JPH0555709A - 冷却形半導体レーザアレイモジユール - Google Patents

冷却形半導体レーザアレイモジユール

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JPH0555709A
JPH0555709A JP21901891A JP21901891A JPH0555709A JP H0555709 A JPH0555709 A JP H0555709A JP 21901891 A JP21901891 A JP 21901891A JP 21901891 A JP21901891 A JP 21901891A JP H0555709 A JPH0555709 A JP H0555709A
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thermistor
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laser array
cooling type
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Kazuyoshi Sato
和芳 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 サーミスタから発光させた半導体レーザ素子
の位置に関係なく一定の温度をモニタすることができ、
安定した周波数を設定できる冷却形半導体レーザアレイ
モジュールの構成を提供する。 【構成】 光軸に対して直角方向に規則的な間隔で並ん
で配置された複数の半導体レーザ素子(11)と、該複
数の半導体レーザ素子と同数の光ファイバ(31)と、
前記複数の半導体レーザ素子から出射された光を前記複
数の光ファイバに結合する手段(2)を有し、前記半導
体レーザ素子を冷却する電子冷却器と半導体レーザ素子
の温度をモニタするサーミスタからなる冷却形半導体レ
ーザアレイモジュールに適用される。前記サーミスタを
複数個(6,13)有し、前記半導体レーザ素子列の中
心軸に対して対称の位置に前記サーミスタを配置するこ
とを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光並列伝送用光源に用
いられる冷却形半導体レーザアレイモジュールに関す
る。
【0002】
【従来の技術】光並列伝送系は電気による並列伝送系に
比較し、伝送速度、伝送距離、耐EMI性に優れ、ま
た、伝送路寸法を大幅に低減できることから、周波数多
重光通信、および、コンピュータのインターフェイスと
して広い応用が期待されている。
【0003】周波数多重光通信における送信用の光源と
しては、発振周波数を安定化させることが必要であり、
そのためには、電子冷却器によって半導体レーザの温度
を一定に保つ冷却形半導体レーザモジュールが使われ
る。この光並列伝送用の光源となる光半導体モジュール
を小形で経済的に実現するためには光半導体素子のアレ
イ化および光ファイバのアレイ化が極めて有効である。
【0004】このような周波数多重光通信に用いられる
冷却形半導体レーザアレイモジュールの光学的結合部、
および、半導体レーザ近傍の斜視図を図5に示す。
【0005】半導体レーザアレイ1は、SiCを材料と
するヒートシンク12に搭載されている。ヒートシンク
12は、KOVARを材料とするキャリア5に搭載され
ている。レンズアレイ2は、半導体レーザアレイ1の半
導体レーザ11の間隔と同じ800μm 間隔で等間隔に
並ぶ複数のレンズ21からなっている。光ファイバアレ
イ3は、コア径10μm 、クラッド径125μm のシン
グルモードファイバ31をそれぞれの中心軸が800μ
m の間隔で等間隔になるように形成されている。
【0006】発光部が800μm の間隔で等間隔に配置
された半導体レーザ11(チャネル1〜6)からなる半
導体レーザアレイ1からの前方出射光は、各チャネル毎
にレンズアレイ2で集光され、アレイ状に並んだ6本の
光ファイバアレイ3に各チャネル毎に結合される。
【0007】モニタ用フォトダイオード4は半導体レー
ザアレイ1からの後方出力光が入射するように、また、
フォトダイオード4からの反射戻り光が半導体レーザア
レイに入射しないように斜めに傾けて配置され固定され
ている。
【0008】半導体レーザの温度をモニタするためのサ
ーミスタ6は半導体レーザアレイ1の近傍に配置されて
いる。
【0009】冷却形半導体レーザアレイモジュールの全
体の構成の側面図を図6に示す。電子冷却器10は、電
子冷却器10の底面に低融点半田(B)8(例えば、融
点143℃)を施し、半田を溶融した後冷却することに
よりメタライズされたパッケージ9に固定されている。
また、光学的結合部を固定したキャリア5はメタライズ
が施されており、電子冷却器10の上面に低融点半田
(A)7(例えば、融点117℃)を施し、半田を溶融
した後冷却することによって電子冷却器10の上面に固
定されている。
【0010】図7は、従来の半導体レーザアレイモジュ
ールの全体の構成の側面図である。半導体レーザアレイ
1とパッケージ9との配線は、アイランド14を介して
ボンディングワイヤ(A)15で行われている。モニタ
用フォトダイオード4、および、サーミスタ6からパッ
ケージ9への配線も同様にアイランド14を介してボン
ディングワイヤ(B)16、ボンディングワイヤ(C)
17で行われている。また、キャリア5からパッケージ
9への配線は直接ボンディングワイヤ(D)18で行わ
れている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】この種の半導体レーザ
アレイモジュールでは以下に示すような問題点があっ
た。
【0012】半導体レーザアレイ近傍の熱伝導を表す近
似的な等価回路は図8で表される。図8中、R(i)は
iチャネル目の半導体レーザからサーミスタまでの熱抵
抗、R1 (i)はヒートシンクにおけるiチャネル目の
半導体レーザからサーミスタ側のヒートシンク端までの
熱抵抗、R2 (i)はキャリアにおけるiチャネル目の
半導体レーザ直下部からサーミスタ側のヒートシンク端
直下部までの熱抵抗、R3 はキャリアにおけるヒートシ
ンク端直下部からサーミスタまでの熱抵抗を表す。ただ
し、サーミスタから遠い方の半導体レーザのチャネルを
i=1とする。
【0013】ここで、iチャネル目の半導体レーザから
サーミスタ側のヒートシンク端までの距離をX
1 (i)、キャリアにおけるヒートシンク端直下部から
サーミスタまでの距離をX3 とし、ヒートシンク、およ
び、キャリアの熱伝導率をそれぞれk1 、および、k2
とする。さらに、ヒートシンク、および、キャリアの断
面積をそれぞれA1 、A2 とするとR(i)は、以下の
数式1で表わされる。
【0014】
【数1】
【0015】半導体レーザからサーミスタへの熱流量q
は、半導体レーザ直下部、および、サーミスタの温度を
それぞれ、T1 、T3 とすると、 q=(T1 −T3 )/R(i) となる。
【0016】よって、iチャネル目の半導体レーザとサ
ーミスタの温度差dT(i)は、以下の数式2で表わさ
れる。
【0017】
【数2】
【0018】数式2においてX1 (i)は、半導体レー
ザアレイのチャネル数をN、半導体レーザの間隔をPと
すると X1 (i)=(N−i+1/2)・P となる。
【0019】ここで、k1 =8[W/(m・K)](S
iC)、k2 =17[W/(m・K)](KOVA
R)、A1 =0.3[mm2 ]、A2 =10[mm2 ]、X
3 =1.2[mm]、q=0.12[W]、N=6[c
h]、P=0.8[mm]とすると、iチャネル目の半導
体レーザとサーミスタの温度差dT(i)の関係は図9
のようになる。
【0020】図9から1チャネル目の半導体レーザとサ
ーミスタの温度差dT(1)と6チャネル目の半導体レ
ーザとサーミスタの温度差dT(6)では約4℃の温度
差が生じることがわかる。
【0021】半導体レーザが1.55μm 帯DFBレー
ザの場合、光スペクトラム中心波長の温度係数は約0.
1[nm/K]であるので4℃の温度差は約0.4[nm]
の中心波長差に等しい。これは、周波数に換算すると約
50[GHz ]の周波数差に相当する。したがって、半導
体レーザの位置によってモニタした温度と実際の半導体
レーザの温度との差が変り安定させようとする周波数が
求まらない。
【0022】本発明の目的は、サーミスタから発光させ
た半導体レーザ素子の位置に関係なく一定の温度をモニ
タすることができ、安定した周波数を設定できる冷却形
半導体レーザアレイモジュールの構成を提供することに
ある。
【0023】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザア
レイモジュールは、光軸に対して直角方向に規則的な間
隔で並んで配置された複数の半導体レーザ素子と、該複
数の半導体レーザ素子と同数の光ファイバと、前記複数
の半導体レーザ素子から出射された光を前記光ファイバ
に結合する手段とを有し、前記半導体レーザ素子を冷却
する電子冷却器と半導体レーザ素子の温度をモニタする
サーミスタからなる冷却形半導体レーザアレイモジュー
ルにおいて、前記サーミスタを複数個有し、前記半導体
レーザ素子列の中心軸に対して対称の位置に前記サーミ
スタを配置したことを特徴としている。
【0024】
【実施例】次に、本発明の半導体レーザアレイモジュー
ルについて図面を参照して説明する。
【0025】図1は、本発明の一実施例を示す半導体レ
ーザアレイモジュールの光学的結合部、および、半導体
レーザダイオード近傍の斜視図であり、図6と同じ部分
には同一番号を付している。
【0026】温度モニタ用の第1のサーミスタ6、第2
のサーミスタ13は、半導体レーザアレイ1の近傍で半
導体レーザ素子列の中心軸に対して対称の位置になるよ
うに配置されている。
【0027】図2は、本発明の半導体レーザアレイモジ
ュールの全体の構成の側面図である。半導体レーザアレ
イ1とパッケージ9との配線は、アイランド14を介し
てボンディングワイヤ(A)15で行われている。モニ
タ用フォトダイオード4、第1のサーミスタ6、第2の
サーミスタ13からパッケージ9への配線も同様にアイ
ランド14を介してボンディングワイヤ(B)16、ボ
ンディングワイヤ(C)17で行われている。また、キ
ャリア5からパッケージ9への配線は直接ボンディング
ワイヤ(D)18で行われている。
【0028】半導体レーザ11の温度をモニタする第1
のサーミスタ6、第2のサーミスタ13は、それぞれ、
第1のサーミスタ端子22、第2のサーミスタ端子23
を介して半導体レーザモジュール外部で図3(a)に示
すように並列接続される。
【0029】このとき、サーミスタB定数をB、基準温
度をT0 、T0 でのサーミスタ抵抗値をR0 とすると、
図3(a)中のA点−G点間の抵抗Rthは、iチャネル
目の半導体レーザについて言えば次の数式3で表わされ
る。
【0030】
【数3】
【0031】ここで、 Rth1 (i)=R0 ・exp {B・[1/T1 (i)−1/T0 ]} Rth2 (i)=R0 ・exp {B・[1/T2 (i)−1/T0 ]} T1 (i)=T0 +dT1 (i) T2 (i)=T0 +dT2 (i)
【0032】
【数4】
【0033】
【数5】
【0034】X11(i)=(N−i+1/2)・P X12(i)=(i−1/2)・P である。
【0035】ここで、k1 =8[W/(m・K)](S
iC)、k2 =17[W/(m・K)](KOVA
R)、A1 =0.3[mm2 ]、A2 =10[mm2 ]、X
3 =1.2[mm]、q=0.12[W]、N=6[c
h]、P=0.8[mm]、B=3450[K]、T0
298[K]、R0 =20[kΩ]とすると、iチャネ
ル目の半導体レーザと並列接続したサーミスタ抵抗値R
th(i)の関係は、図4のようになる。
【0036】サーミスタ抵抗値の差が最大になるのは3
(または4)チャネル目の半導体レーザとサーミスタ抵
抗値Rth(3)(またはRth(4))と1(または6)
チャネル目の半導体レーザとサーミスタ抵抗値R
th(1)(またはRth(6))とを比較したときで、そ
の差は約0.01kΩである。この抵抗値差は、0.0
3℃の温度差に等しく、さらに、周波数換算すると約
0.38[GHz ]の周波数差と小さい。これはそれぞれ
半導体レーザがほぼ一点にあることと等価であるとみな
すことができる。
【0037】本実施例では、半導体レーザ、レンズ、お
よび、シングルモードファイバの間隔を等間隔とした
が、等間隔でなくてもよい。光ファイバの数は6本とし
たが、これ以上でもこれ以下でもよい。また、半導体レ
ーザと光ファイバとの結合手段としてレンズを用いた
が、これに限らず先球テーパ加工した光ファイバを用い
てもよい。第1のサーミスタと第2のサーミスタは冷却
形半導体レーザアレイモジュールの外部で接続したが、
モジュール内部で接続してもかまわない。また、サーミ
スタは並列に接続したが、グランドに接続されたサーミ
スタの片端を電気的に浮かせ図3(b)に示すように直
列に接続してもかまわない。さらに、サーミスタの数は
2個としたが、3個以上でもかまわない。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように本発明の冷却形半導
体レーザアレイモジュールは、半導体レーザ素子列の中
心軸に対して対称の位置に半導体レーザ素子の温度をモ
ニタする複数のサーミスタを配置し並列、または、直列
に接続することによりサーミスタから発光させた半導体
レーザ素子の位置に関係なく一定の半導体レーザ素子の
温度をモニタすることができ、安定した周波数を設定で
きる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す半導体レーザアレイモ
ジュールの光学的結合部、および半導体レーザダイオー
ド近傍の斜視図である。
【図2】本発明の半導体レーザアレイモジュールの全体
の構成の側面図である。
【図3】本発明における半導体レーザモジュール外部で
の第1のサーミスタと第2のサーミスタとの接続例であ
る。
【図4】本発明におけるiチャネル目の半導体レーザと
サーミスタ抵抗値の関係を示した図である。
【図5】従来の一実施例を示す半導体レーザアレイモジ
ュールの光学的結合部、および半導体レーザダイオード
近傍の斜視図である。
【図6】従来の半導体レーザアレイモジュールの全体の
構成の側面図である。
【図7】従来の半導体レーザアレイモジュールの全体の
構成の上面図である。
【図8】半導体レーザアレイ近傍の熱伝導を表す近似的
な等価回路である。
【図9】iチャネル目の半導体レーザとサーミスタの温
度差dT(i)の関係を示した図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザアレイ 2 レンズアレイ 3 光ファイバアレイ 4 モニタ用フォトダイオード 6 第1のサーミスタ 9 パッケージ 10 電子冷却器 11 半導体レーザ 12 ヒートシンク 13 第2のサーミスタ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光軸に対して直角方向に規則的な間隔で
    並んで配置された複数の半導体レーザ素子と、該複数の
    半導体レーザ素子と同数の光ファイバと、前記複数の半
    導体レーザ素子から出射された光を前記光ファイバに結
    合する手段とを有し、前記半導体レーザ素子を冷却する
    電子冷却器と半導体レーザ素子の温度をモニタするサー
    ミスタからなる冷却形半導体レーザアレイモジュールに
    おいて、前記サーミスタを複数個有し、前記半導体レー
    ザ素子列の中心軸に対して対称の位置に前記サーミスタ
    を配置したことを特徴とする冷却形半導体レーザアレイ
    モジュール。
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