JP2000340878A - 半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子に対して迅速かつ高精度な
温度制御を行なうことができない。また、サブキャリア
およびモジュールが大型化してしまう。 【解決手段】 基板７上に、半導体レーザ素子４を搭載
するための搭載部８と、この搭載部８を取り囲むように
して形成された測温素子５とを具備している半導体レー
ザ素子搭載用サブキャリアおよびこれを使用した半導体
レーザモジュールである。半導体レーザ素子４と測温素
子５との距離が短く、半導体レーザ素子４の全周にわた
る方向からの熱を略均一に受けることができ、迅速かつ
高精度の温度制御が可能となる。また、測温素子５の占
有領域が小さいのでサブキャリア１を小型化でき、その
分モジュールも小型化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
を搭載するための半導体レーザ素子搭載用サブキャリア
およびこれを使用した光通信用の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】光通信用の半導体レーザモジュールに使
用される半導体レーザ素子は、その発振波長や光出力等
が半導体レーザ素子の温度により変化する。

【０００３】したがって、半導体レーザ素子を安定して
作動させるためには、半導体レーザ素子の温度を所定の
温度に制御することが必要となる。

【０００４】このような半導体レーザ素子の温度制御
は、従来より半導体レーザ素子の温度を測定するための
測温素子と、この測温素子が測定した半導体レーザ素子
の温度情報を基に半導体レーザ素子の冷却または加熱を
行なうためのペルチェ素子とにより行なわれている。

【０００５】そして、このような測温素子およびペルチ
ェ素子は、半導体レーザ素子とともに気密封止が可能な
パッケージ内に収められて半導体レーザモジュールを構
成する。

【０００６】ここで、従来の半導体レーザモジュールの
例を図３に断面図で示す。

【０００７】従来の半導体レーザモジュールは、基体21
と蓋体22とから成るパッケージの内部にペルチェ素子23
および半導体レーザ素子24ならびに測温素子25を気密に
収容して成る。なお、半導体レーザ素子24および測温素
子25は、これらを搭載するためのサブキャリア26の上に
配置されている。

【０００８】パッケージを構成する基体21は、例えば酸
化アルミニウム質焼結体等のセラミックスや銅−タング
ステン合金・鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から
成り、主として平板状の底板部21ａと枠状の側壁部２１
ｂとから構成されている。

【０００９】基体21の底板部21ａの上面にはペルチェ素
子23が搭載固定されており、このペルチェ素子23の上面
には、半導体レーザ素子24および測温素子25が半導体レ
ーザ素子搭載用サブキャリア26の上に配置された状態で
搭載されている。

【００１０】また、基体21の側壁部21ｂには、鉄−ニッ
ケル合金や鉄−コバルト−ニッケル合金等の金属から成
るパイプ27が取着されており、このパイプ27の内部には
光ファイバ28が挿通されている。

【００１１】光ファイバ28は、その先端が半導体レーザ
素子24と対向するように配置されており、これにより半
導体レーザ素子24から発生する光を光ファイバ28を介し
て外部に伝送することができるようになっている。

【００１２】さらに、基体21の底板部21ａまたは側壁部
21ｂには、リード端子29が固定されており、このリード
端子29には、ペルチェ素子23や半導体レーザ素子24・測
温素子25が電気的に接続されている。

【００１３】また、蓋体22は、鉄−ニッケル−コバルト
合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る平板であり、
基体21の側壁部21ｂの上面に例えばシーム溶接法により
接合されることにより、基体21と蓋体22とから成るパッ
ケージ内部にペルチェ素子23および半導体レーザ素子24
ならびに測温素子25を気密に封止している。

【００１４】この従来の半導体レーザモジュールにおい
て使用される半導体レーザ素子搭載用サブキャリア26に
ついて、図４を基に、より詳細に説明する。

【００１５】図４は、図３におけるサブキャリア26とそ
の上に配置された半導体レーザ素子24および測温素子25
とを示す斜視図である。

【００１６】サブキャリア26は、例えば酸化アルミニウ
ム質焼結体等の電気絶縁材料から成る基板30の上面の一
端側に半導体レーザ素子24を搭載するための金属薄膜か
ら成る搭載部31を有している。搭載部31を構成する金属
薄膜は、例えばチタン膜−白金膜−金膜からなる３層構
造の金属薄膜である。この金属薄膜から成る搭載部31の
上に半導体レーザ素子24が例えば金−錫合金から成るろ
う材を介して固定されている。サブキャリア26はまた、
その裏面にも例えばチタン膜−白金膜−金膜からなる３
層構造の金属薄膜（図示せず）が略全面に被着されてお
り、この裏面の金属薄膜とペルチェ素子23とをろう付け
することによりサブキャリア26がペルチェ素子23上に固
着されている。

【００１７】他方、測温素子25は、例えば珪窒化モリブ
デン等の抵抗体材料の薄膜から成り、基板30の上面の他
端側にジグザグ状のパターンに屈曲して設けられてい
る。この測温素子25は、温度によってその電気抵抗値が
変化する。そして、この測温素子25の電気抵抗値の変化
をリード端子29を介して外部の制御回路に伝え、この制
御回路からの指示でペルチェ素子23を作動させることに
より半導体レーザ素子２４を所定の温度に制御してい
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体レーザモジュールにおいては、測温素子２５
がサブキャリア26の上面の一端側にジグザグ状に屈曲し
たパターンに配設されているので、測温素子25と半導体
レーザ素子24との距離が長いものとなってしまい、半導
体レーザ素子24の温度変化に対する測温素子25の抵抗変
化の追従性が劣るとともに、このジグザグ状に屈曲した
パターンの測温素子25が半導体レーザ素子24からの熱を
一つの方向からのみ受けることになるため、測温素子25
への熱の伝達が不均一なものとなり易く、そのため、迅
速でかつ高精度な温度制御を行なうことが困難であると
いう問題点を有していた。同時に、ジグザグ状に屈曲し
た測温素子25のパターンは、サブキャリア26上に大きな
領域を占有するので、サブキャリア26が大型化し、その
結果、これを搭載するペルチェ素子やパッケージも大型
化してしまうという問題点も有していた。

【００１９】本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出さ
れたものであり、その目的は、半導体レーザ素子から測
温素子までの距離を短いものとするとともに半導体レー
ザ素子から測温素子への熱の伝達を略均一なものとし、
迅速でかつ高精度な温度制御を行なうことが可能な半導
体レーザ素子搭載用サブキャリアおよび半導体レーザモ
ジュールを提供することにある。

【００２０】また、本発明の他の目的は、測温素子がサ
ブキャリア上で大きな領域を占有することがない、小型
の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアおよびこれを用
いた小型の半導体レーザモジュールを提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子搭載用サブキャリアは、基板上に、半導体レーザ素子
を搭載するための搭載部と、この搭載部を取り囲むよう
にして形成された測温素子とを具備して成ることを特徴
とするものである。

【００２２】また、本発明の半導体レーザモジュール
は、基体と蓋体とから成るパッケージのパッケージの内
部に、基体の上に搭載されたペルチェ素子と、このペル
チェ素子の上に搭載された上記構成の半導体レーザ素子
搭載用サブキャリアと、このサブキャリア上に搭載され
た半導体レーザ素子とを気密に収容して成ることを特徴
とするものである。

【００２３】本発明の半導体レーザ搭載用サブキャリア
によれば、測温素子は、半導体レーザ素子が搭載される
搭載部を取り囲むようにして配設されていることから、
半導体レーザ素子までの距離を短いものとすることがで
きるとともに、半導体レーザ素子の熱をその周囲で略均
一に受けることができる。同時に、測温素子がサブキャ
リア上で大きな領域を占有することもない。

【００２４】また、上述のサブキャリアを使用した本発
明の半導体レーザモジュールによれば、サブキャリア上
に設けた測温素子により半導体レーザ素子の温度を追従
性高く正確に測定し、その情報を基にペルチェ素子を迅
速かつ高精度に作動させることができる。さらに、小型
のサブキャリアを収容するので、その分、これを搭載す
るペルチェ素子やパッケージも小さくてすみ、モジュー
ルを小型化することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、本発明を添付の図面を基に
詳細に説明する。

【００２６】図１は、本発明の半導体レーザ搭載用サブ
キャリアおよびこれを使用した半導体レーザモジュール
の実施の形態の一例を示す断面図であり、本発明の半導
体レーザモジュールは、基体１と蓋体２とから成るパッ
ケージの内部にペルチェ素子３・半導体レーザ素子４・
測温素子５を気密に収容して成る。なお、半導体レーザ
素子４および測温素子５は、本発明の半導体レーザ素子
搭載用サブキャリア６の上に配置されている。

【００２７】パッケージを構成する基体１は、酸化アル
ミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライ
ト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガ
ラスセラミックス等のセラミックス材料、あるいは銅を
含浸させたタングステン多孔質体や鉄−ニッケル合金・
鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成り、主とし
て略平板状の底板部１ａと枠状の側壁部１ｂとから構成
されている。なお、底板部１ａと側壁部１ｂとは同じ材
料から形成されていてもよいし、互いに異なる材料から
形成されていてもよい。ただし、底板部１ａと側壁部１
ｂとを互いに異なる材料で形成する場合には、両者の熱
膨張係数の差ができるだけ小さいものとなる組み合わせ
を選択することが好ましい。

【００２８】基体１の底板部１ａの上面には、ペルチェ
素子３が搭載固定されている。ペルチェ素子３は、半導
体レーザ素子４を所定の温度に冷却または加熱するため
の熱ポンプとして機能し、測温素子５により測定した半
導体レーザ素子４の温度情報を基に半導体レーザ素子４
が所定の温度となるように冷却または加熱する。

【００２９】そして、このペルチェ素子３の上面には、
搭載用サブキャリア６が搭載固定されており、このサブ
キャリア６上には半導体レーザ素子４および測温素子５
が配置されている。

【００３０】サブキャリア６は、図２に斜視図で示すよ
うに、酸化アルミニウム質焼結体・石英・窒化アルミニ
ウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・
ガラスセラミックス・シリコン等の電気絶縁性の材料か
ら成る四角平板状の基板７の上面に、半導体レーザ素子
４を搭載するための搭載部８と半導体レーザ素子４の温
度を測定するための測温素子５とを配設して成る。ま
た、基板７の下面には、サブキャリア６をペルチェ素子
３に接合するための接合用金属層（図示せず）が被着さ
れている。

【００３１】基板７は、例えば酸化アルミニウム質焼結
体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素
・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック粉
末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して原料粉末
を調整し、次にこの原料粉末を所定金型内に充填して生
セラミック成形体を得て、この生セラミック成形体を約
1600℃の温度で焼成することによって製作される。ある
いは、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム
・酸化カルシウム等のセラミック粉末に適当な有機バイ
ンダ・溶剤を添加混合して得た泥漿を従来周知のドクタ
ブレード法を採用してシート状となし、このシートを適
当な大きさに切断した後、約1600℃の温度で焼成するこ
とによって製作される。

【００３２】なお、基板７は、窒化アルミニウム質焼結
体や炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体あるいはシリ
コンで形成しておくと、これらの材料はその熱伝導率が
40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、サブキャリア６上に搭載
される半導体レーザ素子４とペルチェ素子３との間の熱
の伝達を良好に行なうことができ、半導体レーザ素子４
の温度制御を迅速に行なうことが可能となる。

【００３３】基板７の上面に配設された搭載部８は、基
板７に半導体レーザ素子４を固着するための下地金属と
して機能し、その上面には半導体レーザ素子４が金−錫
合金等の低融点ろう材を介して取着される。

【００３４】搭載部８は、例えば基板７の側からチタン
膜−白金膜−金膜からなる３層構造の金属薄膜から形成
されている。チタン膜は、基板７に対する密着金属であ
り、厚みが100 〜2000オングストローム程度である。ま
た、白金膜はチタン膜中のチタンが金膜に拡散するのを
防止するバリア層であり、厚みが500 〜10000 オングス
トローム程度である。さらに、金膜は、搭載部５に半導
体レーザ素子２を取着する際のろう材との濡れ性を向上
させるためのものであり、厚みが1000〜50000オングス
トローム程度である。

【００３５】なお、このような搭載部８となるチタン膜
・白金膜・金膜は、スパッタリング法やイオンプレーテ
ィング法・蒸着法等の従来周知の薄膜成形技術を採用す
ることによって、これらの金属膜を基板７の上面に被着
させるとともに従来周知のフォトリソグラフィー技術を
採用して所定のパターンにエッチングすることによって
形成される。

【００３６】また、同じく基板７の上面に配設された測
温素子５は、半導体レーザ素子４の温度を測定するため
の測温抵抗体であり、例えば珪窒素モリブデンや珪窒化
タングステン・白金等の抵抗温度係数（ＴＣＲ）が1000
ｐｐｍ／℃以上の抵抗体材料から成る。

【００３７】測温素子５は、例えば珪窒化モリブデンか
ら成る場合であれば、珪化モリブデンを窒素雰囲気中で
基板７の表面にスパッタリングすることによって珪窒化
モリブデン層を被着させるとともに、これを従来周知の
フォトリソグラフィー技術を採用して所定のパターンに
エッチングすることによって形成される。

【００３８】そして、本発明のサブキャリア６において
は、測温素子５が搭載部８を取り囲むようにして配設さ
れている。

【００３９】測温素子５は、搭載部８との間に0.01〜５
ｍｍの略一定の間隔をあけて搭載部８の周りを略一周め
ぐるようにして形成されており、これにより半導体レー
ザ素子４の全周にわたる方向からの熱を短い距離で略均
一に受けることができ、迅速かつ精度の高い測温が可能
となるものである。

【００４０】また、測温素子５は、搭載部８との間に0.
01〜５ｍｍの略一定の間隔をあけて搭載部８の周りを略
一周めぐらせただけなので、従来のようにジグザグ状に
屈曲するパターンで形成した場合と比較して基板７の上
に占有する領域が小さなものとなり、その結果、サブキ
ャリア６を小型化することができる。同時に、サブキャ
リア６を搭載するペルチェ素子３およびパッケージもそ
の分小さいものとすることができるので半導体レーザモ
ジュールを小型化することができる。

【００４１】なお、測温素子５は、搭載部８との間隔が
0.01ｍｍ以下となると、搭載部８との間に電気的な短絡
を引き起こす危険性がある。他方、５ｍｍを超えると、
搭載部８に搭載される半導体レーザ素子４から測温素子
５までの距離が長いものとなり、半導体レーザ素子４の
温度の変化に対する追従性が鈍いものとなるとともに、
測温素子５を設けるために大きな領域が必要となり基板
７が大型化してしまう傾向にある。したがって、測温素
子５と搭載部８との間隔は、0.01〜５ｍｍの範囲である
ことが好ましい。

【００４２】また、測温素子５は、その厚みが50〜1000
0 オングストロームである。測温素子５の厚みが50オン
グストローム未満であると、測温素子５に断線が発生す
る恐れが高くなる。他方、10000 オングストロームを超
えると、測温素子５の電気抵抗値が小さなものとなり過
ぎて、測温抵抗体としての感度が低いものとなる。

【００４３】さらに、測温素子５の両端部には、外部の
制御回路に電気的に接続される端子９が接続されてい
る。

【００４４】端子９は、基板７の上面に測温素子５の両
端部を覆うようにして、例えば、搭載部８を構成する金
属薄膜と同じ構成の金属薄膜を被着させて成る。このよ
うな端子９は、例えば予め基板７の上面に測温素子５と
なる抵抗体材料を被着させてこれをエッチングにより所
定のパターンの測温素子５に形成した後に、その上を覆
うようにして搭載部８および端子９となる金属膜を被着
させ、この金属膜を搭載部８および端子部９の部分が残
るようにエッチングすることにより搭載部８と同時に形
成すればよい。

【００４５】また、基板７の下面に被着させた接合用金
属層は、搭載部８を構成する金属薄膜と同じ構成の金属
薄膜から形成される。

【００４６】一方、基体１の側壁１ｂには、これを貫通
するようにして鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケルコバル
ト合金等の金属から成るパイプ10が取着固定されてい
る。

【００４７】パイプ10は、パッケージに光ファイバ11を
固定するためのものであり、その内部に光ファイバ11が
挿通固定される。

【００４８】光ファイバ11は、その先端が半導体レーザ
素子４と対向するようにして配置されており、これによ
り半導体レーザ素子４から発生する光を光ファイバ11を
介して外部に伝送することができるようになっている。

【００４９】さらに、基体１の底板部１ａまたは側壁部
１ｂには、鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト
合金等の金属から成るリード端子12がパッケージの外部
に突出するようにして設けられている。

【００５０】このリード端子12は、基体１の底板部１ａ
または側壁部１ｂを貫通するようにして設けられること
により、あるいは基体１の内部から外部に導出する配線
導体に接合されることによりパッケージの内部と外部と
を電気的に接続することを可能としている。そして、こ
のリード端子12には、パッケージ内部のペルチェ素子３
や半導体レーザ素子４・測温素子５が電気的に接続され
ている。

【００５１】他方、蓋体２は、鉄−ニッケル合金や鉄−
ニッケル−コバルト合金等の金属から成る略平板であ
り、基体１の側壁部１ｂの上面に例えばシーム溶接する
ことにより接合されている。そして、これにより基体１
と蓋体２とから成るパッケージの内部にペルチェ素子３
および半導体レーザ素子４ならびに測温素子５等が気密
に封止されている。なお、蓋体２をシーム溶接により側
壁部１ｂに接合する場合であって、側壁部１ｂがセラミ
ックス材料や銅を含浸させたタングステン多孔質体から
成る場合であれば、側壁部１ｂの上面に鉄−ニッケル合
金や鉄−ニッケル−コバルト合金から成る金属枠体をシ
ーム溶接のための下地金属部材として予め取着させてお
く必要がある。

【００５２】かくして、本発明の半導体レーザ素子搭載
用サブキャリアおよび半導体レーザモジュールによれ
ば、迅速かつ高精度の測温が可能となるとともに、小型
のサブキャリアおよび小型の半導体レーザモジュールを
提供することができる。

【００５３】なお、本発明の半導体レーザ素子搭載用サ
ブキャリアおよび半導体レーザモジュールは上述の実施
の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨
を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例
えば、上述の実施の形態の一例では、サブキャリア６の
搭載部８および端子部９を形成する金属薄膜は、密着金
属としてチタンを、バリア層として白金を使用したが、
密着金属としてはクロムやニクロム・タンタル等を使用
してもよく、またバリア層としてはパラジウムやニクロ
ム・チタン−タングステン合金等を用いてもよい。

【００５４】さらに、サブキャリア６の搭載部８のバリ
ア層として白金を使用し、かつ測温素子５としても白金
を使用する場合であれば、基板７の上面に密着金属膜と
白金膜と金膜とを順次被着させた後、搭載部８および端
子９となる部位は密着金属膜・白金膜・金膜の全ての金
属膜を残してエッチングし、測温素子５となる部位は密
着金属膜および白金膜のみが残るようにエッチングする
ことによって搭載部８および端子９ならびに測温素子５
を形成するようにすればよい。

【００５５】さらにまた、サブキャリア６の搭載部８の
上面に半導体レーザ素子４を取着するための、例えば金
−錫合金から成るろう材を、スパッタリング法等を採用
して所定の厚みに被着させてもよい。この場合には、搭
載部８に半導体レーザ素子４を搭載する際にろう材を配
置する手間を省くことができる。

【００５６】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ搭載用サブキャリ
アによれば、測温素子は、半導体レーザ素子が搭載され
る搭載部を取り囲むようにして配設されていることか
ら、半導体レーザ素子までの距離を短いものとすること
ができるとともに、半導体レーザ素子の熱を略均一に受
けることができ、迅速かつ高精度の測温が可能となる。
同時に、測温素子がサブキャリア上で大きな領域を占有
することもなく、サブキャリアを小型化することができ
る。

【００５７】また、上述のサブキャリアを使用した本発
明の半導体レーザモジュールによれば、サブキャリア上
に設けた測温素子により半導体レーザ素子の温度を追従
性高く正確に測定し、その情報を基にペルチェ素子を迅
速かつ高精度に作動させることができるので、パッケー
ジ内部の半導体レーザ素子の温度を常に定温として半導
体レーザ素子に所定の波長の光を安定して発振させるこ
とができる。さらに、小型のサブキャリアを収容するの
で、その分、これを搭載するペルチェ素子やパッケージ
も小さくてすみ、小型のモジュールを提供することがで
きる。

【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実施の形態
の一例を示す断面図である。

【図２】図１に示す半導体レーザモジュールに使用され
る本発明の半導体レーザ素子搭載用サブキャリアを示す
斜視図である。

【図３】従来の半導体レーザモジュールの例を示す断面
図である。

【図４】図３に示す半導体レーザモジュールに使用され
る半導体レーザ素子搭載用サブキャリアを示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１・・・・・・基体 ２・・・・・・蓋体 ３・・・・・・ペルチェ素子 ４・・・・・・半導体レーザ素子 ５・・・・・・測温素子 ６・・・・・・サブキャリア ７・・・・・・基板 ８・・・・・・搭載部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、半導体レーザ素子を搭載する
   ための搭載部と、該搭載部を取り囲むようにして形成さ
   れた測温素子とを具備して成ることを特徴とする半導体
   レーザ素子搭載用サブキャリア。
2. 【請求項２】 基体と蓋体とから成るパッケージの内部
   に、前記基体の上に搭載されたペルチェ素子と、該ペル
   チェ素子の上に搭載された請求項１記載の半導体レーザ
   素子搭載用サブキャリアと、該サブキャリア上に搭載さ
   れた半導体レーザ素子とを気密に収容して成ることを特
   徴とする半導体レーザモジュール。