レーザモジュール
【課題】レーザ光源の位置に狂いが生じたり、半田が破壊されたりするといった問題を生じることのない、信頼性の高いレーザモジュールを実現する。
【解決手段】半導体レーザモジュール１は、半導体レーザチップ３２が載置されたレーザマウント３１と、光ファイバ２が載置されたファイバマウント４０と、レーザマウント３１及びファイバマウント４０の両方が載置されるサブマウント２０と、サブマウント２０が載置される基板１０とを備え、基板１０の上面には、凸部１１ａ〜１１ｄが形成され、サブマウント２０は、基板１０との間に広がった軟質半田６１によって、基板１０に接合されている。
【解決手段】半導体レーザモジュール１は、半導体レーザチップ３２が載置されたレーザマウント３１と、光ファイバ２が載置されたファイバマウント４０と、レーザマウント３１及びファイバマウント４０の両方が載置されるサブマウント２０と、サブマウント２０が載置される基板１０とを備え、基板１０の上面には、凸部１１ａ〜１１ｄが形成され、サブマウント２０は、基板１０との間に広がった軟質半田６１によって、基板１０に接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの末端に装着されるレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにレーザ光を入射させる装置として、レーザモジュールが広く用いられている。レーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源、レーザ光を受ける光ファイバ、及び、レーザ光源と光ファイバとの双方が取り付けられる放熱基板を備えている。レーザ光源及び光ファイバは、レーザ光源から発せられたレーザ光が光ファイバに効率よく入射するように位置合わせした上で放熱基板に固定される。
【０００３】
レーザモジュールでは、通常、レーザ光源と光ファイバとを直接的に放熱基板に接合するのではなく、先ず、レーザマウントとファイバマウントとを放熱基板に接合し、更に、レーザ光源と光ファイバとをレーザマウントとファイバマウントとに接合する構成が採用される。このような構成を有する光ファイバを開示した文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、このようなレーザモジュールにおいては、レーザ光源から発生した熱によって、レーザマウントと放熱基板とを接合するための半田に大きな応力がかかり、レーザ光源の位置に狂いが生じたり、半田が破壊されたりすることがある。このような問題が生じるのは、主に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＣｕＷ（銅タングステン）により構成されるレーザマウントの熱膨張率と、Ｃｕ（銅）により構成される放熱基板の熱膨張率とが異なるためである。
【０００５】
このような問題を回避するための技術として、特許文献２には、放熱基板とレーザマウントとを軟質半田で固定する技術が開示されている。特許文献２では、放熱基板とレーザマウントとの熱膨張率差に起因する応力を、この軟質半田によって吸収し得るとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７５８，６１０号明細書（登録日：２００４年６月６日）
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０１０４７２７号明細書（公開日：２００９年４月２３日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者らが得た知見によると、レーザモジュールにおいて、放熱基板とレーザマウントとの接合に軟質半田を用いた場合、その厚みは４０μｍ程度になる。そして、厚さ４０μｍの軟質半田では、放熱基板とレーザマウントとの熱膨張率差に起因する応力を十分に吸収することができず、やはり、レーザ光源の位置に狂いが生じたり、半田が破壊されたりするといった問題を生じ得る。特に、近年、その需要が高まっている、大出力半導体レーザを搭載したレーザモジュールにおいて、この問題は深刻である。
【０００８】
また、放熱基板とレーザマウントとの接合に軟質半田を用いた場合、放熱基板に対するレーザマウントの相対位置の揺らぎが大きくなる。このため、光ファイバに対するレーザ光源の相対位置の揺らぎが大きくなり、レーザモジュールにおける損失が増大するという問題も無視できない。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述したような問題を生じることのない信頼性の高いレーザモジュールを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、上記サブマウントが載置される基板と、を備え、上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている、ことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、上記スペーサによって上記サブマウントを上記基板から離間させているので、上記サブマウントを上記基板に接合するための半田の厚みを、上記スペーサの高さまで厚くすることができる。これによって、上記基板と上記サブマウントとを熱膨張率の異なる材料で構成する場合であっても、上記基板と上記サブマウントとの熱膨張率差に起因して発生する応力を上記半田によって十分に吸収することができる。したがって、上記レーザ光源の位置に狂いが生じたり、上記半田が破壊されたりするといった問題を生じることのない、信頼性の高いレーザモジュールを実現することができる。
【００１２】
しかも、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントは、共に上記サブマウントに載置されている。したがって、上記基板に対する上記サブマウントの相対位置の揺らぎが大きくなっても、これに起因して上記光ファイバに対する上記レーザ光源の相対位置の揺らぎが大きくなることはないので、レーザモジュールにおける損失が大きくなる虞はない。
【００１３】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記半田は、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の軟質半田である、ことが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、上記サブマウントの材料として、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の材料が選択されている場合に、熱膨張による上記基板の歪を、上記サブマウントに伝えることなく、上記半田で吸収することができる。また、上記サブマウントの材料として、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の材料を自由に選択することができる。
【００１５】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記半田は、ヤング率が上記サブマウントよりも小さい半田である、ことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、上記半田が弾性変形することによって、熱膨張による上記基板の歪を、上記サブマウントに伝えることなく、上記半田で吸収することができる。
【００１７】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサは、上記基板に一体成型されたものである、ことが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、上記スペーサと上記基板とが一体成形されているので、上記スペーサと上記基板とを半田等により接合する場合と比べて、上記サブマウントから上記基板へのより速やかな熱の伝導を実現することができる。
【００１９】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサの形状は、上記サブマウントに当接する面が平坦な柱状である、ことが好ましい。
【００２０】
上記レーザモジュールの製造に際しては、上記半田によって上記サブマウントを上記基板に接合する工程において、上記サブマウントを何度か摺動（スクラブ）させ、上記サブマウントと半田との間に混入した気泡を排除することが好ましい。上記の構成によれば、上記サブマウントが上記スペーサの平坦な面に当接するため、上述した摺動操作を安定的に行うことができる。
【００２１】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサの高さは、４０μｍよりも高い、ことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記スペーサを用いずに上記基板と上記サブマウントとを半田によって接合する場合と比べて、上記半田の厚みを厚くすることができる。したがって、上記スペーサを用いずに上記基板と上記サブマウントとを半田によって接合する場合と比べて、より大きな基板の歪を上記半田によって吸収することができる。
【００２３】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記サブマウントは、上記基板に対向する面の一部がメタライズ加工されており、該面のメタライズ加工されていない部分が上記スペーサに当接するように上記基板に載置されている、ことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、上記スペーサと上記サブマウントとの間に上記半田が浸潤することを回避できる。したがって、上記スペーサと上記サブマウントとの間に浸潤した、他の部分よりも厚みの薄い半田を起源とする接合破壊を防止することができる。
【００２５】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記サブマウントは、熱膨張率が上記レーザマウントの材料と同一又は略同一の材料により構成されている、ことが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、上記レーザマウントを上記サブマウントに接合するための半田にかかる応力は、ないか、又は、極小さい。したがって、上記レーザマウントと上記サブマウントとを接合するために硬質半田を用いることができる。これにより、サブマウントに対するレーザマウントの相対位置の揺らぎを小さくし、レーザモジュールにおける損失をより小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、上記サブマウントが載置される基板と、を備え、上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている。
【００２８】
したがって、上記レーザ光源の位置に狂いが生じたり、上記半田が破壊されたりするといった問題を生じることのない、信頼性の高いレーザモジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザモジュールの全体像を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザモジュールの要部構成を示す三面図である。
【図３】図１に示す半導体レーザモジュールが備える基板の具体例を示す三面図である。
【図４】図１に示す半導体レーザモジュールが備えるサブマウントの具体例を示す三面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本実施形態に係るレーザモジュールについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係るレーザモジュールは、レーザ光源として半導体レーザ（「レーザダイオード」と呼ばれることもある）を搭載したものなので、以下ではこれを「半導体レーザモジュール」と記載する。ただし、本発明に係るレーザモジュールに搭載し得るレーザ光源は、半導体レーザ光源に限定されるものではない。
【００３１】
なお、以下の説明では、板状部材を構成する６つの面のうち、最大の面積をもつ２つの面を「主面」と記載し、主面を除く４つの面を「端面」と記載する。また、２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。ここで、上面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに上方を向く方の主面のことを指し、下面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに下方を向く方の主面のことを指す。
【００３２】
〔半導体レーザモジュールの構成〕
本実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成について、図１〜図２を参照して説明する。図１は、半導体レーザモジュール１の全体像を示す斜視図である。図２は、半導体レーザモジュール１の要部（基板１０、サブマウント２０、ＣｏＳ３０）の構成を示す三面図である。図２においては、平面図（上面側）を左上、側面図を左下、正面図を右下に示す。
【００３３】
半導体レーザモジュール１は、光ファイバ２の末端に装着されるレーザモジュールであり、図１〜図２に示すように、基板１０、サブマウント２０、ＣｏＳ（Chip on Submount）３０、ファイバマウント４０、及びケース５０を備えている。なお、図１においては、半導体レーザモジュール１の内部の構造を明らかにするために、ケース５０の天板及び側板の一部を省略している。また、図２においては、半導体レーザモジュール１の要部の構成を明らかにするために、基板１０、サブマウント２０、及びＣｏＳ３０以外の構成を省略している。
【００３４】
基板１０は、半導体レーザモジュール１の底板である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、基板１０として、主面が角丸矩形の板状部材を用いる。基板１０は、半導体レーザモジュール１の内部（特にＣｏＳ３０）で発生した熱を半導体レーザモジュール１の外部に放熱するためのヒートシンクとして機能する。このため、基板１０は、熱伝導率の高い材料、例えば、例えばＣｕ（銅）により構成される。
【００３５】
基板１０の上面には、図１〜図２に示すように、４つの凸部１１ａ〜１１ｄが設けられている。これらの４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、サブマウント２０の下面を基板１０の上面から離間させるためのスペーサとして機能する。これらの４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、打ち抜き加工や削り出し加工などによって成形された、基板１０と一体のものである。
【００３６】
基板１０の上面には、図１〜図２に示すように、サブマウント２０が載置される。
【００３７】
サブマウント２０は、ＣｏＳ３０及びファイバマウント４０を支持する支持体である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、サブマウント２０として、主面が矩形の板状部材を用い、このサブマウント２０を、その下面が基板１０の上面と平行になり、かつ、その主面の長辺が基板１０の主面の長辺と平行になるように配置する。サブマウント２０は、その下面と基板１０の上面との間に広がった軟質半田６１によって、基板１０の上面に接合される。なお、基板１０の具体例については、参照する図面を代えて後述する。
【００３８】
サブマウント２０の上面には、図１〜図２に示すように、ＣｏＳ３０とファイバマウント４０とが載置される。サブマウント２０の上面において、ファイバマウント４０は、光ファイバ２が引き出される側（図１において右手前側、以下では「ファイバ側」と記載）に配置され、ＣｏＳ３０は、光ファイバ２が引き出される側と反対側（図１において左奥側、以下では「リード側」と記載）に配置される。なお、サブマウント２０の具体例については、参照する図面を代えて後述する。
【００３９】
ＣｏＳ３０は、レーザマウント３１と半導体レーザチップ３２とが一体化されたものである。
【００４０】
レーザマウント３１は、半導体レーザチップ３２を支持する支持体である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、レーザマウント３１として、主面が矩形状の板状部材を用い、このレーザマウント３１を、その下面がサブマウント２０の上面と平行になり、かつ、その主面の長辺がサブマウント２０の主面の長辺と平行になるように配置する。レーザマウント３１は、その下面とサブマウント２０の上面との間に広がった硬質半田６２によって、サブマウント２０の上面に接合される。
【００４１】
レーザマウント３１の上面には、図１〜図２に示すように、半導体レーザチップ３２が載置される。半導体レーザチップ３２は、その端面３２ａからレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態においては、主にＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなる、５ｍｍ以上のキャビティ長を有する高出力半導体レーザを用いる。半導体レーザチップ３２は、図１〜図２に示すように、その延在方向がレーザマウント３１の主面の長辺と平行になるように配置され、その下面がレーザマウント３１の上面に接合されている。また、半導体レーザチップ３２は、図１に示すように、ワイヤ３３を介してレーザマウント３１の上面に形成された回路に接続されており、この回路から供給された電流によって駆動される。
【００４２】
ファイバマウント４０は、光ファイバ２を支持する支持体である。本実施形態においては、ファイバマウント４０として、図１〜図２に示すように、主面が矩形状の板状部材を用い、このファイバマウント４０を、その下面がサブマウント２０と平行になり、かつ、その主面の長辺がサブマウント２０の主面の長辺と垂直になるように配置する。ファイバマウント４０は、その下面とサブマウント２０の上面との間に広がった硬質半田６３によって、サブマウント２０の上面に接合される。
【００４３】
ファイバマウント４０には、図１に示すように、ケース５０に設けられた挿通パイプ５１を通して半導体レーザモジュール１の内部に引き込まれた光ファイバ２が載置される。光ファイバ２は、楔状に加工された先端２ａが半導体レーザチップ３２の端面３２ａに正対するように配置され、半田６４によってファイバマウント４０の上面に接合される。半導体レーザチップ３２の端面３２ａから発せられたレーザ光は、先端２ａから光ファイバ２に入射し、光ファイバ２内を伝搬する。
【００４４】
半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザチップ３２を駆動している間、半導体レーザチップ３２からの発熱がある。半導体レーザチップ３２で発生した熱は、（１）レーザマウント３１に伝導し、（２）硬質半田６２を介してサブマウント２０に伝導し、（３）軟質半田６１を介して基板１０に伝導し、（４）基板１０の下面から外部に放熱される。このため、半導体レーザチップ３２を駆動している間、半導体レーザチップ３２にて発生した熱の伝導経路となるレーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０の温度が上昇する。
【００４５】
このため、半導体レーザチップ３２を駆動している間、レーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０は、熱膨張を起こす。レーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０の熱膨張率が異なる場合、これらの部材間に応力が発生する。これらの部材間に発生した応力は、ＣｏＳ３０と光ファイバ２との相対位置を狂わせたり、半田６１，６２を破壊したりする要因となる。特に、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１のように、大出力の半導体レーザが搭載されたレーザモジュールにおいては、半導体レーザから大量の熱が発生するため、上述した問題が深刻な信頼性の低下に直結する。
【００４６】
そこで、本実施形態においては、レーザマウント３１とサブマウント２０とを、熱膨張率が同一又は略同一の材料で構成することによって、レーザマウント３１とサブマウント２０との間に発生する応力を抑制している。具体的には、レーザマウント３１とサブマウント２０とを、共にＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成することによって、レーザマウント３１とサブマウント２０との間に発生する応力を抑制している。なお、ＡｌＮの熱膨張率は、半導体レーザチップ３２を構成するＧａＡｓの熱膨張率と略同一であるため、レーザマウント３１をＡｌＮで構成することによって、半導体レーザチップ３２とレーザマウント３１との間に発生する応力も同時に抑制することができる。
【００４７】
一方、基板１０は、放熱性の観点から熱伝導率の高い材料（例えばＣｕ）で構成する必要がある。したがって、基板１０の材料として、サブマウント２０と熱膨張率が同一又は略同一の材料を選択することは容易ではない。そこで、本実施形態においては、基板１０とサブマウント２０とを軟質半田６１で接合することによって、基板１０とサブマウント２０との熱膨張率差により生じる応力を軟質半田６１で吸収する構成を採用している。
【００４８】
ただし、単に基板１０とサブマウント２０とを軟質半田６１によって接合するだけでは、軟質半田６１の厚みが４０μｍ程度になり、十分な応力吸収効果を得ることができない。そこで、本実施形態においては、基板１０の上面に成形された４つの凸部１１ａ〜１１ｄによって、サブマウント２０の下面を基板１０の上面から離間させたうえで、サブマウント２０の下面と基板１０の上面との間のスペースを軟質半田６１で満たすことによって、軟質半田６１の厚みを４０μｍよりも大きくしている。具体的には、凸部１１ａ〜１１ｄの高さ、すなわち、軟質半田６１の厚みを１２０μｍ〜１８０μｍ程度にすることによって、十分な応力吸収効果を得ている。このため、基板１０とサブマウント２０とが異なる熱膨張率で熱膨張しても、軟質半田６１が弾性変形するだけで、サブマウント２０が歪んでＣｏＳ３０と光ファイバ２との相対位置が狂ったり、軟質半田６１が破壊されたりすることはない。
【００４９】
なお、本明細書において、「軟質半田」とは、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の半田のことを指す。例えば、Ａｕ-Ｓｎ９０％（金・錫９０％）半田、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ（錫・銀・銅）系半田、Ｉｎ-Ｓｎ（インジウム・錫）系半田、Ｂｉ-Ｉｎ-Ｓｎ（ビスマス・インジウム・錫）系半田、Ｉｎ１００％（インジウム１００％）半田は、軟質半田に該当する。なお、一部の文献においては、「軟質半田」の定義として「ヤング率が４０Ｇｐａ以下の半田」が採用されている。しかしながら、本明細書で採用する軟質半田の定義は、上述したとおり「ヤング率が５０Ｇｐａ以下の半田」であり、上記一部の文献で採用されている定義と異なるので留意されたい。
【００５０】
このように、基板１０とサブマウント２０とを接合するための半田は、軟質半田であることが好ましいが、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の半田であっても、サブマウント２０よりも軟らかい半田、すなわち、ヤング率がサブマウント２０よりも小さい半田であれば、一定の応力吸収効果が得られることは明らかであろう。
【００５１】
〔基板の具体例〕
次に、半導体レーザモジュール１が備える基板１０の具体例について、図３を参照して説明する。図３は、基板１０の三面図である。図３においては、平面図（上面側）を左上、側面図を左下、正面図を右上に示す。
【００５２】
基板１０は、図３に示すように、主面が１６．５ｍｍ（長辺）×１０．０ｍｍ（短辺）の角円矩形である板状部材であり、その厚みは１．０ｍｍである。基板１０の材料は、Ｃｕ（銅）である。
【００５３】
基板１０の上面に成形された４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、それぞれ、上面が平坦な柱状の凸部である。より具体的に言えば、上面が直径１．２ｍの円である円柱状の凸部であり、その高さは０．１５ｍｍである。４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、基板１０と一体成形されたものであり、その材料はＣｕである。凸部１１ａ〜１１ｄの上面を平坦にしているのは、サブマウント２０と凸部１１ａ〜１１ｄとを面的に接触させるためである。これにより、半導体レーザモジュール１の製造時、サブマウント２０を基板１０に接合する際に行うサブマウント２０のスクラブ作業を安定的に遂行することができる。
【００５４】
凸部１１ａ及び凸部１１ｂは、中心同士を５．０ｍｍ離間させて、基板１０の上面のリード側の短辺に沿って配置される。同様に、凸部１１ｃ及び凸部１１ｄは、中心同士を５．０ｍｍ離間させて、基板１０の上面のファイバ側の短辺に沿って配置される。基板１０の上面の一方の長辺に沿って配置された２つの凸部１１ａ，１１ｃの中心間距離は８．７ｍｍである。同様に、基板１０の上面の他方の長辺に沿って配置された２つの凸部１１ｂ，１１ｄの中心間距離は８．７ｍｍである。後述するように、サブマウント２０として、主面が９．５ｍ（長辺）×５．０ｍｍ（短辺）の矩形である板状部材を採用した場合、これら４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、概ね、サブマウント２０の四隅に配置されることになる。
【００５５】
もちろん、凸部１１ａ〜１１ｄの配置は、これに限定されるものではない。すなわち、サブマウント２０を安定的に載置可能な配置であれば、凸部１１ａ〜１１ｄの配置は任意である。また、凸部１１ａ〜１１ｄの個数は、４つに限定されず、３つであっても、５つ以上であってもよい。ただし、凸部１１ａ〜１１ｄの個数を減らすと、スクラブ作業時にサブマウント２０が凸部１１ａ〜１１ｄから脱落し易くなる。一方、凸部１１ａ〜１１ｄの個数を増やすと、サブマウント２０と基板１０との接合強度が低下する可能性がある。すなわち、凸部１１ａ〜１１ｄがサブマウント２０の四隅に位置する配置は、スクラブ作業時の安定性と接合強度とが両立した最良配置のひとつである。
【００５６】
また、凸部１１ａ〜１１ｄの高さは、１２０μｍ以上１８０μｍ以下の任意の値に設定することができる。ここで、凸部１１ａ〜１１ｄの高さを１２０μｍ以上としているのは、軟質半田６２に十分な応力吸収効果をもたせるためである。一方、凸部１１ａ〜１１ｄの高さを１８０μｍ以下としているのは、軟質半田６２の熱抵抗ｒを０．２２℃／Ｗ以下に抑え、サブマウント２０から基板１０への十分な熱伝導を確保するためである。
【００５７】
例えば、サブマウント２０として図３に示すもの（軟質半田６２が濡れ広がる面積Ｓ＝８．７×５．０−０．６２×３．１４≒４２．４ｍｍ２）を用い、軟質半田６２としてＡｕＳｎ９０％半田（熱電量率κ＝２０Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた場合、厚さｄ＝１８０μｍの軟質半田６２の熱抵抗ｒ＝（κ×Ｓ／ｄ）−１は、ｒ≒０．２１２℃／Ｗとなり、上述した条件（熱抵抗ｒが０．２２℃／Ｗ以下）を満たす。なお、許容される軟質半田６２の熱抵抗ｒの上限値（本実施形態においては０．２２℃／Ｗ）は、ＣｏＳ３０の構成、並びに、半導体レーザチップ３１の消費電力及びジャンクション温度に基づいて決まる。
【００５８】
〔サブマウントの具体例〕
次に、半導体レーザモジュール１が備えるサブマウント２０の具体例について、図４を参照して説明する。図４は、基板１０の三面図である。図４においては、平面図（上面側）を左上、平面図（下面側）を右上、側面図を左下に示す。
【００５９】
サブマウント２０は、図４に示すように、主面が９．５ｍｍ（長辺）×５．０ｍｍ（短辺）の矩形である板状部材であり、その厚みは１．０ｍｍである。サブマウント２０の材料は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。
【００６０】
サブマウント２０の上面には、メタライズ２１が施されている。これは、サブマウント２０の上面に、硬質半田６２によってＣｏＳ３０を接合するためである。同様に、サブマウント２０の下面にも、メタライズ２２が施されている。これは、サブマウント２０の下面に、軟質半田６１によって基板１０を接合するためである。
【００６１】
図４において注目すべきは、メタライズ２１は、サブマウント２０の上面全体を覆っているのに対し、メタライズ２２は、サブマウント２０の下面全体から四隅を除いた角円矩形状の領域を覆っている点である。メタライズ２２の四隅には、半径１．２ｍｍのアールを付けている。
【００６２】
これにより、メタライズ２２に覆われていないサブマウント２０の下面の四隅にまで軟質半田６１が濡れ広がることを防止できる。すなわち、メタライズ２２に覆われていないサブマウント２０の下面の四隅が凸部１１ａ〜１１ｄの上面と当接するようにサブマウント２０を基板１０に載置することによって、軟質半田６１がサブマウント２０の下面と凸部１１ａ〜１１ｄの上面との間に浸潤することを防止できる。すなわち、サブマウント２０の下面と凸部１１ａ〜１１ｄの上面との間に浸潤した、他の部分よりも厚みの薄い軟質半田６１を起源として、軟質半田６１によるサブマウント２０と基板１０との接合が破壊されることを防止できる。
【００６３】
〔基板とサブマウントとの接合方法〕
最後に、半導体レーザモジュール１の製造過程で基板１０とサブマウント２０とを接合する接合方法について、簡単に説明する。基板１０とサブマウント２０とを接合する接合は、例えば、以下の工程Ｓ１〜Ｓ８によって実現される。
【００６４】
工程Ｓ１：基板１０をヒータステージ上に載置する。
【００６５】
工程Ｓ２：板状に成形された軟質半田６１（固体）を基板１０上に載置する。
【００６６】
工程Ｓ３：サブマウント２０を軟質半田６１（固体）上に載置する。
【００６７】
工程Ｓ４：ヒータステージによる基板１０の加熱を開始する。ヒータステージによる基板の加熱を開始すると、基板１０の温度が次第に上昇する。
【００６８】
工程Ｓ５：基板１０の温度が軟質半田６１の融点に達すると、軟質半田６１が基板１０側から溶融し始める。軟質半田６１が完全に溶融したら、サブマウント２０をスクラブする。
【００６９】
工程Ｓ７：ヒータステージによる基板１０の加熱を停止する。ヒータステージによる基板１０の加熱を停止すると、基板１０の温度が次第に下降する。
【００７０】
工程Ｓ８：軟質半田６１を自然冷却する。軟質半田６１の温度が融点以下に低下すると、軟質半田６１が硬化して基板１０とサブマウント２０との接合が完了する。
【００７１】
なお、上述した工程Ｓ５において、サブマウント２０をスクラブするとは、サブマウント２０を基板１０の上面と平行な面内で何度か摺動させることを指す。これにより、軟質半田６１とサブマウント２０の下面との間に混入した気泡を排除すると共に、サブマウント２０の下面のメタライズ２２が施された領域全体に軟質半田６１を均一に濡れ広げることができる。上述したように、サブマウント２０を載置する基板１０の凸部１１ａ〜１１ｂは、その高さが共通で、かつ、その上面が平坦なので、スクラブの際に支障なくサブマウント２０を摺動させることができる。
【００７２】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、光ファイバに接続されるレーザモジュールに利用することができる。特に、半導体レーザが搭載されたレーザモジュール（半導体レーザモジュール）に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 半導体レーザモジュール（レーザモジュール）
１０ 基板
１１ａ〜１１ｄ 凸部（スペーサ）
２０ サブマウント
３０ ＣｏＳ
３１ レーザマウント
３２ 半導体レーザチップ（レーザ光源）
４０ ファイバマウント
５０ ケース
６１ 軟質半田
６２〜６３ 硬質半田
２ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの末端に装着されるレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにレーザ光を入射させる装置として、レーザモジュールが広く用いられている。レーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源、レーザ光を受ける光ファイバ、及び、レーザ光源と光ファイバとの双方が取り付けられる放熱基板を備えている。レーザ光源及び光ファイバは、レーザ光源から発せられたレーザ光が光ファイバに効率よく入射するように位置合わせした上で放熱基板に固定される。
【０００３】
レーザモジュールでは、通常、レーザ光源と光ファイバとを直接的に放熱基板に接合するのではなく、先ず、レーザマウントとファイバマウントとを放熱基板に接合し、更に、レーザ光源と光ファイバとをレーザマウントとファイバマウントとに接合する構成が採用される。このような構成を有する光ファイバを開示した文献としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
【０００４】
しかしながら、このようなレーザモジュールにおいては、レーザ光源から発生した熱によって、レーザマウントと放熱基板とを接合するための半田に大きな応力がかかり、レーザ光源の位置に狂いが生じたり、半田が破壊されたりすることがある。このような問題が生じるのは、主に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＣｕＷ（銅タングステン）により構成されるレーザマウントの熱膨張率と、Ｃｕ（銅）により構成される放熱基板の熱膨張率とが異なるためである。
【０００５】
このような問題を回避するための技術として、特許文献２には、放熱基板とレーザマウントとを軟質半田で固定する技術が開示されている。特許文献２では、放熱基板とレーザマウントとの熱膨張率差に起因する応力を、この軟質半田によって吸収し得るとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７５８，６１０号明細書（登録日：２００４年６月６日）
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０１０４７２７号明細書（公開日：２００９年４月２３日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者らが得た知見によると、レーザモジュールにおいて、放熱基板とレーザマウントとの接合に軟質半田を用いた場合、その厚みは４０μｍ程度になる。そして、厚さ４０μｍの軟質半田では、放熱基板とレーザマウントとの熱膨張率差に起因する応力を十分に吸収することができず、やはり、レーザ光源の位置に狂いが生じたり、半田が破壊されたりするといった問題を生じ得る。特に、近年、その需要が高まっている、大出力半導体レーザを搭載したレーザモジュールにおいて、この問題は深刻である。
【０００８】
また、放熱基板とレーザマウントとの接合に軟質半田を用いた場合、放熱基板に対するレーザマウントの相対位置の揺らぎが大きくなる。このため、光ファイバに対するレーザ光源の相対位置の揺らぎが大きくなり、レーザモジュールにおける損失が増大するという問題も無視できない。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上述したような問題を生じることのない信頼性の高いレーザモジュールを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、上記サブマウントが載置される基板と、を備え、上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている、ことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、上記スペーサによって上記サブマウントを上記基板から離間させているので、上記サブマウントを上記基板に接合するための半田の厚みを、上記スペーサの高さまで厚くすることができる。これによって、上記基板と上記サブマウントとを熱膨張率の異なる材料で構成する場合であっても、上記基板と上記サブマウントとの熱膨張率差に起因して発生する応力を上記半田によって十分に吸収することができる。したがって、上記レーザ光源の位置に狂いが生じたり、上記半田が破壊されたりするといった問題を生じることのない、信頼性の高いレーザモジュールを実現することができる。
【００１２】
しかも、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントは、共に上記サブマウントに載置されている。したがって、上記基板に対する上記サブマウントの相対位置の揺らぎが大きくなっても、これに起因して上記光ファイバに対する上記レーザ光源の相対位置の揺らぎが大きくなることはないので、レーザモジュールにおける損失が大きくなる虞はない。
【００１３】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記半田は、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の軟質半田である、ことが好ましい。
【００１４】
上記の構成によれば、上記サブマウントの材料として、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の材料が選択されている場合に、熱膨張による上記基板の歪を、上記サブマウントに伝えることなく、上記半田で吸収することができる。また、上記サブマウントの材料として、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の材料を自由に選択することができる。
【００１５】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記半田は、ヤング率が上記サブマウントよりも小さい半田である、ことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、上記半田が弾性変形することによって、熱膨張による上記基板の歪を、上記サブマウントに伝えることなく、上記半田で吸収することができる。
【００１７】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサは、上記基板に一体成型されたものである、ことが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、上記スペーサと上記基板とが一体成形されているので、上記スペーサと上記基板とを半田等により接合する場合と比べて、上記サブマウントから上記基板へのより速やかな熱の伝導を実現することができる。
【００１９】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサの形状は、上記サブマウントに当接する面が平坦な柱状である、ことが好ましい。
【００２０】
上記レーザモジュールの製造に際しては、上記半田によって上記サブマウントを上記基板に接合する工程において、上記サブマウントを何度か摺動（スクラブ）させ、上記サブマウントと半田との間に混入した気泡を排除することが好ましい。上記の構成によれば、上記サブマウントが上記スペーサの平坦な面に当接するため、上述した摺動操作を安定的に行うことができる。
【００２１】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記スペーサの高さは、４０μｍよりも高い、ことが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記スペーサを用いずに上記基板と上記サブマウントとを半田によって接合する場合と比べて、上記半田の厚みを厚くすることができる。したがって、上記スペーサを用いずに上記基板と上記サブマウントとを半田によって接合する場合と比べて、より大きな基板の歪を上記半田によって吸収することができる。
【００２３】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記サブマウントは、上記基板に対向する面の一部がメタライズ加工されており、該面のメタライズ加工されていない部分が上記スペーサに当接するように上記基板に載置されている、ことが好ましい。
【００２４】
上記の構成によれば、上記スペーサと上記サブマウントとの間に上記半田が浸潤することを回避できる。したがって、上記スペーサと上記サブマウントとの間に浸潤した、他の部分よりも厚みの薄い半田を起源とする接合破壊を防止することができる。
【００２５】
本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記サブマウントは、熱膨張率が上記レーザマウントの材料と同一又は略同一の材料により構成されている、ことが好ましい。
【００２６】
上記の構成によれば、上記レーザマウントを上記サブマウントに接合するための半田にかかる応力は、ないか、又は、極小さい。したがって、上記レーザマウントと上記サブマウントとを接合するために硬質半田を用いることができる。これにより、サブマウントに対するレーザマウントの相対位置の揺らぎを小さくし、レーザモジュールにおける損失をより小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、本発明に係るレーザモジュールは、レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、上記サブマウントが載置される基板と、を備え、上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている。
【００２８】
したがって、上記レーザ光源の位置に狂いが生じたり、上記半田が破壊されたりするといった問題を生じることのない、信頼性の高いレーザモジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザモジュールの全体像を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザモジュールの要部構成を示す三面図である。
【図３】図１に示す半導体レーザモジュールが備える基板の具体例を示す三面図である。
【図４】図１に示す半導体レーザモジュールが備えるサブマウントの具体例を示す三面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本実施形態に係るレーザモジュールについて、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態に係るレーザモジュールは、レーザ光源として半導体レーザ（「レーザダイオード」と呼ばれることもある）を搭載したものなので、以下ではこれを「半導体レーザモジュール」と記載する。ただし、本発明に係るレーザモジュールに搭載し得るレーザ光源は、半導体レーザ光源に限定されるものではない。
【００３１】
なお、以下の説明では、板状部材を構成する６つの面のうち、最大の面積をもつ２つの面を「主面」と記載し、主面を除く４つの面を「端面」と記載する。また、２つの主面を互いに区別する必要があるときには、一方の主面を「上面」と記載し、他方の主面を「下面」と記載する。ここで、上面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに上方を向く方の主面のことを指し、下面は、板状部材を含む装置が通常の設置状態にあるときに下方を向く方の主面のことを指す。
【００３２】
〔半導体レーザモジュールの構成〕
本実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成について、図１〜図２を参照して説明する。図１は、半導体レーザモジュール１の全体像を示す斜視図である。図２は、半導体レーザモジュール１の要部（基板１０、サブマウント２０、ＣｏＳ３０）の構成を示す三面図である。図２においては、平面図（上面側）を左上、側面図を左下、正面図を右下に示す。
【００３３】
半導体レーザモジュール１は、光ファイバ２の末端に装着されるレーザモジュールであり、図１〜図２に示すように、基板１０、サブマウント２０、ＣｏＳ（Chip on Submount）３０、ファイバマウント４０、及びケース５０を備えている。なお、図１においては、半導体レーザモジュール１の内部の構造を明らかにするために、ケース５０の天板及び側板の一部を省略している。また、図２においては、半導体レーザモジュール１の要部の構成を明らかにするために、基板１０、サブマウント２０、及びＣｏＳ３０以外の構成を省略している。
【００３４】
基板１０は、半導体レーザモジュール１の底板である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、基板１０として、主面が角丸矩形の板状部材を用いる。基板１０は、半導体レーザモジュール１の内部（特にＣｏＳ３０）で発生した熱を半導体レーザモジュール１の外部に放熱するためのヒートシンクとして機能する。このため、基板１０は、熱伝導率の高い材料、例えば、例えばＣｕ（銅）により構成される。
【００３５】
基板１０の上面には、図１〜図２に示すように、４つの凸部１１ａ〜１１ｄが設けられている。これらの４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、サブマウント２０の下面を基板１０の上面から離間させるためのスペーサとして機能する。これらの４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、打ち抜き加工や削り出し加工などによって成形された、基板１０と一体のものである。
【００３６】
基板１０の上面には、図１〜図２に示すように、サブマウント２０が載置される。
【００３７】
サブマウント２０は、ＣｏＳ３０及びファイバマウント４０を支持する支持体である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、サブマウント２０として、主面が矩形の板状部材を用い、このサブマウント２０を、その下面が基板１０の上面と平行になり、かつ、その主面の長辺が基板１０の主面の長辺と平行になるように配置する。サブマウント２０は、その下面と基板１０の上面との間に広がった軟質半田６１によって、基板１０の上面に接合される。なお、基板１０の具体例については、参照する図面を代えて後述する。
【００３８】
サブマウント２０の上面には、図１〜図２に示すように、ＣｏＳ３０とファイバマウント４０とが載置される。サブマウント２０の上面において、ファイバマウント４０は、光ファイバ２が引き出される側（図１において右手前側、以下では「ファイバ側」と記載）に配置され、ＣｏＳ３０は、光ファイバ２が引き出される側と反対側（図１において左奥側、以下では「リード側」と記載）に配置される。なお、サブマウント２０の具体例については、参照する図面を代えて後述する。
【００３９】
ＣｏＳ３０は、レーザマウント３１と半導体レーザチップ３２とが一体化されたものである。
【００４０】
レーザマウント３１は、半導体レーザチップ３２を支持する支持体である。本実施形態においては、図１〜図２に示すように、レーザマウント３１として、主面が矩形状の板状部材を用い、このレーザマウント３１を、その下面がサブマウント２０の上面と平行になり、かつ、その主面の長辺がサブマウント２０の主面の長辺と平行になるように配置する。レーザマウント３１は、その下面とサブマウント２０の上面との間に広がった硬質半田６２によって、サブマウント２０の上面に接合される。
【００４１】
レーザマウント３１の上面には、図１〜図２に示すように、半導体レーザチップ３２が載置される。半導体レーザチップ３２は、その端面３２ａからレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態においては、主にＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなる、５ｍｍ以上のキャビティ長を有する高出力半導体レーザを用いる。半導体レーザチップ３２は、図１〜図２に示すように、その延在方向がレーザマウント３１の主面の長辺と平行になるように配置され、その下面がレーザマウント３１の上面に接合されている。また、半導体レーザチップ３２は、図１に示すように、ワイヤ３３を介してレーザマウント３１の上面に形成された回路に接続されており、この回路から供給された電流によって駆動される。
【００４２】
ファイバマウント４０は、光ファイバ２を支持する支持体である。本実施形態においては、ファイバマウント４０として、図１〜図２に示すように、主面が矩形状の板状部材を用い、このファイバマウント４０を、その下面がサブマウント２０と平行になり、かつ、その主面の長辺がサブマウント２０の主面の長辺と垂直になるように配置する。ファイバマウント４０は、その下面とサブマウント２０の上面との間に広がった硬質半田６３によって、サブマウント２０の上面に接合される。
【００４３】
ファイバマウント４０には、図１に示すように、ケース５０に設けられた挿通パイプ５１を通して半導体レーザモジュール１の内部に引き込まれた光ファイバ２が載置される。光ファイバ２は、楔状に加工された先端２ａが半導体レーザチップ３２の端面３２ａに正対するように配置され、半田６４によってファイバマウント４０の上面に接合される。半導体レーザチップ３２の端面３２ａから発せられたレーザ光は、先端２ａから光ファイバ２に入射し、光ファイバ２内を伝搬する。
【００４４】
半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザチップ３２を駆動している間、半導体レーザチップ３２からの発熱がある。半導体レーザチップ３２で発生した熱は、（１）レーザマウント３１に伝導し、（２）硬質半田６２を介してサブマウント２０に伝導し、（３）軟質半田６１を介して基板１０に伝導し、（４）基板１０の下面から外部に放熱される。このため、半導体レーザチップ３２を駆動している間、半導体レーザチップ３２にて発生した熱の伝導経路となるレーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０の温度が上昇する。
【００４５】
このため、半導体レーザチップ３２を駆動している間、レーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０は、熱膨張を起こす。レーザマウント３１、サブマウント２０、及び基板１０の熱膨張率が異なる場合、これらの部材間に応力が発生する。これらの部材間に発生した応力は、ＣｏＳ３０と光ファイバ２との相対位置を狂わせたり、半田６１，６２を破壊したりする要因となる。特に、本実施形態に係る半導体レーザモジュール１のように、大出力の半導体レーザが搭載されたレーザモジュールにおいては、半導体レーザから大量の熱が発生するため、上述した問題が深刻な信頼性の低下に直結する。
【００４６】
そこで、本実施形態においては、レーザマウント３１とサブマウント２０とを、熱膨張率が同一又は略同一の材料で構成することによって、レーザマウント３１とサブマウント２０との間に発生する応力を抑制している。具体的には、レーザマウント３１とサブマウント２０とを、共にＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成することによって、レーザマウント３１とサブマウント２０との間に発生する応力を抑制している。なお、ＡｌＮの熱膨張率は、半導体レーザチップ３２を構成するＧａＡｓの熱膨張率と略同一であるため、レーザマウント３１をＡｌＮで構成することによって、半導体レーザチップ３２とレーザマウント３１との間に発生する応力も同時に抑制することができる。
【００４７】
一方、基板１０は、放熱性の観点から熱伝導率の高い材料（例えばＣｕ）で構成する必要がある。したがって、基板１０の材料として、サブマウント２０と熱膨張率が同一又は略同一の材料を選択することは容易ではない。そこで、本実施形態においては、基板１０とサブマウント２０とを軟質半田６１で接合することによって、基板１０とサブマウント２０との熱膨張率差により生じる応力を軟質半田６１で吸収する構成を採用している。
【００４８】
ただし、単に基板１０とサブマウント２０とを軟質半田６１によって接合するだけでは、軟質半田６１の厚みが４０μｍ程度になり、十分な応力吸収効果を得ることができない。そこで、本実施形態においては、基板１０の上面に成形された４つの凸部１１ａ〜１１ｄによって、サブマウント２０の下面を基板１０の上面から離間させたうえで、サブマウント２０の下面と基板１０の上面との間のスペースを軟質半田６１で満たすことによって、軟質半田６１の厚みを４０μｍよりも大きくしている。具体的には、凸部１１ａ〜１１ｄの高さ、すなわち、軟質半田６１の厚みを１２０μｍ〜１８０μｍ程度にすることによって、十分な応力吸収効果を得ている。このため、基板１０とサブマウント２０とが異なる熱膨張率で熱膨張しても、軟質半田６１が弾性変形するだけで、サブマウント２０が歪んでＣｏＳ３０と光ファイバ２との相対位置が狂ったり、軟質半田６１が破壊されたりすることはない。
【００４９】
なお、本明細書において、「軟質半田」とは、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の半田のことを指す。例えば、Ａｕ-Ｓｎ９０％（金・錫９０％）半田、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ（錫・銀・銅）系半田、Ｉｎ-Ｓｎ（インジウム・錫）系半田、Ｂｉ-Ｉｎ-Ｓｎ（ビスマス・インジウム・錫）系半田、Ｉｎ１００％（インジウム１００％）半田は、軟質半田に該当する。なお、一部の文献においては、「軟質半田」の定義として「ヤング率が４０Ｇｐａ以下の半田」が採用されている。しかしながら、本明細書で採用する軟質半田の定義は、上述したとおり「ヤング率が５０Ｇｐａ以下の半田」であり、上記一部の文献で採用されている定義と異なるので留意されたい。
【００５０】
このように、基板１０とサブマウント２０とを接合するための半田は、軟質半田であることが好ましいが、ヤング率が５０Ｇｐａ以上の半田であっても、サブマウント２０よりも軟らかい半田、すなわち、ヤング率がサブマウント２０よりも小さい半田であれば、一定の応力吸収効果が得られることは明らかであろう。
【００５１】
〔基板の具体例〕
次に、半導体レーザモジュール１が備える基板１０の具体例について、図３を参照して説明する。図３は、基板１０の三面図である。図３においては、平面図（上面側）を左上、側面図を左下、正面図を右上に示す。
【００５２】
基板１０は、図３に示すように、主面が１６．５ｍｍ（長辺）×１０．０ｍｍ（短辺）の角円矩形である板状部材であり、その厚みは１．０ｍｍである。基板１０の材料は、Ｃｕ（銅）である。
【００５３】
基板１０の上面に成形された４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、それぞれ、上面が平坦な柱状の凸部である。より具体的に言えば、上面が直径１．２ｍの円である円柱状の凸部であり、その高さは０．１５ｍｍである。４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、基板１０と一体成形されたものであり、その材料はＣｕである。凸部１１ａ〜１１ｄの上面を平坦にしているのは、サブマウント２０と凸部１１ａ〜１１ｄとを面的に接触させるためである。これにより、半導体レーザモジュール１の製造時、サブマウント２０を基板１０に接合する際に行うサブマウント２０のスクラブ作業を安定的に遂行することができる。
【００５４】
凸部１１ａ及び凸部１１ｂは、中心同士を５．０ｍｍ離間させて、基板１０の上面のリード側の短辺に沿って配置される。同様に、凸部１１ｃ及び凸部１１ｄは、中心同士を５．０ｍｍ離間させて、基板１０の上面のファイバ側の短辺に沿って配置される。基板１０の上面の一方の長辺に沿って配置された２つの凸部１１ａ，１１ｃの中心間距離は８．７ｍｍである。同様に、基板１０の上面の他方の長辺に沿って配置された２つの凸部１１ｂ，１１ｄの中心間距離は８．７ｍｍである。後述するように、サブマウント２０として、主面が９．５ｍ（長辺）×５．０ｍｍ（短辺）の矩形である板状部材を採用した場合、これら４つの凸部１１ａ〜１１ｄは、概ね、サブマウント２０の四隅に配置されることになる。
【００５５】
もちろん、凸部１１ａ〜１１ｄの配置は、これに限定されるものではない。すなわち、サブマウント２０を安定的に載置可能な配置であれば、凸部１１ａ〜１１ｄの配置は任意である。また、凸部１１ａ〜１１ｄの個数は、４つに限定されず、３つであっても、５つ以上であってもよい。ただし、凸部１１ａ〜１１ｄの個数を減らすと、スクラブ作業時にサブマウント２０が凸部１１ａ〜１１ｄから脱落し易くなる。一方、凸部１１ａ〜１１ｄの個数を増やすと、サブマウント２０と基板１０との接合強度が低下する可能性がある。すなわち、凸部１１ａ〜１１ｄがサブマウント２０の四隅に位置する配置は、スクラブ作業時の安定性と接合強度とが両立した最良配置のひとつである。
【００５６】
また、凸部１１ａ〜１１ｄの高さは、１２０μｍ以上１８０μｍ以下の任意の値に設定することができる。ここで、凸部１１ａ〜１１ｄの高さを１２０μｍ以上としているのは、軟質半田６２に十分な応力吸収効果をもたせるためである。一方、凸部１１ａ〜１１ｄの高さを１８０μｍ以下としているのは、軟質半田６２の熱抵抗ｒを０．２２℃／Ｗ以下に抑え、サブマウント２０から基板１０への十分な熱伝導を確保するためである。
【００５７】
例えば、サブマウント２０として図３に示すもの（軟質半田６２が濡れ広がる面積Ｓ＝８．７×５．０−０．６２×３．１４≒４２．４ｍｍ２）を用い、軟質半田６２としてＡｕＳｎ９０％半田（熱電量率κ＝２０Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた場合、厚さｄ＝１８０μｍの軟質半田６２の熱抵抗ｒ＝（κ×Ｓ／ｄ）−１は、ｒ≒０．２１２℃／Ｗとなり、上述した条件（熱抵抗ｒが０．２２℃／Ｗ以下）を満たす。なお、許容される軟質半田６２の熱抵抗ｒの上限値（本実施形態においては０．２２℃／Ｗ）は、ＣｏＳ３０の構成、並びに、半導体レーザチップ３１の消費電力及びジャンクション温度に基づいて決まる。
【００５８】
〔サブマウントの具体例〕
次に、半導体レーザモジュール１が備えるサブマウント２０の具体例について、図４を参照して説明する。図４は、基板１０の三面図である。図４においては、平面図（上面側）を左上、平面図（下面側）を右上、側面図を左下に示す。
【００５９】
サブマウント２０は、図４に示すように、主面が９．５ｍｍ（長辺）×５．０ｍｍ（短辺）の矩形である板状部材であり、その厚みは１．０ｍｍである。サブマウント２０の材料は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。
【００６０】
サブマウント２０の上面には、メタライズ２１が施されている。これは、サブマウント２０の上面に、硬質半田６２によってＣｏＳ３０を接合するためである。同様に、サブマウント２０の下面にも、メタライズ２２が施されている。これは、サブマウント２０の下面に、軟質半田６１によって基板１０を接合するためである。
【００６１】
図４において注目すべきは、メタライズ２１は、サブマウント２０の上面全体を覆っているのに対し、メタライズ２２は、サブマウント２０の下面全体から四隅を除いた角円矩形状の領域を覆っている点である。メタライズ２２の四隅には、半径１．２ｍｍのアールを付けている。
【００６２】
これにより、メタライズ２２に覆われていないサブマウント２０の下面の四隅にまで軟質半田６１が濡れ広がることを防止できる。すなわち、メタライズ２２に覆われていないサブマウント２０の下面の四隅が凸部１１ａ〜１１ｄの上面と当接するようにサブマウント２０を基板１０に載置することによって、軟質半田６１がサブマウント２０の下面と凸部１１ａ〜１１ｄの上面との間に浸潤することを防止できる。すなわち、サブマウント２０の下面と凸部１１ａ〜１１ｄの上面との間に浸潤した、他の部分よりも厚みの薄い軟質半田６１を起源として、軟質半田６１によるサブマウント２０と基板１０との接合が破壊されることを防止できる。
【００６３】
〔基板とサブマウントとの接合方法〕
最後に、半導体レーザモジュール１の製造過程で基板１０とサブマウント２０とを接合する接合方法について、簡単に説明する。基板１０とサブマウント２０とを接合する接合は、例えば、以下の工程Ｓ１〜Ｓ８によって実現される。
【００６４】
工程Ｓ１：基板１０をヒータステージ上に載置する。
【００６５】
工程Ｓ２：板状に成形された軟質半田６１（固体）を基板１０上に載置する。
【００６６】
工程Ｓ３：サブマウント２０を軟質半田６１（固体）上に載置する。
【００６７】
工程Ｓ４：ヒータステージによる基板１０の加熱を開始する。ヒータステージによる基板の加熱を開始すると、基板１０の温度が次第に上昇する。
【００６８】
工程Ｓ５：基板１０の温度が軟質半田６１の融点に達すると、軟質半田６１が基板１０側から溶融し始める。軟質半田６１が完全に溶融したら、サブマウント２０をスクラブする。
【００６９】
工程Ｓ７：ヒータステージによる基板１０の加熱を停止する。ヒータステージによる基板１０の加熱を停止すると、基板１０の温度が次第に下降する。
【００７０】
工程Ｓ８：軟質半田６１を自然冷却する。軟質半田６１の温度が融点以下に低下すると、軟質半田６１が硬化して基板１０とサブマウント２０との接合が完了する。
【００７１】
なお、上述した工程Ｓ５において、サブマウント２０をスクラブするとは、サブマウント２０を基板１０の上面と平行な面内で何度か摺動させることを指す。これにより、軟質半田６１とサブマウント２０の下面との間に混入した気泡を排除すると共に、サブマウント２０の下面のメタライズ２２が施された領域全体に軟質半田６１を均一に濡れ広げることができる。上述したように、サブマウント２０を載置する基板１０の凸部１１ａ〜１１ｂは、その高さが共通で、かつ、その上面が平坦なので、スクラブの際に支障なくサブマウント２０を摺動させることができる。
【００７２】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、光ファイバに接続されるレーザモジュールに利用することができる。特に、半導体レーザが搭載されたレーザモジュール（半導体レーザモジュール）に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 半導体レーザモジュール（レーザモジュール）
１０ 基板
１１ａ〜１１ｄ 凸部（スペーサ）
２０ サブマウント
３０ ＣｏＳ
３１ レーザマウント
３２ 半導体レーザチップ（レーザ光源）
４０ ファイバマウント
５０ ケース
６１ 軟質半田
６２〜６３ 硬質半田
２ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、
上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、
上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、
上記サブマウントが載置される基板と、を備え、
上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、
上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている、ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
上記半田は、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の軟質半田である、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
上記半田は、ヤング率が上記サブマウントよりも小さい半田である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
上記スペーサは、上記基板に一体成型されたものである、
ことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
上記スペーサの形状は、上記サブマウントに当接する面が平坦な柱状である、
ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
上記スペーサの高さは、４０μｍよりも高い、
ことを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
上記サブマウントは、上記基板に対向する面の一部がメタライズ加工されており、該面のメタライズ加工されていない部分が上記スペーサに当接するように上記基板に載置されている、
ことを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
上記サブマウントは、熱膨張率が上記レーザマウントの材料と同一又は略同一の材料により構成されている、
ことを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項１】
レーザ光を発するレーザ光源が載置されたレーザマウントと、
上記レーザ光を受ける光ファイバが載置されたファイバマウントと、
上記レーザマウント及び上記ファイバマウントの両方が載置されるサブマウントと、
上記サブマウントが載置される基板と、を備え、
上記サブマウントと上記基板との間には、上記サブマウントを上記基板から離間させるためのスペーサが配設されており、
上記サブマウントは、上記基板との間に広がった半田によって、上記基板に接合されている、ことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】
上記半田は、ヤング率が５０Ｇｐａ以下の軟質半田である、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
【請求項３】
上記半田は、ヤング率が上記サブマウントよりも小さい半田である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
【請求項４】
上記スペーサは、上記基板に一体成型されたものである、
ことを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項５】
上記スペーサの形状は、上記サブマウントに当接する面が平坦な柱状である、
ことを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項６】
上記スペーサの高さは、４０μｍよりも高い、
ことを特徴とする請求項１から５までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項７】
上記サブマウントは、上記基板に対向する面の一部がメタライズ加工されており、該面のメタライズ加工されていない部分が上記スペーサに当接するように上記基板に載置されている、
ことを特徴とする請求項１から６までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
上記サブマウントは、熱膨張率が上記レーザマウントの材料と同一又は略同一の材料により構成されている、
ことを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載のレーザモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−４７５２（Ｐ２０１３−４７５２Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４５５０（Ｐ２０１１−１３４５５０）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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