JP2003188456A - 光電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度の上昇を防止して、半導体レーザ素子の
安定動作を可能にする技術を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ素子を固定したステムにキ
ャップを溶接しキャップとステムとによって半導体レー
ザ素子を気密封止した構成を有する光電子装置におい
て、前記ステムと一体に放熱素子が取り付けられている
構成とする。上述した本発明によれば、放熱素子によっ
て半導体レーザ素子の発熱を放出して温度制御を行なう
ので、半導体レーザ素子が最適温度を保持し、特性の安
定化を図り、高品質化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電子装置に関
し、特に、光電子装置の放熱に適用して有効な技術に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、半導体基板に形成した
活性層中にて励起状態の電子と正孔とが放射再結合する
誘導放射を整然と起こすことにより、振動数や位相が揃
ったコヒーレントな光が得られるため、直進性や干渉性
が高く、情報処理或いは光通信等の広い分野で用いられ
ている。

【０００３】図１に示すのは、半導体レーザ素子を実装
形態に封入した半導体レーザ装置を一部切り欠いて示す
斜視図である。この半導体レーザ装置に用いられる半導
体レーザ素子１は、例えば、ＧａＡｓ等を用いたｎ型半
導体基板に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド
層、ｎ型ブロック層、ｐ型キャップ層を順次積層し、キ
ャップ層上にＴｉ，Ｐｔ等を含む金を用いた上面電極が
形成され、半導体基板裏面にＧｅ，Ｎｉ等を含む金を用
いた下面電極が形成されている。

【０００４】こうしたレーザ素子１は、通常サブマウン
ト２と呼ばれるシリコン等を用いた配線基板にフェイス
ダウンで上面電極を実装し、サブマウント２は、円板状
のステム３に固定されたヒートブロック４に接着し、中
空円筒状のキャップ５の開放端をステム３に溶接する。
キャップ５の閉鎖端に設けられた射出孔はガラス６によ
って覆われておりキャップ５とステム３とによってレー
ザ素子１を気密封止し、封止空間の内部には窒素ガスを
封入してある。ステム３には例えば金メッキを施した鉄
を用い、ヒートブロック４には例えば金メッキを施した
鉄又は銅を用いてある。

【０００５】ステム３には、例えばＦｅ／Ｎｉに金メッ
キを施した３本のステムリード７ａ，７ｂ，７ｃが取り
付けられており、その内のヒートブロック４直下に位置
するステムリード７ａはステム３に直接取り付けられて
いるが、その他の２本のステムリード７ｂ，７ｃは、ガ
ラス等の絶縁体８を介してステム３に絶縁固定され封止
空間内部に内端が延在しており、その一方のステムリー
ド７ｂの内端とレーザ素子１の下部電極とがボンディン
グワイヤ９によって接続され、他方のステムリード７ｃ
の内端とサブマウント２の配線とがボンディングワイヤ
９によって接続されている。

【０００６】従って、ボンディングワイヤ９を介して一
方のステムリード７ｂの内端と半導体レーザ素子１の下
部電極とが導通し、サブマウント２の配線及びボンディ
ングワイヤ９を介して他方のステムリード７ｃの内端と
半導体レーザ素子１の上部電極とが導通している。この
ため、ステムリード７ｂ，７ｃ間に電圧を印加すると、
半導体レーザ素子１の上部電極と下部電極間に電圧が印
加されて、図１中に矢印で示すように、半導体レーザ素
子１が発光しレーザ光がガラス６によって覆われた射出
孔から射出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような半導体レー
ザは、温度が上昇すると波長が長くなり消費電流が増加
する等の特性の変化が生じるので、動作温度を２５℃程
度の一定の温度に保つのが望ましい。こうした特性変動
の問題に加えて、特に、大出力の半導体レーザでは、活
性層内の転位の増殖に起因する寿命不良、或いは活性層
端面近傍が急激な温度上昇を起こし破壊に至る端面劣化
等の問題があるが、これらの不良・劣化には温度の上昇
が大きな要因となることが知られている。

【０００８】こうした温度上昇を防止するため、従来は
半導体レーザ装置を取り付けケーシングしたモジュール
に冷却装置を取り付け、半導体レーザ素子の冷却を行な
うこともあるが、冷却装置及びその制御回路の付加が必
要となり、システム実装の複雑化高価格化の要因とな
る。

【０００９】本発明の課題は、これらの問題を解決し、
温度の上昇を防止して、半導体レーザ素子の安定動作を
可能にする技術を提供することにある。本発明の前記な
らびにその他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及
び添付図面によって明らかになるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。半導体レーザ素子を固定したステ
ムにキャップを溶接しキャップとステムとによって半導
体レーザ素子を気密封止した構成を有する光電子装置に
おいて、前記ステムと一体に放熱素子が取り付けられて
いる構成とする。

【００１１】上述した本発明によれば、放熱素子によっ
て半導体レーザ素子の発熱を放出して温度制御を行なう
ので、半導体レーザ素子が最適温度を保持し、特性の安
定化を図り、高品質化することができる。

【００１２】以下、本発明の実施の形態を説明する。な
お、実施の形態を説明するための全図において、同一機
能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明
は省略する。

【００１３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本実施の形態の
光電子装置は、半導体レーザ素子を封止した半導体レー
ザ装置に直接に放熱素子を取り付けた構成となってお
り、半導体レーザ装置は図１に示すものと同様の構成と
なっている。即ち、この半導体レーザ装置１０に用いら
れる半導体レーザ素子１は、例えば、ＧａＡｓ等を用い
たｎ型半導体基板に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型ク
ラッド層、ｎ型ブロック層、ｐ型キャップ層を順次積層
し、キャップ層上にＴｉ，Ｐｔ等を含む金を用いた上面
電極が形成され、半導体基板裏面にＧｅ，Ｎｉ等を含む
金を用いた下面電極が形成されている。

【００１４】こうしたレーザ素子１は、通常サブマウン
ト２と呼ばれるシリコン等を用いた配線基板にフェイス
ダウンで上面電極を実装し、サブマウント２は、円板状
のステム３に固定されたヒートブロック４に接着し、レ
ーザ素子１がサブマウント２及びヒートブロック４を介
してステム３に固定され熱的に接続されている。

【００１５】ステム３には中空円筒状のキャップ５の開
放端を溶接し、キャップ５の閉鎖端に設けられた射出孔
はガラス６によって覆われており、キャップ５とステム
３とによってレーザ素子１を気密封止し、封止空間の内
部には窒素ガスを封入してある。ステム３には例えば金
メッキを施した鉄を用い、ヒートブロック４には例えば
金メッキを施した鉄又は銅を用いてある。

【００１６】ステム３には、例えばＦｅ−Ｎｉに金メッ
キを施した３本のステムリード７ａ，７ｂ，７ｃが取り
付けられており、その内のヒートブロック４直下に位置
するステムリード７ａはステム３に直接取り付けられて
いるが、その他の２本のステムリード７ｂ，７ｃは、ガ
ラス等の絶縁体８を介してステム３に絶縁固定され封止
空間内部に内端が延在しており、その一方のステムリー
ド７ｂの内端とレーザ素子１の下部電極とがボンディン
グワイヤ９によって接続され、他方のステムリード７ｃ
の内端とサブマウント２の配線とがボンディングワイヤ
９によって接続されている。

【００１７】従って、ボンディングワイヤ９を介して一
方のステムリード７ｂの内端と半導体レーザ素子１の下
部電極とが導通し、サブマウント２の配線及びボンディ
ングワイヤ９を介して他方のステムリード７ｃの内端と
半導体レーザ素子１の上部電極とが導通している。この
ため、ステムリード７ｂ，７ｃ間に電圧を印加すると、
半導体レーザ素子１の上部電極と下部電極間に電流が流
れて半導体レーザ素子１が発光し、図１中に矢印で示す
ように、レーザ光がガラス６によって覆われた射出孔か
ら射出する。

【００１８】図２に示すのは本実施の形態の光電子装置
に用いられる放熱素子であり、この放熱素子では、複数
のｐ型素子及びｎ型素子を直列接続したペルチエ素子１
１の両面をセラミックの吸熱板１２と放熱板１３とによ
って覆い、吸熱板１２及び放熱板１３にはそれぞれ２本
のリード１４，１５が取り付けられている。ペルチエ素
子１１の両極は放熱板１３に取り付けられたリード１５
にそれぞれ導通されている。

【００１９】吸熱板１２の端部には温度検出素子として
サーミスタ１６を取り付け、サーミスタ１６の下部に形
成された電極が吸熱板１２に形成された配線１２ａによ
って吸熱板１２に取り付けられたリード１４に導通され
ている。

【００２０】本実施の形態の光電子装置では、図３の
（ａ）に示すように、この放熱素子１７の中央に設けら
れた孔に、半導体レーザ装置１０のステムリード７ａ，
７ｂ，７ｃを通して、ステム３を吸熱板１２に、図３の
（ｂ）に示すように、銀ペーストによって溶着する或い
は接着剤によって接着してステム３と放熱素子１７の吸
熱板１２とを一体化して熱的に接続した構成となってい
る。

【００２１】このように、放熱素子１７の中央に設けら
れた孔に、半導体レーザ装置１０のステムリード７ａ，
７ｂ，７ｃを通す構成とすることによって、放熱素子１
７を取り付けても、ステムリード７ａ，７ｂ，７ｃの配
置が従来のものと同様になるので、互換性を維持するこ
とができる。

【００２２】この光電子装置では、サーミスタ１６と導
通するリード１４を温度検出回路に接続して、半導体レ
ーザ装置１０の周囲環境温度及び半導体レーザ素子１動
作時の温度変化を検出し、この温度変化に応じて、リー
ド１５を介してペルチエ素子１１を電流駆動させて、半
導体レーザ装置１０の発熱を吸熱板１２に吸収し放熱板
１３から放出して、半導体レーザ装置１０の温度制御を
行なう。

【００２３】こうした温度制御により、半導体レーザ装
置１０が最適温度を保持して、特性の安定化を図り、高
品質化することができる。また、温度制御によって使用
可能な周囲環境の温度範囲が拡大し、従来は温度上昇が
懸念されるため使用することができなかった環境でも使
用が可能となる。加えて、温度変化に起因する寿命劣化
を防止することができるので、信頼性が向上し、温度上
昇を防止して低消費電流化することが可能となる。

【００２４】また、半導体レーザ装置と放熱素子とを一
体化して半導体レーザ装置を直接冷却することにより、
従来のモジュールを冷却する場合と比較して、冷却の効
率が向上し、モジュールにおける冷却装置及びその制御
回路の付加が不要となり、システム実装の合理化及び低
価格化を実現することが可能になる。

【００２５】図４に示すのは、前述した光電子装置の放
熱特性をさらに向上させた例を示すものであり、この例
では、半導体レーザ装置１０を取り付けた放熱素子１７
を、アルミニュウム等の熱伝導性の良好な材料を用いた
放熱部材１８に接着固定することによって、放熱素子１
７の放熱板１３と放熱部材１８とを熱的に接続し、放熱
板１３から放出可能な熱量を更に増加させてある。

【００２６】このため、放熱素子１７の温度許容範囲を
拡大して、更なる特性の安定化・使用可能な周囲環境の
温度範囲の拡大・低消費電流化等を図ることが可能とな
る。加えて、放熱部材に取り付け孔１８ａを設けること
により、この取り付け孔１８ａを用いて放熱部材１８に
よって光電子装置を固定することも可能となるので、よ
りフレキシブルな実装対応が可能となる。

【００２７】以上、本発明を、前記実施の形態に基づき
具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能であることは勿論である。

【００２８】例えば、前述した実施の形態では放熱素子
１７の中央に設けられた１つの孔に、半導体レーザ装置
１０のステムリード７ａ，７ｂ，７ｃを通して、ステム
３を吸熱板１２に接着したが、夫々のステムリード７
ａ，７ｂ，７ｃに対応した３つの孔を設ける構成として
もよいし、放熱素子とステムとを一体化した構成とし
て、構成の簡素化および放熱特性の向上を図ることも可
能である。

【００２９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。 （１）本発明によれば、半導体レーザ装置に放熱素子を
直接取り付けることができるという効果がある。 （２）本発明によれば、上記効果（１）により、半導体
レーザ装置を効率的に冷却するができるという効果があ
る。 （３）本発明によれば、上記効果（２）により、半導体
レーザ装置の温度上昇による特性変動を抑制することが
できるという効果がある。 （４）本発明によれば、上記効果（２）により、半導体
レーザ装置の温度上昇による寿命の低下を防止すること
が可能になるという効果がある。 （５）本発明によれば、上記効果（３）（４）により、
光電子装置の信頼性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザ装置を示す斜視図である。

【図２】放熱素子を示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施の形態である光電子装置を示す
斜視図である。

【図４】図３に示す実施の形態の変形例である光電子装
置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザ素子、２…サブマウント、３…ステ
ム、４…ヒートブロック、５…キャップ、６…ガラス、
７ａ，７ｂ，７ｃ…ステムリード、８…絶縁体、９…ボ
ンディングワイヤ、１０…半導体レーザ装置、１１…ペ
ルチエ素子、１２…吸熱板、１２ａ…配線、１３…放熱
板、１４，１５…リード、１６…サーミスタ、１７…放
熱素子、１８…放熱部材、１８ａ…取り付け孔。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ素子を固定したステムにキ
   ャップを溶接しキャップとステムとによって半導体レー
   ザ素子を気密封止した構成を有する光電子装置におい
   て、前記ステムと一体に放熱素子が取り付けられている
   ことを特徴とする光電子装置。
2. 【請求項２】 前記放熱素子がペルチエ素子であること
   を特徴とする請求項１に記載の光電子装置。
3. 【請求項３】 前記放熱素子に温度検出素子を取り付け
   たことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電
   子装置。
4. 【請求項４】 前記放熱素子の中央に設けられた孔に、
   前記ステムに固定されたステムリードを通したことを特
   徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光
   電子装置。
5. 【請求項５】 前記放熱素子が放熱部材に取り付けられ
   ていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか
   一項に記載の光電子装置。