JP2001102671A - 半導体レーザ素子搭載用基板および半導体レーザモジュール - Google Patents

半導体レーザ素子搭載用基板および半導体レーザモジュール

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JP2001102671A
JP2001102671A JP27958699A JP27958699A JP2001102671A JP 2001102671 A JP2001102671 A JP 2001102671A JP 27958699 A JP27958699 A JP 27958699A JP 27958699 A JP27958699 A JP 27958699A JP 2001102671 A JP2001102671 A JP 2001102671A
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heating resistor
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友喜 井上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】LD素子に対して迅速かつ高精度な温度制御を
行ない得るようにすること。 【解決手段】絶縁基板7上面に薄膜から成る発熱抵抗体
8および該発熱抵抗体8を覆う樹脂層9が被着されて成
るとともに、樹脂層9の上面にLD素子4を搭載するた
めの金属薄膜から成る搭載部10が被着されて成るLD
基板6およびこれを使用したLDモジュールである。L
D素子4の作動停止時にLD素子4を作動時と同様の高
温としておくことができ、LD素子4の作動開始時等に
迅速かつ高精度の温度制御を可能とした。

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
を搭載するとともに温度調節機能を有する半導体レーザ
素子搭載用基板、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。
【0002】
【従来の技術】従来、光通信用の半導体レーザ(Laser
Diode で、以下、LDと略す)モジュールに使用される
LD素子は、その発振波長や光出力等がLD素子の温度
により変化することが判っている。従って、LD素子を
安定して作動させるためには、LD素子の温度を所定の
温度に制御することが必要となる。従来より、LD素子
の温度制御は、LD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温度情報を基にLD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。そして、このような測温素子およびペ
ルチェ素子は、LD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LDモジュールを構成する。
【0003】ここで、従来のLDモジュールを図6に断
面図で示す。従来のLDモジュールは、基体21と蓋体
22とから成るパッケージ20の内部に、ペルチェ素子
23,LD素子24および測温素子25を気密に収容し
て成る。なお、LD素子24および測温素子25は、こ
れらを搭載するためのLD素子搭載用基板(サブキャリ
ア)26の上に配置されている。
【0004】パッケージ20を構成する基体21は、酸
化アルミニウム(Al2 3 )質焼結体等のセラミック
スや銅(Cu)−タングステン(W)合金,鉄(Fe)
−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)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
21bとから構成され、上面が開口された箱状となって
いる。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、LD素子24および測温素子25がLD素子搭
載用基板26の上に配置された状態で搭載されている。
【0005】また、基体21の側壁部21b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
ら成る光ファイバ固定部材としてのパイプ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LD素子24と光学的に結合した状態で固定さ
れている。光ファイバ28は、その先端の光入出射端が
LD素子24と対向して配置されており、LD素子24
からのレーザ光を光ファイバ28を介して外部に伝送で
きるようになっている。
【0006】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は、ペルチェ素子23やLD素子2
4,測温素子25と電気的に接続されている。
【0007】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状のも
のであり、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を構成し、その内部にペルチ
ェ素子23およびLD素子24ならびに測温素子25を
収納し、気密に封止している。
【0008】この従来のLDモジュールにおいて使用さ
れるLD素子搭載用基板(以下LD基板と略す)26に
ついて、図7を用いてより詳細に説明する。図7は、図
6のLD基板26とその上に配置されたLD素子24お
よび測温素子25とを示す斜視図である。LD基板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、LD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
(Ti)膜,白金(Pt)膜,金(Au)膜からなる3
層構造の金属薄膜である。この搭載部31の上に、LD
素子24が例えば金(Au)−錫(Sn)合金から成る
ろう材を介して固定されている。LD基板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(不図示)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LD基板26がペルチェ素子23上に
接合固定されている。
【0009】なお、測温素子25は、例えばサーミスタ
から成り、基板30の上面の光ファイバと反対側にLD
素子24に隣接して搭載されている。この測温素子25
は、温度によってその電気抵抗値が変化し、その電気抵
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を駆
動することによりLD素子24を所定の温度に制御す
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のLDモジュ
ールにおいては、LD素子24は作動時には発熱して高
温となり、作動停止時にはその温度が下がる。そこで、
LD素子24の作動時にはLD素子24を冷却し、逆に
作動停止時には加熱しなければならない。しかしなが
ら、ペルチェ素子23はある程度の熱容量を有すること
およびLD素子24との間にLD基板26を介している
ことから、ペルチェ素子23による冷却状態と加熱状態
とがすぐには切り替わらずに、例えばLD素子24の作
動開始時等にLD素子24が定温状態となるまでに時間
がかかり、迅速、かつ高精度なLD素子24の作動およ
び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。
【0011】本発明はかかる従来の問題点に鑑み完成さ
れたものであり、その目的は、迅速でかつ高精度な作動
および温度制御を行なうことが可能なLD素子搭載用基
板およびLDモジュールを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子搭載用基板は、絶縁基板上面に薄膜から成る発熱抵抗
体および該発熱抵抗体を覆う樹脂層が被着されて成ると
ともに、該樹脂層の上面に半導体レーザ素子を搭載する
ための金属薄膜から成る搭載部が被着されて成ることを
特徴とするものである。
【0013】また、本発明のLDモジュールは、上記の
半導体レーザ素子搭載用基板上に半導体レーザ素子を搭
載するとともに、これらを気密封止されたパッケージの
内部にペルチェ素子を介して収容して成ることを特徴と
する。
【0014】本発明のLD搭載用基板およびLDモジュ
ールによれば、LD素子が搭載される搭載部の下方に発
熱抵抗体が形成されていることから、この発熱抵抗体に
より加熱することによって、作動停止時のLD素子を常
に作動時と同様の高温となしておくことができ、これに
よりLD素子の作動開始時等に迅速かつ高精度な作動開
始および温度制御を行なうことができる。
【0015】
【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。図1は、本発明のLD基板およびこれ
を使用したLDモジュールの実施形態の一例を示す断面
図であり、本発明のLDモジュールは、基本的に、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,LD素子4,測温素子5ならびにLD基板6を気密
に収容して成る。
【0016】パッケージを構成する基体1は、酸化アル
ミニウム(Al2 3 )質焼結体や窒化アルミニウム
(AlN)質焼結体,ムライト(3Al2 3 ,2Si
2 )質焼結体,炭化珪素(SiC)質焼結体,窒化珪
素(Si3 4 )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、基体1の主要部は略平板状の底
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1b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。
【0017】基体1の底板部1aの上面には、ペルチェ
素子3が搭載固定される。ペルチェ素子3は、LD素子
4を所定の温度に冷却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LD素子4の温度情報を
基にLD素子4が所定の温度となるように冷却する。そ
して、このペルチェ素子3の上面には、LD基板6が搭
載固定されており、このLD基板6上にはLD素子4お
よび測温素子5が配置されている。なお、この例では測
温素子5はサーミスタ等から成る。
【0018】LD基板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,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電気絶縁性の材料か
ら成る、長方形等の四角平板状の絶縁基板7の上面にL
D素子4を加熱するための発熱抵抗体8およびこの発熱
抵抗体8を被覆する樹脂層9が被着されており、さらに
樹脂層9の上面にはLD素子4を搭載するための金属薄
膜から成る搭載部10が被着されている。また、絶縁基
板7の下面には、基板6をペルチェ素子3に接合するた
めの接合用金属層(不図示)が被着されている。
【0019】絶縁基板7は、例えば酸化アルミニウム質
焼結体から成る場合、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状の
ペーストを、公知のドクタブレード法によりシート状に
成形することによってセラミックグリーンシートを準備
し、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加
工や切断加工を施した後、この成形体を約1600℃の
温度で焼成することによって製作される。
【0020】なお、絶縁基板7は、窒化アルミニウム質
焼結体や炭化珪素質焼結体,窒化珪素質焼結体で形成す
ると、これらの材料はその熱伝導率が40W/m・K以
上と高いため、基板6上に搭載されるLD素子4とペル
チェ素子3との間の熱伝達を良好に行なうことができ、
LD素子4の温度制御を迅速に行なうことが可能とな
る。
【0021】また、絶縁基板7の上面に被着された発熱
抵抗体8は、LD素子4を加熱するための発熱抵抗体で
あり、例えばチタン膜と白金膜とが積層された2層構造
の金属薄膜から形成されている。チタン膜は、絶縁基板
7に対する密着金属であり、その厚みが好ましくは10
0〜2000オングストローム(Å)程度である。チタ
ン膜の厚みが100オングストローム未満では、絶縁基
体7に強固に密着することが困難となる傾向にあり、2
000オングストロームを超えると、成膜時に発生する
内部応力によって剥離が発生しやすくなる。また、白金
膜は主要抵抗体として機能し、その厚みが好ましくは5
00〜10000オングストローム程度である。白金膜
の厚みが500オングストローム未満では、白金膜にピ
ンホール等の欠陥が発生しやすく、均質な発熱抵抗体8
を得ることが困難となる傾向にあり、10000オング
ストロームを超えると、成膜時に発生する内部応力によ
って剥離が発生しやすくなる。このように、基板6に
は、絶縁基板7の上面に発熱抵抗体8が配置されている
ことから、LD素子4の作動停止時に発熱抵抗体8を発
熱させてLD素子4を作動時と同様の高温としておくこ
とができ、その結果LD素子4の作動開始時に迅速かつ
高精度の作動開始および温度制御を行なうことができ、
半導体レーザ素子4を常に安定、かつ確実に作動させる
ことが可能となる。
【0022】なお、発熱抵抗体8の発熱量は、0.1〜
1000mW程度が好ましい。0.1mW未満ではLD
素子4を十分に加熱することが困難となり、他方100
0mWを超えると、LD素子4が高温となりすぎる危険
がある。また、一般にLD素子4が駆動される温度は約
20〜80℃であり、前記温度範囲内で温度を変化させ
ることにより発振波長を制御することもできる。
【0023】また、発熱抵抗体8は、例えばチタン膜と
白金膜とが積層された2層構造の金属薄膜から成る場
合、絶縁基板7の上面にチタン膜および白金膜をスパッ
タリング法やイオンプレーティング法、蒸着法等の薄膜
形成技術により順次被着させるとともに、これらをフォ
トリソグラフィ技術により所定のパターンにエッチング
することによって絶縁基板7の上面に形成される。
【0024】そして、本発明のLD基板6においては、
発熱抵抗体8は線状または帯状であり、搭載部10の下
方に綴ら折り状に配設されている。このように発熱抵抗
体8は、搭載部10の下方に配設させたので、基板6上
に大きな領域を占有することがない。その結果、基板6
が大型化することはない。なお、発熱抵抗体8の幅は、
0.01〜1mm程度が好ましい。発熱抵抗体8の幅が
0.01mm未満では、発熱抵抗体8に断線が発生する
恐れが高くなる。他方1mmを超えると、発熱抵抗体8
の電気抵抗値が小さくなり過ぎて、発熱の効率が低下す
る。また、発熱抵抗体8の長さは、0.5〜50mm程
度が好ましい。発熱抵抗体8の長さが0.5mm未満で
は、発熱抵抗体としての十分な電気抵抗値を得るのが困
難となる傾向にあり、他方50mmを超えると、そのよ
うな長い発熱抵抗体8を絶縁基板7に設けるために基板
6を大型化する必要ある。
【0025】また、発熱抵抗体8はその両端部を露出さ
せるようにして樹脂層9で覆われている。そして、露出
した両端部には、外部の制御回路等に電気的に接続され
る端子電極8aが形成されている。この端子電極8a
は、発熱抵抗体8の露出した両端部に、例えば金の薄膜
を被着させて成る。
【0026】発熱抵抗体8を覆う樹脂層9は、例えばポ
リイミド樹脂等の耐熱性の絶縁樹脂から成り、発熱抵抗
体8と搭載部10との間の電気的絶縁を保つ作用をな
す。樹脂層9の厚みは、好ましくは5〜100μm程度
である。樹脂層9の厚みが5μm未満では、発熱抵抗体
8と搭載部10との間に電気的な短絡が生じる危険性が
あり、他方100μmを超えると、搭載部10に搭載さ
れるLD素子4から発熱抵抗体8までの間隔が大きすぎ
て、LD素子4を迅速に加熱することが困難になる傾向
にある。
【0027】なお、樹脂層9は、これが例えばポリイミ
ド樹脂から成る場合、硬化することによってポリイミド
樹脂となる前駆体ペーストをスピンコート法やカーテン
コート法等のペースト塗布法により絶縁基板7の上面に
5〜100μmの厚みに塗布するとともに、これを乾燥
後、フォトリソグラフィ技術を採用して発熱抵抗体8の
両端部を露出させるようにエッチングし、これを約30
0〜450℃の温度で加熱して熱硬化させることにより
絶縁基板7の上面に形成される。前駆体ペーストの塗布
は複数回に分けて行ってもよい。
【0028】また、樹脂層9の上面には、金属薄膜から
成る搭載部10が被着形成されている。搭載部10は、
基板6にLD素子4を接合するための下地金属として機
能し、その上面にはLD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。
【0029】この搭載部10は、例えば樹脂層9の側か
らチタン膜,白金膜,金膜の順で積層された3層構造の
金属薄膜から形成されている。チタン膜は、樹脂層9に
対する密着金属であり、その厚みが好ましくは100〜
2000オングストローム程度である。チタン膜の厚み
が100オングストローム未満では、樹脂層9に強固に
密着することが困難となる傾向にあり、2000オング
ストロームを超えると、成膜時に発生する内部応力によ
って剥離が発生しやすくなる。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、その厚みが好ましくは500〜10000オングス
トローム程度である。白金膜の厚みが500オングスト
ローム未満では、チタン膜中のチタンが金膜に拡散する
のを十分に防止することが困難となる傾向にあり、10
000オングストロームを超えると、成膜時に発生する
内部応力によって剥離が発生しやすくなる。さらに、金
膜は、搭載部10にLD素子4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、その厚みが好
ましくは1000〜50000オングストローム程度で
ある。金膜の厚みが1000オングストローム未満で
は、ろう材に対する十分な濡れ性が得られなくなる傾向
にあり、50000オングストロームを超えると、成膜
時に発生する内部応力によって剥離が発生しやすくな
る。
【0030】なお、このような搭載部10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,蒸着法等の公知の薄膜成形技術を採用する
ことによって、これらの金属膜を絶縁層の上面に被着さ
せるとともに、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて
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。
【0031】また、絶縁基板7の下面(裏面)に被着さ
せた接合用金属層は、搭載部10を構成する金属薄膜と
同じ構成の金属薄膜から形成すればよい。
【0032】そして、図1に示すように、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1
1が取着固定されている。パイプ11は、パッケージに
光ファイバ12を固定するためのものであり、その内部
に光ファイバ12が挿通固定される。光ファイバ12
は、その先端がLD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LD素子4から発生するレーザ光
を光ファイバ12を介して外部に伝送することができ
る。
【0033】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13がパッケージの外
部に突出するようにして設けられる。このリード端子1
3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、または基体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する。
そして、リード端子13には、パッケージ内部のペルチ
ェ素子3,LD素子4,測温素子5,発熱抵抗体8が電
気的に接続されている。
【0034】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によ
り接合される。そして、これにより基体1と蓋体2とか
ら成る箱状のパッケージの内部にペルチェ素子3,LD
素子4および測温素子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、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。
【0035】かくして、本発明のLD基板およびLDモ
ジュールによれば、LD素子の作動停止時にLD素子を
作動時と同様の高温に加熱することにより、迅速かつ高
精度の温度制御が可能となる。
【0036】なお、本発明のLD基板およびLDモジュ
ールは上述の実施形態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、上述の実施形態の一例では、LD基板6
の発熱抵抗体8および搭載部10は、密着金属としてチ
タンを、主要抵抗体および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(Cr),タンタル
(Ta),ニオブ(Nb),ニクロム(Ni−Cr),
窒化タンタル(Ta2 N)等を使用してもよく、またバ
リア層および主要抵抗体としては、パラジウム(P
d),ロジウム(Rh),ルテニウム(Ru),ニッケ
ル(Ni),チタン(Ti)−タングステン(W)合金
等を用いてもよい。
【0037】また、LD基板6の搭載部10の上面にL
D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10にLD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。
【0038】さらに、上述の実施形態例では、例えばサ
ーミスタ等から成る測温素子5をLD基板6の上に搭載
したが、測温素子5は、図3,図4,図5にLD基板6
の斜視図で示すように、絶縁基板7の上面に例えば発熱
抵抗体8と同様のチタン膜および白金膜の2層構造の金
属薄膜から成る測温抵抗体14として設けられてもよ
い。これらの例の測温抵抗体14はその両端部に外部の
制御回路に接続される端子電極14aが形成されてい
る。端子電極14aは、測温抵抗体14の両端部の白金
膜上に金の薄膜を被着させて成る。このような測温抵抗
体14は、温度によりその電気抵抗値が変化するので、
その電気抵抗値により温度を知ることができる。また、
測温抵抗体14は発熱抵抗体8と同じ構成の金属薄膜か
ら成る場合、発熱抵抗体8を形成するのと同時に形成す
ればよく、これを設けるために新たな工程を必要としな
い。さらに、測温抵抗体14を、図4に示すように搭載
部10の直下に設けたり、あるいは図5に示すように搭
載部10の周辺に設けると、LD基板6の小型化が容易
となり、LDモジュールもその分、小型化できる。な
お、測温抵抗体14は、発熱抵抗体8と同様の厚みで、
0.01〜1mmの幅、0.5〜50mm長さを有する
ように形成すればよい。
【0039】
【発明の効果】本発明のLD基板およびLDモジュール
は、LD素子が搭載される基板の搭載部の下方に発熱抵
抗体が配設されていることから、この発熱抵抗体により
加熱することによって作動停止時のLD素子を作動時と
同様の高温としておくことができ、これによってLD素
子の作動開始時等に、迅速にLD素子の作動開始が行な
え、かつ即時に高精度な温度制御を行なうことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のLDモジュールの一実施形態の断面図
である。
【図2】図1のLDモジュールに使用される本発明のL
D基板の斜視図である。
【図3】本発明のLD基板の他の実施形態の斜視図であ
る。
【図4】本発明のLD基板の他の実施形態の斜視図であ
る。
【図5】本発明のLD基板の他の実施形態の視斜視図で
ある。
【図6】従来のLDモジュールの断面図である。
【図7】図6のLDモジュールに使用されるLD基板の
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:LD素子 5:測温素子 6:LD基板 7:絶縁基板 8:発熱抵抗体 9:樹脂層 10:搭載部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁基板上面に薄膜から成る発熱抵抗体お
    よび該発熱抵抗体を覆う樹脂層が被着されて成るととも
    に、該樹脂層の上面に半導体レーザ素子を搭載するため
    の金属薄膜から成る搭載部が被着されていることを特徴
    とする半導体レーザ素子搭載用基板。
  2. 【請求項2】前記絶縁基板上面に薄膜から成る測温抵抗
    体が被着されていることを特徴とする請求項1記載の半
    導体レーザ素子搭載用基板。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2記載の半導体レー
    ザ素子搭載用基板上に半導体レーザ素子を搭載するとと
    もに、これらを気密封止されたパッケージの内部にペル
    チェ素子を介して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。
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