JP2003273440A

JP2003273440A - レーザモジュール

Info

Publication number: JP2003273440A
Application number: JP2002068474A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Shimada; 守島田; Tatsuhiko Ueki; 達彦植木; Yuji Hiratani; 雄二平谷
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】発振波長の可変範囲の拡大と低消費電力化と
を実現するレーザモジュールを提供する。【解決手段】温度が一定に制御される第１サーモモジ
ュール６１上に、高熱伝導性を有する熱伝導体７０を配
置し、半導体レーザ素子２０と熱伝導体７０との間に小
型の第２サーモモジュール６２を設ける。これにより、
第２サーモモジュール６２の温度制御範囲を広げ、結果
的に半導体レーザ素子２０の波長可変範囲を広げること
が可能になるとともに、第２サーモモジュール６２によ
る局所的な発熱が熱伝導体７０によって吸収かつ分散さ
れ、第２サーモモジュール６２による半導体レーザ素子
２０の温度調節が短時間かつ低消費電力で可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信器に利用さ
れる半導体レーザモジュール、特に波長分割多重システ
ム（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing Syste
m）に利用される光信号送信用もしくは励起光源用のレ
ーザモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子は、注入電流を増加さ
せることによって大きなレーザ出力パワーを得ることが
できるが、一般に、その注入電流に比例して素子自体の
発熱量も増大する。熱の増大は、半導体レーザ素子を構
成する半導体層や光学部品の特性に影響を及ぼし、実際
に出力されるレーザ出力の波長が所望の波長からずれた
り、素子の寿命を縮めるといった種々の不具合を生じさ
せる。

【０００３】特に、高密度ＷＤＭシステムに用いられる
半導体レーザ素子では、光信号の波長が長期に亘って安
定していることが求められ、波長制御を精確に行なう必
要がある。そのため、半導体レーザ素子が組み込まれた
レーザモジュール内において、波長モニタの機能を設け
る技術が公知となっている。

【０００４】図１１は、従来のレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。図１１におい
て、従来のレーザモジュール２００は、パッケージ１０
１の開口部、すなわち光射出部に、光ファイバ１１を保
持するためのフェルール１２を設けている。また、パッ
ケージ１０１の底面上には、サーモモジュール６５とサ
ーモモジュール６６が近接配置されている。サーモモジ
ュール６５とサーモモジュール６６は、通電させる電流
の大きさおよび向きによってその表面の加熱および冷却
が可能な装置であり、ペルチェ素子等で構成される。

【０００５】サーモモジュール６５上には、銅−タング
ステン等で作製されたベース８１が載置され、さらにそ
の上に、半導体レーザ素子２０が搭載されたサブマウン
ト３４と、半導体レーザ素子２０の前側端面から出力さ
れたレーザ光を光ファイバ１１に結合する集光レンズ３
３と、光ファイバ１１側からの反射戻り光を阻止するた
めの光アイソレータ３２と、半導体レーザ素子２０の後
側端面から出力されたモニタ用のレーザ光を平行にする
平行レンズ３５とが設けられる。以下、ベース８１、集
光レンズ３３、サブマウント３４および平行レンズ３５
を含む部分をレーザ部と称する。

【０００６】一方、サーモモジュール６６上には、Ｃｕ
Ｗ等で作製されたベース８０が載置され、さらにその上
に、半導体レーザ素子２０の後側端面から出力されたモ
ニタ用のレーザ光を所定の角度で２方向に分岐させるプ
リズム５１と、プリズム５１によって分岐された光の一
方を入射する光フィルタ５２と、サブマウント５３とが
設けられる。また、サブマウント５３の前面（レーザ出
射方向面）には、プリズム５１によって分岐された光の
他方を受光する第１光検出器４１と、光フィルタ５２を
透過した光を受光する第２光検出器４２とが、同一平面
上に設けられている。なお、第１光検出器４１および第
２光検出器４２としては、フォトダイオードが用いられ
る。

【０００７】また、光フィルタ５２の近傍において、光
フィルタ５２の温度をモニタするサーミスタ５４が設け
られている。以下、ベース５０およびベース５０上に設
けられる上記各構成要素を含む部分を波長モニタ部と称
する。

【０００８】このレーザモジュール２００では、上記し
た構成において、サーモモジュール６５およびサーモモ
ジュール６６の温度制御を行なうことにより、安定なレ
ーザ発振を実現している。以下に、このレーザモジュー
ル２００における温度制御について簡単に説明する。ま
ず、半導体レーザ素子２０の後側端面から出力されたモ
ニタ用のレーザ光は、平行レンズ３５を経て、プリズム
５１によって２方向に分岐される。

【０００９】プリズム５１によって分岐された一方の光
は、第１光検出器４１によって電流に変換され、図示し
ない電流−電圧変換部において参照電圧として用いられ
る。また、プリズム５１によって分岐された他方の光
は、光フィルタ５２を通過し、第２光検出器４２によっ
て電流に変換され、図示しない電流−電圧変換部におい
て信号電圧として用いられる。ここで、光フィルタ５２
は、入射した光の波長に対して透過率の異なる特性を有
しており、例えばエタロンで形成される。よって、所望
の波長の光が光フィルタ５２を経ることで得られる信号
電圧と、上記参照電圧との差分を基準電圧差とすると、
実際の参照電圧と信号電圧との電圧差を上記した基準電
圧差と比較することにより、波長のずれがわかることに
なる。

【００１０】この波長のずれは、半導体レーザ素子２０
の温度を変化させることで補正できるので、そのずれを
補正するには、半導体レーザ素子２０下部のサブマウン
ト３４の温度を調節（冷却または加熱）すればよい。そ
こで、図示しない制御部は、上記比較によって得られた
波長のずれを示す電圧を、サーモモジュール６５の温度
を制御する制御電圧として用い、サーモモジュール６５
を温度調節器として動作させる。これにより、半導体レ
ーザ素子２０は、サーモモジュール６５、ベース３０お
よびサブマウント３４を介して温度調節され、波長変化
を抑制するように、すなわち所望の波長のレーザ光が出
力されるようにフィードバック制御される（以下、この
制御された状態を波長ロッキングと称する。）。

【００１１】ところが、エタロンで形成された光フィル
タ５２は、温度に依存して特性が変化するため、その温
度を一定にしておくことが好ましい。そこで、図示しな
い制御部は、所望の温度とサーミスタ５４によって検出
された温度との差分を演算し、その差分に相当する電圧
を制御電圧としてサーモモジュール６６の温度を制御す
る。これにより、光フィルタ５２は、サーモモジュール
６６およびベース５０を介して加熱または冷却され、所
望の温度に安定する。

【００１２】また、発振波長が半導体レーザ素子２０の
温度に依存するという特性を積極的に利用して、発振波
長を制御することのできる、いわゆる波長可変型レーザ
モジュールが知られている。ところが、図１１に示した
構成では、半導体レーザ素子２０の温度は、サーモモジ
ュール６５のみによって制御されるため、波長可変範
囲、すなわち温度制御範囲が十分でないという問題があ
った。そこで、その問題を解決するために、特願２００
２−０５７０４３の「レーザモジュール」によれば、サ
ーモモジュールを二段構成にし、上段のサーモモジュー
ルと下段のサーモモジュールを別々に温度制御すること
で、上段のサーモモジュール上に配置される半導体レー
ザ素子の温度制御範囲の拡大、すなわち波長可変範囲の
拡大を実現させている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ペルチ
ェ素子等の電熱変換素子で形成されるサーモモジュール
は、半導体レーザ素子が搭載される上面と下面との間で
熱移動を実現しているに過ぎないため、半導体レーザ素
子を十分に冷却させることは、同時にその下面の温度を
上昇させることになる。サーモモジュールの下面は、通
常、パッケージ底面に接しているため、結局、その温度
上昇はパッケージの温度を上昇させることになる。すな
わち、パッケージ内部の温度は、半導体レーザ素子等の
被冷却部材の発熱に加え、パッケージ自体の熱によって
上昇してしまう。結局、レーザモジュールのパッケージ
内では、対流、放射、伝導（うち主として対流）によっ
て半導体レーザ素子に熱が流入し続けるという熱サイク
ルが生じ、サーモモジュールは、被冷却部材を所定の温
度に保つために熱を奪い続けなければならないことにな
る。

【００１４】特に、上述したように被冷却部材は、半導
体レーザ素子のみではなく波長モニタ部上の光学部材等
を含んでいるので、冷却能力の大きなサーモモジュール
が要求される。冷却能力の大きなサーモモジュールほ
ど、その冷却能力を最大限に引き出した場合には当然に
その下面で発生する発熱は大きくなり、パッケージから
半導体レーザ素子に流入する熱量も大きくなる。例え
ば、半導体レーザ素子の発熱量が０．１Ｗ程度であると
き、パッケージから被冷却部材に流入する熱は１Ｗを超
えることがある。

【００１５】パッケージから被冷却部材に流入する熱
は、パッケージと被冷却部材の温度差が大きいほど大き
くなるので、特に、上記した波長可変型レーザモジュー
ルにおいて、波長可変範囲を広げるために半導体レーザ
素子の温度制御範囲を低温側に広げようとすると、半導
体レーザ素子自身の発熱量よりもパッケージから流入す
る熱量の方がその何倍も大きくなり、サーモモジュール
が奪わなければならない熱量が急激に増大する。サーモ
モジュールによって奪うことが可能な熱量は、そのサー
モモジュールの冷却能力によって決まるので、必然と制
御可能な半導体レーザ素子の温度範囲が制限され、これ
は、波長可変範囲を広げることができないという問題と
なる。また、上記したような大きな温度差が生じた状態
では、冷却に要するサーモモジュールの電力をも増大さ
せてしまう。

【００１６】さらに、パッケージの発熱量、すなわちレ
ーザモジュールの発熱量が増大すると、パッケージ外部
の気中への熱放散が困難になる。この熱放散は、レーザ
モジュールまたはそれを含む光通信用機器に、放熱のた
めの大きなフィンを設けることである程度実現できる
が、大きなフィンの存在は、レーザモジュールと他機器
との集積度を低下させるという新たな問題を生じさせ
る。

【００１７】波長可変範囲を広げるという目的は、上述
した二段構成のサーモモジュールを備えたレーザモジュ
ールによってある程度達成することはできるが、上段の
サーモモジュールとして下段のサーモモジュールより小
さなサイズのものを用いた場合、上段のサーモモジュー
ルの下面と下段のサーモモジュールの上面との間に大き
な温度差が生じた際に、上段のサーモモジュールから排
出される熱が下段のサーモモジュールの一部に局所的に
流入し、下段のサーモモジュールの吸熱効率が悪くな
り、結果として消費電力が大きくとなるという問題があ
った。

【００１８】さらに、被冷却部材の熱容量が大きいこと
を主因として、半導体レーザ素子がサーモモジュールに
よって設定された目標温度で安定するまでに、数十秒か
ら数分程度の長い時間を要し、レーザモジュールの起動
後や波長変更後に短時間で安定した発振動作へと移行す
るのが困難であるという問題があった。

【００１９】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、半導体レーザ素子の温度制御可能な範囲を拡大、す
なわち発振波長の可変範囲の拡大を実現するとともに、
サーモモジュールの低消費電力化と容易な放熱を実現
し、高密度実装をも可能にしたレーザモジュールを提供
することを目的とする。

【００２０】また、レーザモジュールの起動後や波長切
り替え後において安定動作に至るまでの時間を短縮させ
ることができるレーザモジュールを提供することを目的
とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１にかかるレーザモジュールは、第１の温度
調節部と、前記第１の温度調節部上に設けられた高熱伝
導性を有する熱伝導体と、前記熱伝導体上に設けられた
第２の温度調節部と、前記第２の温度調節部上に設けら
れた半導体レーザ素子と、を備えたことを特徴としてい
る。

【００２２】この発明によれば、半導体レーザ素子の温
度調節を行なうための第２の温度調節部の下面で生じた
熱を、高熱伝導性を有する熱伝導体によって第１の温度
調節部上の全面に亘って効率良く放散させることができ
る。

【００２３】また、請求項２にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第２の温度調節部上に設
けられるとともに、前記半導体レーザ素子の温度を計測
する温度計測部を備えたことを特徴としている。

【００２４】また、請求項３にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第２の温度調節部と前記
半導体レーザ素子との間に配置される別の熱伝導体を備
えたことを特徴としている。

【００２５】この発明によれば、半導体レーザ素子で生
じた熱を、高熱伝導性を有する別の熱伝導体によって第
２の温度調節部上の全面に亘って効率良く放散させるこ
とができる。

【００２６】また、請求項４にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記別の熱伝導体上に設けら
れるとともに、前記半導体レーザ素子の温度を計測する
温度計測部を備えたことを特徴としている。

【００２７】また、請求項５にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第１の温度調節部が、並
置された複数の温度調節部によって構成され、前記熱伝
導体は、当該各温度調節部間で共有されるように配置さ
れたことを特徴としている。

【００２８】また、請求項６にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第１の温度調節部が、下
段と上段の関係を有する複数の温度調節部によって構成
されたことを特徴としている。

【００２９】また、請求項７にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記熱伝導体上に設けられる
とともに、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ
光の波長変化を検出する波長モニタ部を備えたことを特
徴としている。

【００３０】また、請求項８にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第１の温度調節部の下段
に位置する温度調節部上に設けられるとともに、前記半
導体レーザ素子から出力されたレーザ光の波長変化を検
出する波長モニタ部を備えたことを特徴としている。

【００３１】また、請求項９にかかるレーザモジュール
は、上記の発明において、前記第２の温度調節部が、下
段と上段の関係を有する複数の温度調節部によって構成
されたことを特徴としている。

【００３２】また、請求項１０にかかるレーザモジュー
ルは、上記の発明において、上段に位置する温度調節部
の温度調節能力が、下段に位置する温度調節部の温度調
節能力よりも低いことを特徴としている。

【００３３】また、請求項１１にかかるレーザモジュー
ルは、上記の発明において、前記熱伝導体が、下段と上
段の関係を有する複数の熱伝導体によって構成されたこ
とを特徴としている。

【００３４】また、請求項１２にかかるレーザモジュー
ルは、上記の発明において、上段に位置する熱伝導体の
熱伝導能力が、下段に位置する熱伝導体の熱伝導能力よ
りも低いことを特徴としている。

【００３５】また、請求項１３にかかるレーザモジュー
ルは、上記の発明において、前記熱伝導体が、１３０Ｗ
／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴としてい
る。

【００３６】また、請求項１４にかかるレーザモジュー
ルは、上記の発明において、前記熱伝導体が、１００μ
ｍ以上の厚さを有することを特徴としている。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかるレーザモ
ジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、この実施の形態により本発明が限定されるも
のではない。

【００３８】（実施の形態１）まず、実施の形態１にか
かるレーザモジュールについて説明する。実施の形態１
にかかるレーザモジュールは、パッケージの底面から順
に、第１サーモモジュール、熱伝導体、第２サーモモジ
ュール、半導体レーザ素子を配置したことを特徴として
いる。

【００３９】図１は、実施の形態１にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における側面断面図である。な
お、図１において、図１１と共通する部分には同一の符
号を付してその説明を省略する。図１に示すレーザモジ
ュール１００は、パッケージ１０１の底面上に第１サー
モモジュール６１のみが配置される点と、第１サーモモ
ジュール６１上の全面に接して熱伝導体７０が配置され
る点と、光アイソレータ３２、集光レンズ３３、平行レ
ンズ３５、プリズム５１、光フィルタ５２およびサブマ
ウント５３に加えて、サブマウント３４に置換される第
２サーモモジュール６２がその熱伝導体７０上に配置さ
れる点と、半導体レーザ素子２０が第２サーモモジュー
ル６２上に配置される点が、図１１に示すレーザモジュ
ール２００と異なる。

【００４０】ここで、熱伝導体７０は、上記各部品が配
置される従来のベースと同様な形状であり、ダイヤモン
ド、アルミニウム、アルミニウム合金、グラファイト、
銅、銅合金、銅−タングステン、窒化アルミ、アルミン
シリコンカーバイド、窒化ホウ素のような熱伝導率の高
い材料で形成される。特に、熱伝導体７０としては、熱
伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる材料で形成され、
１００μｍ以上の厚さを有するのが好ましい。なお、こ
れら材料は、従来のレーザモジュールにおいても、ベー
ス、サブマウント、キャリア、ヒートシンクなどの名称
で呼ばれる部材で使用される材料、または使用すること
ができる材料として知られているが、本実施の形態で
は、後述する第２サーモモジュールの使用と関連して、
その目的が従来とは異なっている。その目的については
後述する。

【００４１】第２サーモモジュール６２は、その上面に
配置された半導体レーザ素子２０の温度調節を行なうた
めのものであり、半導体レーザ素子２０への熱伝導効率
と低消費電力の観点から、第１サーモモジュール６１よ
りも大きさが小さいことが望ましい。結果的には、第２
サーモモジュール６２として、第１サーモモジュール６
１の温度調節能力よりも低いものを使用する。また、特
に、図１に示すように、一方の側面が半導体レーザ素子
２０の前側端面と同一の平面に一致し、かつ他方の側面
が半導体レーザ素子２０の後側端面と同一の平面に一致
するような位置関係となる形状と大きさであることがよ
り好ましい。その理由は、半導体レーザ素子２０の前側
端面の直前または後側端面の直後に半導体レーザ素子２
０の下面に接する面が存在すると、それら端面から出射
されたレーザ光の一部がその面で反射され、光結合効率
の低下や波長モニタの動作の乱れなどを招くからであ
る。

【００４２】また、図１に示すように、熱伝導体７０上
には第２サーモモジュール６２とともに集光レンズ３３
等の他の部品を配置させる必要があることから、第２サ
ーモモジュール６２の大きさは第１サーモモジュール６
１よりも小さくなる。さらに、第２サーモモジュール６
２としては、図１１に示した第１サーモモジュール６５
や第２サーモモジュール６６等と同様なペルチェ素子配
置構造を単に小型化して採用することもできるが、絶縁
基板の上に直接電極と熱電材料ウエハを形成し、熱電材
料を切断後櫛状に部分的に除去したものを二枚形成し、
勘合させるような形で貼り合わせる手法によって形成さ
れた構造を採用することもできる。他にも、基板上にス
パッタリングや蒸着などで熱電材料を成長させる手法に
よって形成された薄型構造を採用してもよい。

【００４３】図２は、実施の形態１にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における上面断面図である。図
２に示すように、サブマウント５３の前面（レーザ出射
方向面）には、プリズム５１によって分岐された光の一
方を受光する第１光検出器４１と、光フィルタ５２を透
過した光を受光する第２光検出器４２とが同一平面上に
設けられている。なお、光フィルタ５２はエタロンで形
成されている。

【００４４】以下に、このレーザモジュール１００にお
ける温度制御について説明する。図３は、実施の形態１
にかかるレーザモジュールの動作を説明するための説明
図である。まず、図３に示す第１制御部９１は、サーミ
スタ５４から出力された信号を入力することで、光フィ
ルタ５２の温度を検出する。そして、第１制御部９１
は、所望の温度とサーミスタ５４によって検出された温
度との差分を演算し、その差分に相当する電圧を制御電
圧として第１サーモモジュール６１の温度を一定に制御
する。これにより、光フィルタ５２は、第１サーモモジ
ュール６１および熱伝導体７０を介して加熱または冷却
され、上記した所望の温度に安定する。すなわち、光フ
ィルタ５２の波長弁別特性を安定させることができる。

【００４５】ここで特に、熱伝導体７０は高熱伝導性を
有するため、第１サーモモジュール６１と光フィルタ５
２との間における熱伝導は、迅速かつ低損失なものとな
り、光フィルタ５２を所定の波長弁別特性で素早く安定
させることができる。また、第１サーモモジュール６１
の冷却駆動によってパッケージ１０１の温度が上昇し、
パッケージ１０１から熱伝導体７０およびその熱伝導体
７０上に配置された各部品へと熱が流入するが、熱伝導
体７０の高い熱伝導性のために、その熱は第１サーモモ
ジュール６１の上面全体に亘って素早く広がり、高効率
で冷却させることが可能になる。

【００４６】図２において、半導体レーザ素子２０の後
側端面から出力されたモニタ用のレーザ光は、平行レン
ズ３５を経た後、プリズム５１に異なる傾斜角度で形成
された２つの傾斜面に入射されることによって第１光検
出器４１と第２光検出器４２に向けて２方向に分岐され
る。プリズム５１によって分岐された一方の光は、第１
光検出器４１によって電流に変換された後、図３に示す
第２制御部９２に入力される。また、プリズム５１によ
って分岐された他方の光は、光フィルタ５２を通過した
後、第２光検出器４２によって電流に変換され、図３に
示す第２制御部９２に入力される。

【００４７】第２制御部９２では、第１光検出器４１か
ら入力された電流を電圧に変換し、参照電圧として用
い、第２光検出器４２から入力された電流を電圧に変換
して、信号電圧として用いる。ここで、第２制御部９２
は、上記したように選択された所望の波長の光が光フィ
ルタ５２を経ることで本来得られる信号電圧と、その波
長の光が発振される際の上記参照電圧との差分を基準電
圧差として記憶している。これにより、第２制御部９２
は、実際の参照電圧と信号電圧との電圧差を上記した基
準電圧差と比較することで、波長のずれを検出すること
ができる。

【００４８】そして、第２制御部９２は、この波長のず
れを示す電圧に基づいて、第２サーモモジュール６２の
温度を制御する。これにより、半導体レーザ素子２０
は、冷却または加熱され、上記したように選択された所
望の波長に対して、波長ロッキングが行なわれる。特
に、第２サーモモジュール６２は、熱伝導体７０を介し
て下方に位置する第１サーモモジュール６１の温度が上
記したように一定に制御されていることから、環境温度
やパッケージの温度に左右されず、その温度制御範囲を
従来に比べて飛躍的に大きくすることができる。

【００４９】また、第２サーモモジュール６２の冷却駆
動によってその下面の温度が上昇するが、下段に位置す
る熱伝導体７０の高い熱伝導性のために、第２サーモモ
ジュール６２の下面の熱は、第１サーモモジュール６１
の上面全体に亘って素早く広がり、高効率に冷却され
る。これにより、第２サーモモジュール６２の下面の熱
は第１サーモモジュール６１の上面の一部に局所的に流
入すること、すなわち従来の二段構成のサーモモジュー
ルを備えたレーザモジュールにおける問題が解消され
る。

【００５０】なお、図３において、第３制御部９３は、
第１光検出器４１から出力された信号に基づいて、レー
ザ出力が一定となるように半導体レーザ素子２０の注入
電流を制御する。

【００５１】以上に説明したとおり、実施の形態１にか
かるレーザモジュールによれば、温度が一定に制御され
る第１サーモモジュール６１上に、高熱伝導性を有する
熱伝導体７０を配置し、半導体レーザ素子２０と熱伝導
体７０との間に小型の第２サーモモジュール６２を設け
ているので、第２サーモモジュール６２の温度制御範囲
を広げ、結果的に半導体レーザ素子２０の波長可変範囲
を広げることが可能になるとともに、第２サーモモジュ
ール６２による局所的な発熱が熱伝導体７０によって吸
収かつ分散され、第２サーモモジュール６２による半導
体レーザ素子２０の温度調節が短時間かつ低消費電力で
可能になる。また、パッケージ１０１から流入してくる
熱も熱伝導体７０によって吸収かつ分散されるので、被
冷却部材から第２サーモモジュール６２への吸熱が短時
間かつ低消費電力で可能になる。

【００５２】また、第２サーモモジュール６２の温度調
節対象が半導体レーザ素子２０に限定されているので、
第２サーモモジュール６２の大きさを小さくすることが
でき、パッケージ１０１から第２サーモモジュール６２
に流入する熱を最小にすることができ、半導体レーザ素
子２０の迅速な温度調節と低消費電力化が実現される。
また、実施の形態１にかかるレーザモジュールは、上記
したように第１サーモモジュール６１および第２サーモ
モジュール６２による放熱が効率的に行なえるので、従
来のような放熱フィンを不要とし、他機器との間での高
密度実装をも可能にする。

【００５３】なお、図１に示したレーザモジュール１０
０では、第１サーモモジュール６１と第２サーモモジュ
ール６２との間に、一つの熱伝導体７０を配置するとし
たが、例えば、熱伝導体７０の上にさらに小型の熱伝導
体を配置し、その小型の熱伝導体上に第２サーモモジュ
ール６２を配置するように、熱伝導体を多段構成にする
こともできる。この場合、上段の熱伝導体の熱伝導能力
よりも下段の熱伝導体の熱伝導能力の方が大きいことが
好ましい。

【００５４】また、上記した温度制御において、第２サ
ーモモジュール６２を、例えば一定の電流値で駆動させ
た上で、第１サーモモジュール６１によって熱伝導体７
０の温度を変えることで、結果として第２サーモモジュ
ール６２上に搭載された半導体レーザ素子２０の温度を
変えることもできる。また、第１サーモモジュール６１
と第２サーモモジュール６２の駆動電流を同時に制御し
て、消費電力が最低となる条件で駆動させることも可能
である。

【００５５】さらに、図１および図２では、プリズム５
１、光フィルタ５２、サーミスタ５４、第１光検出器４
１および第２光検出器４２等から構成される波長モニタ
部を示したが、プリズム５１に替えて他のビームスプリ
ッタ、例えばハーフミラーを配置し、そのハーフミラー
における透過光と反射光をそれぞれ別サブマウント上に
設けられた第１光検出器４１および第２光検出器４２で
受光するようにしてもよく、また、その他の公知の波長
モニタ構成を採用することもできる。

【００５６】（実施の形態２）つぎに、実施の形態２に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
２にかかるレーザモジュールは、上述した実施の形態１
において、さらに半導体レーザ素子２０の温度を計測
し、その計測結果に基づいて第２サーモモジュール６２
を制御することを特徴としている。

【００５７】図４は、実施の形態２にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における上面断面図である。ま
た、図５は、実施の形態２にかかるレーザモジュールの
動作を説明するための説明図である。なお、図４および
図５において、図２および図３と共通する部分には同一
の符号を付し、それらの説明を省略する。図４に示すレ
ーザモジュール１１０は、第２サーモモジュール６２上
に、半導体レーザ素子２０に加えて、その半導体レーザ
素子２０の温度を計測するサーミスタ２１が設けられた
点が図４と異なる。ここで、以下の説明において、光フ
ィルタ５２の温度を計測するためのサーミスタ５４を第
１サーミスタ５４と称し、半導体レーザ素子２０の温度
を計測するためのサーミスタ２１を第２サーミスタ２１
と称する。

【００５８】また、図５に示す説明図では、第２制御部
９２が、第１光検出器４１と第２光検出器４２から得ら
れる信号に加え、第２サーミスタ２１から得られる信号
を入力する点が図３と異なる。すなわち、第２制御部９
２は、第２サーミスタ２１から出力された信号を入力す
ることで、半導体レーザ素子２０の温度を検出する。第
２制御部９２には、半導体レーザ素子２０の温度と発振
する波長との関係が記憶されており、その関係に基づい
て、所望の波長が選択されるようにあらかじめ目標の温
度が設定されている。これにより、第２制御部９２は、
その目標の温度となるように第２サーモモジュール６２
を制御する。ここで、第２制御部９２は、実施の形態１
で説明したように、第１光検出器４１と第２光検出器４
２から得られる信号に基づいて波長のずれも検出し、そ
のずれに基づいて半導体レーザ素子２０の温度を微調整
する。このように、半導体レーザ素子２０の温度が、ま
ず、第２サーミスタ２１から得られる温度測定結果に基
づいて粗調整されるので、２段階で行なわれるので、第
１光検出器４１と第２光検出器４２から得られた信号に
よる微調整を小さくすることができ、迅速な波長ロッキ
ングが可能となる。

【００５９】以上に説明したとおり、実施の形態２にか
かるレーザモジュールによれば、半導体レーザ素子２０
の温度の計測結果に基づいて波長ロッキングを行なう構
成に対しても、実施の形態１と特徴となる構成、すなわ
ち第１サーモモジュール６１と第２サーモモジュール６
２との間に高熱伝導性を有する熱伝導体７０を介在させ
る構成を適用することができ、実施の形態１で得られる
同様な効果を享受することができる。

【００６０】（実施の形態３）つぎに、実施の形態３に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
３にかかるレーザモジュールは、並置された複数のサー
モモジュールの上面間において、高熱伝導性を有する熱
伝導体が共有するように配置されることを特徴としてい
る。

【００６１】図６は、実施の形態３にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における側面断面図である。な
お、図６において、図１と共通する部分には同一の符号
を付してその説明を省略する。図６に示すレーザモジュ
ール１２０は、熱伝導体７０の下に、２つのサーモモジ
ュール６５とサーモモジュール６６が配置された点が、
図１と異なる。換言すれば、サーモモジュール６５とサ
ーモモジュール６６は、図１に示した第１サーモモジュ
ール６１が２つに分割された形態を示す。

【００６２】図１に示した第１サーモモジュール６１が
複数のサーモモジュールに分割される利点は、熱伝導体
７０を介して第２サーモモジュール６２やその他の被冷
却部材の温度調節を行なうサーモモジュールとして、比
較的入手しやすく低コストの規格されたサーモモジュー
ルを利用することかできるという点である。このよう
に、複数の並置されたサーモモジュールを第１サーモモ
ジュール６１として利用することが可能になるのは、そ
れらの上面間に亘って配置される部材が、高熱伝導性を
有する熱伝導体７０であるからである。すなわち、２つ
のサーモモジュール６５とサーモモジュール６６は、共
通にまたは個々に制御されることでその上面の温度を適
宜変更するが、その温度変更によって実現する発熱作用
や吸熱作用は、共通の熱伝導路となる熱伝度体７０を介
して、拡散された状態で第２サーモモジュール６２やそ
の他の被冷却部材に及ぼされることになり、第２サーモ
モジュール６２やその他の被冷却部材からみれば、熱伝
度体７０の下に一つのサーモモジュールが配置された状
態と等価とみなせるからである。

【００６３】以上に説明したとおり、実施の形態３にか
かるレーザモジュールによれば、熱伝導体７０の下に配
置される第１サーモモジュールを複数のサーモモジュー
ルで構成した形態であっても、実施の形態１で得られる
効果を享受することができる。

【００６４】（実施の形態４）つぎに、実施の形態４に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
４にかかるレーザモジュールは、実施の形態１に示した
レーザモジュールにおいて、半導体レーザ素子２０と第
２サーモモジュール６２との間に、熱伝導体７０と同様
な作用を及ぼす熱伝導体を配置したことを特徴としてい
る。

【００６５】図４に示したレーザモジュールでは、第２
サーモモジュール６２上に、半導体レーザ素子２０に加
えて上記したサーミスタ２１が配置されているため、そ
の第２サーモモジュール６２の体積は、図２のようにサ
ーミスタ２１を不要とした構成よりも、そのサーミスタ
２１を配置するための領域分だけ大きい。このため、図
４に示した第２サーモモジュール６２は、半導体レーザ
素子２０が配置された部分において局所的に熱が出入り
することになる。これは、従来の二段構成のサーモモジ
ュールを備えたレーザモジュールと同様な問題を含むこ
とを意味する。

【００６６】実施の形態４にかかるレーザモジュール
は、比較的体積の大きな第２サーモモジュール６２を用
いた場合のそのような問題を解決するため、すなわち半
導体レーザ素子２０によって生じた熱を第２サーモモジ
ュール６２の上面全体に効率良く拡散させるために、半
導体レーザ素子２０およびサーミスタ２１と第２サーモ
モジュール６２との間に熱伝導体を配置している。

【００６７】図７は、実施の形態４にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における側面断面図である。な
お、図７において、図１および図４と共通する部分には
同一の符号を付してその説明を省略する。図７に示すレ
ーザモジュール１３０は、半導体レーザ素子２０と第２
サーモモジュール６２との間に熱伝導体７１が介在して
いる点が図１と異なる。なお、熱伝導体７１は、実施の
形態１で説明した熱伝導体７０と同様な材料で形成され
た高熱伝導性を有する部材である。

【００６８】図７に示すレーザモジュール１３０では、
熱伝導体７１上に、半導体レーザ素子２０に加えて、上
記したサーミスタ２１が配置される。すなわち、熱伝導
体７１は、少なくとも、図４に示した第２サーモモジュ
ール６２のように、半導体レーザ素子２０に加えて、サ
ーミスタ２１を配置するための領域を有した形状となっ
ている。但し、実施の形態１のように、サーミスタ２１
を必要としない形態では、図２に示した第２サーモモジ
ュール６２のように、熱伝導体７１を、半導体レーザ素
子２０のみが配置可能な形状としてもよい。

【００６９】以上に説明したとおり、実施の形態４にか
かるレーザモジュールによれば、実施の形態２に示した
構成に加えて、半導体レーザ素子２０と第２サーモモジ
ュール６２との間に、高熱伝導性を有する熱伝導体７１
を配置させているので、実施の形態２による効果を享受
することができるとともに、半導体レーザ素子２０によ
って生じた熱を効率良く第２サーモモジュール６２の上
面全体に拡散させることができ、半導体レーザ素子２０
の温度調節をより短時間で行い、かつ第２サーモモジュ
ール６２の消費電力を低減させることができる。

【００７０】（実施の形態５）つぎに、実施の形態５に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
５にかかるレーザモジュールは、従来のニ段構成のサー
モモジュールを備えたレーザモジュールにおいて、その
上段のサーモモジュール上に、さらに、半導体レーザ素
子の温度調節を直接行なうサーモモジュールを配置させ
る形態を採用した場合に、そのサーモモジュールと上記
上段のサーモモジュールとの間に高熱伝導性を有する熱
伝導体を配置することを特徴としている。

【００７１】図８は、実施の形態５にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における側面断面図である。な
お、図８において、図１１と共通する部分には同一の符
号を付してその説明を省略する。図８に示すレーザモジ
ュール１４０では、パッケージ１０１の底面上に、従来
の二段構成のサーモモジュールにおいて下段のサーモモ
ジュールに相当する第１サーモモジュール６１が配置さ
れ、その第１サーモモジュール６１上に、従来の二段構
成のサーモモジュールにおいて上段のサーモモジュール
に相当する第２サーモモジュール６２が配置される。ま
た、図８に示すように、従来のレーザモジュールに備わ
っているベースに相当するベース８０とベース８１が、
第１サーモモジュール６１上であってかつ上記した第２
サーモモジュール６２をレーザ出射方向の前後で挟み込
むように配置される。

【００７２】第２サーモモジュール６２上には、実施の
形態１で説明した熱伝導体７０と同様な作用を及ぼす熱
伝導体７２，７３がその順に積層され、上段に位置する
熱伝導体７３上には、半導体レーザ素子２０の温度調節
を直接行なう第３サーモモジュール６３が配置される。
なお、ベース８０上には、図１１で示した平行レンズ３
５、プリズム５１、光フィルタ５２、サブマウント５３
が配置されて波長モニタ部を構成する。また、ベース８
１上には、集光レンズ３３と光アイソレータ３２が配置
される。結局、第２サーモモジュール６２と第３サーモ
モジュール６３は、温度調節対象として半導体レーザ素
子２０を共有する。

【００７３】以上に説明したとおり、実施の形態５にか
かるレーザモジュールによれば、従来の二段構成のサー
モモジュールを備えたレーザモジュールにおいて、上段
のサーモモジュール上にさらに第３サーモモジュール６
３を追加した構成を採用しているので、第３サーモモジ
ュール６３の温度制御範囲を、実施の形態１〜４に示し
た構成よりも大きくすることができるとともに、半導体
レーザ素子２０と第３サーモモジュール６３との間に、
高熱伝導性を有する熱伝導体７２，７３を配置している
ので、第２サーモモジュール６２と第３サーモモジュー
ル６３との間において、実施の形態１と同様な効果を享
受することができる。

【００７４】なお、図８では、第２サーモモジュール６
２と第３サーモモジュール６３との間に、二段構成の熱
伝導体７２，７３を配置するとしたが、一つの熱伝導体
でもよい。

【００７５】（実施の形態６）つぎに、実施の形態６に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
６にかかるレーザモジュールは、実施の形態１にかかる
レーザモジュールにおいて、熱伝導体７０と半導体レー
ザ素子２０との間に配置されるサーモモジュールを二段
構成にしたことを特徴としている。

【００７６】図９は、実施の形態６にかかるレーザモジ
ュールのレーザ出射方向における側面断面図である。な
お、図９において、図１と共通する部分には同一の符号
を付してその説明を省略する。図９に示すレーザモジュ
ール１５０は、熱伝導体７０上に第２サーモモジュール
６２が配置され、その第２サーモモジュール６２上にさ
らに第３サーモモジュール６３が配置されて、半導体レ
ーザ素子２０が第３サーモモジュール６３によって直接
に温度調節される点が図１と異なる。

【００７７】すなわち、実施の形態６では、実施の形態
１で示したレーザモジュールにおいて、第２サーモモジ
ュール６２が二段構成のサーモモジュールに置換された
形態を採用している。

【００７８】以上に説明したとおり、実施の形態６にか
かるレーザモジュールによれば、実施の形態１にかかる
レーザモジュールにおいて、熱伝導体７０と半導体レー
ザ素子２０との間に配置されるサーモモジュールを二段
構成とした場合にも、その二段構成のサーモモジュール
による温度制御範囲の拡大という効果に加え、実施の形
態１による効果を享受することができる。

【００７９】（実施の形態７）つぎに、実施の形態７に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
７にかかるレーザモジュールは、一段構成のサーモモジ
ュールと二段構成のサーモモジュールがパッケージの底
面上に配置され、一段構成のサーモモジュールによって
波長モニタ部の温度が制御され、二段構成のサーモモジ
ュール上に高熱伝導性を有する熱伝導体を介してさらに
別のサーモモジュールが配置されて、その別のサーモモ
ジュールによって直接、半導体レーザ素子の温度制御が
行なわれることを特徴としている。

【００８０】図１０は、実施の形態７にかかるレーザモ
ジュールのレーザ出射方向における側面断面図である。
なお、図１０において、図１１と共通する部分には同一
の符号を付してその説明を省略する。図１０に示すレー
ザモジュール１６０では、パッケージ１０１の底面上
に、第１サーモモジュール６１と第２サーモモジュール
６３が並置される。第１サーモモジュール６１上には、
従来のレーザモジュールに備わっているベースに相当す
るベース８０が配置されて、そのベース８０上には、図
１１で示した平行レンズ３５、プリズム５１、光フィル
タ５２、サブマウント５３が配置されて波長モニタ部を
構成する。

【００８１】一方、第２サーモモジュール６３上には、
さらに第３サーモモジュール６４が配置されて、第２サ
ーモモジュール６３と第３サーモモジュール６４とによ
って従来の二段構成のサーモモジュールを構成する。そ
の二段構成の上段に相当する第３サーモモジュール６４
上には、全面に熱伝導体７２が配置され、その熱伝導体
７２上には、図１０に示すように、さらに別の熱伝導体
７３、集光レンズ３３、光アイソレータ３２が配置され
る。そして、熱伝導体７３上には、第４サーモモジュー
ル６２が配置され、第４サーモモジュール６２上に半導
体レーザ素子２０が配置される。

【００８２】換言すれば、レーザモジュール１６０は、
実施の形態５で説明したレーザモジュールの構成におい
て、第１サーモモジュール６１が波長モニタ部側とレー
ザ部側とに分割され、ベース８１を排除して、レーザ部
側の熱伝導体７２上に、熱伝導体７３に加えて集光レン
ズ３３と光アイソレータ３２を配置した構成となる。

【００８３】よって、レーザ部側においては実施の形態
５で説明したとおりの作用を及ぼし、同様の効果を享受
することができる。一方、第１サーモモジュール６１
は、波長モニタ部の温度を制御するためだけに用いら
れ、この点においては図１１に示した従来のレーザモジ
ュールのサーモモジュール６６と同様の作用と効果を得
る。

【００８４】以上に説明したとおり、実施の形態７にか
かるレーザモジュールによれば、波長モニタ部とレーザ
部とが異なるサーモモジュールによって温度制御され、
レーザ部においては、第４サーモモジュール６２と第３
サーモモジュール６４との間に配置された熱伝導体７
２，７３の存在により、実施の形態１と同様な効果を享
受することかできる。

【００８５】なお、以上に説明した実施の形態１〜７に
おける各サーモモジュールと熱伝導体との位置関係を適
宜組み合わせることによって、図示した以外の構成のレ
ーザモジュールを提供することが可能であることは明ら
かである。

【００８６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明にかかる
レーザモジュールによれば、温度が一定に制御される第
１の温度調節部上に、高熱伝導率を有する熱伝導体を配
置し、半導体レーザ素子と熱伝導体との間に第２の温度
調節部を設けているので、第２の温度調節部の温度制御
範囲を広げ、結果的に半導体レーザ素子の波長可変範囲
を広げることが可能になるとともに、第２の温度調節部
による局所的な発熱が熱伝導体によって放散され、第１
および第２の温度調節部による半導体レーザ素子の温度
調節が短時間かつ低消費電力で可能になり、外部から流
入してくる熱も熱伝導体によって吸収かつ分散されるの
で、被冷却部材から第２の温度調節部への吸熱が短時間
かつ低消費電力で可能になるという効果を奏する。

【００８７】また、本発明にかかるレーザモジュールに
よれば、本発明にかかるレーザモジュールによれば、半
導体レーザ素子と第２の温度調節部との間にも高熱伝導
率を有する別の熱伝導体を設けているので、半導体レー
ザ素子による局所的な発熱がその別の熱伝導体によって
放散され、第２の温度調節部による半導体レーザ素子の
温度調節が短時間かつ低消費電力で可能になるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。

【図２】実施の形態１にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における上面断面図である。

【図３】実施の形態１にかかるレーザモジュールの動作
を説明するための説明図である。

【図４】実施の形態２にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における上面断面図である。

【図５】実施の形態２にかかるレーザモジュールの動作
を説明するための説明図である。

【図６】実施の形態３にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。

【図７】実施の形態４にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。

【図８】実施の形態５にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。

【図９】実施の形態６にかかるレーザモジュールのレー
ザ出射方向における側面断面図である。

【図１０】実施の形態７にかかるレーザモジュールのレ
ーザ出射方向における側面断面図である。

【図１１】従来のレーザモジュールのレーザ出射方向に
おける側面断面図である。

【符号の説明】

１１光ファイバ１２フェルール２０半導体レーザ素子２１，５４サーミスタ３０，５０，８０，８１ベース３２光アイソレータ３３集光レンズ３４サブマウント３５平行レンズ４１第１光検出器４２第２光検出器５１プリズム５２光フィルタ５３サブマウント６１〜６６サーモモジュール７０〜７３熱伝導体９１第１制御部９２第２制御部９３第３制御部１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１
６０，２００レーザモジュール１０１パッケージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 35/32 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｍ (72)発明者平谷雄二東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA04 BA33 BB21 BD01 BD11 5F073 AB25 AB27 AB28 AB30 BA02 BA03 EA04 EA29 FA03 FA11 FA25 GA13 GA14 GA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の温度調節部と、前記第１の温度調節部上に設けられた高熱伝導性を有す
る熱伝導体と、前記熱伝導体上に設けられた第２の温度調節部と、前記第２の温度調節部上に設けられた半導体レーザ素子
と、を備えたことを特徴とするレーザモジュール。
【請求項２】前記第２の温度調節部上に設けられると
ともに、前記半導体レーザ素子の温度を計測する温度計
測部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ
モジュール。
【請求項３】前記第２の温度調節部と前記半導体レー
ザ素子との間に配置される、高熱伝導性を有した別の熱
伝導体を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレー
ザモジュール。
【請求項４】前記別の熱伝導体上に設けられるととも
に、前記半導体レーザ素子の温度を計測する温度計測部
を備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザモジ
ュール。
【請求項５】前記第１の温度調節部は、並置された複
数の温度調節部によって構成され、前記熱伝導体は、当該各温度調節部間で共有されるよう
に配置されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか
一つに記載のレーザモジュール。
【請求項６】前記第１の温度調節部は、下段と上段の
関係を有する複数の温度調節部によって構成されたこと
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレー
ザモジュール。
【請求項７】前記熱伝導体上に設けられるとともに、
前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光の波長変
化を検出する波長モニタ部を備えたことを特徴とする請
求項１〜６のいずれか一つに記載のレーザモジュール。
【請求項８】前記第１の温度調節部の下段に位置する
温度調節部上に設けられるとともに、前記半導体レーザ
素子から出力されたレーザ光の波長変化を検出する波長
モニタ部を備えたことを特徴とする請求項６に記載のレ
ーザモジュール。
【請求項９】前記第２の温度調節部は、下段と上段の
関係を有する複数の温度調節部によって構成されたこと
を特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のレー
ザモジュール。
【請求項１０】上段に位置する温度調節部の温度調節
能力は、下段に位置する温度調節部の温度調節能力より
も低いことを特徴とする請求項９に記載のレーザモジュ
ール。
【請求項１１】前記熱伝導体は、下段と上段の関係を
有する複数の熱伝導体によって構成されたことを特徴と
する請求項１〜１０のいずれか一つに記載のレーザモジ
ュール。
【請求項１２】上段に位置する熱伝導体の熱伝導能力
は、下段に位置する熱伝導体の熱伝導能力よりも低いこ
とを特徴とする請求項１１に記載のレーザモジュール。
【請求項１３】前記熱伝導体は、１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１〜１２
のいずれか一つに記載のレーザモジュール。
【請求項１４】前記熱伝導体は、１００μｍ以上の厚
さを有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか
一つに記載のレーザモジュール。