JP2003069121A

JP2003069121A - 半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JP2003069121A
Application number: JP2001252054A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Fujiwara; 潔冨士原; Jun Otani; 順雄谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】衝撃や振動に強く、信頼性に優れる半導体レ
ーザモジュールを提供する。【解決手段】放熱部１１ａを含むパッケージ１１と、
放熱部１１ａの一主面１１ａｓ上にヒートシンク１３を
介して固定された半導体レーザ素子１４と、半導体レー
ザ素子１４の光出力をモニタするための受光素子１５
と、半導体レーザ素子１４の温度を測定するための抵抗
素子１６と、半導体レーザ素子１４から出射した光を集
光し窓１２の外側で焦点を結ぶように光学設計されたレ
ンズ１７と、その焦点で光の入力が最大となるように配
置された光ファイバ１８と、半導体レーザ素子１４への
反射戻り光を除去するためにレンズ１７と光ファイバ１
８との間に配置された光アイソレータ１９と、一主面１
１ａ上に配置されたペルチェクーラ２０とを備える。そ
して、放熱部１１ａの一主面１１ａｔとは反対側の面１
１ｓが取り付け面である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度制御された半
導体レーザ素子の光を光ファイバに入射させる半導体レ
ーザモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信ネットワークの発
達に伴い、長距離で高品質の双方向光通信システムが実
用化されてきている。このシステムにより、ＣＡＴＶや
インターネット等を安価で利用することが可能となって
きている。今後より多くの情報伝送を可能にするため
に、これらのシステムには高密度波長多重伝送（Ｄｅｎ
ｓｅＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕ
ｌｔｉｐｌｅｘ：ＤＷＤＭ）が取り入れられてきてい
る。ＤＷＤＭの概要を図３に示す。このシステムでは、
映像やデータ等は、波長の異なるレーザを用いて局から
各エリアヘ振り分けられる。各エリアからの信号もその
エリアの波長で局へ送信される。一つのシステムで、よ
り広いエリアをカバーするためには、より多くの波長が
必要となってくる。波長多重に使用される発振波長は国
際規格（ＩＴＵ規格）によって設定されており、表１に
示すような配列となっている。

【０００３】

【表１】

【０００４】表１では、各波長間隔は１００ＧＨｚであ
るが、今後更なる伝送量の増大、エリアの拡大に伴い、
５０ＧＨｚ間隔まで狭くなってくる可能性がある。ＤＷ
ＤＭの信号源としては、１５５０ｎｍ帯域で発振するＤ
ＦＢ（分布帰還型）レーザモジュールが用いられる。

【０００５】従来のＤＦＢレーザモジュール１００につ
いて、一例の構造を図５に示す。なお、以下の図面で
は、ハッチングを省略する場合がある。ＤＦＢレーザモ
ジュール１００のパッケージ１０１の内部には、銅のヒ
ートシンク１０２上にＳｉＣサブマウント１０３を介し
て接着されたＤＦＢレーザ素子１０４と、セラミックマ
ウント１０５に固定されＤＦＢレーザ素子１０４からの
出力をモニタするための受光素子１０６と、ＤＦＢレー
ザ素子１０４付近の温度を検出するためのサーミスタ１
０７と、ＤＦＢレーザ素子１０４から出射した光を集光
しパッケージ１０１の窓ガラス１０８の外側で光ファイ
バ１０９と結合するように光学設計された非球面レンズ
１１０と、光ファイバ１０９を介して外部からＤＦＢレ
ーザ素子１０４へ返ってくる反射戻り光を減衰させるた
めの光アイソレータ１１１とが配置されている。さら
に、パッケージ１０１の内部には、上述した光学部品を
金属製のベース１１２を介して一定の温度に制御するた
めのペルチェクーラ１１３が設置されている。

【０００６】このＤＦＢレーザモジュール１００では、
非球面レンズ１１０を通して集光されたレーザ光を効率
よく光ファイバ１０９へ結合させるために、光ファイバ
１０９をステンレスの筒で覆ったフェルール１１４とフ
ェルールホルダ１１５とを用いて調芯作業を行った後、
ＹＡＧ溶接によってこれらを固定する。このＤＦＢレー
ザモジュール１００では、光アイソレータ１１１がＤＦ
Ｂレーザ素子１０４と同様に温度制御されているため
に、安定したアイソレーション比を保つことが可能であ
る（特開平３−１７８１８１号公報参照）。このＤＦＢ
レーザモジュール１００では、レーザ素子の発振波長が
レーザ素子の温度によって変化する特性を利用し、ＤＦ
Ｂレーザ素子１０４付近の制御温度を変化させて発振波
長を調整し、ＩＴＵ規格の波長に合わせている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＤＦＢレーザモジュール１００では、ペルチェクーラ１
１３上に光学部品などを搭載するため、衝撃や振動とい
った機械的負荷がモジュールに加わったとき、強度の低
いペルチェクーラ１１３が破壊される可能性が高いとい
う問題があった。

【０００８】機械的強度を向上させるためペルチェクー
ラを内蔵しないモジュールとしては、図６に示すような
同軸型のレーザモジュール１２０が提案されている。レ
ーザモジュール１２０は、鉄製のベース１１６を備え、
そのベース１１６には、銅製のポスト１１７とＳｉＣか
らなるサブマウント１０３とを介して接着されたＤＦＢ
レーザ素子１０４と、ＤＦＢレーザ素子１０４からの出
力をモニタする受光素子１０６とが配置されている。レ
ーザモジュール１２０では、金属溶接が可能な材質から
なる枠１１８内に固定された非球面レンズ１１０が、枠
１１８を介してベース１１６に溶接された後、ステンレ
ス製の枠１１９内に固定された光アイソレータ１１１を
非球面レンズ１１０の枠１１８にＹＡＧ溶接で固定す
る。さらに、非球面レンズ１１０によって集光されたレ
ーザ光が効率よく光ファイバ１０９へ入射するように調
芯を行ったのち、金属フェルール１１４とステンレス製
の枠１１９とをフェルールホルダ１１５を介してＹＡＧ
溶接で固定する。

【０００９】同軸型のレーザモジュール１２０において
ＤＦＢレーザ素子１０４の温度制御を行うためには、Ｄ
ＦＢレーザ素子１０４が接着されているポスト１１７と
ベース１１６とを介して冷却することが必要である。こ
こで、ベース１１６は、溶接によって枠に固定するた
め、一般的に、鉄を含んだ合金によって形成される。

【００１０】しかしながら、この材質は熱伝導率が低
く、発熱源であるＤＦＢレーザ素子１０４からの発熱を
効率よく放熱できないという問題があった。

【００１１】上記課題を解決するため、本発明は、衝撃
や振動に強く、信頼性に優れる半導体レーザモジュール
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体レーザモジュールは、放熱部を含む
パッケージと、前記パッケージの端部に配置された窓と
を備える半導体レーザモジュールであって、前記放熱部
の主面のうち前記パッケージの内側の一主面上にヒート
シンクを介して固定された半導体レーザ素子と、前記半
導体レーザ素子の光出力をモニタするための受光素子
と、前記半導体レーザ素子の温度を測定するための抵抗
素子と、前記半導体レーザ素子から出射した光を集光し
前記窓の外側で焦点を結ぶように光学設計されたレンズ
と前記焦点で光の入力が最大となるように配置された光
ファイバと、前記半導体レーザ素子への反射戻り光を除
去するために前記レンズと前記光ファイバとの間に配置
された光アイソレータと、前記放熱部の外側の一主面上
に配置されたペルチェ素子とを備え、前記放熱部の外側
の一主面とは反対側の面が取り付け面であることを特徴
とする。この半導体レーザモジュールでは、ペルチェ素
子がパッケージの外部に配置されており、また、ペルチ
ェ素子が設置されている部分とは反対側の面が取り付け
面となっている。このため、ペルチェ素子に衝撃や振動
が加わることを防止でき、信頼性に優れた半導体レーザ
モジュールが得られる。

【００１３】上記半導体レーザモジュールでは、セラミ
ックからなる部材を備え、前記放熱部が、前記部材を介
して前記パッケージに固定されており、前記部材を介し
て電気的な接続が行われていることが好ましい。この構
成によれば、パッケージ側面と放熱部との間の熱伝導が
前記セラミックによってさえぎられるため、放熱部のみ
を効率よく冷却することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１５】（実施形態１）実施形態１では、本発明の
半導体レーザモジュールについて一例を説明する。実施
形態１の半導体レーザモジュール１０について、一部の
断面図を図１に示す。また、半導体レーザモジュール１
０について、ボードに固定したときの断面図を図２に示
す。

【００１６】半導体レーザモジュール１０は、放熱部１
１ａを含むパッケージ１１と、パッケージ１１の端部に
配置された窓１２とを備える。また、半導体レーザモジ
ュール１０は、放熱部１１ａ上にヒートシンク１３を介
して固定された半導体レーザ素子１４と、半導体レーザ
素子１４の光出力をモニタするための受光素子１５と、
半導体レーザ素子１４の温度を測定するための抵抗素子
１６と、半導体レーザ素子１４から出射した光を集光
し、窓１２の外側で焦点を結ぶように光学設計されたレ
ンズ（枠付きの非球面レンズ）１７とをパッケージ１１
の内部に備える。また、半導体レーザモジュール１０
は、上記焦点で光の入力が最大になるように配置された
光ファイバ１８と、前記半導体レーザ素子１４への反射
戻り光を除去するためにレンズ１７と光ファイバ１８と
の間に配置された光アイソレータ１９とを、パッケージ
１１の外部に備える。また、図２に示すように、半導体
レーザモジュール１０は放熱部１１ａのうち、パッケー
ジ１１の外側の一主面１１ａｔ上に配置されたペルチェ
クーラ（ペルチェ素子）２０を備える。

【００１７】パッケージ１１の放熱部１１ａは、銅を含
む合金からなり、たとえば、銅とタングステンの合金か
らなる。放熱部１１ａ以外のパッケージ１１は、たとえ
ば、鉄とニッケルとを含む合金からなる。パッケージ１
１は、キャップ１１ｂで気密状態に封止されている。

【００１８】ヒートシンク１３は、たとえば銅からな
る。ヒートシンク１３は、放熱部１１ａの一主面１１ａ
ｓ（パッケージ１１の内側の主面）上に接着される。

【００１９】半導体レーザ素子１４には、ＤＦＢ（分布
帰還型）レーザ素子を用いることができる。半導体レー
ザ素子１４は、サブマウント２１を介してヒートシンク
１３に、接着される。このように、半導体レーザ素子１
４は、放熱部１１ａの主面のうち、パッケージ１１の内
側の一主面１１ａｓ上にヒートシンク１３を介して固定
される。

【００２０】受光素子１５は、一主面１１ａｓ上であっ
て半導体レーザ素子１４の後方（半導体レーザ素子１４
に対して窓１２とは反対側）に配置されたセラミックマ
ウント２２に固定されている。

【００２１】光ファイバ１８の先端には、フェルール２
３と光アイソレータ１９とが配置されており、これら
は、フェルールホルダ２４および口金２５を介して窓１
２の部分に固定されている。

【００２２】図２に示すように、半導体レーザモジュー
ル１０は、放熱部１１ａの外側の一主面１１ａｔとは反
対側の面１１ｓが取り付け面（ボード２６に固定される
面）である。

【００２３】以下に、半導体レーザモジュール１０の製
造方法の一例について簡単に説明する。

【００２４】まず、放熱部１１ａの一主面１１ａｓ上
に、抵抗素子１６としてサーミスタをＡｕＳｎはんだ
（融点２６０℃）で接着する。次に、評価選別を行った
半導体レーザ素子１４を、ＳｉＣからなるサブマウント
２１を介して銅のヒートシンク１３にＡｕＳｎはんだ
（融点約２６０℃）で接着する。そして、このヒートシ
ンク１３をＳｎＡｇはんだ（融点約２２０℃）で一主面
１１ａｓ上に接着する。

【００２５】その後、半導体レーザ素子１４に電流を印
加するための配線をワイヤボンディングによって形成す
る。そして、半導体レーザ素子１４を発光させながら、
金属の枠がついた非球面レンズ（レンズ１７）の最適な
位置を調整し、ＩｎＡｇはんだ（融点約１５０℃）でレ
ンズ１７を接着する。

【００２６】次に、評価選別した受光素子１５をセラミ
ックマウント２２にＡｕＳｎはんだ（融点約２６０℃）
で接着する。そして、このセラミックマウント２２を、
一主面１１ａｓ上であって半導体レーザ素子１４の後方
にＩｎＳｎはんだ（融点約１２０℃）で接着する。

【００２７】次に、窒素などの不活性気体をパッケージ
１１内に充填したのち、キャップ１１ｂを溶接し、パッ
ケージ１１を密封する。次に、窓１２を通過したレーザ
光に対して最大光結合が得られるように、フェルール２
３の先端に光アイソレータ１９を取り付けた光ファイバ
１８を調芯する。そして、調芯ののち、口金２５とフェ
ルール２３とをフェルールホルダ２４を介してＹＡＧ溶
接によって固定する。

【００２８】次に、放熱部１１ａの外側の一主面１１ａ
ｔとは反対側の面１１ｓをモジュール取り付け面として
ボード２６に固定する。その後、放熱部１１ａの一主面
１１ａｔにペルチェクーラ２０を取り付けて本発明の半
導体レーザモジュールが得られる。

【００２９】半導体レーザモジュール１０では、放熱部
１１ａが光学部品のベースともなっているため、放熱に
関して障壁となるような部材は存在せず、効率よく放熱
を行うことができる。また、半導体レーザモジュール１
０では、パッケージ１１の内部にペルチェクーラ２０を
内蔵しない構造を採用しているため、使用できるはんだ
の範囲が広がり、融点が２６０℃以下のはんだを使用で
きる。このため、鉛を含まないはんだで組み立てができ
るという利点がある。

【００３０】実施形態１の半導体レーザモジュール１０
では、ペルチェクーラ２０がパッケージ１１の外部であ
って且つモジュールの取り付け部以外の部分に配置され
るため、ペルチェクーラ２０が機械的な負荷を受けるこ
とがない。このため、振動や衝撃に強く、信頼性に優れ
る半導体レーザモジュールが得られる。

【００３１】本発明の半導体レーザモジュールを適用し
た高密度波長多重伝送を用いたシステムは、従来技術で
説明した図３のようになる。

【００３２】（実施形態２）実施形態２では、本発明の
半導体レーザモジュールについて他の一例を説明する。
実施形態２の半導体レーザモジュール４０の断面図を図
４（ａ）に示す。また、図４（ａ）の線Ａ−Ａ’におけ
る切断端面図を図４（ｂ）に示す。

【００３３】図４を参照して、半導体レーザモジュール
４０は、半導体レーザモジュール１０と同様に、放熱部
１１ａを含むパッケージ１１と、パッケージ１１の端部
に配置された窓１２とを備える。また、半導体レーザモ
ジュール４０は、半導体レーザモジュール１０と同様
に、ヒートシンク１３、半導体レーザ素子１４、受光素
子１５、抵抗素子１６と、レンズ１７、および光アイソ
レータ１９を備える。さらに、図４では図示を省略して
いるが、半導体レーザモジュール４０は、放熱部１１ａ
のうちパッケージ１１の外側の一主面１１ａｔ上に配置
されたペルチェクーラを備える。

【００３４】半導体レーザモジュール４０は、半導体レ
ーザモジュール１０と比較して、セラミック部材４１
（図４においてハッチングを付して示す）と合金膜４２
とを備える点が異なる。セラミック部材４１は、放熱部
１１ａを挟むように保持している。また、セラミック部
材４１上には、電極端子４３が形成されており、この電
極端子４３を介して半導体レーザモジュール４０と外部
との間で信号の入出力が行われる。合金膜４２は、放熱
部１１ａのうちパッケージ１１の内側の主面１１ａｓ上
に形成されている。合金膜４２上には、枠付きの非球面
レンズであるレンズ１７が配置されている。この半導体
レーザモジュール４０においても、放熱部１１ａの外側
の一主面１１ａｔとは反対側の面１１ｓがモジュールの
取り付け面であり、この面１１ｓがボード２６に固定さ
れる。

【００３５】以下に、半導体レーザモジュール４０の製
造方法の一例について説明する。

【００３６】まず、銅とタングステンの合金からなる放
熱部１１ａ上に、抵抗素子１６としてサーミスタをＡｕ
Ｓｎはんだ（融点２６０℃）で接着する。次に、評価選
別を行った半導体レーザ素子１４を、ＳｉＣからなるサ
ブマウント２１を介して銅のヒートシンク１３にＡｕＳ
ｎはんだ（融点約２６０℃）で接着する。そして、この
ヒートシンク１３をＳｎＡｇはんだ（融点約２２０℃）
で一主面１１ａｓ上に接着する。

【００３７】その後、半導体レーザ素子１４に電流を印
加するための配線をワイヤボンディングによって形成す
る。そして、半導体レーザ素子１４を発光させながら、
金属の枠がついた非球面レンズ１７を最適な位置に調整
する。ここで、実施形態１とは異なり、パッケージの上
記レンズを固定する領域には、鉄とニッケルとからなる
合金膜４２を形成している。鉄とニッケルとの合金はＹ
ＡＧ溶接が容易に行えるため、上記調整後にＹＡＧ溶接
によって上記レンズを固定する。

【００３８】次に、金属ベース上に構成された光アイソ
レータ１９をレンズ１７の前方にＩｎＡｇはんだ（融点
約１５０℃）で接着する。

【００３９】次に、評価選別した受光素子１５をセラミ
ックマウント２２にＡｕＳｎはんだ（融点約２６０℃）
で接着する。そして、このセラミックマウント２２を一
主面１１ａｓ上にＩｎＳｎはんだ（融点約１２０℃）で
半導体レーザ素子１４の後方に接着する。

【００４０】その後、窒素などの不活性気体をパッケー
ジ１１内に充填したのち、キャップ１１ｂを溶接し、パ
ッケージ１１を密封する。次に、窓１２を通過したレー
ザ光に対して最大光結合が得られるように、光ファイバ
１８を調芯する。そして、調芯ののち、口金２５とフェ
ルール２３とをフェルールホルダ２４を介してＹＡＧ溶
接によって固定する。

【００４１】実施形態２の半導体レーザモジュール４０
では、半導体レーザモジュール１０と同様に、パッケー
ジの外部でしかもモジュールの上部にペルチェクーラを
設置するため、ペルチェクーラが機械的な負担を受ける
ことを防止できる。また、半導体レーザモジュール４０
では、ペルチェクーラで温度制御を行う際に、熱伝導率
が低いセラミック部材４１が、放熱部１１ａとパッケー
ジの側面との間の熱伝導を妨げる働きをしている。この
ため、半導体レーザモジュール４０では、余分な領域を
ペルチェクーラで温度制御する必要がなくなるため、半
導体レーザ素子の温度制御を効率よく行うことができ
る。

【００４２】なお、上記実施形態では、パッケージの放
熱部１１ａが銅とタングステンとの合金からなる場合に
ついて説明したが、さらに熱伝導のよい材質（たとえば
銅のみ）や、温度制御可能であれば熱伝導率の低い材質
（たとえば、鉄ニッケル合金）を用いてもよい。

【００４３】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明の半導体レーザモ
ジュールによれば、衝撃や振動に強く、信頼性に優れる
半導体レーザモジュールが得られる。

【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について一
例を示す断面図である。

【図２】図１に示した半導体レーザモジュールの他の
断面図である。

【図３】本発明の半導体レーザモジュールが使用され
る高密度波長多重伝送を用いたシステムについて一例を
模式的に示す図である。

【図４】本発明の半導体レーザモジュールについて他
の一例を示す（ａ）断面図および（ｂ）切断端面図であ
る。

【図５】従来の半導体レーザモジュールについて一例
を示す断面図である。

【図６】従来の半導体レーザモジュールについて他の
一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０、４０半導体レーザモジュール１１パッケージ１１ａ放熱部１１ａｓ、１１ａｔ一主面１１ｂキャップ１１ｓ面１２窓１３ヒートシンク１４半導体レーザ素子１５受光素子１６抵抗素子１７レンズ１８光ファイバ１９光アイソレータ２０ペルチェクーラ（ペルチェ素子）２１サブマウント２２セラミックマウント２３フェルール２４フェルールホルダ２５口金２６ボード４１セラミック部材４２合金膜４３電極端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F073 AA64 AB27 AB28 AB30 EA29 FA02 FA06 FA15 FA22 FA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放熱部を含むパッケージと、前記パッケ
ージの端部に配置された窓とを備える半導体レーザモジ
ュールであって、前記放熱部の主面のうち前記パッケージの内側の一主面
上にヒートシンクを介して固定された半導体レーザ素子
と、前記半導体レーザ素子の光出力をモニタするための受光
素子と、前記半導体レーザ素子の温度を測定するための抵抗素子
と、前記半導体レーザ素子から出射した光を集光し前記窓の
外側で焦点を結ぶように光学設計されたレンズと前記焦
点で光の入力が最大となるように配置された光ファイバ
と、前記半導体レーザ素子への反射戻り光を除去するために
前記レンズと前記光ファイバとの間に配置された光アイ
ソレータと、前記放熱部の外側の一主面上に配置されたペルチェ素子
とを備え、前記放熱部の外側の一主面とは反対側の面が取り付け面
であることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】前記放熱部が銅を含む合金からなる請求
項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】セラミックからなる部材を備え、前記放熱部が、前記部材を介して前記パッケージに固定
されており、前記部材を介して電気的な接続が行われている請求項１
または２に記載の半導体レーザモジュール。