JPH0745974Y2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は光通信システム等の光源となる半導体レーザモ
ジュールに係わり、特に電子冷却素子を有する半導体レ
ーザモジュールに関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザモジュールの発光素子である半導体レーザ
はいわゆる閾値デバイスであり、温度上昇に伴って光出
力が低下し、また劣化が加速される。さらに半導体レー
ザの周囲温度の変化は、モードホッピングあるいは波長
シフト等の光通信システムに有害な雑音の原因となる。
このため半導体レーザモジュールでは一般に電子冷却素
子を用いて半導体レーザの放熱を行わせ、温度変化によ
る影響を排除して、安定動作の確保を図っている。

第３図はこのような電子冷却素子を使用した半導体レー
ザモジュールの従来例を示したものである（参考文献：
昭和61年度電子通信学合総合全国大会、予稿集NO.254
3、「DIP形シングルモードファイバ用レーザダイオード
モジュール」）。

第３図に示すように、光ファイバ１および外部接続用中
継端子２を挿着した金属製の気密パッケージ３が設けら
れ、この気密パッケージ３内に金属ブロック４が収納さ
れている。金属ブロック４上には半導体レーザ素子５、
集光レンズ６およびモニタ用受光素子７等が搭載され、
下部には放熱用の電子冷却素子８が接合されている。電
子冷却素子８は例えばビスマステル化合物の半導体素子
8aと、その上下に接合した２枚のセラミック板8b、8c等
によって構成されている。

このような従来の半導体レーザモジュールでは、気密パ
ッケージ３の底部3a上に金属ブロック４が電子冷却素子
８を介して支持固定され、これにより半導体レーザモジ
ュール５および集光レンズ６の高さが設定され、光ファ
イバ１に対する光軸整合が行われている。

ところで、気密パッケージ３の底部と電子冷却素子８と
の接合、および電子冷却素子８と金属ブロック４との接
合は、それぞれ半田９、10によって行われている。この
半田９、10は、電子冷却素子８の耐熱温度（120℃）を
考慮して、融点が120℃以下の低融点半田を使用せざる
を得ず、一般にはIn系半田を使用している。

〔考案が解決しようとする問題点〕

半導体レーザ素子からの光量を効率よく光ファイバに導
くためには、半導体レーザ素子、集光レンズおよび光フ
ァイバの組立て精度に数μｍオーダが要求され、しかも
組立て後もその精度を維持しなければならない。

ところが、前記した従来の構成では、２個所の半田９、
10による接合部を介して半導体レーザ素子等の位置決め
がなされ、かつその半田９、10はIn系等の低融点半田と
されている。このIn系等の半田は、Sn-Pb系半田に比べ
て機械的接合強度が1/4程度の低さであり、振動や衝撃
によって光軸ずれを生じる可能性がある。また、半田材
料自体が一般的にクリープ現象を起こし易く、例えば昭
和61年度電子通信学会・電波部内全国体会、予稿集NO.4
53「半田固定路部品の劣化加速性」で示されたように、
経年変化とともに光軸ずれを生じる問題がある。

本考案はこのような事情に鑑みてなされたもので、耐熱
温度の低い電子冷却素子を使用するものでありながら
も、低融点半田等の半田接合に依存する必要なく光軸設
定が行なえ、光軸精度を長期間にわたって高度に維持す
るうえで好適な半導体レーザモジュールを提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案に係わる半導体レーザモジュールは、半導体レー
ザ素子と集光素子とモニタ用受光素子が搭載された金属
ブロックと、その金属ブロックを冷却するための電子冷
却素子と、前記金属ブロックおよび電子冷却素子を収容
する気密パッケージとからなる半導体レーザモジュール
であって、前記気密パッケージが、（イ）電子冷却素子
の発熱面を固定するための、熱伝導率の高い材料で構成
された第１固定部材と、（ロ）この第１固定部材によっ
て固定される電子冷却素子の冷却面が接合される金属ブ
ロックの接合面の縁を固定するための、熱伝導率の低い
材料で構成された第２固定部材とを備えることを特徴と
している。

気密パッケージに設けられた第２固定部材は、半導体レ
ーザ素子等が搭載された金属ブロックを、気密パッケー
ジに対して固定するために用いられ、本考案の半導体レ
ーザモジュールにおける、半導体レーザ素子等の位置精
度は、この第２固定部材による金属ブロックの固定によ
って得られている。

なお、気密パッケージを、金属ブロックを電子冷却素子
との接合面の縁で固定するための第２固定部材を備えた
上部パッケージエレメントと、底面が電子冷却素子の発
熱面を固定するための第１固定部材として機能する下部
パッケージエレメントとを組み合わせたものとすると、
半導体レーザモジュールの製造工程を簡単なものとする
ことができる。

また、２つのパッケージエレメントによって気密パッケ
ージを構成する際には、上部パッケージエレメントを熱
伝導率の低いセラミックで構成し、下部パッケージエレ
メントを熱伝導率の高い金属で構成することが望まし
い。

〔実施例〕

以下、本考案の一実施例を第１図および第２図を参照し
て説明する。

この実施例の半導体レーザモジュールにおいては、気密
パッケージ11が上部パッケージエレメント12と下部パッ
ケージエレメント13とからなり、これらが互いに積層固
定された構造となっている。上部パッケージエレメント
12は、熱伝導率の低い材料、例えばフォルステライトセ
ラミックス製の上面開口の箱形のものとされ、上面開口
部が金属キャップ14で閉塞されている。この上部パッケ
ージエレメント12の底壁12aには四角形の開口部15があ
けられ、その開口部15の各隅角位置上面部に金属製の支
持部材16がそれぞれろう付け等によって埋設固定されて
いる。また、下部パッケージエレメント13は、熱伝導率
の高い金属によって箱形に形成され、その天井壁13aに
は、上部パッケージエレメント12の開口部15よりも開口
面積の大きい四角形の開口部17があけられている。そし
て、この各開口部15、17が互いに連通する状態で下部パ
ッケージエレメント13上に上部パッケージエレメントが
積重ねられ、互いにろう付けによって貼着固定されてい
る。

そして、半導体レーザ素子18、集光レンズ19およびモニ
タ用受光素子20等を搭載した四角板上の金属ブロック21
が上部パッケージエレメント12内に収納されている。こ
の金属ブロック21は、上部パッケージエレメント12の底
壁12aの開口部15よりも面積が大きく、下部パッケージ
エレメント13の天井壁13aの開口部17よりも面積が小さ
く形成されている。この金属ブロック21が上部パッケー
ジエレメント12の底壁12a上に開口部15を塞ぐ状態で、
かつ互いの四隅部を合致する配置で載置され、この金属
ブロック21の四隅部に形成した薄肉部分21aが、開口部1
5の四隅部に埋設した支持部材16にそれぞれレーザスポ
ット溶接部22によって溶接固定されている。これによ
り、上部パッケージエレメント12に挿着した光ファイバ
23に対して半導体レーザ素子18および集光レンズ19の光
軸合せが行われている。

また、金属ブロック21の下面には電子冷却素子24の上部
が半田25によって接合されている。この電子冷却素子24
は開口部15、17内に配置し、その下部は半田26によって
下部パッケージエレメント13の底壁13bの上部に固定さ
れている。

なお、上部パッケージエレメント12には多数の外部接続
用端子27が挿着されている。

このように構成した実施例の半導体レーザモジュールに
よれば、気密パッケージ11が上部パッケージエレメント
12を下部パッケージエレメント13とにより二重底構造と
なっており、金属ブロック21は堅牢なセラミックス製の
上部パッケージエレメント12の底壁12a、すなわち上底
にレーザ溶接によって固定されている。したがって、金
属ブロックが長期間にわたって強固に固定保持されるよ
うになり、半田接合によって固定保持する従来構造のも
のと異なり光軸ずれ等が生ずることがない。

また、動作時には、半導体レーザ素子18の発熱によって
金属ブロック21が加熱され、その熱は電子冷却素子24を
介して下部パッケージエレメント13の底壁13bに伝達さ
れる。この場合、下部パッケージエレメント13は金属製
で熱伝導率が高いので放熱作用が効果的に行われ、一
方、上部パッケージエレメント12はセラミックス製で熱
伝導率が低いため、下部パッケージエレメント12からの
熱伝導は少ない。すなわち、冷却される部分と加熱され
る部分とを別々のパッケージエレメントに分離してある
ことから、熱の回り込みが少なく、高い冷却効果が得ら
れる。

なお、実施例においては、気密パッケージ11を上下２つ
のパッケージエレメント12、13の積層固定構造とした
が、これは前記の如く高い冷却効果を得るために好まし
いもので、必ずしもそのようなものに限らず、一体的気
密パッケージを２重底構造にして、上底に金属ブロック
21、下底に電子冷却素子24をそれぞれ固定支持させるよ
うにしてもよい。そのような構成によっても、半田支持
による経時的な光軸ずれの現象を防止し、長期にわたる
安定な光軸精度維持の効果は発揮できるものである。

また、実施例では金属ブロック21を上ブロックパッケー
ジエレメント12にレーザ溶接したが、金属ブロック21の
固定支持手段は特に限定されず、機械的固定手段等、種
々変更できることはもちろんである。

さらに、気密パッケージの形状、材質、あるいは外部接
続用中継端子の配置等についても、種々変更可能なこと
はもちろんである。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、気密パッケージの一部を
利用して金属ブロックを直接的に支持固定するようにし
たので、半田固定に依存せざるを得ない従来の半導体レ
ーザモジュールの構造に比べて支持固定が長期間安定し
て保持できるようになり、金属ブロック上に搭載する半
導体レーザモジュールの軸ずれ防止が確実に行われるよ
うになるという優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を一部断面で示す斜視図、第
２図は第１図のII-II線断面図、第３図は従来例を示す
断面図である。 11……気密パッケージ、12……上部パッケージエレメン
ト、13……下部パッケージエレメント、18……半導体レ
ーザ素子、19……集光レンズ、20……モニタ用受光素
子、21……金属ブロック、23……光ファイバ、24……電
子冷却素子。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザ素子と集光素子とモニタ用受
   光素子が搭載された金属ブロックと、その金属ブロック
   を冷却するための電子冷却素子と、前記金属ブロックお
   よび電子冷却素子を収容する気密パッケージとからなる
   半導体レーザモジュールであって、前記気密パッケージ
   が、前記電子冷却素子の発熱面を固定するための、熱伝
   導率の高い材料で構成された第１固定部材と、この第１
   固定部材によって固定される電子冷却素子の冷却面が接
   合される前記金属ブロックの接合面の縁を固定するため
   の、熱伝導率の低い材料で構成された第２固定部材とを
   備えるものであ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】気密パッケージが上部及び下部パッケージ
   エレメントを組み合わせて構成されるものであり、上部
   パッケージエレメントの一部が、前記金属ブロックの電
   子冷却素子との接合面をその縁で固定するための第２固
   定部材であり、下部パッケージエレメントの底面が電子
   冷却素子の発熱面を固定するための第１固定部材である
   ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記載の
   半導体レーザモジュール。
3. 【請求項３】上部パッケージエレメントは熱伝導率の低
   いセラミックで構成されており、下部パッケージエレメ
   ントは熱伝導率の高い金属で構成されていることを特徴
   とする実用新案登録請求の範囲第２項記載の半導体レー
   ザモジュール。