JPH07140362A - 半導体レーザモジュール - Google Patents
半導体レーザモジュールInfo
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- JPH07140362A JPH07140362A JP31130893A JP31130893A JPH07140362A JP H07140362 A JPH07140362 A JP H07140362A JP 31130893 A JP31130893 A JP 31130893A JP 31130893 A JP31130893 A JP 31130893A JP H07140362 A JPH07140362 A JP H07140362A
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- semiconductor laser
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- heat sink
- laser module
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Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 レーザダイオードチップ近傍を２５°Ｃの温
度に制御したまま、５０°Ｃ以上の高い環境温度の下
で、半導体レーザモジュールを高出力動作させるため
に、ペルチェ素子上部に搭載される部材の材質及び構造
を熱設計的に最適化する半導体レーザモジュールを提供
する。 【構成】 レーザダイオードチップ１を融着したヒート
シンク２が約２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する金
属またはセラミック材質てできた部分に取付けられ、か
つヒートシンク２を取付けた部分が、ペルチェ素子８上
部に取付けられた金属製基板６より突出させる。
度に制御したまま、５０°Ｃ以上の高い環境温度の下
で、半導体レーザモジュールを高出力動作させるため
に、ペルチェ素子上部に搭載される部材の材質及び構造
を熱設計的に最適化する半導体レーザモジュールを提供
する。 【構成】 レーザダイオードチップ１を融着したヒート
シンク２が約２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する金
属またはセラミック材質てできた部分に取付けられ、か
つヒートシンク２を取付けた部分が、ペルチェ素子８上
部に取付けられた金属製基板６より突出させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザモジュール
に関し、特にパッケージ内にペルチェ素子を有し半導体
レーザ素子の温度制御を行う半導体レーザモジュールに
関するものである。
に関し、特にパッケージ内にペルチェ素子を有し半導体
レーザ素子の温度制御を行う半導体レーザモジュールに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の光ファイバ通信システムでは、光
信号を増幅させる度に電気／光変換を行っていたが、近
年光信号を直接増幅する光増幅器，特に希土類であるエ
ルビウムを添加させた光ファイバを用いた光ファイバ増
幅器（Ｅｒｉｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆａｉｂｅｒ Ａ
ｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡと称す）が、幹線系，海底
ケーブル，光ＣＡＴＶ等に採り入れられてきている。
信号を増幅させる度に電気／光変換を行っていたが、近
年光信号を直接増幅する光増幅器，特に希土類であるエ
ルビウムを添加させた光ファイバを用いた光ファイバ増
幅器（Ｅｒｉｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆａｉｂｅｒ Ａ
ｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡと称す）が、幹線系，海底
ケーブル，光ＣＡＴＶ等に採り入れられてきている。
【０００３】このＥＤＦＡには、信号光を励起させるた
めの光源として、大出力の半導体レーザモジュールが必
要であり、現在高温環境下でも動作する高出力半導体レ
ーザモジュールの開発・商品化が行われている。
めの光源として、大出力の半導体レーザモジュールが必
要であり、現在高温環境下でも動作する高出力半導体レ
ーザモジュールの開発・商品化が行われている。
【０００４】この励起用半導体レーザモジュールは、７
０ｍＷ以上の高光出力を得るために、レーザダイオード
チップに０．５Ａ程度の電流を注入するため、チップの
発熱が著しく、チップの温度を下げて制御するためのペ
ルチェ素子を内蔵している。
０ｍＷ以上の高光出力を得るために、レーザダイオード
チップに０．５Ａ程度の電流を注入するため、チップの
発熱が著しく、チップの温度を下げて制御するためのペ
ルチェ素子を内蔵している。
【０００５】通常、レーザダイオードチップ近傍は２５
°Ｃに制御されるため、高い環境温度下で半導体レーザ
モジュールを動作せさるためには、大型で高性能のペル
チェ素子を用いてモジュール内部を冷却する必要があ
る。
°Ｃに制御されるため、高い環境温度下で半導体レーザ
モジュールを動作せさるためには、大型で高性能のペル
チェ素子を用いてモジュール内部を冷却する必要があ
る。
【０００６】ところが、パッケージ寸法には限りがある
ため、ペルチェ素子も限られた大きさのものしか使用で
きず、また、ペルチェ素子単体の冷却能力向上にも限界
があるため、高温環境下での高出力動作は困難なもので
あった。
ため、ペルチェ素子も限られた大きさのものしか使用で
きず、また、ペルチェ素子単体の冷却能力向上にも限界
があるため、高温環境下での高出力動作は困難なもので
あった。
【０００７】図５は、従来の半導体レーザモジュールの
内部構造概略図である。図５を参照すると、レーザダイ
オードチップ１は、熱伝導率の高い窒素化ボロン（Ｂ
Ｎ）や窒化アルミ（ＡｌＮ）等のヒートシンク２に融着
され、ヒートシンク２は鉄等の金属製チップキャリア１
０に融着され、さらに、チップキャリア１０は、レンズ
４のホルダも兼ねた鉄製あるいは５０％鉄ニッケル製，
あるいはステンレス製の金属製基板６の上にＡｎＳｎソ
ルダを用いて融着される。
内部構造概略図である。図５を参照すると、レーザダイ
オードチップ１は、熱伝導率の高い窒素化ボロン（Ｂ
Ｎ）や窒化アルミ（ＡｌＮ）等のヒートシンク２に融着
され、ヒートシンク２は鉄等の金属製チップキャリア１
０に融着され、さらに、チップキャリア１０は、レンズ
４のホルダも兼ねた鉄製あるいは５０％鉄ニッケル製，
あるいはステンレス製の金属製基板６の上にＡｎＳｎソ
ルダを用いて融着される。
【０００８】金属製基板６上には、フォトダイオードチ
ップキャリア５が融着されており、更にファイバ７が光
学結合する位置にＹＡＧ溶接固定されてあり、この金属
製基板６が、パッケージ内放熱板上に融着されたペルチ
ェ素子８上に融着された構造となっている。
ップキャリア５が融着されており、更にファイバ７が光
学結合する位置にＹＡＧ溶接固定されてあり、この金属
製基板６が、パッケージ内放熱板上に融着されたペルチ
ェ素子８上に融着された構造となっている。
【０００９】従ってレーザダイオードチップ１で発生し
た熱は、ヒートシンク２，金属製チップキャリア１０，
金属製基板６を経てペルチェ素子８にて吸熱され、パッ
ケージの放熱板（図示せず）から半導体レーザモジュー
ル外部へ放出される。
た熱は、ヒートシンク２，金属製チップキャリア１０，
金属製基板６を経てペルチェ素子８にて吸熱され、パッ
ケージの放熱板（図示せず）から半導体レーザモジュー
ル外部へ放出される。
【００１０】また、特開平４−３３７６８７号公報には
ほぼ同一の構造の半導体レーザモジュールが開示されて
おり、ヒートシンクをチップキャリアを介さずに直接ペ
ルチェ素子に固定された基板に取付けた構造が示されて
いる。
ほぼ同一の構造の半導体レーザモジュールが開示されて
おり、ヒートシンクをチップキャリアを介さずに直接ペ
ルチェ素子に固定された基板に取付けた構造が示されて
いる。
【００１１】これは、ヒートシンクをチップキャリアを
介した場合に、レーザダイオードチップとヒートシン
ク，ヒートシンクとチップキャリア，チップキャリアと
基板の順に夫々融着されるため、融着させるためのソル
ダの融点を順次低くしていかなくてはならないために、
信頼性の低いソルダを使わざるおえない状況が生じ、あ
る使用条件下で半田クリープによる光学結合劣化が生
じ、所要信頼度を確保できないため、開示された構造に
より、使用するソルダの種類を減らし、クリープを起こ
しにくいソルダのみの使用を実現するものである。
介した場合に、レーザダイオードチップとヒートシン
ク，ヒートシンクとチップキャリア，チップキャリアと
基板の順に夫々融着されるため、融着させるためのソル
ダの融点を順次低くしていかなくてはならないために、
信頼性の低いソルダを使わざるおえない状況が生じ、あ
る使用条件下で半田クリープによる光学結合劣化が生
じ、所要信頼度を確保できないため、開示された構造に
より、使用するソルダの種類を減らし、クリープを起こ
しにくいソルダのみの使用を実現するものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従来構造の半導体レー
ザモジュールでは、図５に示す通り金属製チップキャリ
ア１０と金属製基板６が、材質として熱伝導率が低く、
部材同士の接着部による熱抵抗の増加も相まって、レー
ザダイオードチップ１の温度が上昇するために、レーザ
ダイオードチップ１近傍を２５°Ｃの温度に保ったま
ま、高い環境温度の下で半導体レーザモジュールを動作
させるためには、ペネチェ素子８に大電力が必要とな
り、ベルチェ素子８単体の冷却能力の限界から環境温度
５０°Ｃ以上で動作させるのは困難であるという欠点が
ある。
ザモジュールでは、図５に示す通り金属製チップキャリ
ア１０と金属製基板６が、材質として熱伝導率が低く、
部材同士の接着部による熱抵抗の増加も相まって、レー
ザダイオードチップ１の温度が上昇するために、レーザ
ダイオードチップ１近傍を２５°Ｃの温度に保ったま
ま、高い環境温度の下で半導体レーザモジュールを動作
させるためには、ペネチェ素子８に大電力が必要とな
り、ベルチェ素子８単体の冷却能力の限界から環境温度
５０°Ｃ以上で動作させるのは困難であるという欠点が
ある。
【００１３】またヒートシンクをチップキャリアを介さ
ずに直接基板に取付けクリープを起こしにくいソルダを
使用しても、上述した欠点の解決には直接結びつかな
い。
ずに直接基板に取付けクリープを起こしにくいソルダを
使用しても、上述した欠点の解決には直接結びつかな
い。
【００１４】本発明の目的は、部材同志の熱伝導率に着
目し、ペルチェ素子上部に搭載される部材の材質及び構
造を、熱設計的に最適化する半導体レーザモジュールを
提供することである。
目し、ペルチェ素子上部に搭載される部材の材質及び構
造を、熱設計的に最適化する半導体レーザモジュールを
提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザモ
ジュールは、半導体レーザ素子と、ペルチェ素子と、前
記ペルチェ素子上に設けられて前記半導体レーザ素子を
搭載するための基板と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を融着したヒートシン
クと、前記基板上に設けられかつ前記ヒートシンクが取
付けられ略２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する部材
とを有することを特徴とする。
ジュールは、半導体レーザ素子と、ペルチェ素子と、前
記ペルチェ素子上に設けられて前記半導体レーザ素子を
搭載するための基板と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を融着したヒートシン
クと、前記基板上に設けられかつ前記ヒートシンクが取
付けられ略２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する部材
とを有することを特徴とする。
【００１６】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００１７】図１は本発明の第１の実施例である半導体
レーザモジュールの内部構造概略図である。なお、図５
と同等部分は同一符号にて示している。
レーザモジュールの内部構造概略図である。なお、図５
と同等部分は同一符号にて示している。
【００１８】レーザダイオードチップ１は、窒化アルミ
（ＡｌＮ）のヒートシンク２に融着され、ヒートシンク
２はペルチェ素子８の上部に融着されたレンズ４のホル
ダも兼ねた金属製基板６から突出した同材質の基板突出
部３の上部に融着してある。
（ＡｌＮ）のヒートシンク２に融着され、ヒートシンク
２はペルチェ素子８の上部に融着されたレンズ４のホル
ダも兼ねた金属製基板６から突出した同材質の基板突出
部３の上部に融着してある。
【００１９】金属製基板６上には、フォトダイオードチ
ップキャリア５が融着されており、更にファイバ７が光
学結合する位置にＹＡＧ溶接固定してある。
ップキャリア５が融着されており、更にファイバ７が光
学結合する位置にＹＡＧ溶接固定してある。
【００２０】金属製基板６と基板突出部３とは一体化し
ているため、融着面は無くなり、熱抵抗は小さくなる。
ここで金属製基板６の材質には、３０％銅タングステン
（熱伝導率約２７０Ｗ／ｍＫ）を選ぶ。
ているため、融着面は無くなり、熱抵抗は小さくなる。
ここで金属製基板６の材質には、３０％銅タングステン
（熱伝導率約２７０Ｗ／ｍＫ）を選ぶ。
【００２１】金属製基板６の材質の熱伝導率の違いによ
り、レーザダイオードチップ１の温度がどのように変化
するか、熱伝導解析プログラムを用いてシミュレーショ
ンを行ったところ、図３に示す結果が得られた。
り、レーザダイオードチップ１の温度がどのように変化
するか、熱伝導解析プログラムを用いてシミュレーショ
ンを行ったところ、図３に示す結果が得られた。
【００２２】図３は熱解析プログラムを用いたシミュレ
ーションのグラフである。図３を参照すると、熱伝導率
が約３００Ｗ／ｍＫ以上あれば、レーザダイオードチッ
プ１の温度上昇にほとんど差異のないことがわかる。
ーションのグラフである。図３を参照すると、熱伝導率
が約３００Ｗ／ｍＫ以上あれば、レーザダイオードチッ
プ１の温度上昇にほとんど差異のないことがわかる。
【００２３】部材として使用できる金属材料で熱伝導率
我３００Ｗ／ｍＫに比較的近いのは、３０％銅タングス
テンであり、セラミック材料ではシリコンカーバイト
（ＳｉＣ：２７０Ｗ／ｍＫ）である。
我３００Ｗ／ｍＫに比較的近いのは、３０％銅タングス
テンであり、セラミック材料ではシリコンカーバイト
（ＳｉＣ：２７０Ｗ／ｍＫ）である。
【００２４】図２は本発明の第２の実施例である半導体
レーザモジュールの内部構造概略図である。図１と同等
部分は同一符号により示す。図２を参照すると、金属製
基板６と図１の突出部３のように一体化せず、レーザダ
イオードチップ１を融着したヒートシンク２を、熱伝導
率約２７０Ｗ／ｍＫ以上の金属またはセラミック製ブロ
ック９上に融着し、そのブロック９を熱伝導率の低い鉄
等の金属製基板６上に融着しており、その他の部分は図
１と同様の構造となっている。
レーザモジュールの内部構造概略図である。図１と同等
部分は同一符号により示す。図２を参照すると、金属製
基板６と図１の突出部３のように一体化せず、レーザダ
イオードチップ１を融着したヒートシンク２を、熱伝導
率約２７０Ｗ／ｍＫ以上の金属またはセラミック製ブロ
ック９上に融着し、そのブロック９を熱伝導率の低い鉄
等の金属製基板６上に融着しており、その他の部分は図
１と同様の構造となっている。
【００２５】レーザダイオードチップ１で発生した熱
が、金属またはセラミック製ブロック９，金属製基板６
の各場所でどのような温度勾配になるか、シミュレーシ
ョン解析したところ、金属またはセラミック製ブロック
９の熱伝導率の大小によって温度勾配はほぼ支配され、
金属製基板６の熱伝導率の影響は小さいことがわかっ
た。
が、金属またはセラミック製ブロック９，金属製基板６
の各場所でどのような温度勾配になるか、シミュレーシ
ョン解析したところ、金属またはセラミック製ブロック
９の熱伝導率の大小によって温度勾配はほぼ支配され、
金属製基板６の熱伝導率の影響は小さいことがわかっ
た。
【００２６】従って、上述の構造にすれば、金属製基板
６の材質は鉄でもよく、部材コストを低く抑えられる特
徴がある。
６の材質は鉄でもよく、部材コストを低く抑えられる特
徴がある。
【００２７】図４は上述した内容の根拠となるシミュレ
ーション結果を示す各部材の温度分布を表わす図であ
る。図４を参照すると、図２で示す構成の半導体レーザ
モジュールにおいて、金属またはセラミック製ブロック
９と金属製基板６の材質を、図５で示す従来例と同じ鉄
材と鉄材にした場合を示す曲線１１に比較して、上記材
質を鉄と銅タングステンにした場合を示す曲線１２と、
銅タングステンと鉄にした場合１３について、レーザダ
イオードチップ１からペルチェ素子８に向かって温度勾
配がどうなるかをシミュレーションしている。
ーション結果を示す各部材の温度分布を表わす図であ
る。図４を参照すると、図２で示す構成の半導体レーザ
モジュールにおいて、金属またはセラミック製ブロック
９と金属製基板６の材質を、図５で示す従来例と同じ鉄
材と鉄材にした場合を示す曲線１１に比較して、上記材
質を鉄と銅タングステンにした場合を示す曲線１２と、
銅タングステンと鉄にした場合１３について、レーザダ
イオードチップ１からペルチェ素子８に向かって温度勾
配がどうなるかをシミュレーションしている。
【００２８】曲線１１に比べ、金属製基板６のみを鉄か
ら銅タングステンに変更した温度分布を示す曲線１２
は、ヒートシンク２からブロック９の間の熱伝導効率を
約２°Ｃ改善しているものの、金属またはセラミック製
ブロック９のみを銅タングステンに変更した温度分布を
示す曲線１３は約１７°Ｃ改善していることから、金属
またはセラミック製ブロック９の熱伝導率の大小によっ
て熱伝導率の温度勾配がほぼ支配されることが証明され
た。
ら銅タングステンに変更した温度分布を示す曲線１２
は、ヒートシンク２からブロック９の間の熱伝導効率を
約２°Ｃ改善しているものの、金属またはセラミック製
ブロック９のみを銅タングステンに変更した温度分布を
示す曲線１３は約１７°Ｃ改善していることから、金属
またはセラミック製ブロック９の熱伝導率の大小によっ
て熱伝導率の温度勾配がほぼ支配されることが証明され
た。
【００２９】従って、ブロック９の熱伝導率を金属製基
板６より大きくすることが、効果的であることがわか
る。そのために、基板６の材質は鉄でも良いために、部
材コストを低く抑えることができるのことになる。
板６より大きくすることが、効果的であることがわか
る。そのために、基板６の材質は鉄でも良いために、部
材コストを低く抑えることができるのことになる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、レーザダイオードチッ
プで融着したヒートシンクが約２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱
伝導率を有する金属またはセラミック材質でできた部分
に取付けられることにより、より高温環境下で高出力動
作を得ることが可能であるという効果がある。
プで融着したヒートシンクが約２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱
伝導率を有する金属またはセラミック材質でできた部分
に取付けられることにより、より高温環境下で高出力動
作を得ることが可能であるという効果がある。
【図１】本発明の第１の実施例である半導体レーザモジ
ュールの内部構造概略図である。
ュールの内部構造概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例である半導体レーザモジ
ュールの内部構造概略図である。
ュールの内部構造概略図である。
【図３】熱解析プログラムを用いたシミュレーショング
ラフである。
ラフである。
【図４】各部材の温度分布を表わす図である。
【図５】従来の半導体レーザモジュールの内部構造概略
図である。
図である。
１ レーザダイオードチップ ２ ヒートシンク ３ 基板突出部 ４ レンズ ５ フォトダイオードチップキャリア ６ 金属製基板 ７ ファイバー ８ ペルチェ素子 ９ 金属またはセラミック製ブロック １０ 金属製チップキャリア
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体レーザ素子と、ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子上に設けられて前記半導体レーザ素子
を搭載するための基板と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を融着したヒートシ
ンクと、前記基板上に設けられかつ前記ヒートシンクが
取付けられ略２７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する部
材とを有することを特徴とする半導体レーザモジュー
ル。 - 【請求項２】 前記部材は前記基板上に突出して取付け
られていることを特徴とする請求項１記載の半導体レー
ザモジュール。 - 【請求項３】 前記部材は前記基板を一体形成されてい
ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レー
ザモジュール。 - 【請求項４】 前記部材の熱伝導率が、前記基板より大
であ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5311308A JP2880890B2 (ja) | 1993-11-17 | 1993-11-17 | 半導体レーザモジュール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5311308A JP2880890B2 (ja) | 1993-11-17 | 1993-11-17 | 半導体レーザモジュール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07140362A true JPH07140362A (ja) | 1995-06-02 |
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