JP2004055917A

JP2004055917A - 半導体レーザ、電子交換機及び半導体レーザの製造方法

Info

Publication number: JP2004055917A
Application number: JP2002212904A
Authority: JP
Inventors: Minehiro Sotozaki; 外崎　峰広; Gousaku Katou; 加藤　豪作; Shoichi Yajima; 矢島　正一
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化にも寄与する半導体レーザ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】この半導体レーザ１は、ヒートパイプとしての冷却機能を有し、しかもこのような機能を基板の張り合わせで実現しているので、小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化にも寄与することになる。また、特に半導体レーザ本体２の温度を検出し、検出結果に基づきヒートパイプの内圧を制御して、半導体レーザ本体２の温度を制御しているので、半導体レーザの温度を極めて精密に一定に維持することができる。これにより、安定した所定の波長の光を出力することできる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子交換機の送信部に用いられる半導体レーザ及びその製造方法に関する。また、本発明は、このような半導体レーザを搭載する電子交換機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子交換機の送信部（電光変換部）には、半導体レーザが使われている。このような半導体レーザには、送受信を確実に行うために出力される光の波長を安定化することが求められている。そのためには、半導体レーザの温度を精密に制御することが重要であり、この種の半導体レーザは例えばペルチェ素子を使って温度を制御することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ペルチェ素子を使って半導体レーザの温度を制御する構成では、冷却機構を含めた送信部が非常に大きくなってしまう、という問題がある。特に、ペルチェ素子を使った場合には、冷却用のフィンが必要な場合多く、その場合には更に送信部が大型化する、という問題がある。また、ペルチェ素子を使った冷却方法は、電力を消費する、という問題もある。
【０００４】
本発明はこのような事情に基づきなされたもので、小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化にも寄与する半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の主たる観点に係る半導体レーザは、半導体レーザ本体と、ヒートパイプを構成する少なくともエバポレータが前記半導体レーザ本体に近接して配置された冷却装置とを具備するものである。
【０００６】
ここで、ヒートパイプとは、例えば管の内壁に毛細管構造を持たせた金属製パイプであり、内部は真空で、少量の水もしくは代替フロンなどが封入されている。ヒートパイプの一端（気化部）を熱源に接触させて加熱すると、内部の液体が蒸発して気化し、このとき潜熱（気化熱）として、熱が取り込まれる。そして、低温部（液化部）へ高速に（ほぼ音速で）移動し、そこで、冷やされてまた液体に戻り、熱を放出する（凝縮潜熱による熱放出）。液体は毛細管構造を通って（もしくは重力によって）元の場所へ戻るので、連続的に効率よく熱を移動させることができる。
【０００７】
本発明に係るヒートパイプは、冷却効率、小型薄型化及び製造面を考慮すると、複数の基板を張り合わせて上記構成のものと同等の機能を実現したものが好適である。しかしながら、他の形態であっても勿論構わない。
【０００８】
本発明では、半導体レーザ本体をヒートパイプにより冷却するように構成したので、小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化にも寄与することになる。
【０００９】
本発明に係る半導体レーザは、前記半導体レーザ本体の温度を検出する手段と、前記検出された温度に基づき、前記ヒートパイプの内圧を制御する手段とを具備することがより好ましい。
【００１０】
内圧を制御することで作動液の沸点を制御し、冷却装置の冷却能を制御できる。そして、半導体レーザ本体の温度検出結果に応じて冷却能のフィーバックループを構成することで、半導体レーザの温度を一定に維持することができる。これにより、安定した所定の波長の光を出力することできる。
【００１１】
ここで、内圧制御手段は、前記ヒートパイプを構成するリザーバから前記ヒートパイプを構成する所定の第１の流路に向けて気化された作動液を圧送するポンプを具備する形態が好ましく、その場合に、前記ポンプは、前記リザーバと前記第１の流路との間を接続し、前記リザーバから前記第１の流路に向けて幅広となる幅広部を有する第２の流路と、前記幅広部に配置されたヒータとを有し、前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記ヒータに供給する電力を制御する構成が更に好ましい。これにより、小型薄型化を維持したまま内圧の制御が可能となる。
【００１２】
本発明に係る前記冷却装置は、前記ヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた第１の基板と、前記第１の表面に接合される第２の表面を有し、前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の第１の流路が形成された第２の基板とを具備することを特徴とする。
【００１３】
冷却効率、小型薄型化及び製造面を考慮すると極めて有利な構成である。
【００１４】
この場合、前記第１の基板は、前記半導体レーザ本体を構成する基板からなる構成がより好ましい形態である。そして、前記第２の表面には、前記ヒートパイプを構成するリザーバと、前記リザーバと前記第１の流路との間を接続し、前記リザーバから前記第１の流路に向けて幅広となる幅広部を有する第２の流路とが設けられ、前記第１の表面の前記幅広部と対面する位置には、ヒータを構成するパターンが設けられている形態がより好ましい。
【００１５】
これにより、部品点数を減らし、更に冷却効率の向上をも図ることが可能である。
【００１６】
本発明の別の観点に係る電子交換機は、半導体レーザを使った送信部と、ヒートパイプを構成する少なくともエバポレータが前記半導体レーザに近接して配置された冷却装置とを具備するものである。
【００１７】
電子交換機の送信部に使われる半導体レーザをヒートパイプにより構成される冷却装置で冷却する構成としたので、安定した波長での光通信が可能であり、しかも小型薄型化及び省電力化を図ることができる。
【００１８】
本発明の更に別の観点に係る半導体レーザの製造方法は、ヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた半導体レーザ本体を形成する工程と、前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の流路が形成された基板を形成する工程と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接合する工程とを具備するもんであり、またヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた第１の基板を形成する工程と、前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の流路が形成された第２の基板を形成する工程と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接合する工程と、前記第１の表面の反対面を半導体レーザに近接して配置する工程とを具備するものである。
【００１９】
本発明の製造方法によれば、基板の形成と接合工程により製造することができるので、冷却効率が良好な半導体レーザを効率よく製造することが可能である。
【００２０】
本発明のより具体的な構成例とそれに伴う作用効果は以下に示す実施形態によってより明らかにされるが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態に係る半導体レーザの分解斜視図、図２（ａ）、（ｂ）はその平面図、図３はその断面図である。
【００２３】
これらの図に示す半導体レーザ１は、例えば電子交換機の送信部（電光変換部）に用いられるもので、半導体レーザ本体２と、ヒートパイプを構成する流路が形成された基板３と、コンデンサ部１０を塞ぐ基板４とを接合して一体化した構造を有する。
【００２４】
半導体レーザ本体２は、シリコンやガリウム砒素等からなる矩形状の基材からなり、端部５から光を出力する。
【００２５】
基板３は、例えばパイレックス（登録商標）ガラスからなる矩形状の基材からなる。基板３の半導体レーザ本体２と対向する第１の面６には、エバポレータ部７を構成する液体供給溝８及び気体回収溝９、コンデンサ部１０からエバポレータ部７に例えば水である作動液（液体の状態）が流通する流路である液体流路溝１２、エバポレータ部７からコンデンサ部１０に気化された作動液（気体の状態）を流通する流路である気体流通溝１３、液体流路溝１２と気体流通溝１３との間に介在してこれらの間で断熱効果を持たせるための断熱用の溝１４、リザーバ部１５を構成するリザーバ溝１６、リザーバ部１５とエバポレータ部７とを繋ぐ流路である溝１７が設けられている。
【００２６】
溝１７は、リザーバ部１５からエバポレータ部７に向けて一旦流路が狭くなる幅狭部１８を有し、幅狭部１８に連続して幅広部１９を有し、更に幅広部１９に連続して２本の溝２０が液体供給溝８及び気体回収溝９を挟むように設けられている。
【００２７】
また、基板３の第１の面６には、半導体レーザ本体２の温度を検出するための熱電対のパターン２１が設けられている。
【００２８】
基板３のコンデンサ部１０を塞ぐ基板４と対向する面２２には、コンデンサ部１０を構成する凹状のコンデンサ溝１１が設けられている。
【００２９】
半導体レーザ本体２の基板３と対向する面２３には、エバポレータ部７を構成するウイック溝２４、幅狭部１８と対面する位置にヒータパターン２５が設けられている。
【００３０】
ウイック溝２４は、第１の深さの矩形の凹部２６を有し、第１の深さよりも更に深い第２の深さを有する帯状の溝２７が凹部２６を跨ぐように並列に複数設けられている。帯状の溝２７は、半導体レーザ本体２と基板３とが接合されたときに、液体供給溝８及び気体回収溝９、更にはリザーバ部１５における溝２０を連通するようになっている。
【００３１】
ヒータパターン２５は発熱抵抗体により構成され、その両端は半導体レーザ本体２の面２３の端部に設けられた一対の端子２８、２８と線路２９、２９を介して接続されている。
【００３２】
コンデンサ部１０を塞ぐ基板４は、例えば矩形でカーボングラファイトシートからなり、この基板４の基板３と対向する面３０には、帯状のコンデンサ溝３１が複数設けられている。
【００３３】
この半導体レーザ１は、基板３と基板４とを接合することで凹状のコンデンサ溝１１と複数の帯状のコンデンサ溝３１との間でコンデンサ部１０が構成され、半導体レーザ本体２と基板３とを接合することで液体供給溝８及び気体回収溝９とウイック溝２４との間でエバポレータ部７が構成され、またリザーバ溝１６及び溝１７とヒータパターン２５との間でマイクロポンプ機能を有するリザーバ部１５が構成されるようになっている。
【００３４】
以上の構成によってこの半導体レーザ１は、ループ状のヒートパイプとして機能（冷却機能）を有する。以下、その作用を説明する。
【００３５】
まず、作動液がコンデンサ部１０から液体流路溝１２を介してエバポレータ部７に流通すると、エバポレータ部７において作動液は半導体レーザ本体２からの熱よって加熱されて沸騰し、気化する。より詳細には、液体供給溝８にある作動液は毛細管現象によってウイック溝２４を伝わって気体回収溝９側に流出しようとする。その際に、作動液はウイック溝２４及び気体回収溝９で上記の加熱より気化する。この気化する際にエバポレータ部７が半導体レーザ本体２からの熱を奪うことになり、この結果半導体レーザ本体２が冷却されることになる。
【００３６】
気体回収溝９で回収された気体は、気体流通溝１３を介してコンデンサ部１０に流通し、この気体はコンデンサ部１０において再び液体に凝縮される。この凝縮された液体（作動液）は、コンデンサ部１０から液体流路溝１２を介してエバポレータ部７に再度循環される。
【００３７】
図４はこのように構成された半導体レーザ１における温度制御系の構成を示す図である。
【００３８】
図４に示すように、半導体レーザ１におけるヒータパターン２５に連通する一対の端子２８、２８には、ヒータパターン２５に電力を供給するための電力供給部３２が接続されている。温度制御部３３は、半導体レーザ１における熱電対のパターン２１と接続され、半導体レーザ１の温度を検出している。温度制御部３３は、この検出した温度に応じて電力供給部３２からヒータパターン２５に供給される電力を制御している。例えば、半導体レーザ１の温度は、常に２５．６℃となるように制御されており、これにより半導体レーザ１から出力される光の波長が安定するようになっている。
【００３９】
このようにヒータパターン２５へ供給される電力を制御することで半導体レーザ１の温度を制御するメカニズムについて図５に基づき説明する。
【００４０】
半導体レーザ１における作動液（気体／液体）のループ状の流路３４の圧力Ｐ１（初期値としての飽和蒸気圧）は例えば１／４気圧の３８６ｈＰａに設定されているため作動液は７５℃で沸騰熱輸送されるようになっている。
【００４１】
ヒータパターン２５に電力を供給してリザーバ部１５のおける幅狭部１８を加熱すると、リザーバ部１５がこのリザーバ部１５からループ状の流路３４に対して気泡により加圧する気泡式マイクロポンプとして作用する。
【００４２】
ここで、気泡を発生させてリザーバ部１５の内部の圧力Ｐ２が例えばＰ１に対して４ｋＰａ差がプラスにでたとする。例えば、通常の飽和蒸気圧１０１３ｈＰａのとき沸点は１００℃、３８６ｈＰａのとき沸点は７５℃、１２３ｈＰａのとき沸点は５０℃である。このためＰ１は３８６ｈＰａ＝３８．６ｋＰａなので、４０ｋＰａにリザーバ部１５からループ状の流路３４が押圧される。このときの沸騰温度はＰＶ＝ｎＲＴの基本式より７８℃で沸騰することになる。これにより微妙に温度の制御が可能になる。
【００４３】
図６は上述したリザーバ部１５におけるマイクロポンプ機能を説明するための図である。
【００４４】
上記したように、リザーバ部１５は、このリザーバ部１５からエバポレータ部７に向けて一旦流路が狭くなる幅狭部１８を有し、幅狭部１８に連続して幅広部１９を有している。ここで、幅狭部１８の内径をＲ１、幅広部１９の内径をＲ２としたときに、幅狭部１８が加熱されると幅狭部１８で気泡が連続的に発生し、幅狭部１８から幅広部１９に向けて流出し、即ちリザーバ部１５からエバポレータ部７への圧力Ｐｍａｘが、
Ｐｍａｘ＝２σ（１／Ｒ１−１／Ｒ２）
となる。従って、リザーバ部１５におけるマイクロポンプ機能を有することになる。しかも、このような構成では、幅狭部１８から幅広部１９に向けて気泡が連続的に流出するので、方向性があり、弁は不要となる。
【００４５】
このように本実施形態における半導体レーザ１は、ヒートパイプとしての冷却機能を有し、しかもこのような機能を基板の張り合わせで実現しているので、小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化にも寄与することになる。また、特に半導体レーザ本体２の温度を検出し、検出結果に基づきヒートパイプの内圧を制御して、半導体レーザ本体２の温度を制御しているので、半導体レーザの温度を極めて精密に一定に維持することができる。これにより、安定した所定の波長の光を出力することできる。
【００４６】
次に、本発明に係る半導体レーザ１の製造方法を説明する。図７はその製造工程を示したフロー図である。
【００４７】
まず、半導体レーザ本体２の面２３上にヒートパイプを構成するウイック溝２４、ヒータパターン２５、端子２８及び線路２９を形成する（ステップ７０１）。具体的には、例えばフォトリソグラフィー工程とエッチング工程とを繰り返すことでこれらのパターンを形成することができる。
【００４８】
また、パイレックス（登録商標）ガラスからなる基板３の第１の面６及び第２の面２２に、ヒートパイプを構成する各種の溝を形成する（ステップ７０２）。具体的には、例えばフォトリソグラフィー工程とサンドブラスト工程とを繰り返すことでこれらのパターンを形成することができる。
【００４９】
また、カーボングラファイトシートからなり、コンデンサ溝３１を有する基板４を形成する（ステップ７０３）。具体的には、例えば型による成型でこのような形態の基板２５を形成する。
【００５０】
そして、半導体レーザ本体２と基板３と基板４とを接合する（ステップ７０４）。これらの接合は、例えば接着面に所定の接着層を形成した後に熱圧着により行うことができる。
【００５１】
以上の製造方法により、半導体レーザ１を効率よく製造することができる。
【００５２】
次に、上記構成の半導体レーザ１を電子交換機に適用した例を図８に示す。
【００５３】
図８に示すように、電子交換機４１は、回路部４２と、送信部４３とを備えている。この電子交換機４１では、送信部４３における電光変換手段として半導体レーザ１が用いられ、この半導体レーザ１には光ファイバー４４が接続されている。
【００５４】
このように構成された電子交換機４１では、半導体レーザ１の温度が安定しているため、出力される光の波長が安定している。よって、光を使った送受信を確実に行うことができる。
【００５５】
本発明は以上の実施形態には限定されず、その技術思想の範囲内で様々な形態が考えられる。
【００５６】
例えば、上記の実施形態では、ヒートパイプ内の流路の圧力を制御する手段として幅狭部の流路を加熱する構成でマイクロポンプとしての機能を実現していたが、ＥＤＨ型マイクロポンプ、超音波型マイクロポンプ、相変化型マイクロポンプ、表面張力差型マイクロポンプ、電気浮動電気浸透型マイクロポンプ、電磁駆動型マイクロポンプ、圧電駆動型マイクロポンプ等の様々なポンプを用いることが可能である。
【００５７】
また、半導体レーザ５１におけるヒートパイプはマイクロポンプとしての機能を必ずしも持たなくてもよい。図９及び図１０はそのような形態の半導体レーザ５１の構成を示す図である。これらの図に示す半導体レーザ５１は上記の実施形態における半導体レーザ１から幅狭部やヒータ等を取り去ったものである。このように構成された半導体レーザ５１は小型化という観点で有利である。
【００５８】
更に、上記実施形態における半導体レーザはウイックを半導体レーザ本体に設けたものであったが、ウイックを別の基板に形成し、この基板を半導体レーザ本体に接合するような構成であっても勿論かまわない。
【００５９】
また更に、ヒートパイプを基板によって構成したが、例えばエバポレータ部だけを基板形状（板状）としてもよいし、全体を基板（板状）で構成しなくてもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型薄型化が可能であり、安定した所定の波長の光を出力することでき、しかも省電力化も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザの分解斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザの平面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザの断面図である。
【図４】一実施形態に係る半導体レーザにおける温度制御系の構成を示す図である。
【図５】一実施形態に係る温度制御カニズムを説明するための図である。
【図６】一実施形態に係るリザーバ部におけるポンプ機能を説明するための図である。
【図７】一実施形態に係る半導体レーザの製造工程を示したフロー図である。
【図８】本発明に係る半導体レーザを電子交換機に適用した例を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザの構成を示す平面図である。
【図１０】図９に示した半導体レーザの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　半導体レーザ
２　　半導体レーザ本体
３　　ヒートパイプを構成する流路が形成された基板
４　　コンデンサ部を塞ぐ基板
７　　エバポレータ部
１０　　コンデンサ部
１５　　リザーバ部
１８　　幅狭部
２１　　熱電対のパターン
２４　　ウイック溝
２５　　ヒータパターン
３１　　コンデンサ溝
３２　　電力供給部
３３　　温度制御部

Claims

半導体レーザ本体と、
ヒートパイプを構成する少なくともエバポレータが前記半導体レーザ本体に近接して配置された冷却装置と
を具備することを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザ本体の温度を検出する手段と、
前記検出された温度に基づき、前記ヒートパイプの内圧を制御する手段と
を具備することを特徴とする半導体レーザ。
請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記内圧制御手段は、前記ヒートパイプを構成するリザーバから前記ヒートパイプを構成する所定の第１の流路に向けて気化された作動液を圧送するポンプを具備することを特徴とする半導体レーザ。
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、
前記ポンプは、前記リザーバと前記第１の流路との間を接続し、前記リザーバから前記第１の流路に向けて幅広となる幅広部を有する第２の流路と、前記幅広部に配置されたヒータとを有し、
前記温度検出手段により検出された温度に応じて前記ヒータに供給する電力を制御する手段を更に具備することを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記冷却装置は、
前記ヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた第１の基板と、
前記第１の表面に接合される第２の表面を有し、前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の第１の流路が形成された第２の基板と
を具備することを特徴とする半導体レーザ。
請求項５に記載の半導体レーザにおいて、
前記第１の基板は、前記半導体レーザ本体を構成する基板からなることを特徴とする半導体レーザ。
請求項６に記載の半導体レーザにおいて、
前記第２の表面には、前記ヒートパイプを構成するリザーバと、前記リザーバと前記第１の流路との間を接続し、前記リザーバから前記第１の流路に向けて幅広となる幅広部を有する第２の流路とが設けられ、
前記第１の表面の前記幅広部と対面する位置には、ヒータを構成するパターンが設けられている
ことを特徴とする半導体レーザ。
半導体レーザを使った送信部と、
ヒートパイプを構成する少なくともエバポレータが前記半導体レーザに近接して配置された冷却装置と
を具備することを特徴とする電子交換機。
ヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた半導体レーザ本体を形成する工程と、
前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の流路が形成された基板を形成する工程と、
前記第１の表面と前記第２の表面とを接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
ヒートパイプを構成するウイックの溝が第１の表面に設けられた第１の基板を形成する工程と、
前記第２の表面に前記ヒートパイプを構成する所定の流路が形成された第２の基板を形成する工程と、
前記第１の表面と前記第２の表面とを接合する工程と、
前記第１の表面の反対面を半導体レーザに近接して配置する工程と
を具備することを特徴とする半導体レーザの製造方法。