JP2000111764A - 発光素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱効率の高い発光素子モジュールを提供す
る。 【解決手段】 発光素子モジュール１０は、半導体発光
素子１４と、回折格子が内蔵された光ファイバ１４とを
備えて構成されている。半導体発光素子１２は、台座２
２を介して支持基板２４に固定されており、支持基板２
４の下部には、ペルチェ素子２８が設けられている。光
ファイバ１４の先端部分にはフェルール３２が設けら
れ、フェルール３２が挿入孔３４ａに挿入された下部リ
ング３４を支持基板２４に固定することで、半導体発光
素子１４に対する光ファイバ１４の先端の位置決めが行
われる。ここで、下部リング３４の挿入孔３４ａの壁面
と、挿入孔３４ａに挿入されたフェルール３２の外壁と
の間隙には、空気と比較して熱伝導率の大きい熱伝導物
質である半田４０が注入されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子と、回折
格子が内蔵された光ファイバとを備えて構成され、発光
素子と回折格子との間で共振器を構成する発光素子モジ
ュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発光素子と、回折格子が内蔵された光フ
ァイバとを備えて構成される発光素子モジュールは、例
えば、光通信分野における信号用光源や光ファイバ増幅
器の励起用光源として広く用いられている。

【０００３】かかる発光素子モジュールは、例えば特開
平９−２４６６４５号公報に記載されているように、半
導体発光素子の一方の端面（光出射端面）に、回折格子
が内蔵された光ファイバの先端を対向させて配置した構
成となっており、半導体発光素子の他方の端面と光ファ
イバ内の回折格子との間で共振器を構成し、レーザ光を
発するものである。

【０００４】また、上記半導体発光素子の光出射端面と
光ファイバの先端とを対向させるには、例えば米国特許
４８６５４１０号公報に記載されているような構成が採
用される。すなわち、半導体発光素子をハウジング内に
設けられた台座上に固定するとともに、光ファイバの先
端部分に設けられたフェルールをワッシャに挿入して固
定し、当該ワッシャをハウジングに固定することで、半
導体発光素子に対する光ファイバ先端の位置決めが行わ
れる。尚、フェルールとハウジングとを直接固定しない
のは、半導体発光素子に対する光ファイバ先端の位置の
微調整を可能とするためで、フェルールとワッシャ、及
び、ワッシャとハウジングとは、数点をスポット溶接す
ることによって固定される。

【０００５】また、上記発光素子モジュールにおいて
は、半導体発光素子と光ファイバ内のの回折格子との間
でレーザ光を発振させるため、当該光ファイバの先端部
分の発熱が大きく、この発熱によってフェルールの温度
も上昇する。そこで、これらの温度上昇を効果的に防止
すべく、ハウジングに接して冷却素子が設けられてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、上記発光
素子モジュールは、半導体発光素子に対する光ファイバ
先端の位置の微調整を可能とするため、スポット溶接に
よりフェルールをワッシャに固定し、また、ワッシャを
ハウジングに固定している。従って、ワッシャとフェル
ールとの間、より具体的には、ワッシャのフェルール挿
入孔の壁面と、ワッシャに挿入されたフェルールの外壁
との間には空隙が生じていた。

【０００７】ここで、低出力のレーザ発振の場合であれ
ば、当該空隙に熱が放散し、あるいは冷却素子に熱が吸
収され、効果的な放熱が可能であるが、発光素子モジュ
ールのさらなる高出力化を考慮した場合は、放熱効率の
より一層の向上が望まれる。すなわち、回折格子の間
隔、光ファイバのコアの屈折率等の熱による変動を防止
して、実効共振器長や発振周波数の変動を回避する必要
がある。

【０００８】そこで、本発明は、放熱効率の高い発光素
子モジュールを提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の発光素子モジュールは、発光素子と、回折
格子が内蔵された光ファイバとを備えて構成され、発光
素子と回折格子との間で共振器を構成する発光素子モジ
ュールであって、発光素子を支持する支持部材と、光フ
ァイバの先端部分に設けられたフェルールと、フェルー
ルが挿入される挿入孔を有するとともに、支持部材に固
定することによって発光素子に対する光ファイバの先端
の位置決めを行う位置決め部材とを備え、挿入孔の壁面
と挿入孔に挿入されたフェルールの外壁との間隙に、空
気と比較して熱伝導率の大きい熱伝導物質が設けられて
いることを特徴としている。

【００１０】挿入孔の壁面と挿入孔に挿入されたフェル
ールの外壁との間隙に、空気と比較して熱伝導率の大き
い熱伝導物質を設けることで、光ファイバの先端部分で
発生し、フェルールに伝導した熱が、当該熱伝導物質を
介して効率よく位置決め部材、支持部材に伝導する。従
って、光ファイバの先端部分で発生した熱が、当該光フ
ァイバの先端部分あるいはフェルールの内部に蓄積され
ることが防止される。

【００１１】本発明の発光素子モジュールにおいては、
位置決め部材が平板形状となっていることを特徴として
も良い。

【００１２】位置決め部材を単純な平板形状とすること
で、位置決め操作が容易になるとともに、当該位置決め
部材の支持部材への固定も容易となる。

【００１３】本発明の発光素子モジュールにおいては、
位置決め部材が筒形状となっていることを特徴としても
よい。

【００１４】位置決め部材を筒形状とすることで、挿入
孔の壁面（筒形状の内壁）とフェルールの外壁とが重な
る部分の面積、すなわち熱伝導物質が設けられる部分の
面積が大きくなるため、光ファイバの先端部分で発生
し、フェルールに伝導した熱を、より効率よく、位置決
め部材、支持部材に伝導させることができる。

【００１５】本発明の発光素子モジュールは、支持部材
に接して冷却素子が設けられていることを特徴としても
よい。

【００１６】支持部材に接して冷却素子を設けること
で、位置決め部材、支持部材からの自然放熱のみなら
ず、冷却素子に熱を吸収させることができる。従って、
上記熱伝導物質と冷却素子との協働により、光ファイバ
の先端部分で発生し、フェルールに伝導した熱を、効率
よく除去することができる。

【００１７】本発明の発光素子モジュールは、熱伝導物
質が半田であることを特徴としてもよい。

【００１８】熱伝導物質として半田を用いることで、安
価に熱伝導物質を設けることができる。

【００１９】本発明の発光素子モジュールは、熱伝導物
質が樹脂であることを特徴としてもよい。

【００２０】熱伝導物質として樹脂を用いることによっ
ても、安価に熱伝導物質を設けることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る発光素子
モジュールについて、図面を参照して説明する。まず、
本実施形態に係る発光素子モジュールの構成について説
明する。図１は、本実施形態に係る発光素子モジュール
の一部切り欠き斜視図、図２は本実施形態に係る発光素
子モジュールの内部構造の断面図である。

【００２２】発光素子モジュール１０は、ハウジング１
１の内部に、半導体発光素子１４と、回折格子が内蔵さ
れた光ファイバ１４の一部とを内包して構成されてい
る。

【００２３】ハウジング１１はコバールによって形成さ
れており、直方体形状の本体部１６と、円筒形状の筒状
部１８とを接続することによって構成されている。ハウ
ジング１１の内部には、内包される半導体発光素子１４
その他の部品の酸化を防止すべく、不活性ガス（例えば
窒素ガス）が封入されている。また、ハウジング１１の
本体部１６の両側部には、半導体発光素子１４への駆動
電流の供給、後述のフォトダイオードの受光信号の取り
出し、などに用いられる外部リード２０が複数本設けら
れている。

【００２４】ハウジング１１内に内包される半導体発光
素子１２は、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層をＩｎＰか
らなるクラッド層で挟み込んで構成され、当該活性層に
電流を供給して反転分布を形成することで、誘導放出光
を発生させる発光素子である。ここで特に、半導体発光
素子１２においては、上記活性層の端部を含む両端面の
うち一方の端面（以下、光出射端面という）には反射率
を０．１〜１％程度とする低反射膜が形成され、他方の
端面（以下、光反射端面という）には、反射率を８５％
程度とする高反射膜が形成されている。

【００２５】半導体発光素子１２は、台座２２上に固定
されており、当該台座２２は、互いに垂直な第１の平板
部２４ａと第２の平板部２４ｂとからなるＬ型形状の支
持基板（支持部材）２４の当該第１の平板部２４ａ上に
固定されている。従って、半導体発光素子１２は、台座
２２を介して支持基板２４に支持されている。ここで、
台座２２はＣｕＷ、支持基板２４はコバールから形成さ
れており、半導体発光素子１２において発生した熱を効
果的に放出させることができるようになっている。

【００２６】支持基板２４の第２の平板部２４ｂ内であ
って、半導体発光素子１２の光出射端面に対向する部分
には、半導体発光素子１２の光出射端面から出射された
光を光ファイバ１４に導くための孔部２４ｃが設けられ
ている。また、半導体発光素子１２の光反射端面の後方
には、半導体発光素子１２によって発生した光の強度を
検出するフォトダイオード２６が、支持基板２４に固定
されて設けられている。フォトダイオード２６によって
検出された光の強度を半導体発光素子１２の駆動電流に
フィードバックすることで、半導体発光素子１２から発
する光の強度を一定にすることが可能となる。

【００２７】支持基板２４の下部には、ペルチェ素子
（冷却素子）２８が設けられており、支持基板２４の第
１の平板部２４ｂは、当該ペルチェ素子２８に接して固
定されている。ここで、ペルチェ素子とは、ペルチェ効
果による冷却能力を有する素子であり、ペルチェ素子２
８によって、半導体発光素子１２あるいは光ファイバ１
４から発する熱が効果的に除去される。また、ペルチェ
素子２８は、ハウジング１１の本体部１６の内壁に固定
されており、その結果、半導体発光素子１２、台座２
２、支持基板２４、フォトダイオード２６、ペルチェ素
子２８の各部品はハウジング１１に対して固定される。

【００２８】光ファイバ１４は、ハウジング１１の筒状
部１８に挿通され、略球状に研磨された先端を半導体発
光素子１２の光出射端面に対向させて設けられている。
光ファイバ１４の先端から後退した位置の内部（特にコ
アの部分）には、所定間隔を保って複数の回折格子３０
が形成されている。尚、回折格子３０の間隔は、出力さ
せるレーザ光の波長に応じて定められる。すなわち、出
力させるレーザ光の波長をλ、光ファイバ１４のコアの
屈折率をｎ、回折格子３０の間隔をｄとすると、 ２ｎｄ ＝ ｍλ （ｍは任意の整数） （１） を満たすように回折格子３０の間隔ｄが決定される。回
折格子３０を上記構成とすることで、半導体発光素子１
２の光反射端面と回折格子３０との間で共振器が構成さ
れ、波長λのレーザ光が発生する。

【００２９】光ファイバ１４の先端部分には、光ファイ
バ１４の当該先端部分を保護するためのフェルール３２
が設けられている。フェルール３２は、ステンレススチ
ール製の円筒形状容器であり、フェルール３２の内部に
光ファイバ１４の先端部分を挿入、固定することで、当
該光ファイバ１４の先端部分が衝撃等から保護される。

【００３０】フェルール３２の先端部（光ファイバ１４
の先端に近い方の端部）には、ドーナツ形状の下部リン
グ（位置決め部材）３４が設けられ、フェルール３２の
後端部には、同じくドーナツ形状の上部リング３６が設
けられ、さらに、下部リング３４と上部リング３６との
間には、フェルール３２を覆う円筒状のカップ３８が設
けられている。

【００３１】下部リング３４は、ステンレススチールか
ら形成され、円盤形状（平板形状）を有している。該円
盤形状の中央部には、フェルール３２の外径よりもわず
かに大きい径を有する挿入孔３４ａが形成されており、
フェルール３２の先端部が下部リング３４の挿入孔３４
ａに挿入されている。また、フェルール３２と下部リン
グ３４とは、複数点（例えば２点）をＹＡＧレーザ等を
用いてスポット溶接することによって固定されている。
さらに、上記各溶接点間の間隙、及び、下部リング３４
の挿入孔３４ａの壁面と挿入孔３４ａに挿入されたフェ
ルール３２の外壁との間隙には、空気（熱伝導率＝２６
×１０^-3Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較して熱伝導率の大きい熱伝
導物質である半田４０（ＳｎＰｂ；熱伝導率＝４９．８
Ｗ／ｍ・Ｋ）が注入されている。ここで、半田４０とし
ては低融点の半田を用いており、融点が１８３℃と比較
的低い。従って、挿入孔３４ａに挿入されたフェルール
３２の外壁との間隙に半田４０を注入する際は、フェル
ール３２と下部リング３４とをスポット溶接により固定
した後、当該間隙に溶融した半田４０を流し込めばよ
い。また、溶融した半田４０の流し込みを容易にすべ
く、下部リング３４の挿入孔３４ａの一方の縁部（半田
４０を注入する方の縁部）には、溝部３４ｂが形成され
ている。

【００３２】上部リング３６は、ステンレススチールか
ら形成され、下部リング３４と同様、円盤形状を有して
いる。該円盤形状の中央部には、フェルール３２の外径
よりもわずかに大きい径を有する挿入孔３６ａが形成さ
れており、フェルール３２の後端部が上部リング３６の
挿入孔３６ａに挿入されている。フェルール３２と上部
リング３６とは、複数点をスポット溶接することによっ
て固定されている。

【００３３】カップ３８は、ステンレススチールから形
成され、その開口部と下部リング３４の縁部とは、複数
点をスポット溶接することによって固定されている。ま
た、カップ３８の底部には、フェルール３２を挿通させ
る孔部が３８ａが形成されており、カップ３８の底部と
上部リング３６の縁部とは、複数点をスポット溶接する
ことによって固定されている。

【００３４】下部リング３４は、光ファイバ１４の先端
と半導体発光素子１２の光出射端面とが対向するように
位置決めされた状態で、複数点をスポット溶接すること
により、支持基板２４の第２の平板部２４ｂに固定され
る。

【００３５】尚、半導体発光素子１２の光出射端面に対
する光ファイバ１４の先端の位置決めは、より具体的に
は図３に示すような方法で行われる。すなわち、まず、
図３（ａ）に示すように、光ファイバ１４の先端部分に
設けられたフェルール３２の先端部を支持基板２４の孔
部２４ｃに挿入する。

【００３６】続いて、フェルール３２の先端部に下部リ
ング３４をはめ、半導体発光素子１２の光出射端面に対
する光ファイバ１４の先端のおおまかな位置決めを行っ
たあと、図３（ｂ）に示す如く、フェルール３２と下部
リング３４、下部リング３４と支持基板２４とを、それ
ぞれ図３（ｂ）中のＳ１，Ｓ２の箇所で、順次スポット
溶接により固定する。

【００３７】その後、カップ３８、上部リング３６をフ
ェルール３２にかぶせてカップ３８の開口部と下部リン
グ３４とを固定した後、フェルール３２と下部リング３
４との固定点を支点としてフェルール３２を動かすこと
で、半導体発光素子１２の光出射端面に対する光ファイ
バ１４の先端位置の微調整を行う。微調整が完了した
後、図３（ｃ）に示すように、フェルール３２と上部リ
ング３６、上部リング３６とカップ３８とを、それぞれ
図３（ｃ）中のＳ３，Ｓ４の箇所で、順次スポット溶接
により固定する。かかる方法により、半導体発光素子１
２の光出射端面に対する光ファイバ１４の先端の位置決
めが精度良く行われる。

【００３８】続いて、本実施形態に係る発光素子モジュ
ールの作用及び効果について説明する。本実施形態に係
る発光素子モジュール１０の如く、半導体発光素子１２
と、回折格子３０を内蔵した光ファイバ１４とを備え、
半導体発光素子１２の光反射端面と光ファイバ１４の内
部の回折格子３０との間の共振作用によりレーザ光を発
する発光素子モジュールにおいては、共振が発生する光
ファイバ１４の先端部分での発熱量が大きいため、この
熱を除去する必要がある。

【００３９】ここで、本実施形態に係る発光素子モジュ
ール１０は、下部リング３４の挿入孔３４ａの壁面と、
挿入孔３４ａに挿入されたフェルール３２の外壁との間
隙に半田４０を注入している。ここで、上述の如く、半
田４０の熱伝導率は空気の熱伝導率と比較して極めて大
きい（約２０００倍）。従って、下部リング３４の挿入
孔３４ａの壁面と、挿入孔３４ａに挿入されたフェルー
ル３２の外壁との間が空隙となっている場合と比較し
て、光ファイバ１４の先端部分で発生し、フェルール３
２に伝導した熱は、半田４０を介して効率よく下部リン
グ３４、支持基板２４に伝導する。従って、光ファイバ
１４の先端部分で発生した熱が、当該光ファイバ１４の
先端部分あるいはフェルール３２の内部に蓄積されるこ
とが防止される。その結果、本実施形態に係る発光素子
モジュール１０は、極めて放熱効率が高くなる。また、
支持基板２４に接してペルチェ素子２８を設けること
で、半田４０とペルチェ素子２８との協働により、より
放熱効率が高くなる。

【００４０】また、下部リング３４の挿入孔３４ａの壁
面と、挿入孔３４ａに挿入されたフェルール３２の外壁
との間隙に注入する熱伝導物質としては、空気よりも熱
伝導率の大きい物質であればよく、半田の他に、ガスを
放出しない接着剤（樹脂）などを用いても良い。ただ
し、特に、半田４０を用いることで、極めて安価に、下
部リング３４の挿入孔３４ａの壁面と、挿入孔３４ａに
挿入されたフェルール３２の外壁との間隙を熱伝導物質
で埋めることが可能となる。

【００４１】また、本実施形態に係る発光素子モジュー
ル１０においては、下部リング３４の挿入孔３４ａの一
方の縁部に溝部３４ｂが形成されているため、溶融した
半田４０の流し込みが容易となる。

【００４２】さらに、本実施形態に係る発光素子モジュ
ール１０においては、下部リング３４が単純な円盤形状
になっている。従って、下部リング３４の位置決め操
作、あるいは、支持基板２４への固定等が極めて容易と
なる。

【００４３】続いて、上記実施形態に係る発光素子モジ
ュールの変形例について説明する。図４は、本変形例に
係る発光素子モジュールの内部構造の断面図である。本
変形例に係る発光素子モジュールが、上記実施形態に係
る発光素子モジュール１０と異なる点は、上記実施形態
に係る発光素子モジュール１０においては下部リング３
４が円盤形状をしていたのに対して、本変形例に係る発
光素子モジュールにおいては、下部リング３４が円筒形
状（筒形状）となっている点である。

【００４４】下部リング３４を円筒形状として当該円筒
の内部（挿入孔）にフェルール３２を挿入し、当該円筒
の内壁と円筒の内部に挿入されたフェルール３２の外壁
との間隙に半田４０を注入することで、半田４０が設け
られる部分の面積が大きくなる。従って、光ファイバ１
４の先端部分で発生し、フェルール３２に伝導した熱
を、より効率よく、下部リング３４、支持基板２４に伝
導させることができる。その結果、放熱効率の極めて高
い発光素子モジュールが実現する。

【００４５】

【発明の効果】本発明の発光素子モジュールは、挿入孔
の壁面と挿入孔に挿入されたフェルールの外壁との間隙
に、空気と比較して熱伝導率の大きい熱伝導物質を設け
ることで、光ファイバの先端部分で発生し、フェルール
に伝導した熱を、当該熱伝導物質を介して効率よく位置
決め部材、支持部材に伝導させ、放出させることが可能
となる。その結果、放熱効率の高い発光素子モジュール
が実現する。

【００４６】また、本発明の発光素子モジュールにおい
ては、位置決め部材を単純な平板形状とすることで、位
置決め操作、支持部材への固定を極めて容易に行うこと
ができる。

【００４７】本発明の発光素子モジュールにおいては、
位置決め部材を筒形状とすることで、熱伝導物質が設け
られる部分の面積を大きくし、放熱効率をさらに高める
ことが可能となる。

【００４８】また、本発明の発光素子モジュールにおい
ては、支持部材に接して冷却素子を設けることで、位置
決め部材、支持部材からの自然放熱のみならず、冷却素
子に熱を吸収させることができる。従って、上記熱伝導
物質と当該冷却素子との協働により、極めて放熱効率の
高い発光素子モジュールが実現する。

【００４９】さらに、本発明の発光素子モジュールにお
いては、熱伝導物質として半田を用いることで、極めて
安価に構成することがができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発光素子モジュールの一部切り欠き斜視図であ
る。

【図２】発光素子モジュールの内部構造の断面図であ
る。

【図３】半導体発光素子の光出射端面に対する光ファイ
バの先端の位置決め方法を示す説明図である。

【図４】発光素子モジュールの内部構造の断面図であ
る。

【符号の説明】

１０…発光素子モジュール、１１…ハウジング、１２…
半導体発光素子、１４…光ファイバ、１６…本体部、１
８…筒状部、２０…外部リード、２２…台座、２４…支
持基板、２６…フォトダイオード、２８…ペルチェ素
子、３０…回折格子、３２…フェルール、３４…下部リ
ング、３６…上部リング、３８…カップ、４０…半田

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子と、回折格子が内蔵された光フ
   ァイバとを備えて構成され、前記発光素子と前記回折格
   子との間で共振器を構成する発光素子モジュールにおい
   て、 前記発光素子を支持する支持部材と、 前記光ファイバの先端部分に設けられたフェルールと、 前記フェルールが挿入される挿入孔を有するとともに、
   前記支持部材に固定することによって前記発光素子に対
   する前記光ファイバの先端の位置決めを行う位置決め部
   材とを備え、 前記挿入孔の壁面と該挿入孔に挿入された前記フェルー
   ルの外壁との間隙に、空気と比較して熱伝導率の大きい
   熱伝導物質が設けられていることを特徴とする発光素子
   モジュール。
2. 【請求項２】 前記位置決め部材は、平板形状となって
   いることを特徴とする請求項１に記載の発光素子モジュ
   ール。
3. 【請求項３】 前記位置決め部材は、筒形状となってい
   ることを特徴とする請求項１に記載の発光素子モジュー
   ル。
4. 【請求項４】 前記支持部材に接して、冷却素子が設け
   られていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一
   項に記載の発光素子モジュール。
5. 【請求項５】 前記熱伝導物質は、半田であることを特
   徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子
   モジュール。
6. 【請求項６】 前記熱伝導物質は、樹脂であることを特
   徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子
   モジュール。