DE2737345A1

DE2737345A1 - Halbleiterlasermodul

Info

Publication number: DE2737345A1
Application number: DE19772737345
Authority: DE
Inventors: Kazuo Hoshito; Takashi Kitamura; Koichi Masegi; Hideaki Sato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-18
Publication date: 1978-03-09
Also published as: DE2737345C2; US4338577A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlasermodul.

Halbleiterlaser werden in einem großen Bereich von Anwendungsgebieten verwendet, da sie kompakt in der Größe sind, einen relativ hohen Wirkungsgrad aufweisen und modulierte Strahlen erzeugen können, wenn der Strom in geeigneter Weise gesteuert wird. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß die Lichtstarke des Ausgangslichtes eines Halbleiterlasers infolge von Einflüssen der Umgebungstemperatur, von Alterungsproblemen des Halbleiterlasers usw. über einen weiten Bereich schwankt. Um die Ausgangslichtstärke konstant zu halten, ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, wonach die Lichtstärke des vom Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahles durch einen Lichtstärkefühler erfasst wird und wobei in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtstärkefühlers ein Treiberkreis derart den dem Halbleiterlaser zugeführten Strom steuert, daß die Lichtstärke des Laserstrahles konstant sein sollte. Die Temperatur der p-n-Grenzschicht ( später lediglich als "Grenzschicht" bezeichnet) steigt jedoch wegen der Dichte des Stromes, der durch die Grenzschicht fließt, in extre-

Drasdner Bank (München) Kto. 3938 »44 Potttchw* (München) Kto. 670-43-104

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mer Weise an.

Die Grenzschichttemperatur zeigt gegenüber der Ausgangslichtintensität bei verschiedenen Antriebsströmen I des Halbleiterlasers den bekannten, in Figur 1 dargestellten Verlauf. Das bedeutet, daß mit dem Ansteigen der Temperatur in der Grenzschicht die Ausgangslichtstärke abnimmt. Wenn man daher versucht, die Ausgangslichtstärke konstant zu halten, so nimmt die Ausgangslichtstärke mit einem Anwachsen der Temperatur in der Grenzschicht ab. Wenn der Strom ansteigt, so steigt die Ausgangslichtintensität auf einen anfänglichen Wert an. Wie oben beschrieben, verursacht das Anwachsen des Stromes jedoch einen Temperaturanstieg an der Grenzschicht, was einen thermischen Durchgehzyklus des Temperaturanstiegs ergibt, wobei der Strom ansteigt, die Temperatur ansteigt, usw. Daraus folgt, daß kein stabiler und zuverlässiger Betrieb des Halbleiterlasers möglich ist.

Als Ausgangslichtstärkefühler kann ein fotoelektrischer Halbleiterkonverter verwendet werden, da dies zweckmäßig ist. Sein Ausgangssignal hängt jedoch von der Umgebungstemperatur ab, so daß die Steuerung des Halbleiterlasers mit keiner größeren Genauigkeit durchgeführt werden kann. Die Empfindlichkeit des Halbleiter-Ausgangslichtstärkefühlers schwankt in weiten Bereichen abhängig von der Umgebungstemperatur insbesondere bei den Infrarotwellenlängen, die von den meisten der Halbleiterlaser ausgesendet werden. Es ist daher wesentlich, daß der Ausgangslichtstärkefühler bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, so daß der Halbleiterlaser mit dem gewünschten Grad von Genauigkeit gesteuert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlasermodul zu schaffen, der Laserstrahlen einer konstanten Lichtstärke in einer stabilen und zuverlässigen Weise aussendet. Dieser Halbleiterlasermodul soll ziemlich kompakt in der Größe sein und dennoch mit einer hohen Zuverlässigkeit Laserstrahlen aussenden.

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Der erfindungsgemäße Halbleiterlasermodul soll so ausgelegt sein, daß er die Temperatur des Halbleiterlasers konstant hält.

Die Lichtstärke bzw. Intensität der vom Halbleiterlaser ausgesandten Laserstrahlen soll konstant sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles der Ansprüche 1, 6, 12, 15 und 17 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den auf diese rückbezogenen Ansprüchen dargestellt.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Figur 1 den Zusammenhang zwischen Grenzschichttemperatur und Ausgangslichtstärke,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Halbleiterlasers, wobei eine Metallkappe entfernt wurde, um die Komponenten innerhalb der Kappe zu zeigen,

Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines bei der Erfindung verwendeten Halbleiter-Laserplättchens, Figur 4 A eine Vorderansicht einer in den Laser von Figur 2 eingebauten Kühleinheit,

Figur 4 B ein Querschnitt längs der Linie B-B¹ von Figur 4· A, Figur 5 ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerkreises zum Steuern des in Figur 4 A und 4- B gezeigten Lasers, Figur 6 ein schematisches Diagramm einer Stromsteuerung für den Steuerkreis von Figur 5,

Figur 7 ein schematisches Diagramm einer Kühleinheit des in Figur $ gezeigten Steuerkreises,

Figur 8 A eine perspektivische Darstellung eines 2. Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, Figur 8 B eine Draufsicht auf das in Figur 8 A dargestellte Ausführungsbeispiel bei entfernter Kappe, Figur 8 C ein Querschnitt längs der Linie C-C' von Figur 8 B, Figur 8 D ein Querschnitt längs der Linie D-D¹ von Figur 8 B, Figur 8 E ein Querschnitt längs der Linie E-E' von Figur 8 B, Figur 9 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausfüh-

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rungsbeispieles der vorliegenden Erfindung, teilweise im Querschnitt,

und Figur 1o ein schematisches Diagramm eines Steuerkreises zum Steuern des in Figur 9 gezeigten Halbleiterlasers.

Das erste Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 2 bis 7 dargestellt. Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Halbleiterlasers 11. Der Halbleiterlaser 11 enthält eine Basis 12 aus Metall wie reinem Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die eine horizontale Fläche 13 und eine dazu im wesentlichen senkrechte Fläche 14- hat. Am Boden der Basis 12 ist eine Befestigungsschraube 18 befestigt und steht mit dieser in elektrischem Kontakt; eine Leitung 19 erstreckt sich durch die Befestigungsschraube 18 und ihr gegenüber elektrisch isoliert derart hindurch, daß das obere Ende 2o der Leitung 19 in einer Ebene mit der horizontalen Fläche 13 liegt. Ein Isolierring 21 ist zwischen dem oberen Ende 2o der Leitung 19 und der horizontalen Fläche 13 eingefügt, um eine elektrische Isolierung zwischen beiden zu gewährleisten.

Auf der Basis 12 ist eine weitere Basis 15 mit Kubusform befestigt, die aus einem Metall wie reinem Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei der Boden und eine senkrechte Fläche der Basis 15 in enger Berührung mit der horizontalen Fläche 13 und der senkrechten Fläche 14 der Basis 12 stehen. Als Alternative kann die Basis 15 vorzugsweise mit der Basis 12 in einem Stück ausgebildet sein. Die Basis 15 weist eine durchgehende horizontale Öffnung 16 auf, wobei eine Halbleiterlaseranordnung oder ein Laserplättchen 17 mit Indium oder ähnlichem in einer Stellung in der Nähe eines Endes (in Figur 2 das linke Ende) der durchgehenden öffnung 16 derart angelötet ist, daß der enge Wärmekontakt zwischen Basis 15 und Halbleiterlaserplättchen 17 sichergestellt ist.

In Figur 3 ist das Halbleiterlaserplättchen 17 im Detail dargestellt. Es besteht aus einer Schichtung mit einer positiven Elektrode 22^ einer p-Schicht 23, einer n-Schicht 24 und einer negativen Elektrode 25; bei Stromfluß durch die positive Elektrode

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22 und die negative Elektrode 25 werden Laserstrahlen L1 und L2 in entgegengesetzten Richtungen ausgesandt. Die positive Elektrode 22 ist elektrisch mit dem oberen Ende 2o der Leitung verbunden, die ihrerseits mit dem positiven Anschluß einer Stromversorgung verbunden ist, während die negative Elektrode 25 mit der Basis 15 elektrisch verbunden ist, die ihrerseits durch die Basis 12 und die Befestigungsschraube 18 hindurch mit dem negativen Anschluß der Stromversorgung verbunden ist (siehe Figur 2).

Gemäß Figur 2 ist weiterhin ein üblicher Wärmefühler oder ein thermoelektrisches Element 26, wie ein Thermistor oder Thermoelement, an der horizontalen Fläche 13 der Basis 12 in enger Wärmeberührung zu dieser und an das Halbleiterlaserplättchen 17 angrenzend befestigt. Da das Halbleiterlaserplättchen 17 und der Wärmefühler 26 auf derselben Basis befestigt sind (die Basen 12 und 15 können als eine Einheit angesehen werden), ist der Wärmefühler 26 gegenüber der durch die Basen 12 und 15 übertragenen oder dort verbrauchten Wärme ausreichend empfindlich, so daß der Wärmefühler 26 mit dem Halbleiterlaserplättchen 17 nicht in enger, physikalischer Berührung stehen muß. Mit anderen Worten, es ist ausreichend, den Wärmefühler 26 in Wärmekontakt mit dem Halbleiterlaserplättchen 17 zu bringen. Der Wärmefühler 26 erfaßt die Temperatur des Halbleiterlaserplättchens 17.

Gemäß Figur 2 ist weiterhin eine Kappe 12-1 aus Metall oder einer Legierung gezeigt, die einen Flansch 12-2 aufweist, der wiederum an einen Flansch 12-3 angeschweißt ist, der seinerseits mit der Basis 12 in einem Stück ausgebildet ist, so daß die Basis 15, das Halbleiterlaserplättchen 17 und der Wärmefühler 26 luftdicht abgeschlossen sind. Die Kappe 12-1 weist weiterhin transparente Fenster 12-4 und 12-5 aus Glas oder ähnlichem Material auf, durch welche die Laserstrahlen L1 und L2 hindurchtreten können.

In der modifizierten Ausführung von Figur 4- A und 4-B weist der anhand der Figuren 2 und 3 beschriebene Laser weiterhin eine

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den Peltiereffekt ausnützende Kühlanordnung (eine Temperatursteuereinrichtung) und einen Radiator auf.

Auf bekannte Weise besteht die Peltier-Kühlanordnung 27 aus einer Schicht 28 mit Peltiereffekt, einer oberen Metallplatte 29, die an der oberen Haupt - Oberfläche der Peltiereffekt-Schicht 28 befestigt ist und sowohl als Elektrode als auch als Kühlplatte (oder wärmeabsorbierender Abschnitt) dient, und eine untere Metallplatte 3o, die mit der unteren Haupt - Oberfläche der Peltiereffekt-Schicht 28 verbunden ist und sowohl als Elektrode als auch als wärmeabstrahlende Platte (oder Wärmeabstrahlungsabschnitt) dient, wobei die obere Metallplatte 29 und die untere Metallplatte 3o mit Isolierschichten 31 bzw. 32 überzogen sind.

Über der Isolierschicht 31 ist eine Metallplatte 33 angeordnet, die an ihrer Unterseite eine Nut oder einen Schlitz 3^ aufweist. Durch diese Metallplatte 33 ist eine senkrechte Durchgangsöffnung 35 gebohrt oder auf andere Weise gebildet ,die unten in der Mitte zwischen den Enden der Nut oder des Schlitzes 34"nündet. In die senkrechte Durchgangsöffnung 35 ist die Befestigungsschraube 18 des Halbleiterlasers 11 eingefügt und durch eine Mutter 36 derart in ihrer Stellung festgehalten, daß die Metallbasis 12 des Halbleiterlasers 11 in sehr enge Berührung mit der oberen Fläche der Metallplatte 33 gebracht

i st. Wenn daher die Kühlplatte 29 der Peltiereffekt-Kühlanordnung 27 gekühlt wird, so kann die vom Halbleiterlaserplättchen 17 verbrauchte Wärme durch die Metallbasis 12 und die Metallplatte 13 hindurch durch die Kühlplatte 29 wirksam absorbiert werden. Über der unteren Isolierschicht 32 ist eine Metallplatte 37 aus Metall wie reinem Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit angeordnet, mit der ein Rippenradiator 38 verbunden ist.

Bei der in den Figuren 4 A und 4- B gezeigten Modifikation kann die vom Halbleiterlaserplättchen 17 verbrauchte bzw. abgeführte Wärme wirkungsvoll absorbiert und durch den Rippenradiator 38 ebenso wirkungsvoll abgestrahlt werden.

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Durch einen zusätzlichen Schaltkreis gemäß Figur 5 kann die Lichtstärke des vom beschriebenen Halbleiterlaser ausgesandten Lichtes genauer gesteuert bzw. kontrolliert werden. Um die Lichtstärke des Laserstrahles L2 festzustellen, wird ein fotoelektrischer Wandler 39 wie eine Fotodiode oder ein Fototransistor vorgesehen, dessen Ausgangssignal einer Stromsteuerung 4o zugeführt wird. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Wandlers 39 erzeugt die Stromsteuerung 4o ein Signal, das über einen Signalweg 41 dem Halbleiterlaserplattchen 17 zugeführt wird, so daß die Lichtstärke des ausgesandten Laserstrahles gleichförmig bleibt.

In Figur 6 ist der Schaltkreis für die Stromsteuerung im Detail dargestellt. Das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers 39 wird Anschlüssen 42 und 43 zugeführt und dann an einen Invertereingang 45 eines Operationsverstärkers 44 angelegt. Eine in einem Potentiometer 47 erzeugte Bezugsspannung wird einem Nichtinvertereingang 46 des Operationsverstärkers 44 zugeführt. Man geht dabei von einem fotoelektrischen Wandler 39 aus, dessen Ausgangsspannung mit höherer Lichtstärke des Laserstrahles zunimmt. Damit nimmt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 44 mit wachsender Lichtstärke des ausgesandten Laserstrahles des Halbleiterlaserplättchens 17 ab und mit Abnahme der Lichtstärke des Laserstrahles zu. Auf diese Weise wird die Lichtstärke des Laserstrahles stets auf gleicher Höhe gehalten.

Gemäß Figur 5 ist das Ausgangssignal des Wärmefühlers 26 einer Antriebseinrichtung 48 für die Kühlung zugeführt, die die PeI-tiereffekt-Kühlanordnung 27 antreibt.

Die Antriebseinrichtung für die Kühlung 48 ist in Figur 7 im Detail dargestellt. Das Ausgangssignal des Wärmefühlers 26 wird Anschlüssen 49 und 5o zugeführt und damit einem Nichtinvertereingang 52 eines Operationsverstärkers 51· Eine in einem Potentiometer 54 erzeugte Bezugsspannung wird einem Invertereingang 53 des Operationsverstärkers 51 zugeführt.

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Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 51 wird einem Itelais 55 zugeführt.· Wenn dem Relais 55 Energie zugeführt wird, so ist sein Arbeitskontakt 56 geschlossen, so daß eine Energieversorgung 57 mit der Peltiereffekt-Kühlanordnung 27 verbunden ist.

Man geht davon aus, daß die Ausgangsspannung des Wärmefühlers

26 mit einem Temperaturanstieg des Laserplättchens 17 zunimmt. Damit nimmt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 51 mit einem Anstieg der Temperatur des Halbleiterplättchens 17 zu, so daß das Relais 55 unter Energie gesetzt wird, um den Kontakt 56 zu schließen. Als Folge davon wird die Kühlanordnung 27 angetrieben, um das Halbleiterlaserplattchen 17 zu kühlen. Wenn die Temperatur des Halbleiterlaserplättchens 17 auf die oben beschriebene Art gekühlt ist, so fällt die Ausgangsspannung des Wärmefühlers 26 ab, so daß auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 51 abfällt. Als Folge davon wird das Relais 55 von der Energiezufuhr abgeschaltet, wobei sich der Relaiskontakt 56 öffnet, so daß die Energieversorgung 57 von der Kühlanordnung

27 abgetrennt wird.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 8 A bis 8 E sind das Halbleiterlaserplattchen, die Kühlanordnung bzv/. Kühleinheit und der Wärmefühler als Modul 6o zusammengefaßt.

Der Halbleiterlasermodul 6o enthält ein Wärmesenk- oder Abstrahlungsteil 61, das Befestigungsöffnungen 62 und 63 zum Befestigen an dem in Figur 4- A und 4- B gezeigten Rippenradiator aufweist.

Eine Peltiereffekt-Kühlanordnung 64- des oben anhand der Figur 4- A und 4- B beschriebenen Art ist am Wärmeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 befestigt. Insbesondere steht eine Metallplatte 66, die an der Unterseite einer Peltiereffekt-Schicht 65 angeordnet ist, über eine Isolierschicht 67 mit dem Wärmesenk- oder Abstrahlungsteil 61 in Berührung.

Eine obere Metallplatte 68, die über der Oberseite der Peltier-

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effekt-Schicht 65 liegt und sowohl als Elektrode als auch als Kühlplatte dient, steht durch eine Isolierschicht 69 mit einer Basis aus Metall wie reinem Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit in enger Berührung. Wie am besten aus Figur 8 B zu ersehen ist, weist die Basis 7o eine größere Fläche als die obere Metallplatte 68 auf und außerdem nach außen stehende Abschnitte 71, 12 und 73. In den nach außen stehenden Abschnitten 71 und 72 sind Durchgangsöffnungen 74 bzw. 75 vorgesehen (siehe Figur 8 D)₁ durch welche Schrauben 76 bzw. 77 eingeführt und mit mit Gewinde versehenen Öffnungen 78 bzw. 79 des Wärmeabstrahlungsteiles 61 verschraubt werden. Auf diese Weise sind die Basis 7o und die Kühlanordnung 64 fest mit dem Wärmeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 verbunden. Die Schrauben 76 und 77 sind vorzugsweise aus einem eektrisch isolierenden Material wie Plastik mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit hergestellt.

Wie am besten aus Figur 8 E zu ersehen ist, weist der nach außen vorstehende Abschnitt 73 der Basis 7o im Querschnitt die Form einer Messerkante auf, und ein darüber angeordnetes Halbleiterlaserplattchen 81 der weiter oben anhand der Figur 3 beschriebenen Art ist mit einem Ende der oberen Kante der nach unten und innen geneigten Fläche 8o des sich nach außen erstreckenden Abschnittes 73 der Basis 7o verbunden; außerdem ist eine der Elektroden des Halbleiterlaserplattchens 81 über einen Grenzschichtanschluß 81-1, der am anderen Ende der oberen Kante des nach außen sich erstreckenden Abschnittes 73 der Basis 7o angeordnet ist (wie am besten aus Figur 8 B zu ersehen istX mit einer weiter unten zu beschreibenden Leitung 88 verbunden. Wie am besten aus Figur 8 E zu ersehen ist, ist am Boden der Basis 7o zwischen der nach unten und innen geneigten Oberfläche 8o des sich nach außen erstreckenden Abschnittes 73 und der oberen Metallplatte 68 der Kühlanordnung 64 eine Aussparung 82 angeordnet; außerdem ist ein Thermistor (oder ein Wärmefühler) 83 in thermischem Kontakt mit der Basis 7o in diese Aussparung 82 eingebettet.

Unmittelbar unter dem Halbleiterlaserplattchen 81 an der Basis 7o ist eine Siliciumfotozelle (silicon blue cell) oder ein

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Lichtfühler 84- derart angeordnet, daß der vom Halbleiterlaserplattchen 81 ausgesandte Laserstrahl auf den Lichtfühler bzw. die Zelle 84 auffällt (siehe Figur 8 E). Der Lichtfühler bzw. die Zelle 84, die die Lichtstärke des Laserstrahles L2 angibt, kann auf dem Wärraeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 mit einem dazwischengelegten Wärmeisolierteil befestigt werden.

Wie aus Figur 8 A zu ersehen ist, sind diese Komponenten mit einer Metallkappe 86 luftdicht abgedichtet, die ein transparentes Fenster 85 aufweist, durch welches der vom Halbleiterlaserplattchen 81 ausgesandte Laserstrahl L1 ausgesandt wird. Der Flansch 87 der Kappe 86 ist mit dem Wärmeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 verlötet.

Für die elektrische Verbindung mit der Kühlanordnung 64, dem Halbleiterlaserplattchen 81, dem Thermistor 83 und dem Lichtfühler 84 erstrecken sich die Leitungen oder Stifte 88 durch Öffnungen 89 hindurch, die im Wärmeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 vorgesehen und von dieser elektrisch isoliert sowie durch Isolierungs- und Abdichtteile 90, die in die Öffnungen 89 eingepaßt werden, luftdicht abgedichtet sind (siehe Figur 8 C und

Die innere Oberfläche der Metallkappe 86 ist mit Ausnahme der Durchgänge für den Laserstrahl mit thermisch isolierenden Teilen 91 ausgekleidet. Das bedeutet, daß die isolierenden Teile 91 nicht im optischen Weg des Laserstrahles L1 zwischen dem Halbleiterlaserplattchen 81 und dem transparenten Fenster 85 der Kappe 86 sowie in einem optischen Weg für den Laserstrahl L2 zwischen Halbleiterplättchen 81 und dem Lichtfühler oder der Zelle 84 angeordnet sind.

Das Halbleiterlaserplattchen 81 ist eng mit dem isolierenden Teil 91 umgeben, das gleichzeitig als Lichtabschirmteil dient, so daß das durch das Fenster 85 der Kappe 86 auf das Halbleiterlaserplattchen 81 auffallende Außenlicht verringert wird; das heißt also, das Isolierteil dient zur Minimierung einer Öffnung oder Apertur bzw. Blende 92.

Der luftdicht abgeschlossene Raum innerhalb der Kappe 86 kann

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evakuiert oder mit trockenem Stickstoffgas aufgefüllt werden, so daß der Betrieb des Halbleiterlaserplättchens 81 in einer stabilen Atmosphäre stattfinden kann. Außerdem kann der oben anhnnd der Figuren 5, 6 und 7 beschriebene zusätzliche Schaltkreis über die Zuleitungen 88 mit dem Halbleiterlasermodul 6o verbunden werden. Das bedeutet, daß die Stromsteuerung 4o durch die Zuleitung 88 mit dem Halbleiterlaserplattchen 81 verbunden ist, während die Antriebseinrichtung 48 für die Kühlung durch die Leitung 88 mit der Kühlanordnung 64 verbunden ist.

Da der Lichtfühler 84 im luftdicht abgeschlossenen Raum angeordnet ist, wird er nur schwer durch die Umgebungstemperatur ungünstig beeinflußt. Außerdem ist der Lichtfühler 84 in der gekühlten Atmosphäre angeordnet, weil die Wärme von dem Wärraeabsenk- oder Abstrahlungsteil 61 an die Umgebungsatmosphäre abgeführt wird. Auf diese Weise wird ein bemerkenswerter stabiler Betrieb des Halbleiterlasermoduls ermöglicht.

Beim dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß Figur 9 und 1o ist die Erfassungseinrichtung zum Feststellen der Lichtstärke ebenfalls so angeordnet, daß sie auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden kann. Das bedeutet, daß diese Einrichtung ebenfalls auf einer Basis angeordnet ist, auf welcher ein Halbleiterlaserplattchen angeordnet ist, und diese Basis bzw. dieses Wärmeabsenk- oder Wärmeabstrahlungsteil ist so gesteuert, daß es eine vorbestimmte Temperatur aufrecht erhält. Auf diese Weise wird die Erfassungseinrichtung für die Lichtintensität ebenfalls in geeigneter Weise bezüglich ihrer Temperatur gesteuert.

Gemäß Figur 9 sind die Komponenten des Halbleiterlasermoduls in einem Metallbecher-Integrierschaltuncjs - Gehäuse (IC case)eingekapselt; der Einfachheit halber sind die Zuleitungen für diese Komponenten nicht dargestellt.

Das Metallbecher-Gehäuse ist allgemein mit dem Bezugszeichen 95 bezeichnet; es enthält eine Basis 96 aus Metall und einen zylindrischen Abschnitt 97» der in einem Stück mit der

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Basis 96 ausgebildet ist bzw. zu einem Stück zusammengefaßt ist. Das offene Ende des zylindrischen Abschnittes 97 ist luftdicht mit einer Glasscheibe 98 verschlossen, so daß durch die Basis 96, den zylindrischen Abschnitt 97 und die Glasscheibe oder -Kappe 98 ein hermetisch abgedichteter Raum gebildet wird.

Innerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes ist ein halbzylindrischer Metallblock 99 auf der Basis 96 befestigt, wobei die kurvenförmige Umfangsfläche des Metallblockes in sehr enger Berührung mit der inneren Oberfläche des zylindrischen Abschnittes 97 steht. Alternativ kann der Metallblock 99 zusammen mit der Basis 96 und dem zylindrischen Abschnitt 97 gebildet werden.

Eine allgemein mit I00 bezeichnete Kühlanordnung enthält PeI-tiereffekt-Elemente Ιοί, die schichtweise zwischen einer Wärmestrahlungsendplatte 1o2 und einer wärmeabsorbierenden Endplatte 1o3 angeordnet sind; die Kühlanordnung loo ist auf der Basis 96 befestigt, wobei die Wärmestrahlungsendplatte 1o2 in sehr enger Berührung mit der senkrechten ebenen Oberfläche des halbzylindrischen Metallblockes 99 steht.

Während des Betriebes der Kühlanordnung "loo wird die Wärraestrahlungsendplatte 1o2 aufgeheizt, und die Wärme wird durch den Metallblock 99, den zylindrischen Abschnitt 97 und die Basis 96 an die Umgebungsatmosphäre abgeführt.

Ein Halbleiterlaserplättchen 104- der oben in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen Art wird auf der Wärmeabsorptions- oder Kühlendplatte 1o3 auf solche Weise befestigt, daß der aus dem Plättchen ausgesandte Laserstrahl L1 gegen die abdichtende Glasscheibe 98 gelenkt werden kann, während der Laserstrahl L2 gegen eine Fotodiode oder einen Lichtfühler 1o5 gelenkt werden kann und darauf auffällt, wobei diese Fotodiode oder dieser Lichtfühler 1o5 ebenfalls auf der Kühlendplatte I03 befestigt ist.

Ebenfalls ist ein Temperaturfühler I06 wie ein Thermistor auf der Kühlendplatte 1o3 befestigt. Es ist von Wichtigkeit, daß

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das Halbleiterlaserplattchen 1ο4·, der Lichtfühler 1o5 und der Temperaturfühler 1o6 in engem Wärmekontakt mit der Kühlendplatte 1o3 stehen. Diese Bauelemente stehen somit unter gleichen thermischen Bedingungen.

Zur elektrischen Verbindung mit diesen Komponenten 1o4, 1o5 und 1o6 weist die Basis 96 Stifte 1o7 auf, wobei die Leitungen zum Verbinden des Halbleiterplättchens 1o4, des Lichtfühlers 1o5, des Temperaturfühlers 1o6 und diese Stifte 1o7 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind.

In Figur 1o ist ein Steuerkreis zum Steuern des Halbleiterlasermoduls von Figur 9 dargestellt. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtfühlers 1o5 steuert eine Lichtstärkesteuerung 1o8 eine Energieversorgung für das Halbleiterlaserplattchen 1o4 auf derartige Weise, daß die Lichtstärke des Laserstrahles L1 und L2 stets konstant gehalten wird. Der Steuerkreis 1o8 ist im wesentlichen von ähnlicher Bauart wie die Stromsteuerung 4-0, die in Verbindung mit Figur 5 beschrieben wurde. In Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Temperatursensors 1o6 steuert eine Temperatursteuerung 1o9 die Kühlanordnung 1oo auf derartige Weise, daß die Kühlendplatte stets auf einer gleichen Temperatur gehalten werden. Der Steuerkreis 1o9 ist im wesentlichen von ähnlicher Konstruktion wie die Antriebseinrichtung für die Kühlung, die weiter oben anhand der Figuren 5 und 7 beschrieben wurde.

Mit dem beschriebenen Halbleiterlasermodul kann die Lichtstärke bzw. Strahlungsstärke bzw. Intensität des Laserstrahles L1 stets auf der gleichen Höhe gehalten v/erden, unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur und unabhängig von Alterungsproblemen. Da das Halbleiterlaserplattchen, der Lichtfühler und der Temperaturfühler auf der gleichen Kühlendplatte der Kühlanordnung befestigt sind, kann der Halbleiterlasermodul mit einer höheren Genauigkeit gesteuert werden.

Anstelle des dargestellten IS-Gehäuses 95 in Form eines Metallbechers kann jedes geeignete Gehäuse verwendet werden, die Verwendung des Gehäuses 95 weist jedoch insofern Vorteile auf,

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als die gesamte Umgebungsoberfläche des Gehäuses als Wärmeabctrahlungsoberflache benutzt werden kann. Darüberhinaus ist es vorteilhaft, das Gehäuse 95 zu evakuieren, so daß eine Oberkühlung der Glasscheibe 98 und damit eine Kondensation von Wasser auf dieser Scheibe vermieden werden kann.

Bis jetzt wurde die Temperatursteuereinrichtung als Peltiereffektelement beschrieben; selbstverständlich kann auch dafür jede andere geeignete Temperatursteuereinrichtung verwendet werden. Darüberhinaus kann auch eine Erwärmung vorgesehen werden, um eine konstante Temperatur des Halbleiterlasermoduls zu gewährleisten.

Bei Wahl der Wellenlänge des Laserstrahles im Infrarotbereich ändert sich die Empfindlichkeit der Temperaturerfassung der Lichtstärke-Erfassungseinrichtung über einen weiten Bereich, abhängig von der Umgebungstemperatur; gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Temperatur der Lichtstärkeerfassungseinrichtung konstant gehalten werden, so daß die Lichtstärke des Laserstrahles stets auf zuverlässige Weise und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung auf einen Modul, bei dem ein Halbleiterlaser und ein Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur des Lasers auf einem Wärmeableitteil bzw. einer Basis befestigt und luftdicht abgeschlossen sind. In einer Ausführungsform ist das Wärraeableitteil bzw. die Basis auf einer Temperatursteuerungseinrichtung befestigt, die ihrerseits in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Temperaturfühlers elektrisch gesteuert wird. In einer anderen Ausführungsform wird ein Lichtstärkefühler für den Laserstrahl, dessen Ausgangssignal sich über einen weiten Bereich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert, ebenfalls temperaturgesteuert, so daß der Halbleiterlaser-Modul mit einer höheren Genauigkeit gesteuert werden kann.

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Claims

Patentansprüche

C 1JHalbleiterlasermodul, gekennzeichnet durch einen Halbleiterlaser (1?)» der in Abhängigkeit vom Strom einen Laserstrahl (L1, L2) aussendet, dessen Lichtstärke oder Intensität von der Temperatur abhängt,

irif Basis (15) aus Metall, auf der der Halbleiterlaser ( '' in öligem Wärmekontakt befestigt ist, einen Temperaturfühler (26), der auf der Basis (15) in engem Wärmekontakt zum Erfassen der Temperatur des Halbleiterlasers ('7) befestigt ist,

eine Abdichteinrichtung (12-1), die einen luftdicht abgeschlossenen Raum bildet, in welchem wenigstens der Halbleiterlaser (17) und der Temperaturfühler (26) angeordnet sind, und

eine Laserstrahl-Übertragungseinrichtung zum Übertragen des vom Laser (11, 17) ausgesandten Laserstrahles aus dem durch die Abdichteinrichtung (12-1) gebildeten, luftdicht abgedichteten Raum heraus .

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2. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Temperatursteuereinrichtung (4-8) zum Kühlen der Basis (15).
3. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtung (48) außerhalb des durch die Abdichteinrichtung (12-1) gebildeten luftdicht abgeschlossenen Raum angeordnet ist.
4. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtung (48) innerhalb des durch die Abdichteinrichtung (12-1) gebildeten, luftdicht abgeschlossenen Raum angeordnet ist.
5. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichteinrichtung (12-1) den luftdicht abgeschlossenen Raum auf eine derartige Weise bildet, daß wenigstens ein Abschnitt der Basis (15) außerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes ist.
6. Halbleiterlasermodul, gekennzeichnet durch eine Warmeabstrahlungseinrichtung (61), eine Abdichteinrichtung (86), die in engem Kontakt mit der Warmeabstrahlungseinrichtung (61) steht, um im Zusammenwirken mit der Warmeabstrahlungseinrichtung (61) einen luftdicht abgeschlossenen Raum zu bilden,
eine innerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes angeordnete Basis (7o),

einen Halbleiterlaser (81), der im Ansprechen auf einen Strom einen Laserstrahl aussendet, Jessen Lichtstärke von der Temperatur abhängt, wobei der Halbleiterlaser (81) an einem Abschnitt der Basis (7o) innerhalb des abgedichteten Raumes befestigt ist,

eine Temperatursteuereinrichtung mit einem Wärmeabsorptionsabschnitt (68), der in enger Berührung mit der Basis (7o)steht und einem Wärmeableitabschnitt (66), der in enger Berührung mit der Warmeabstrahlungseinrichtung (61) steht, eine Laserstrahl-Übertragungseinrichtung (85) wenigstens an ei-

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- 3 nem Abschnitt der Abdichteinrichtung (86) zum übertragen des vom Halbleiterlaser (81) avrsgesandten Laserstrahles (L1) aus der Abdichteinrichtung (86) heraus, und einen Temperatürfühler (83), der an der Basis (7O) in enger Wärmeberührung mit dieser befestigt ist, um die Temperatur der Basis (7O) zu erfassen.
7. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (91) zwischen Basis (70) und Abdichteinrichtung (86) innerhalb des durch die Abdichteinrichtung (86) gebildeten, luftdicht abgeschlossenen Raumes.
8. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Befestigungseinrichtung (74-79) zum Befestigen der Basis (70) auf der Wärmeabstrahlungseinrichtung (61) über die Temperatursteuereinrichtung.
9. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (83) in einer in der Basis (70) gebildeten Ausnehmung (82) sitzt.
10. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (81) an einer Vorderkante eines Abschnittes (73) der Basis (70) befestigt ist, der über den Wärmeabsorptionsabschnitt (68) der Temperatursteuerungseinrichtung hinausragt.
11. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (83) ebenfalls an der Vorderkante des Abschnittes (73) der Basis (70) befestigt ist, der über den Wärmeabsorptionsabschnitt (68) der Temperatursteuereinrichtung hinausragt.
12. Halbleiterlasermodul, gekennzeichnet durch einen Halbleiterlaser (17), der in Abhängigkeit vom Strom einen Laserstrahl (L1) aussendet, dessen Lichtstärke von der Temperatur abhängt, eine Basis (12,15) aus Metall für die Aufnahme des Halbleiterlasers (17) in sehr engem Wärmekontakt,einen Temperaturfühler (26), der auf der Basis (12,15) in engem Wärmekontakt befestigt ist, um die Temperatur des Halbleiterlasers (17) festzustellen, eine Abdichteinrichtung (12-1) für das luftdichte Abschließen we-g 09810/0702

nigstens des Halbleiterlasers (17) und das Temperaturfühlers (26).

eine Laserstrahl-Ubertragungseinrichtung (12-5) zum Übertragen des Laserstrahles (L1) von dem Halbleiterlaser (17), der in dem durch die Abdichteinrichtung (12-1) gebildeten, luftdicht abgeschlossenen Raum angeordnet ist, aus der Abdichteinrichtung heraus,

eine Temperatursteuereinrichtung (27) außerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes, der durch die Abdichteinrichtung (12-1) gebildet ist, zum Kühlen der Basis (12 15), und eine Antriebseinrichtung (48), die auf ein Ausgangssignal des Temperaturfühlers (26) anspricht, um die Temperatursteuereinrichtung (27) in Betrieb zu setzen.
13. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallplatte (33) in enger Berührung mit der Basis (12, 15) gehalten ist, und die Temperatursteuereinrichtung (27) einen Wärmeabsorptionsabschnitt (29) und einen Wärmeableitabschnitt

(30) aufweist, wobei der Wärmeabsorptionsabschnitt (29) in sehr enger Berührung mit der Metallplatte (33) steht, so daß der Halbleiterlaser (17) gekühlt wird.
14. Halbleiterlasermodul nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Wärmeabstrahlungseinrichtung (37,38), die in sehr enger Berührung mit dem Wärmeableitabschnitt (30) der Temperatursteuereinrichtung steht.
15. Halbleiterlasermodul, gekennzeichnet durch

einen Halbleiterlaser (104), der in Abhängigkeit vom Strom zwei Laserstrahlen (L1,L2) aussendet, deren Lichtstärke von der Temperatur abhängt, wobei die zwei Laserstrahlen (L1,L2) in entgegengesetzte Richtungen ausgesandt werden, eine Basis (103) aus Metall zur Aufnahme des Halbleiterlasers (104) in enger Wärmeberührung,

ein Temperaturfühler (106), der auf der Basis in sehr enger Wärmeberührung befestigt ist, um die Temperatur des Halbleiterlasers (104) zu messen,

eine Abdichteinrichtung (96-98) für das luftdichte Abschließen wenigstens des Halbleiterlasers (104) und des Temperaturfühlers

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eine Laserstrahl-Übertragungseinrichtung (98) zum Übertragen eines Laserstrahles (L1) der vom Halbleiterlaser (1o4) ausgesendeten Laserstrahlen aus dem luftdicht abgeschlossenen, durch die Abdicht einrichtung (9?) gebildeten Raum, in dem der Las.er (104) angeordnet ist, aus der Abdichteinrichtung(96-98)heraus und

eine Laserstrahl-Empfangseinrichtung (1o5), die auf der Basis in dem luftdicht abgeschlossenen Raum, der durch die Abdichteinrichtung (97) gebildet ist befestigt ist, um den anderen Laserstrahl (L2)der vom Halbleiterlaser ( 1o4) ausgesandten Laserstrahlen zuempfangen.
16.HalblfeiterlasernDduinach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine innerhalb des durch die Abdichteinrichtung (97) gebildeten, luftdicht abgeschlossenen Raumes angebrachte Temperatursteuerungseinrichtung (100) zum Kühlen der Basis (103).
17. Halbleiterlasermodul, gekennzeichnet durch eine Wärmeabstrahlungseinrichtung (61), eine Abdichteinrichtung (86), die in sehr enger Berührung mit der Wärmeabstrahlungseinrichtung (61) steht und zusammen mit der Wärmeabstrahlungseinrichtung einen luftdicht abgeschlossenen Raum zu bilden,

einen Halbleiterlaser (81), der in Abhängigkeit vom Strom Laserstrahlen(^L1, L2) in entgegengesetzte Richtungen aussendet, wobei die Lichtstärke der Laserstrahlen von der Temperatur abhängt und der Halbleiterlaser (81) an einem Abschnitt einer Basis (7o) innerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes befestigt ist,

eine Temperatursteuereinrichtung (65)mit einem Wärmeabsorptionsabschnitt (68), der in sehr enger Berührung mit der Basis (7o)steht und einem Wärmeableitabschnitt (66), der in sehr enger Berührung mit der Wärmeabstrahlungseinrichtung (61) steht, eine Laserstrahlübertragungseinrichtung (85) wenigstens an einem Abschnitt der Abdichteinrichtung (86) zum Übertragen eines (L1) der Laserstrahlen, die vom Halbleiterlaser (81) ausgesandt werden, aus der Abdichteinrichtung (86) heraus

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eine Laserempfangseinrichtung (84-) innerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes zum Empfang des anderen Laserstrahles (L2), der vom Halbleiterlaser (81) in die Richtung entgegengesetzt der Richtung des ersten Laserstrahles (L1) ausgesendet wird, und eine Temperaturfühlereinrichtung (8^), die innerhalb des luftdicht abgeschlossenen Raumes befestigt ist und in sehr enger Berührung mit der Basis (7o) steht.
18. Halbleiterlaserraodul nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Lichtabschirmeinrichtung (91) zur Minimierung des Lichtes, das von außen durch die Laserstrahlübertragungseinrichtung (85) auf die Laserempfangseinrichtung (84) auffällt, die in dem luftdicht abgeschlossenen Raum angeordnet ist.

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