JP7622904B2

JP7622904B2 - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP7622904B2
Application number: JP2024516052A
Authority: JP
Inventors: 進一金子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2025-01-28
Anticipated expiration: 2042-04-22
Also published as: TW202343920A; US20240405508A1; JPWO2023203774A1; WO2023203774A1; TWI887616B; CN119072832A

Description

本開示は、半導体レーザ装置に関する。

特許文献１には、フレキシブル基板と接続する第１の面と、第１の面と反対側の面である第２の面と、を有するステムを備えたＣＡＮパッケージ型光モジュールが開示されている。信号ピンは、ステムの第１の面から第２の面に向けて貫通し、第１の面から突出する。ステムと信号ピンとの間には絶縁素材が封入される。光半導体は、信号ピンとステムの第２の面側で接続される。グランドピンは、第１の面に設けられる。

特許第６８２５７５６号公報

一般に、特許文献１のような半導体レーザ装置において、半導体レーザの特性は温度によって変わる。環境温度が変わった場合においても半導体レーザの特性を安定に保つために、一般に半導体レーザ装置には熱電素子が内蔵され、半導体レーザの温度が一定になるように制御される。熱電素子は、例えば半導体レーザの発熱、リードピンおよびワイヤを介した外部からの流入熱に加えて、熱電素子自体の発熱も排熱する必要がある。

このような熱電素子を内蔵した半導体レーザ装置においても、低価格化のためにステムを用いたＣＡＮパッケージが適用されることがある。しかしながら、一般にステムからの放熱は形状的に難しい。また、半導体レーザへの高光出力化要求に応じて、半導体レーザの発熱量が増大すると、広い温度範囲に亘って半導体レーザの温度を一定に保つことがさらに困難となることが想定される。

本開示は、良好な放熱特性を得ることができる半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

本開示に係る半導体レーザ装置は、ステムと、前記ステムの上面のうち、前記ステムの中心に対して一方の側にずれた位置に設けられた熱電素子と、前記熱電素子により温度制御される半導体レーザと、前記ステムの前記上面と反対側において前記一方の側に設けられ、少なくとも一部が前記ステムの前記上面と反対側の裏面に設けられた第１部分と、前記ステムの前記裏面に設けられ、前記第１部分から前記熱電素子の直下まで延びる第２部分と、前記ステムの側面のうち前記一方の側に設けられた第３部分と、を有する放熱ブロックと、前記ステムを前記上面から前記裏面に貫通し、前記第２部分の周囲に設けられた複数のリードピンと、を備える。

本開示に係る半導体レーザ装置では、熱電素子からステムの側面への放熱経路を短縮できる。また、ステムと放熱ブロックの接触面積を大きく確保できる。従って、良好な放熱特性を得ることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置の側面図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態１に係る半導体レーザ装置の下面図である。比較例に係る半導体レーザ装置の側面図である。比較例に係る半導体レーザ装置の断面図である。比較例に係る半導体レーザ装置の下面図である。実施の形態２に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態２に係る半導体レーザ装置の下面図である。実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態３に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態３に係る半導体レーザ装置の下面図である。実施の形態４に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態４に係る半導体レーザ装置の下面図である。実施の形態５に係る半導体レーザ装置の側面図である。実施の形態５に係る半導体レーザ装置の断面図である。実施の形態５に係る半導体レーザ装置の下面図である。

各実施の形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００の側面図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００の断面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００の下面図である。半導体レーザ装置１００は、ＣＡＮパッケージで構成される。半導体レーザ装置１００において、ステム１０の上面に熱電素子１２が搭載されている。熱電素子１２の上面には、半導体レーザ１６を搭載するキャリア１４と、サーミスタ１８が搭載されている。

半導体レーザ１６は、電気信号を光信号に変換する。半導体レーザ１６は熱電素子１２により温度制御される。具体的には、熱電素子１２は、半導体レーザ１６を加熱または冷却し、半導体レーザ１６の温度を一定に保つために設けられる。サーミスタ１８は、半導体レーザ１６の近傍に実装され、温度によって抵抗値が変わる。

複数のリードピン４０は、ステム１０を上面から上面と反対側の裏面に貫通する。リードピン４０は、半導体レーザ１６または熱電素子１２に給電するために設けられる。リードピン４０とステム１０との間は、ガラスなどの絶縁体４２で充填されている。ステム１０と複数のリードピン４０は絶縁体４２で隔てられ、電気的に接続されていない。グランドピン４１は、ステム１０と電気的に接続されている。

フレキシブル基板４４は、リードピン４０およびグランドピン４１と接続される。また、フレキシブル基板４４には、光送受信機と電気的に接続するための配線パターンが形成されている。ステム１０の側面および底面には、熱電素子１２からの熱を放熱するための放熱ブロック３０が設けられる。ステム１０の上面側において、半導体レーザ１６はキャップ２０に覆われる。キャップ２０は、レンズなどの光信号の取出し窓を有し、半導体レーザ１６を気密封止する。以降の下面図においては、ステム１０の裏面側における放熱ブロック３０の形状を説明するために、フレキシブル基板４４が省略される場合がある。

熱電素子１２は、ステム１０の上面のうち、ステム１０の中心に対して一方の側にずれた位置に設けられる。一方の側とは、図２、３において矢印Ａで示される側である。放熱ブロック３０は、第１部分３１と第２部分３２と第３部分３３を有する。第１部分３１は、ステム１０の裏面側において、矢印Ａで示される一方の側に設けられる。第１部分３１の少なくとも一部は、ステム１０の裏面に設けられている。第２部分３２は、ステム１０の裏面に設けられ、第１部分３１から熱電素子１２の直下まで延びる。第１部分３１は図３におけるＹ方向に延びる部分であり、第２部分３２は図３におけるＸ方向に延びる部分である。放熱ブロック３０はステム１０の裏面においてＴ字型である。第３部分３３は、ステム１０の側面のうち矢印Ａで示される一方の側に設けられる。図２に示されるように、放熱ブロック３０は断面視でＬ字型である。

複数のリードピン４０は、平面視で第２部分３２の周囲に設けられる。複数のリードピン４０は、例えば平面視で円周上に並ぶ。複数のリードピン４０は円弧状に並んでも良い。第２部分３２は、複数のリードピン４０に囲まれた領域に入り込むように設けられる。第１部分３１は複数のリードピン４０の外側に設けられる。熱電素子１２は、ステム１０の中心に対して、リードピン４０が配置されていない方向、つまり、複数のリードピン４０が形成する円の開いた方向にオフセットして搭載されている。

次に、半導体レーザ装置１００の動作を説明する。半導体レーザ１６は、光送受信機からフレキシブル基板４４、リードピン４０を経由して入力された電気信号を、光信号に変換する。半導体レーザ１６は、変換した光信号を、キャップ２０の窓部から送信する。半導体レーザ１６は、光出力、波長などの特性が温度によって変化する。このため、光信号の変調方式によっては、信号品質の大幅な劣化が発生するおそれがある。熱電素子１２は、サーミスタ１８の抵抗値、つまり、検出温度が一定となるように、加熱または冷却を行う。これによって半導体レーザ１６の温度を一定に保つことができ、環境温度が変わっても半導体レーザ１６の特性が変化しないように制御できる。

図４は、比較例に係る半導体レーザ装置８００の側面図である。図５は、比較例に係る半導体レーザ装置８００の断面図である。図６は、比較例に係る半導体レーザ装置８００の下面図である。比較例において、複数のリードピン４０は平面視で円状に配置されている。また、熱電素子１２はステム８１０の中心に搭載されている。放熱ブロック８３０は、ステム８１０の側面に熱的に接触し、裏面とは接触しない。放熱ブロック８３０のうち、ステム８１０と接触する面と反対側の面は、光送受信機のヒートシンクと熱的に接触して半導体レーザ装置８００で発生した熱を放熱する放熱面である。

熱電素子１２から排熱される熱には、主に半導体レーザ１６の発熱、リードピンなどを介して熱伝導により流入してくる流入熱および熱電素子１２自体の発熱がある。熱電素子１２からの放熱経路は、矢印８３で示されるように、熱電素子１２、ステム８１０を経由して、ステム８１０の側面から放熱ブロック８３０に至る経路である。比較例に係る半導体レーザ装置８００では、放熱経路が矢印８３に示される１経路しかない。また、熱電素子１２がステム８１０の中央に搭載されているため、熱電素子１２からステム８１０側面までの放熱経路が長い。さらに、放熱経路の途中に、熱伝導性が極めて低いガラスの絶縁体４２が存在している。このため、放熱経路が狭くなり、効率よく排熱できないおそれがある。

これに対し本実施の形態では、放熱ブロック３０はステム１０の裏面と側面に熱的に接触する。このため、ステム１０と放熱ブロック３０の接触面積を大きく確保できる。従って、熱抵抗を低減して、効率良く放熱できる。また、放熱ブロック３０の第１部分３１と第２部分３２がステム１０の裏面と接触する。このため、ステム１０と放熱ブロック３０の接触面積をさらに大きく確保できる。また、本実施の形態では、放熱ブロック３０のうち第３部分３３のステム１０と反対側の面が、光送受信機のヒートシンクと熱的に接触する放熱面となる。放熱経路として、矢印８１で示されるように、熱電素子１２、ステム１０を経由して、ステム１０の側面から放熱ブロック３０に至る経路がある。さらに、矢印８２で示されるように、熱電素子１２、ステム１０を経由して、ステム１０の裏面から放熱ブロック３０に至る経路がある。このように、本実施の形態では、２通りの放熱経路を確保できる。

また、熱電素子１２はステム１０の中心よりも、放熱ブロック３０の第３部分３３側にずれた位置に設けられる。このため、熱電素子１２からステム１０の側面までの放熱経路を短縮できる。さらに、複数のリードピン４０は、ステム１０のうち平面視で放熱ブロック３０と重なる位置を避けて設けられる。つまり、ステム１０のうち平面視で放熱ブロック３０と重なる位置には、絶縁体４２を設けない。このため、放熱経路の途中に熱伝導性が極めて低いガラスの絶縁体４２がなく、効率良く放熱することができる。さらに、放熱ブロック３０の裏面形状をＴ字型としたため、第２部分３２によってステム１０の裏面のうち、熱電素子１２の直下の部分をカバーできる。従って、熱電素子１２の直下から放熱面に向かって、効率良く熱を伝えることができる。以上から、本実施の形態では良好な放熱特性を得ることができる。

さらに、放熱ブロック３０の断面形状がＬ字型であるため、ステム１０への放熱ブロック３０の取付けを容易にできる。本実施の形態の放熱ブロック３０は、単一部材でステム１０の側面と裏面に接触可能である。

放熱ブロック３０とステム１０の側面および裏面との間には、熱的接触向上のため、熱伝導性に優れたジェルまたは接着剤を充填しても良い。また、図１において、放熱ブロック３０がキャップ２０の上面付近まで伸びている。これにより、キャップ２０からの僅かな放熱を放熱ブロック３０に伝えるとともに、半導体レーザ装置１００の光送受信機への取付けの安定性を確保できる。

本実施の形態の変形例として、複数のリードピン４０は円周上に並ばなくても良い。複数のリードピン４０は、放熱ブロック３０と重ならないように配置されれば良い。また、複数のリードピン４０の数は限定されない。また、放熱ブロック３０の構造は図１～３に示されるものに限定されない。放熱ブロック３０は、ステム１０の裏面においてＴ字型では無くても良い。また、必要とされる放熱特性によっては、第２部分３２は熱電素子１２の直下まで延びていなくても良い。

上述した変形は、以下の実施の形態に係る半導体レーザ装置について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体レーザ装置については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００の断面図である。図８は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００の下面図である。本実施の形態では、ステム２１０および放熱ブロック２３０の構造が、実施の形態１のステム１０および放熱ブロック３０と異なる。他の構成は実施の形態１の構成と同様である。ステム２１０のうち裏面が放熱ブロック２３０と接する部分は、ステム２１０のうち他の部分よりも薄い。

放熱ブロック２３０は、実施の形態１と同様に第１部分２３１、第２部分２３２および第３部分２３３を有する。放熱ブロック２３０は、ステム２１０よりも熱伝導率が高い。ステム２１０の材質は、例えば熱伝導率が８０Ｗ／ｍ／Ｋの鉄である。この場合、放熱ブロック２３０の材質として、例えば熱伝導率が３９８Ｗ／ｍ／Ｋの銅または熱伝導率が２３７Ｗ／ｍ／Ｋのアルミなどを用いることができる。

放熱ブロック２３０に、ステム２１０よりも熱伝導率の高い材質を使用するとともに、ステム２１０を薄くすることによって、ステム２１０の裏面から効率良く放熱することができる。また、ステム２１０の裏面に対する放熱ブロック２３０の出っ張りを小さくできる。これにより、フレキシブル基板４４をリードピン４０およびグランドピン４１の根元に接続することができる。従って、半導体レーザ装置２００の変調特性を高速化できる。

図９は、実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ装置３００の断面図である。半導体レーザ装置３００は、ステム３１０と放熱ブロック３３０を備える。放熱ブロック３３０は、実施の形態１と同様に第１部分３３１、第２部分３３２および第３部分３３３を有する。変形例では、ステム３１０のうち裏面が放熱ブロック３３０と接する部分の少なくとも一部が、ステム３１０のうち他の部分よりも薄い。図９の例では、ステム３１０のうち熱電素子１２の直下の部分のみが薄く形成されている。この場合も、実施の形態２と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置４００の断面図である。図１１は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置４００の下面図である。半導体レーザ装置４００は、ステム４１０と放熱ブロック４３０を備える。放熱ブロック４３０は、実施の形態１と同様に第１部分４３１、第２部分４３２および第３部分４３３を有する。本実施の形態では、グランドピン４１が設けられていない点が、実施の形態１と異なる。また、ステム４１０と、放熱ブロック４３０と、ステム４１０と放熱ブロック４３０を接合する接合部材とは、電気伝導性を有する。接合部材は、放熱ブロック４３０とステム４１０の側面および裏面との間を充填する。良好な熱的接触および電気的接触のために、接合部材は熱伝導性および電気伝導性を有するジェルまたは接着剤であると良い。

本実施の形態のステム４１０にはグランドピンがない。しかし、放熱ブロック４３０、ステム４１０および接合部材が電気伝導性を有するため、グランドは放熱ブロック４３０により取ることができる。つまり、放熱ブロック４３０は半導体レーザ１６の接地用端子である。また、ステム４１０にグランドピン４１がないため、実施の形態１と比較して、リードピン４０が配置されていない部分の幅を広げることができる。このため、ステム４１０の裏面と放熱ブロック４３０との接触面積を大きくすることができ、さらに効率良く放熱できる。

実施の形態４．
図１２は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置５００の断面図である。図１３は、実施の形態４に係る半導体レーザ装置５００の下面図である。半導体レーザ装置５００は、ステム５１０と放熱ブロック５３０を備える。放熱ブロック５３０は、実施の形態１と同様に第１部分５３１、第２部分５３２および第３部分５３３を有する。ステム５１０の裏面のうち、熱電素子１２の直下の部分には凹部５１０ａが形成される。凹部５１０ａにはグランドピン５４１が挿入される。

グランドピン５４１は、溶接、ロウ付け、はんだ付けなどの手段によってステム５１０と電気的に接続された状態で、ステム５１０の凹部５１０ａに取り付けられている。グランドピン５４１は、ステム５１０よりも熱伝導率が高い。ステム５１０の材質は例えば熱伝導率が８０Ｗ／ｍ／Ｋの鉄である。この場合、グランドピン５４１の材質は、例えば熱伝導率が３９８Ｗ／ｍ／Ｋの銅または熱伝導率が２３７Ｗ／ｍ／Ｋのアルミである。

グランドピン５４１は、放熱ブロック５３０を貫通する。放熱ブロック５３０には、グランドピン５４１を通すための穴が形成される。熱的な接触を確保するために、グランドピン５４１と放熱ブロック５３０との間には、熱伝導性に優れたジェルまたは接着剤が充填されている。

本実施の形態では、熱電素子１２からの熱を、グランドピン５４１を介して放熱ブロック５３０に排熱することができる。従って、ステム５１０の裏面から効率よく放熱できる。また、実施の形態３と同様に、リードピン４０が配置されていない部分の幅を広げることができる。このため、ステム５１０の裏面と放熱ブロック５３０との接触面積を大きくすることができ、さらに効率良く放熱できる。

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置６００の側面図である。図１５は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置６００の断面図である。図１６は、実施の形態５に係る半導体レーザ装置６００の下面図である。半導体レーザ装置６００は、ステム６１０と放熱ブロック６３０を備える。放熱ブロック６３０は、実施の形態１と同様に第１部分６３１、第２部分６３２および第３部分６３３を有する。ステム６１０の側面には切り欠き６１０ｂが形成される。放熱ブロック６３０は第３部分６３３に突起６３０ａを備える。突起６３０ａと切り欠き６１０ｂは嵌合する。

実施の形態１～４の放熱ブロックは、ステムの中心軸に対して自由に回転可能である。このため、放熱面がずれる可能性があった。本実施の形態では、ステム６１０の切り欠き６１０ｂと放熱ブロック６３０の突起が嵌合するため、放熱ブロック６３０の回転を防止できる。また、容易に放熱面を設計通りの方向に向けることができ、放熱ブロック６３０の位置決めおよび取り付けを容易にできる。また、放熱ブロック６３０をステム６１０よりも熱伝導率の高い材質で形成しても良い。これにより、ステム６１０の切り欠き６１０ｂにおいて効率よく放熱できる。

各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

１０ステム、１２熱電素子、１４キャリア、１６半導体レーザ、１８サーミスタ、２０キャップ、３０放熱ブロック、３１第１部分、３２第２部分、３３第３部分、４０リードピン、４１グランドピン、４２絶縁体、４４フレキシブル基板、１００、２００半導体レーザ装置、２１０ステム、２３０放熱ブロック、２３１第１部分、２３２第２部分、２３３第３部分、３００半導体レーザ装置、３１０ステム、３３０放熱ブロック、３３１第１部分、３３２第２部分、３３３第３部分、４００半導体レーザ装置、４１０ステム、４３０放熱ブロック、４３１第１部分、４３２第２部分、４３３第３部分、５００半導体レーザ装置、５１０ステム、５１０ａ凹部、５３０放熱ブロック、５３１第１部分、５３２第２部分、５３３第３部分、５４１グランドピン、６００半導体レーザ装置、６１０ステム、６１０ｂ切り欠き、６３０放熱ブロック、６３０ａ突起、６３１第１部分、６３２第２部分、６３３第３部分、８００半導体レーザ装置、８１０ステム、８３０放熱ブロック

Claims

ステムと、
前記ステムの上面のうち、前記ステムの中心に対して一方の側にずれた位置に設けられた熱電素子と、
前記熱電素子により温度制御される半導体レーザと、
前記ステムの前記上面と反対側において前記一方の側に設けられ、少なくとも一部が前記ステムの前記上面と反対側の裏面に設けられた第１部分と、前記ステムの前記裏面に設けられ、前記第１部分から前記熱電素子の直下まで延びる第２部分と、前記ステムの側面のうち前記一方の側に設けられた第３部分と、を有する放熱ブロックと、
前記ステムを前記上面から前記裏面に貫通し、前記第２部分の周囲に設けられた複数のリードピンと、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記ステムと前記複数のリードピンは絶縁体で隔てられ、
前記複数のリードピンは、前記ステムのうち平面視で前記放熱ブロックと重なる位置を避けて設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記複数のリードピンは平面視で円周上に並ぶことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記放熱ブロックは、前記ステムよりも熱伝導率が高く、
前記ステムのうち前記裏面が前記放熱ブロックと接する部分の少なくとも一部は、前記ステムのうち他の部分よりも薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記ステムと、前記放熱ブロックと、前記ステムと前記放熱ブロックを接合する部材とは、電気伝導性を有し、
前記放熱ブロックは前記半導体レーザの接地用端子であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記ステムの前記裏面のうち前記熱電素子の直下の部分に形成された凹部に挿入され、前記放熱ブロックを貫通し、前記ステムよりも熱伝導率が高いグランドピンを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記ステムの前記側面には切り欠きが形成され、前記第３部分と前記切り欠きは嵌合することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。