JP2000294868A - 半導体レーザモジュール及び半導体レーザモジュールに用いられるペルチェモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力、高環境温度下で使用可能な半導体レ
ーザモジュールを提供する。 【解決手段】 半導体レーザ素子１３が固定された基板
１６がパッケージ１１に固定されたペルチェモジュール
１２の冷却側基板に固定される際に、半導体レーザ素子
１３はペルチェモジュール１２の略中央部に配置されて
固定される。このペルチェモジュール１２は、周辺部が
中央部よりも吸熱量が大きくなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザモジ
ュール、特に高温環境下での使用に適した半導体レーザ
モジュールおよび半導体レーザモジュールに適したペル
チェモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザは、光通信において
信号用光源や光ファイバ増幅器の励起用光源として大量
に用いられるようになってきた。半導体レーザが光通信
において信号用光源や励起用光源として用いられる場合
には、半導体レーザからのレーザ光を光ファイバに光学
的に結合させたデバイスである半導体レーザモジュール
として使用される場合が多い。

【０００３】図６は、このような半導体レーザモジュー
ルの構造の一例を示したものである。図６に示す半導体
レーザモジュール４０は、パッケージ１１内においてペ
ルチェモジュール４２がパッケージ底板１１ａに固定さ
れている。このペルチェモジュール４２の上には半導体
レーザ素子１３とサーミスタ１４及びレンズ１５を固定
した基板１６が固定されている。また、パッケージ１１
の側壁１１ｂに設けられた貫通孔１１ｃには、光ファイ
バ１７が固定されている。図６において５０はヒートシ
ンクである。

【０００４】この半導体レーザモジュール４０は、半導
体レーザ素子１３から出射されたレーザ光がレンズ１５
により集光され、光ファイバ１７の端面に入射されてこ
れが光ファイバ１７内を導波し所望の用途に供される。

【０００５】半導体レーザモジュール４０は、半導体レ
ーザ素子１３を駆動するために電流を流すと発熱により
半導体レーザ素子１３の温度が上昇する。この温度上昇
は半導体レーザ素子１３の発振波長と光出力の変化を引
き起こす原因となる。

【０００６】このため、半導体レーザ素子１３の近傍に
固定されたサーミスタ１４により半導体レーザ素子１３
の温度を測定し、この測定値を用いてペルチェモジュー
ル４２に流す電流を制御することによって半導体レーザ
素子１３の温度を一定に保つことでその特性を安定化し
ている。

【０００７】半導体レーザモジュール４０に使用される
ペルチェモジュール４２は、一般に図７に示すように、
Ｐ型半導体であるＰ型熱電変換素子１８と、Ｎ型半導体
であるＮ型熱電変換素子１９とが交互に並べられて２枚
の例えばセラミックからなる絶縁層１２ａ、１２ｂの間
に配置され、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子
１９とが電気的に直列に接続されている。このＰ型熱電
変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９に直流電圧を印加
することによって絶縁層１２ａ、１２ｂの表面に発熱又
は吸熱を生ぜしめることにより対象物の加熱又は冷却が
行われる。

【０００８】図７（ａ）は、ペルチェモジュール４２の
断面を示したもので、このペルチェモジュール４２は、
アルミナ又は窒化アルミからなる２枚のセラミック製の
絶縁基板１２ａ、１２ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子１８
とＮ型熱電変換素子１９が挟持されている。これらの熱
電効果素子１８、１９が絶縁基板１２ａ、１２ｂの表面
に形成された電極１２ｃにより電気的に接続されてい
る。

【０００９】図７（ｂ）は、絶縁基板１２ａ、１２ｂを
省略して図示したペルチェモジュール４２の斜視図であ
る。ペルチェモジュール４２は、多数の熱電変換素子１
８、１９が絶縁基板１２ａ及び１２ｂ上に二次元的に均
一に配置して形成されている。

【００１０】図７（ｃ）は、各熱電効果素子１８、１９
の電気的接続を示すもので、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ
型熱電変換素子１９とがそれぞれ交互に直列に接続され
ている。

【００１１】接続される熱電素子１８、１９の数は、用
途に応じて種々あるが、例えばＰ型熱電変換素子１８と
Ｎ型熱電変換素子１９の対数が２０乃至４０対のものが
半導体レーザモジュール用として一般に用いられてい
る。

【００１２】このようなペルチェモジュール４２は次の
ようにして製造される。まず、ビスマス（Ｂｉ）及びテ
ルル（Ｔｅ）を主成分とする原料粉末から単結晶法やホ
ットプレス法によりインゴットを作製し、これをチップ
状に切断してＰ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子
１９を作製する（例えば、特開平１−２０２３４３号公
報や特開平１−１０６４７８号公報に開示されている公
知の技術）。

【００１３】次に、図８（ａ）に示すように、絶縁基板
１２ａの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各電極１
２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布する。次に図８
（ｂ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ状
のＰ型熱電変換素子１８を一つずつ載置する。その後図
８（ｃ）に示すように各電極１２ｃの上に上記のチップ
状のＮ型熱電変換素子１９を一つずつ載置することによ
って、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を
交互に配置する。

【００１４】そして、上記の図８（ａ）と同様にして絶
縁基板１２ｂの上に複数の電極１２ｃを設けると共に各
電極１２ｃの上に半田ペースト１２ｅを塗布し、この絶
縁基板を図８（ｄ）に示すようにＰ型熱電変換素子１８
とＮ型熱電変換素子１９を載置した絶縁基板１２ａの上
に、相互の電極１２ｃが互いに跨がるように配置して、
下の絶縁基板１２ａの電極１２ｃ上のＰ型熱電変換素子
１８とＮ型熱電変換素子１９にそれぞれ上の絶縁基板１
２ｂの隣合う電極１２ｃを重ねる。

【００１５】この状態で、図示していない半田リフロー
炉内で半田ペースト１２ｅをリフローすることによっ
て、Ｐ型熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を二
枚の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間に接合すると共に、Ｐ型
熱電変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９を電極１２ｃ
を介して電気的に直列に接続して、図８（ｅ）に示すよ
うなペルチェモジュール４２が製造される。

【００１６】ペルチェモジュールに通電することによ
り、加熱、冷却作用が生じる理由は、次のように説明さ
れる。すなわち、図７（ａ）に示すようにペルチェモジ
ュール４２に外部より直流電圧を印加すると、Ｐ型熱電
変換素子１８とＮ型熱電変換素子１９とは２枚の絶縁基
板１２ａ、１２ｂによって挟持されかつ電気的には交互
に直列接続されているために、Ｐ型熱電変換素子１８中
では絶縁基板１２ａから絶縁基板１２ｂに向かって、ま
たＮ型熱電変換素子１９中では１２ｂから１２ａに向か
って電流が流れる。

【００１７】しかし、Ｐ型熱電変換素子１８中では正孔
が多数キャリアであり、Ｎ型熱電変換素子１９中では電
子がそれぞれ多数キャリアである。この電流を担う粒子
の移動はともに絶縁基板１２ａから１２ｂに向かう方向
に起こる。一方、この電流を担う正孔及び電子は、熱の
移動をも担うものでもある。このため、電流がＰ型熱電
変換素子１８中とＮ型熱電変換素子１９中とで互いに反
対の方向に流れるのに対して、熱の流れは常に一方向に
起こることとなり、かくしてペルチェモジュール４２の
一方の面では冷却が、他方の面では加熱が起こるのであ
る。

【００１８】このようなペルチェモジュール４２を有す
る図６に示す半導体レーザモジュール４０の作動中の熱
的な環境について以下に説明する。

【００１９】半導体レーザモジュール４０が光ファイバ
増幅器等の通信機器内に搭載され使用される場合、同時
に搭載される他の半導体レーザモジュールや電気回路素
子等の発熱、及びその通信機器がおかれる場所の環境に
より、常温よりも高い環境温度で使用されることが多
い。このため、半導体レーザモジュール４０は、排熱効
率の高い状態で使用するため、通常ヒートシンク５０に
固定されて使用される。

【００２０】図９は、半導体レーザモジュール４０が、
ヒートシンク５０に固定されて使用される場合の熱的な
環境を模式的に表した図で同図においては説明上の関係
でレンズ１５や光ファイバ１７などは省略して描いてあ
る。

【００２１】図９に示すように、半導体レーザモジュー
ル４０の置かれる環境温度がＴa、ヒートシンク５０の
温度がＴhsとする。ここで、サーミスタ１４の温度（サ
ーミスタ温度）Ｔsを一定に保ちつつ半導体レーザ素子
１３に電流を供給すると、半導体レーザ素子１３から発
生した熱量ＱLDは、基板１６を伝導してペルチェモジュ
ール４２の冷却側の絶縁基板１２ａに達し、続いて加熱
側の絶縁基板１２ｂに向かって排熱される。

【００２２】同時に、ペルチェモジュール４２に電流が
流れていることによるペルチェモジュール自身の発熱量
ＱTMも絶縁基板１２ｂに排熱される。そして、この熱量
（ＱLD＋ＱTM）が、パッケージ１１の底板１１ａを経て
ヒートシンク５０に排熱される。

【００２３】ペルチェモジュール４２の冷却側の絶縁基
板１２ａ、加熱側の絶縁基板１２ｂの温度をそれぞれＴ
c、Ｔh、半導体レーザ素子１３と冷却側の絶縁基板１２
ａとの間の熱抵抗をＫ1、加熱側の絶縁基板１２ｂとヒ
ートシンク５０の間の熱抵抗をＫ2とすると、 Ｔh＝Ｔhs＋Ｋ2（ＱLD＋ＱTM）・・・・・・（１） Ｔc＝Ｔs −Ｋ1ＱLD・・・・・・・・・・・・（２） なる関係があるから、ペルチェモジュール４２の絶縁基
板１２ａ，１２ｂ間の温度差△Ｔ＝Ｔh−Ｔcは、 △Ｔ＝（Ｔhs−Ｔs）＋（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTM・・・（３） と表せる。

【００２４】（３）式において、右辺第一項の（Ｔhs−
Ｔs）は、半導体レーザモジュール４０として使用され
る場合の内外温度差を意味する。

【００２５】すなわち、（１）式より加熱側の絶縁基板
１２ｂとヒートシンク５０の間に熱抵抗Ｋ2が存在する
ことにより、ペルチェモジュール４２の加熱側基板１２
ｂの温度Ｔhは、ヒートシンクの温度Ｔhsに比べてＫ2
（ＱLD＋ＱTM）だけ高くなる。

【００２６】また、（２）式より半導体レーザ素子１３
と冷却側の絶縁基板１２ａとの間に熱抵抗をＫ1が存在
することにより、冷却側の絶縁基板１２ａの温度Ｔc
は、サーミスタ温度（半導体レーザ素子の温度）Ｔsに
比べてＫ1 ＱLDだけ低くなる。

【００２７】これらによって、半導体レーザモジュール
４０として使用する場合の内外温度差（Ｔhs−Ｔs）
は、ペルチェモジュール４２の絶縁基板間の温度差△Ｔ
に比べて（Ｋ1＋Ｋ2）ＱLD＋Ｋ2 ＱTMだけ小さくなるの
である。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、上記
の半導体レーザモジュールは、システム全体の高出力化
に伴い、光出力の高出力化と高環境温度下での動作が要
求されるようになってきた。

【００２９】半導体レーザモジュール高出力化のために
半導体レーザ素子を高出力化すると、必然的にその発熱
量（ＱLD）が増加する。このような高出力半導体レーザ
モジュールを、高温環境下で使用するためには、半導体
レーザ素子からの発熱を従来よりも効率よく排熱しなけ
ればならない。

【００３０】ところが、前述した従来の半導体レーザモ
ジュールでは、次に述べるような問題があった。

【００３１】図９に示す半導体レーザモジュール４０に
より説明すれば、半導体レーザ素子１３から発生した熱
量ＱLDは、基板１６、ペルチェモジュール４２、パッケ
ージ底板１１ａを経てヒートシンク５０に排熱される。

【００３２】ここで、半導体レーザモジュール４０全体
の厚さは機器への実装上の理由により所定の厚さに薄く
設計されるため、基板１６及びパッケージ底板１１ａも
薄く設計される。このため、半導体レーザ素子１３から
発生した熱ＱLDが基板１６を厚さ方向に伝導する間、及
びパッケージの底板１１ａを通過してヒートシンク５０
に排熱されるまでの間に、横方向（ペルチェモジュール
の絶縁基板１２ａ又は１２ｂの面と平行な方向）には十
分広がらない。

【００３３】また、ペルチェモジュール４２による熱の
移動は、熱電変換素子内部の正孔及び電子を介したもの
であるから原理的に横方向に広がることはない。

【００３４】すなわち、半導体レーザ素子１３から発生
した熱量ＱLDは、半導体レーザ素子の直下及びその近傍
に集中して流れて外部に排出されることになる。このた
め、この排出される熱の経路の実効的な熱抵抗は、熱が
十分に広がって均一に排熱されると仮定した場合に比べ
て大きくなる。

【００３５】これは、（１）式乃至（３）式においてＫ
1及びＫ2の実効的な値が大きいことを意味する。このよ
うに排熱の実効的な熱抵抗の大きな状況で半導体レーザ
モジュールを使用する場合には、この熱抵抗によって生
じる温度差が、均一に排熱されると仮定した場合に比べ
て大きくなるのである。

【００３６】そしてこの温度差は、半導体レーザ素子１
３から発生する熱量ＱLDが大きくなるほど、また半導体
レーザモジュール４０がより高い環境温度下で使用され
る場合（ＱTMが大きい場合）ほど顕著になる。

【００３７】このような状況の下で半導体レーザモジュ
ール４０を使用すると、ペルチェモジュール４２の加熱
側・冷却側の絶縁基板１２ａ、１２ｂ間の温度差△Ｔが
非常に大きくなり、ペルチェモジュール４２の負荷が大
きくなってその消費電力が増大し、これがさらに環境温
度を高くするという悪循環を引き起こす。

【００３８】したがって、半導体レーザモジュールを高
出力化し、またより高温環境下で使用するためには、半
導体レーザ素子１３からヒートシンク５０に至る熱の流
れを均一化することが必要である。このためには、基板
１６やパッケージの底板１１ａ等、排熱の経路上に存在
する部品の厚さを厚くすることで、横方向への熱の拡散
が起こるようにすればよいが、上記したように部品の厚
さは半導体レーザモジュールの機器への実装条件によっ
て制約されるため、このような方策は事実上採用するこ
とができない。

【００３９】本発明は、上記した従来の半導体レーザモ
ジュールが有する排熱の問題を解決するためになされた
ものであり、その目的は、半導体レーザモジュールに用
いられる部品の厚さを厚くすることなく半導体レーザ素
子からヒートシンクに至る熱の流れを均一化することで
ヒートシンクとペルチェモジュールの加熱側基板の温度
差及びサーミスタとペルチェモジュールの冷却側基板の
温度差を小さくし、もってペルチェモジュールの負荷を
軽減し、その消費電力を小さくするとともに、より高い
光出力で、かつより高い環境温度下で使用可能な半導体
レーザモジュールを提供することにある。

【００４０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のような構成をもって課題を解決するた
めの手段としている。

【００４１】すなわち、半導体レーザモジュールの本第
１の発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素
子を載置した基板と、前記半導体レーザ素子から出射さ
れる光を受光する光ファイバと、前記半導体レーザ素子
と前記光ファイバの間に介設され前記半導体レーザ素子
から出射されるレーザ光を前記光ファイバに光学的に結
合する光結合手段と、前記半導体レーザ素子を載置した
前記基板を冷却するペルチェモジュールと、前記半導体
レーザ素子、前記基板、前記ペルチェモジュールを収容
するパッケージを有する半導体レーザモジュールであっ
て、前記半導体レーザ素子は前記ペルチェモジュールの
略中央部上方に配置されるとともに、前記ペルチェモジ
ュールの吸熱量は略中央部において小さく、周辺部で大
きくなるように形成されている構成をもって課題を解決
する手段としている。

【００４２】また、半導体レーザモジュールの本第２の
発明は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子を載
置した基板と、該基板を冷却するペルチェモジュール
と、前記半導体レーザ素子、前記基板および前記ペルチ
ェモジュールを収容するパッケージとを有する半導体レ
ーザモジュールであって、前記基板、ペルチェモジュー
ル、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの底板
を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの熱を
排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体
レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方向よ
りも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部
が形成されている構成をもって課題を解決する手段とし
ている。

【００４３】また、半導体レーザモジュールの本第３の
発明は、上記第２の発明の構成に加え、前記パッケージ
の底板にはペルチェモジュール固定領域に熱拡散部が形
成され、該熱拡散部として繊維強化複合材が用いられて
おり、かつ、ペルチェモジュール固定領域よりも外側に
は通気性のない気密保持部が形成されている構成をもっ
て課題を解決する手段としている。

【００４４】また、半導体レーザモジュールの本第４の
発明は、上記第１乃至第３のいずれか一つの発明の構成
に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数
の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持
する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対
がセラミック板上において周辺部が略中央部よりも密に
配列されている構成をもって課題を解決する手段として
いる。

【００４５】また、半導体レーザモジュールの本第５の
発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成
に加え、前記ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複数
の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持
する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子対
は、個々の熱電変換素子対が電気的に直列に接続された
第一の部分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続され
た第二の部分とから成り、第一の部分に対応する熱電変
換素子対が前記セラミック板の周辺部に配置され第２の
部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の略
中央部に配置されている構成をもって課題を解決する手
段としている。

【００４６】また、ペルチェモジュールの本第１の発明
は、吸熱量が略中央部において小さく、周辺部で大きい
構成をもって課題を解決する手段としている。

【００４７】また、ペルチェモジュールの本第２の発明
は、上記第１の発明に加え、Ｐ型及びＮ型の複数の熱電
変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２
枚の絶縁層を有し、前記複数の熱電変換素子対が絶縁層
間において周辺部が略中央部よりも密に配列されている
構成をもって課題を解決する手段としている。

【００４８】また、ペルチェモジュールの本第３の発明
は、上記第１の発明に加え、Ｐ型及びＮ型の複数の熱電
変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２
枚の絶縁層を有し、前記複数の熱電変換素子対は、個々
の熱電変換素子対が電気的に直列に接続された第一の部
分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続された第二の
部分とから成り、第一の部分に対応する熱電変換素子対
が前記絶縁層間の周辺部に配置され第２の部分に対応す
る熱電変換素子対が前記絶縁層絶縁層間の略中央部に配
置されている構成をもって課題を解決する手段としてい
る。

【００４９】上記構成の本発明においては、ペルチェモ
ジュールの吸熱量が半導体レーザ素子の配置された略中
央部と比較して周辺部で大きくなるように形成されてい
るため、半導体レーザ素子の固定された基板上の温度分
布が、周辺部分でより低くなり、したがって、基板上に
おいて略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づ
く熱の移動がより効果的に起こる。

【００５０】また、半導体レーザ素子を固定した基板の
ペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率
が、ペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導
率よりも大きい構成とすると、基板上において略中央部
から周辺部分に向かう熱の移動量を多くすることが可能
になる。

【００５１】さらに、ペルチェモジュールの加熱側基板
が固定されたパッケージの底板や底板のペルチェモジュ
ール固定領域に設けた繊維強化複合材のペルチェモジュ
ールの加熱面と平行な面内の熱伝導率が、垂直な方向の
熱伝導率よりも大きい構成とすると、パッケージの底板
上において略中央部から周辺部分に向かう熱の移動量を
多くすることが可能になる。

【００５２】このため、半導体レーザ素子から発生する
熱が、ペルチェモジュールの絶縁基板面と平行な面内に
おいて、より均一な状態で排熱されることとなるため、
排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくなって上記課題が解
決される。

【００５３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態例の説
明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付
し、その重複説明は省略する。

【００５４】図１は、本発明に係る半導体レーザモジュ
ールの実施形態例を適用する一例を示すものである。

【００５５】図１に示すように、本実施形態例の半導体
レーザモジュール１０は、半導体レーザ素子１３が基板
１６に固定されている。（なお、図示していないが、半
導体レーザ素子１３はＡｌＮ（窒化アルミ）等のヒート
シンクを介して基板１６に固定されていてもよい）。ま
た基板１６は、パッケージ１１の底板１１ａ上に半田固
定されたペルチェモジュール１２の上に半導体レーザ素
子１３がペルチェモジュール１２の略中央部の上部に配
置される位置で半田固定されている。

【００５６】パッケージ１１の側壁１１ｂの貫通孔１１
ｃには、光ファイバ１７が固定されている。この光ファ
イバ１７は、基板１６上に固定されたレンズにより集光
された半導体レーザ素子１３からの光が結合される位置
に固定されている。

【００５７】また、基板１６上には、半導体レーザ素子
１３の近傍にサーミスタ１４が固定されている。この半
導体レーザモジュール１０では、基板１６、ペルチェモ
ジュール１２、パッケージ１１の底板１１ａを含んで、
半導体レーザ素子１３からの熱を排熱する排熱経路が形
成されている。

【００５８】ここで、本発明に係る半導体レーザモジュ
ール１０に使用されるペルチェモジュール１２は、半導
体レーザ素子１３の真下にあたる略中央部の吸熱量に比
べて周辺部の吸熱量が大きくなっている。図２は、この
ペルチェモジュール１２の加熱側基板１２ｂ及び冷却側
基板１２ａ上における熱電変換素子の配置と電極のパタ
ーンの一例を示したものである。

【００５９】図２（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基
板１２ａから見た図、図２（ｂ）は、冷却側基板１２ａ
を加熱側基板１２ｂから見た図である。

【００６０】図２の（ａ）、（ｂ）においてＰ型熱電変
換素子１８及びＮ型熱電変換素子１９は、周辺部ほど密
に中心部ほど疎に配列され、これらが電極１２ｃによっ
て直列に接続されている。ここで、各熱電変換素子１
８、１９に流れる電流はすべて同じであるから、熱電変
換素子１８、１９が冷却側基板１２ａから加熱側基板１
２ｂへ運ぶ熱量は、Ｐ型熱電変換素子１８及びＮ型熱電
変換素子１９それぞれにおいてすべて等しい。従って、
熱電変換素子１８、１９が密に配置されている周辺部ほ
ど吸熱量が大きく、熱電変換素子１８、１９が疎に配置
されている中心部ほど吸熱量が小さいペルチェモジュー
ル１２となる。

【００６１】なお、このようなペルチェモジュール１２
は、絶縁基板１２ａ、１２ｂ上の電極パターンの形成位
置及び熱電変換素子の配置を変更する点を除き、従来よ
り公知のペルチェモジュールの作製方法と同一の方法で
作製可能である。

【００６２】また、図３は、本発明の半導体レーザモジ
ュールに使用されるペルチェモジュール２２の加熱側基
板１２ｂ及び冷却側基板１２ａ上における熱電変換素子
１８、１９の配置と電極のパターンの他の例を示したも
のである。図３（ａ）は加熱側基板１２ｂを冷却側基板
１２ａから見た図、図３（ｂ）は、冷却側基板１２ａを
加熱側基板１２ｂから見た図、また図４は、図３に示す
ペルチェモジュール２２の各熱電変換素子１８、１９の
電気的な配線を示した図である。本実施形態において
は、熱電変換素子は２次元的に均一に配置固定されてい
る。熱電変換素子１８、１９の電気的接続は、図４に示
すように、Ｐ型電変換素子１８及びＮ熱電変換素子１９
が直列に接続された第１の部分２０と、並列に接続され
た第２の部分２１とがあり、これらの各部分が、図３
（ａ）及び図３（ｂ）のように、第１の部分２０が周辺
部に、第２の部分２１が略中央部に配置してなってい
る。

【００６３】このようなペルチェモジュール２２におい
ては、第２の部分２１にある熱電変換素子１個当たりに
流れる電流は、第１の部分２０にある熱電変換素子１個
当たりに流れる電流に比べて小さいため、第２の部分２
１にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量は、第１の
部分２０にある熱電変換素子１個当たりが運ぶ熱量に比
べて小さい。したがって、第１の部分２０の熱電変換素
子１８、１９が周辺部に、第２の部分の熱電変換素子１
８、１９が略中央部に配置されていることにより、吸熱
量が略中央部において小さく、周辺部で大きいペルチェ
モジュール２２ができる。

【００６４】図２（又は図３）に示した吸熱量が略中央
部において小さく周辺部で大きいペルチェモジュール１
２（又はペルチェモジュール２２）を半導体レーザモジ
ュール１０に使用する場合には、半導体レーザ素子１３
をペルチェモジュール１２（又はペルチェモジュール２
２）の略中央部に配置するのが望ましい。

【００６５】すなわち、ペルチェモジュール１２（又は
ペルチェモジュール２２）の吸熱量が半導体レーザ素子
１３の固定された略中央部と比較して周辺部で大きくな
るように形成されているため、従来のペルチェモジュー
ル４２を使用した場合に比べて、半導体レーザ素子１３
の固定された基板１６上の温度分布が、半導体レーザ素
子１３の周辺部分でより低くなる。

【００６６】したがって、基板１６上において半導体レ
ーザ素子１３が固定された略中央部から周辺部分に向か
って温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。

【００６７】この結果、排熱の流れを周辺部にまで広げ
ることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さ
くなる。そして、ペルチェモジュール１２（又はペルチ
ェモジュール２２）の加熱側基板１２ｂと冷却側基板１
２ａの温度差が小さくなってペルチェモジュール１２
（又はペルチェモジュール２２）の負荷が低減され、よ
り高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レー
ザモジュール１０となる。

【００６８】また、本実施形態の半導体レーザモジュー
ル１０に使用されるペルチェモジュールは、図２又は図
３に示したペルチェモジュール１２又はペルチェモジュ
ール２２の形態のものに限定されず、吸熱量が略中央部
において小さく、周辺部で大きいものであれば、上記の
作用を奏することができることはいうまでもない。

【００６９】例えば、図４に示す熱電変換素子１８、１
９の配線方法としては、直列・並列の接続方法を種々組
み合わせることも可能であることはいうまでもない。

【００７０】さらに、本発明では、ペルチェモジュール
の冷却面と平行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール
の冷却面と垂直な方向の熱伝導率よりも大きい（すなわ
ち半導体レーザ素子からペルチェモジュールに向かう方
向よりも、それに垂直な方向の熱伝導率が大きい）熱伝
導異方性を有する材料で半導体レーザ素子１３を固定す
る基板１６を作製することによっても、半導体レーザ素
子１３からの熱を横方向に効率的に広げることが可能と
なり、これによって上記した作用と同様の作用を得るこ
とができる。

【００７１】このような熱伝導異方性を有する基板１６
の材料としては、金属をマトリクスとする繊維強化複合
材を使用することができる。このような複合材として
は、例えばカーボン（Ｃ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ
_３ ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）等を分散材と
し、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン
（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等をマ
トリクスとするものが知られている。

【００７２】このような複合材の製法は、例えば銅もし
くは銅合金をマトリクスとしカーボン繊維を分散材とす
る複合材としては、次のようなものがある。すなわち、
銅粉末若しくは銅合金粉末、モリブデン粉末又はタング
ステン粉末若しくはこれらの混合物の粉末を、炭素及び
／又は黒鉛質の繊維とともにボールミル等の方法で混合
し、この原料混合物をプレスして混合物の圧縮成型物を
得、これをさらに熱間静水圧加圧によって一軸方向に圧
縮する。このようにして作製された複合材料では、炭素
及び／又は黒鉛質からなる繊維が金属マトリクスに圧縮
方向に垂直な２次元面方向にランダムに配向する。な
お、このような複合材料およびその製法に関しては、例
えば特開平１１―１４０５５９に開示されている。

【００７３】上記の複合材料を用いて、基板１６の上
面、下面がこの炭素繊維の配向面と平行になるように形
成することによりペルチェモジュール１２の冷却面と平
行な面内の熱伝導率がペルチェモジュール１２の冷却面
と垂直な方向の熱伝導率よりも大きいような熱伝導異方
性を有する基板が得られる。なお、基板１６の全部を上
記の複合材料で形成する必要はなく、その一部を上記の
複合材料で形成するだけでも十分効果は得られる。

【００７４】基板１６全体を複合材で形成したもので
は、ペルチェモジュール１２の冷却面と平行な面内、及
び垂直な方向の熱伝導率は、それぞれ例えば約２５０Ｗ
／ｍＫ、１００Ｗ／ｍＫのようなものが得られる。な
お、繊維の配向の方向を２次元でなく１次元的にするこ
とも可能であり、この場合にはさらに大きな熱伝導異方
性が得られる。

【００７５】また、上記熱伝導異方性材料として、例え
ばアドバンストセラミックス社（アメリカ合衆国）から
販売されているような熱伝導異方性を有するカーボン材
料も利用できる。このようなカーボン材料としては、最
大の熱伝導率が１７００Ｗ／ｍＫ程度のものも入手可能
であり、このようなカーボン材料に金属被覆を施した
り、ペルチェモジュール１２の絶縁基板であるアルミナ
や窒化アルミ等と熱膨張率が近いＳｉＣ／Ａｌ（熱膨張
率６．７ｐｐｍ／℃）を前記カーボン材料に被覆したり
することにより、本発明に好適に適用できる。

【００７６】そして、上記のような熱伝導異方性を有す
る基板１６を使用することにより、半導体レーザ素子１
３から発生した熱が効率よくペルチェモジュール１２の
冷却面に平行な方向に広がるため、排熱の実効的な熱抵
抗が小さくなる。この結果ペルチェモジュール１２の負
荷が軽減し、高温環境下でも動作可能で、消費電力の少
ない半導体レーザモジュール１０ができる。さらに、こ
のような熱伝導異方性を有する材料で作製された基板１
６を、上記した吸熱量が略中央部において小さく、周辺
部で大きいペルチェモジュール１２と同時に使用すれ
ば、本発明の効果はさらに顕著になる。

【００７７】さらに、半導体レーザ素子１３を固定した
基板１６のほか、パッケージ１１の底板１１ａをこのよ
うな熱伝導異方性を有する材料を使用して、ペルチェモ
ジュール１２の加熱面と平行な面内の熱伝導率がペルチ
ェモジュール１２の加熱面と垂直な方向の熱伝導率より
も大きいように作製すれば、本発明の効果はさらに顕著
となる。

【００７８】なお、上記のような熱伝導異方性を有する
材料として、例えば銅又は銅合金をマトリクスとしてカ
ーボンの分散材を配列したＣｕ−Ｃ等の繊維強化複合材
により底板１１ａを形成すると、パッケージ１１の気密
を得ることができないことが考えられる。それというの
は、上記のような繊維強化複合材は、分散材の配列状態
に応じて形成される孔に起因する微細な孔を有し、通気
性を有しているからである。

【００７９】そこで、例えば図５の（ａ）、（ｂ）に示
すように、パッケージ１１の底板１１ａのペルチェモジ
ュール１２の固定領域に、Ｃｕ−Ｃ等の熱伝導異方性を
有する繊維強化複合材３０を設け、この繊維強化複合材
３０を銅タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）やコバール（Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の商標）等の金属材料のような通
気性のない材料から成る板材の底板１１ａ（本発明の気
密保持部）上に配置するとよい。すなわち、ペルチェモ
ジュール１２の固定領域の外側に通気性のない気密保持
部を形成するとよい。そして、この金属材料の底板１１
ａに側壁１１ｂを接着固定してパッケージ１１とすれ
ば、パッケージ１１の気密を確保でき、かつ、本発明の
前記効果を顕著に発揮することができる。

【００８０】なお、同図の（ａ）に示す構成例は、底板
１１ａのペルチェモジュール１２が固定される領域をえ
ぐり、このえぐり部分にＣｕ−Ｃ等の板材からなる繊維
強化複合材３０を埋め込んだ例であり、繊維強化複合材
３０の底板１１ａへの固定は例えば銀鑞付けにより行わ
れる。また、同図の（ｂ）に示す構成例は、底板１１ａ
の上側に繊維強化複合材３０を接着固定し、この繊維強
化複合材３０の上にペルチェモジュール１２にを固定し
た例であり、図の簡略化のために、ペルチェモジュール
１２の底板１１ａへの固定部位周辺の構成のみ示してあ
る。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザモジュールによれば、ペルチェモジュールの吸熱量
が半導体レーザ素子の固定された略中央部と比較して周
辺部で大きくなるように形成されているため、半導体レ
ーザ素子の固定された基板上の温度分布が半導体レーザ
素子の周辺部分でより低くなって、基板上において半導
体レーザ素子が固定された略中央部から周辺部分に向か
って温度勾配に基づく熱の移動がより効果的に起こる。
この結果、半導体レーザモジュールの厚さを厚くするこ
となく、排出される熱の流れを周辺部にまで広げること
が可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗が小さくな
る。そして、ペルチェモジュールの冷却側及び加熱側の
絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジュールの
負荷が低減される結果、より高温動作の可能な、また消
費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能とな
る。

【００８２】また、基板、ペルチェモジュール、該ペル
チェモジュールを載置したパッケージの底板を含んで形
成された、前記半導体レーザ素子からの熱を排熱する排
熱経路の少なくとも一部分には、前記半導体レーザ素子
から前記ペルチェモジュールに向かう方向よりも該方向
に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡散部が形成され
ている本発明によれば、この熱拡散部によって効率的に
熱を拡散し、上記効果を発揮することができる。

【００８３】なお、上記熱拡散部の構成例として、例え
ばペルチェモジュールの冷却面と平行な面内の熱伝導率
がペルチェモジュールの冷却面と垂直な方向の熱伝導率
よりも大きいような熱伝導異方性を有する材料で半導体
レーザ素子を固定する基板を作製する例が挙げられ、こ
のようにすると、半導体レーザ素子からの熱を横方向に
効率的に広げることが可能となり、これによって上記し
た効果と同様の効果を得ることができる。

【００８４】さらに、上記熱拡散部の別の構成例とし
て、例えばペルチェモジュールを固定したパッケージの
底板が、ペルチェモジュールの加熱面と平行な面内の熱
伝導率がペルチェモジュールの加熱面と垂直な方向の熱
伝導率よりも大きいように作製する例が挙げられ、この
ようにすると、ヒートシンクに排出される熱の流れを周
辺部にまで広げることが可能となり、排熱経路の実効的
な熱抵抗が小さくなる。その結果、ペルチェモジュール
の加熱側の絶縁基板とヒートシンクとの温度差が小さく
なってペルチェモジュールの負荷が低減される結果、よ
り高温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レー
ザモジュールが作製可能となるのである。

【００８５】さらに、パッケージの底板にはペルチェモ
ジュール固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部と
して繊維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェ
モジュール固定領域よりも外側には通気性のない気密保
持部が形成されている構成の本発明によれば、上記と同
様に、ヒートシンクに排出される熱の流れを周辺部にま
で広げて排熱経路の実効的な熱抵抗を小さくし、より高
温動作の可能な、また消費電力の小さい半導体レーザモ
ジュールにできる効果を発揮できると共に、パッケージ
に気密性を確実に保つことができる。

【００８６】さらにまた、本発明のペルチェモジュール
によれば、吸熱量が略中央部と比較して周辺部で大きく
なっているので、例えば半導体レーザモジュールに使用
された場合に、基板上において半導体レーザ素子の固定
された略中央部から周辺部分に向かって温度勾配に基づ
く熱の移動がより効果的に起こる。

【００８７】この結果、半導体レーザモジュールの厚さ
を厚くすることなく、排出される熱の流れを周辺部にま
で広げることが可能となり、排熱経路の実効的な熱抵抗
が小さくなる。

【００８８】さらに、ペルチェモジュールの冷却側及び
加熱側の絶縁基板の温度差が小さくなってペルチェモジ
ュールの負荷が低減され、より高温動作の可能な、また
消費電力の小さい半導体レーザモジュールが作製可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュー
ルの断面図である。

【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザモジュー
ルに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子の配
置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基板を
冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱側基
板から見た図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジ
ュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子
の配置及び配線パターンを示す図で、（ａ）は加熱側基
板を冷却側基板から見た図、（ｂ）は冷却側基板を加熱
側基板から見た図である。

【図４】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジ
ュールに用いられるペルチェモジュールの熱電効果素子
の配線図である。

【図５】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザモジ
ュールに用いられるペルチェモジュールの底板への固定
構造を示す説明図である。

【図６】従来の半導体レーザモジュールの断面図であ
る。

【図７】従来の半導体レーザモジュールに使用されてい
るペルチェモジュールを示す図で、（ａ）はペルチェモ
ジュールの断面図、（ｂ）は上下の絶縁基板を省略して
描いた斜視図、（ｃ）は熱電効果素子の配線図である。

【図８】ペルチェモジュールの製造方法を示す説明図で
ある。

【図９】半導体レーザモジュールの熱的な環境を説明す
るための説明図である。

【符号の説明】

１０ 半導体レーザモジュール １１ パッケージ １２ ペルチェモジュール １３ 半導体レーザ素子 １４ サーミスタ １５ レンズ １６ 基板 １７ 光ファイバ １８ Ｐ型熱電変換素子 １９ Ｎ型熱電変換素子 ２２ ペルチェモジュール ３０ 繊維強化複合材 ５０ ヒートシンク

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ
   素子を載置した基板と、前記半導体レーザ素子から出射
   される光を受光する光ファイバと、前記半導体レーザ素
   子と前記光ファイバの間に介設され前記半導体レーザ素
   子から出射されるレーザ光を前記光ファイバに光学的に
   結合する光結合手段と、前記半導体レーザ素子を載置し
   た前記基板を冷却するペルチェモジュールと、前記半導
   体レーザ素子、前記基板、前記ペルチェモジュールを収
   容するパッケージを有する半導体レーザモジュールであ
   って、前記半導体レーザ素子は前記ペルチェモジュール
   の略中央部上方に配置されるとともに、前記ペルチェモ
   ジュールの吸熱量は略中央部において小さく、周辺部で
   大きくなるように形成さ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】 半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
   子を載置した基板と、該基板を冷却するペルチェモジュ
   ールと、前記半導体レーザ素子、前記基板および前記ペ
   ルチェモジュールを収容するパッケージとを有する半導
   体レーザモジュールであって、前記基板、ペルチェモジ
   ュール、該ペルチェモジュールを載置したパッケージの
   底板を含んで形成された、前記半導体レーザ素子からの
   熱を排熱する排熱経路の少なくとも一部分には、前記半
   導体レーザ素子から前記ペルチェモジュールに向かう方
   向よりも該方向に垂直な方向の熱の熱伝導率が高い熱拡
   散部が形成されていることを特徴とする半導体レーザモ
   ジュール。
3. 【請求項３】 パッケージの底板にはペルチェモジュー
   ル固定領域に熱拡散部が形成され、該熱拡散部として繊
   維強化複合材が用いられており、かつ、ペルチェモジュ
   ール固定領域よりも外側には通気性のない気密保持部が
   形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体
   レーザモジュール。
4. 【請求項４】 ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複
   数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟
   持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子
   対がセラミック板上において周辺部が略中央部よりも密
   に配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項
   ３のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュール。
5. 【請求項５】 ペルチェモジュールはＰ型及びＮ型の複
   数の熱電変換素子対と、前記複数の熱電変換素子対を挟
   持する２枚のセラミック板を有し、複数の熱電変換素子
   対は、個々の熱電変換素子対が電気的に直列に接続され
   た第一の部分と複数個の熱電変換素子対が並列に接続さ
   れた第二の部分とから成り、第一の部分に対応する熱電
   変換素子対が前記セラミック板の周辺部に配置され第２
   の部分に対応する熱電変換素子対が前記セラミック板の
   略中央部に配置されていることを特徴とする請求項１乃
   至請求項４のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュ
   ール。
6. 【請求項６】 吸熱量が略中央部において小さく、周辺
   部で大きいことを特徴とするペルチェモジュール。
7. 【請求項７】 Ｐ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対
   と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚の絶縁層
   を有し、前記複数の熱電変換素子対が絶縁層間において
   周辺部が略中央部よりも密に配列されていることを特徴
   とする請求項７に記載のペルチェモジュール。
8. 【請求項８】 Ｐ型及びＮ型の複数の熱電変換素子対
   と、前記複数の熱電変換素子対を挟持する２枚の絶縁層
   を有し、前記複数の熱電変換素子対は、個々の熱電変換
   素子対が電気的に直列に接続された第一の部分と複数個
   の熱電変換素子対が並列に接続された第二の部分とから
   成り、第一の部分に対応する熱電変換素子対が前記絶縁
   層間の周辺部に配置され第２の部分に対応する熱電変換
   素子対が前記絶縁層絶縁層間の略中央部に配置されてい
   ることを特徴とする請求項７に記載のペルチェモジュー
   ル。