピンをさらに備え、
   前記ガイドピンは、前記支持金具に圧入加工され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、前記光ファイバアレイは前記ファイバアレイ金具に固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作時に、前記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な前記平面部において、前記支持金具は、その自重により前記筐体と線接触または面接触した状態で、前記筐体に対して移動する半導体レーザモジュール。
4. 前記ファイバアレイ金具の前記レーザダイオードアレイの発光面に垂直な平面内の移動に対して前記支持金具が追随して移動するようにガイドするガイドピンをさらに備え、
   前記ガイドピンは、前記支持金具に圧入加工されている請求項１または２に記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記ファイバアレイ金具は前記支持金具の前記平面部の上方に配置され、前記ファイバアレイ金具と前記支持金具の前記平面部とが互いに離間して固定される請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
6. レーザダイオードアレイと、
   光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、
   前記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、
   前記レーザダイオードアレイおよび前記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、
   前記ファイバアレイ金具を支持した状態で前記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、
   前記支持金具が前記筐体と平行な平面部と、前記平面部の前記レーザダイオードアレイ側端面の左右のコーナーから垂直方向に延伸する２つの柱状部と、を備えた半導体レーザモジュールの製造方法であって、
   前記ファイバアレイ金具は、前記２つの柱状部のそれぞれに対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ前記第１の接触部において前記ファイバアレイ金具と前記支持金具が第１のレーザ溶接部により固定され、
   前記支持金具の前記平面部は、前記筐体に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ前記第２の接触部において、前記支持金具と前記筐体が第２のレーザ溶接部により固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、前記光ファイバアレイは前記ファイバアレイ金具に固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作時に、前記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な前記平面部において、前記支持金具は、その自重により前記筐体と線接触または面接触した状態で、前記筐体に対して移動する半導体レーザモジュールの製造方法。
7. 前記ファイバアレイ金具は、左右の両端に凸部を有し、前記凸部の接触面が前記２つの
   前記柱状部の接触面とそれぞれ接触して前記第１の接触部を形成する請求項６に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
8. レーザダイオードアレイと、
   光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、
   前記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、
   前記レーザダイオードアレイおよび前記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、
   前記ファイバアレイ金具を支持した状態で前記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、を備えた半導体レーザモジュールの製造方法であって、
   前記ファイバアレイ金具および前記支持金具は、前記レーザダイオードアレイの発光面と平行な平面部に対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ前記第１の接触部において第１のレーザ溶接部により固定され、
   前記支持金具および前記筐体は、前記レーザダイオードアレイの前記発光面と垂直な平面部に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ前記第２の接触部において第２のレーザ溶接部により固定されており、
   前記ファイバアレイ金具の前記レーザダイオードアレイの発光面に垂直な平面内の移動に対して前記支持金具が追随して移動するようにガイドするガイドピンをさらに備え、
   前記ガイドピンは、前記支持金具に圧入加工され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、前記光ファイバアレイは前記ファイバアレイ金具に固定され、
   前記光ファイバアレイの調芯動作時に、前記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な前記平面部において、前記支持金具は、その自重により前記筐体と線接触または面接触した状態で、前記筐体に対して移動する半導体レーザモジュールの製造方法。
9. 前記ファイバアレイ金具の前記レーザダイオードアレイの発光面に垂直な平面内の移動に対して前記支持金具が追随して移動するようにガイドするガイドピンをさらに備え、
   前記ガイドピンは、前記支持金具に圧入加工されている請求項６または７に記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
10. 前記ファイバアレイ金具と前記支持金具とを第１の接触部で面合わせをしてＸθ調芯を行う第１の面合わせステップと、
    前記光ファイバを前記レーザダイオードアレイの前記発光面に対して、５軸調芯を行う５軸調芯ステップと、
    前記第１の面合わせステップおよび前記５軸調芯ステップで取得した前記光ファイバアレイの６軸の調芯座標を記憶するステップと、
    前記ファイバアレイ金具をＺ軸の正方向へ所定の距離だけ移動する移動ステップと、
    前記移動ステップののちに前記ファイバアレイ金具を記憶しておいた前記６軸の調芯座標に再移動させる再移動ステップと、
    前記６軸の調芯座標において、前記ファイバアレイ金具と前記支持金具とを第１の接触部で面合わせをする第２の面合わせステップと、
    前記第１の接触部および前記第２の接触部において、前記第１のレーザ溶接部および前記第２のレーザ溶接部を形成するレーザ溶接ステップと、を備えた請求項６〜９のいずれかに記載の半導体レーザモジュールの製造方法。
11. レーザダイオードアレイと、
    光ファイバが基板上に配列されている光ファイバアレイと、
    前記光ファイバアレイを固定するファイバアレイ金具と、
    前記レーザダイオードアレイおよび前記光ファイバアレイを少なくとも支持する筐体と、
    前記ファイバアレイ金具を支持した状態で前記ファイバアレイ金具および前記筐体に固定される支持金具と、を備えた半導体レーザモジュールの製造方法であって、
    前記ファイバアレイ金具および前記支持金具は、前記レーザダイオードアレイの発光面と平行な平面部に対して、線接触または面接触した第１の接触部を持ち、かつ前記第１の接触部において第１のレーザ溶接部により固定され、
    前記支持金具および前記筐体は、前記レーザダイオードアレイの前記発光面と垂直な平面部に対して、線接触または面接触した第２の接触部を持ち、かつ前記第２の接触部において第２のレーザ溶接部により固定されており、
    前記ファイバアレイ金具と前記支持金具とを前記第１の接触部で面合わせをしてＸθ調芯を行う第１の面合わせステップと、
    前記光ファイバを前記レーザダイオードアレイの前記発光面に対して、５軸調芯を行う５軸調芯ステップと、
    前記第１の面合わせステップおよび前記５軸調芯ステップで取得した前記光ファイバアレイの６軸の調芯座標を記憶するステップと、
    前記ファイバアレイ金具をＺ軸の正方向へ所定の距離だけ移動する移動ステップと、
    前記移動ステップののちに前記ファイバアレイ金具を記憶しておいた前記６軸の調芯座標に再移動させる再移動ステップと、
    前記６軸の調芯座標において、前記ファイバアレイ金具と前記支持金具とを第１の接触部で面合わせをする第２の面合わせステップと、
    前記第１の接触部および前記第２の接触部において、前記第１のレーザ溶接部および前記第２のレーザ溶接部を形成するレーザ溶接ステップと、を備え、
    前記光ファイバアレイの調芯動作に先立って、前記光ファイバアレイは前記ファイバアレイ金具に固定され、
    前記光ファイバアレイの調芯動作時に、前記レーザダイオードアレイの発光面と垂直な前記平面部において、前記支持金具は、その自重により前記筐体と線接触または面接触した状態で、前記筐体に対して移動する半導体レーザモジュールの製造方法。
12. 前記ファイバアレイ金具は前記支持金具の前記平面部の上方に配置され、前記ファイバアレイ金具と前記支持金具の前記平面部とを互いに離間して固定する請求項６〜１１のいずれかに記載の半導体レーザモジュールの製造方法。

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