JPH11354890A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二段構成の電子冷却装置を有する半導体レー
ザモジュールの冷却能力を改善して半導体レーザ素子の
発振特性を安定させる。 【解決手段】 １段目の電子冷却素子１１と２段目の電
子冷却素子１２とを重ねて電子冷却器６を形成する。１
段目に第１のレンズ２と光検出器７とからなる熱容量の
大きな光学部品をキャリア３２を介して搭載し、２段目
に精密な温度制御を必要とする半導体レーザ素子１とサ
ーミスタ８とを搭載する。キャリア３２の中央部分に２
段目の電子冷却素子１２が通る開口部５１を設け、開口
部の形状を２段目の電子冷却素子とはめあい構造とする
ことによりキャリア３２のずれが防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信の光源などに
使用する半導体レーザモジュールに関し、特に電子冷却
素子を内蔵する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】光通信システムの光源などに使用する半
導体レーザモジュールは、温度上昇に伴い急激な光出力
の低下や劣化が生じ、さらに周囲温度の変化により半導
体レーザ素子の発振特性が変化する。そのため、半導体
レーザ素子を光通信システムの光源として使用する場合
には、これらの光出力の低下や発振特性の変化が伝送特
性に大きな影響を与える。

【０００３】最近、光通信において波長分割多重（ＷＤ
Ｍ）伝送方式の採用によって、光通信伝送方式が高密度
化され、それに伴って光ファイバアンプに用いられる励
起用半導体レーザモジュールの高出力化が必要となって
きている。励起用半導体レーザモジュールの高出力化の
ためには、素子出力及び結合効率の改善が必要であり、
それに伴って半導体レーザモジュールの冷却能力を改善
することが必要である。

【０００４】上述の半導体レーザモジュールの冷却問題
を解決するために、従来半導体レーザモジュールのパッ
ケージ内に電子冷却素子を内蔵させて、半導体レーザ素
子とレーザ光モニタ素子とを一定温度に制御する方法が
採用されている。すなわち図３に示すように、半導体レ
ーザ素子１２１と、レーザ光モニタ素子１２４と、光フ
ァイバ１２６への結合レンズ１２３と、温度検出用抵抗
回路素子であるサーミスタ１２２とがレーザ搭載ブロッ
ク１２５の所定箇所に搭載される。さらにレーザ搭載ブ
ロック１２５の底面部と金属製の気密パッケージ１２７
の底面部との間に電子冷却器１２８が配置され、はんだ
によって互いに密着固定される。

【０００５】図３に示す半導体レーザ装置では、動作温
度範囲に応じて電子冷却素子の必要な冷却性能が決定さ
れ、通常動作温度範囲は−１０℃〜＋６５℃程度に設定
される。この動作温度範囲のもとで、半導体レーザ素子
の温度は、２５℃±１℃程度に制御される。

【０００６】上述のように形成された半導体レーザ素子
を内蔵する半導体レーザ装置において、最近その応用分
野が拡大するにつれ動作温度範囲に対する要求が−２０
℃〜+８５℃程度にまで拡がって来ている。この広い動
作温度範囲の要求に対応するため、図４に示すように、
半導体レーザ素子１１１が搭載されるブロック１１５と
気密パッケージ１１７の底板との間に、多段（この場合
は２段）に積層された複数の電子冷却素子１８ａ、１８
ｂを備え、各電子冷却素子の冷却能力を重畳可能とする
とともに、周囲温度に合わせて給電対象の電子冷却素子
及びその組合せを変更することにより冷却能力を変更可
能にする構成が、特開平３−６０８２号公報に開示され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した図４に示す従
来の２段に積層された電子冷却素子からなる電子冷却装
置を有する半導体レーザ装置においては、図３で示した
一段の電子冷却素子によって冷却される半導体レーザ装
置に比較して冷却能力が向上しているが、上段の電子冷
却素子の冷却面上に固設されたレーザ搭載ブロックの上
に、半導体レーザ素子と、レーザ光モニタ素子と、光フ
ァイバへの結合レンズと、温度検出用サーミスタとを搭
載している。したがってレーザ光モニタ素子と光ファイ
バへの結合レンズとの熱容量が、半導体レーザ素子及び
温度検出用サーミスタの熱容量に比較して遙に大きいた
めに、精密な温度調整を必要とする半導体レーザ素子及
び温度検出用サーミスタの温度制御が不充分となるとい
う欠点がある。

【０００８】本発明の目的は、二段構成の電子冷却素子
を含む電子冷却装置を有する半導体レーザモジュールに
おいて、一段目の電子冷却素子の上に熱容量の大きいレ
ンズ及び光検出器などの光学部品を搭載し、二段目の電
子冷却素子の上に半導体レーザ素子と半導体レーザ素子
の温度をモニタするサーミスタとを搭載することによ
り、冷却能力が向上した半導体レーザモジュールを提供
することにある。

【０００９】

【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半導体レーザ素子の温
度をモニタするサーミスタとを搭載するキャリアと、キ
ャリアを収容する筐体の底板との間に、少なくとも２段
に形成された電子冷却素子を含む電子冷却器を具備する
半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子か
ら出射したレーザ光をコリメートするための第１のレン
ズと、レーザ光をモニタするための光検出器とを搭載し
て、筐体の底板上に固設された第１の電子冷却素子と、
第１の電子冷却素子の上に重ねて固設され、半導体レー
ザ素子及びサーミスタを搭載するキャリアが上面に固設
された第２の電子冷却素子とを備えている。

【００１０】第１のレンズと光検出器とは、板状のキャ
リアを介して第１の電子冷却素子に搭載され、キャリア
は中央部に第２の電子冷却素子を通すための開口部を有
し、開口部と第２の電子冷却素子とははめ合いの関係に
ある。さらにまた、コリメートされたレーザ光を集光す
るための第２のレンズは、筐体の外部に固設される。

【００１１】上述のように半導体レーザモジュールの電
子冷却器を２段構成として、下段部の第１の電子冷却素
子の上には熱容量の大きな第１のレンズと光検出器とを
搭載し、上段部の第２の電子冷却素子の上には熱容量が
比較的小さくかつ精密な温度調節を必要とする半導体レ
ーザ素子とサーミスタとを搭載するようにし、さらに上
段部と下段部とを構成する熱電素子の数及び配列を上述
の熱容量を考慮して設定するとともに、動作温度範囲に
適合した給電を上段部及び下段部のそれぞれに行なうこ
とにより、半導体レーザ素子を含むモジュールの冷却特
性及び半導体レーザ素子の発振特性が改善される。また
集光用の第２のレンズを筐体外部に設けることにより、
温度調節を必要とする光学系部品の熱容量を減少させる
から、半導体レーザーモジュールの冷却特性を改善する
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の半導体レーザ
モジュールの一実施の形態の縦断面略図、図２は図１か
ら上蓋を取除いた平面略図である。

【００１３】図１において、半導体レーザ素子１は電気
入力を光出力に変換して、光通信に使用するための所要
のレーザ光を発信する光電変換素子である。ヒートシン
ク２１は、半導体レーザ素子１を搭載して半導体レーザ
素子の放熱を良くするための台座である。半導体レーザ
キャリア３１は、上面にヒートシンク２１及び半導体レ
ーザ素子１の温度をモニタするためのサーミスタ８を搭
載してはんだによってそれらを固定している。

【００１４】上段部１１と下段部１２との２段構成の電
子冷却器６は、半導体レーザ素子１の光出力及び波長を
安定化させるための温度調節及び光学系の温度調節を行
うための熱電交換機能を備えた熱電素子によって構成さ
れる。上段部１１の上面側基板１１ａは冷却側基板を形
成し、その上に半導体レーザキャリア３１を搭載しては
んだによって固定している。下段部１２の底面側基板１
２ａは放熱側基板を形成し、下面において金属製の気密
な筐体をなすモジュールパッケージ４の底板の上にはん
だによって固設されて、放熱側基板の熱を伝導により有
効に発散されるように形成されている。

【００１５】また上段部１１と下段部１２との間に配設
される共通の基板１２ｂは、上面側において上段部１１
の放熱側配線パターンが形成され、下面側において下段
部１２の冷却側配線パターンが形成されて、放熱面と冷
却面とを兼ね備える構成となっている。

【００１６】共通の基板１２ｂの上面には、光学部品を
搭載するための板状のキャリア３２がはんだで固定され
る。キャリア３２のほぼ中央部には、開口部５１が設け
られており、開口部５１の中を上段部１１が貫通してい
る。開口部５１の形状及び寸法は、その中を貫通する上
段部１１が丁度はまり合うことができる大きさとする。
開口部５１をこのように形成することによって、キャリ
ア３２の位置ずれを防止することができる。

【００１７】共通の基板１２ｂの上面に設けられた光学
部品を搭載するためのキャリア３２上には、半導体レー
ザ素子１から出射されたレーザ光をコリメートするため
の第１のレンズ２が、第１のレンズホールダ２ａにより
固設される。第１のレンズホールダ２ａとキャリア３２
との間、及び第１のレンズホールダ２ａと第１のレンズ
２との間は、それぞれＹＡＧレーザ溶接を用いて固定す
る。

【００１８】キャリア３２の上には、さらにレーザ光を
モニタするための光検出器７（ＰＤ）がＹＡＧレーザ溶
接によって固定される。このように熱容量の大きい光学
部品が、冷却能力の大きい下段部１２の上にキャリア３
２を介して固設される。

【００１９】上述のように、電子冷却器６の上段部１１
には、熱容量が小さくかつ精密な温度制御を必要とする
半導体レーザ素子１とそのヒートシンク２１、及びサー
ミスタ８のみを搭載し、電子冷却器６の下段部１２の上
には、熱容量が大きい光学部品である第１のレンズ２と
そのホールダ２ａ及び光検出器（ＰＤ）７とを搭載し、
上段部１１と下段部１２とを構成する熱電素子の数及び
配列を、上述の熱容量を考慮して設定するとともに、動
作温度範囲に適合した給電を上段部１１及び下段部１２
に行うことにより、半導体レーザ素子１を含むモジュー
ルの冷却特性を改善することができる。

【００２０】本半導体レーザモジュールには、モジュー
ルパッケージ４の外部にレーザ光の光軸を含んで集光用
の第２のレンズ３を第２のレンズホールダ３ａによって
固設し、さらに光ファイバ５をファイバホールダ５ａで
保持して第２のレンズホールダ３ａに固設する。光ファ
イバ５の軸は第１のレンズ２及び第２のレンズ３で形成
される光学系の光軸と精密に一致するように固設する必
要がある。そのため光ファイバ５とファイバホールダ５
ａとの間、ファイバホールダ５ａと第２のレンズホール
ダ３ａとの間、及び第２のレンズホールダ３ａとモジュ
ールパッケージ４との間は、何れもＹＡＧレーザ溶接で
固定される。

【００２１】次に本半導体レーザモジュールの動作につ
いて説明する。半導体レーザ素子１から出射されたレー
ザ光は、第１のレンズ２によってコリメートされて第２
のレンズ３において集光されて光ファイバ５と結合し、
光ファイバ５の他の端部から不図示の光コネクタ等によ
って取り出される。

【００２２】半導体レーザ素子１の光出力及び波長を安
定させるために、サーミスタ８が半導体レーザ素子１の
温度を電気的にモニタし、サーミスタ８の抵抗値が所定
の値となるように電子冷却器６が働いて、半導体レーザ
素子１の温度が制御される。電子冷却器６は上段部１１
と下段部１２の２段構成となっており、上段部１１の上
には精密な温度制御を必要としかつ熱容量の小さい半導
体レーザ素子１が搭載され、下段部１２の上には熱容量
の大きい光学部品である第１のレンズ２及び光検出器７
が搭載されているので、半導体レーザ素子１の冷却特性
が改善され、かつ上段部１１の放熱部を下段部１２で冷
却することができるので１段冷却の電子冷却器に比較し
て冷却能力が向上する。また光学系部品のうち集光のた
めの第２のレンズをパッケージ４の外部に設けることに
より、温度調節を必要とする部分の熱容量を減じること
ができるので、半導体レーザーモジュールの冷却特性を
改善することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体レ
ーザモジュールの冷却に用いられる電子冷却器を２段構
成として上段部に半導体レーザ素子とサーミスタとを搭
載し、下段部に熱容量の大きい光学部品を搭載する構成
としたため、冷却能力が向上するとともに冷却特性が改
善されてレーザの発振特性が安定し、さらに光学部品を
搭載するキャリアに開口部を設けて、その開口部と電子
冷却器の上段部とをはめあい構造としたため、キャリア
の位置ずれが防止されるという効果がある。さらにま
た、集光用第２のレンズをパッケージの外部に設けたた
め、温度調節を必要とする部分の熱容量が削減されるの
で、半導体レーザーモジュールの冷却性の改善に効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザモジュールの縦断面略図
である。

【図２】図１から上蓋を除去した平面略図である。

【図３】従来の技術による半導体レーザモジュールの縦
断面略図である。

【図４】図３と同様の図である。

【符号の説明】

１、１１１、１２１ 半導体レーザ素子 ２ 第１のレンズ ２ａ 第１のレンズホールダ ３ 第２のレンズ ３ａ 第２のレンズホールダ ４、１１７、１２７ 筐体／モジュールパッケージ／
金属製気密パッケージ ５、１１６、１２６ 光ファイバ ５ａ 光ファイバホールダ ６、１１８、１２８ 電子冷却器 ７、１１４、１２４ 光検出器（ＰＤ）／レーザ光モ
ニタ素子 ８、１１２、１２２ サーミスタ １１、１８ｂ 上段部／２段目電子冷却素子 １１ａ 上面側基板 １２、１８ａ 下段部／１段目電子冷却素子 １２ａ 底面側基板 １２ｂ 共通の基板 ２１ ヒートシンク ３１ 半導体レーザキャリア ３２ キャリア ５１ 開口部 １１３、１２３ 結合レンズ １１５、１２５ レーザ搭載ブロック

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子
   の温度をモニタするサーミスタとを搭載するキャリア
   と、該キャリアを収容する筐体の底板との間に、少なく
   とも２段に形成された電子冷却素子を含む電子冷却器を
   具備する半導体レーザモジュールにおいて、 前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光をコリメー
   トするための第１のレンズと、前記レーザ光をモニタす
   るための光検出器とを搭載して、前記筐体の底板上に固
   設された第１の電子冷却素子と、 前記第１の電子冷却素子の上に重ねて固設され、前記半
   導体レーザ素子及び前記サーミスタを搭載する前記キャ
   リアが上面に固設された第２の電子冷却素子とを有する
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザ素子が、該半導体レー
   ザ素子を搭載する前記キャリアとの間に、放熱を良くす
   るためのヒートシンクを有する、請求項１に記載の半導
   体レーザモジュール。
3. 【請求項３】 前記第１の電子冷却素子に搭載される前
   記第１のレンズ及び前記光検出器が、前記第１の電子冷
   却素子の上面に固設された板状のキャリアを介して搭載
   される、請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
4. 【請求項４】 前記第１の電子冷却素子の上面に固設さ
   れた前記板状のキャリアが、中央部において前記第２の
   電子冷却素子を通すための開口部を有する、請求項３に
   記載の半導体レーザモジュール。
5. 【請求項５】 前記板状のキャリアの開口部の形状が、
   前記第２の電子冷却素子とはめ合いの関係にある、請求
   項４に記載の半導体レーザモジュール。
6. 【請求項６】 前記第１のレンズによってコリメートさ
   れたレーザ光を集光して光ファイバと結合させるための
   第２のレンズが、前記筐体の外部において該筐体に固設
   される、請求項１に記載の半導体レーザモジュール。