JP2004228432A - 半導体レーザモジュール及び電子冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザを効率的に冷却する。
【解決手段】上面に半導体レーザ５を搭載した基板３の下面に半導体レーザ５を冷却する電子冷却ユニット２０を取付けた半導体レーザモジュールにおいて、電子冷却ユニット２０は、基板の他方面に接する吸熱板２１と、吸熱板に対向する放熱板２２と、吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体２３とｎ型半導体２４とを金属導体２５で接続してなる複数のペルチェ素子２６とを備えている。さらに、半導体レーザ５に対向する領域におけるペルチェ素子２６の配置の密度を半導体レーザ５に対向しない領域におけるペルチェ素子２６の配置の密度より高く設定している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光計測に使用される半導体レーザモジュール及びこの半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信及び光計測で用いる光の光源に採用される一般的な半導体レーザモジュールの概略構成を、図１３の分解斜視図、図１４の断面模式図を用いて説明する。
【０００３】
上端開口を有する金属材料で形成されたケース１内の底壁１ａの上面に電子冷却ユニット２が固定されている。この電子冷却ユニット２の上面に金属製の基板３が固定されている。この基板３の上面における長尺方向の一方側に、支持部材４を介して半導体レーザ５が取付けられている。この支持部材４には、半導体レーザ５の温度を検出するためのサーミスタ６が取付けられている。さらに、基板３の上面における長尺方向の一端にはレンズホルダー７を介してレンズ８が取付けられている。また、基板３の上面における半導体レーザ５を挟んだレンズ８と反対側には、半導体レーザ５から出力される光の強度をモニタする受光素子（フォトダイオード ＰＤ）１０が支持部材９を介して取付けられている。
【０００４】
ケース１の側壁１ｂにおけるレンズ８に対向する位置に円形の窓１１が穿設されている。ケース１の側壁１ｂの外側における窓１１位置に、光ファイバ１３の端面を窓１１を介してレンズ８に対向させるファイバ固定具１２が固定されている。さらに、ケース１の別の側壁１ｃには、半導体レーザ５、電子冷却ユニット２に対して駆動電流を供給するとともに、受光素子（フォトダイオード ＰＤ）１０で検出された光強度、サーミスタ６で検出された温度を取出すための複数の端子１５が取付けられている。
さらに、ケース１の上端開口には、ケース１内の各光学部材を保護するための蓋１４が固定されている。
【０００５】
このような半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ５にしきい値以上の直流電流を供給すると、半導体レーザ５は所定波長を有する光を出力する。半導体レーザ５から出力された光は、レンズ８へ入射される。レンズ８は入射された光を、窓１１を介して、光ファイバ１３の端面位置に集光させる。その結果、半導体レーザ５から出力された光は光ファイバ１３を介して半導体レーザモジュールの外部へ供給される。半導体レーザ５から受光素子（フォトダイオード ＰＤ）１０側にも光が出力されるので、受光素子１０は、半導体レーザ５から出力される光の強度を検出して端子１５を介して出力する。
【０００６】
半導体レーザ５は光を出力すると同時に多大の熱を発生する。図１５の特性Ａは、半導体レーザ５に端子１５を介して供給する入力電力パワー（Ｗ）と、半導体レーザ５から出力される光の光パワー（ｍＷ）との関係を示す。この特性Ａからも理解できるように、入力された電力パワーの一部のみが光に変換されて外部へ出力されるが、入力された電力パワーの大部分は熱となって内部で消費される。
【０００７】
このままでは、半導体レーザ５の温度が上昇して、半導体レーザ５から出力される光の波長、強度等の特性が変化する問題が発生する。また、温度が上昇すると、基板３が熱変形を起こし、半導体レーザ５、レンズ８、光ファイバ１３の各光軸がずれたり、光ファイバ１３の端面に光が焦点を結ばなくなる問題が発生して、半導体レーザ５から出力される光の出力効率が低下する。
【０００８】
このような不都合を回避するために、基板３の下側に、電子冷却ユニット２を取付け、半導体レーザ５で発生した熱を、基板３を介して電子冷却ユニット２で吸収し、この電子冷却ユニット２を介して、ケース１の底壁１ａから半導体レーザモジュール外に放熱させるようにしている。そして、サーミスタ６で検出された半導体レーザ５の温度が予め定められた許容範囲に入るように、電子冷却ユニット２に供給する電力を制御している。
【０００９】
図１５の特性Ｂは、半導体レーザ５及び電子冷却ユニット２に端子１５を介して供給する半導体レーザモジュール全体としての合計の入力電力パワー（Ｗ）と、半導体レーザ５から出力される光の光パワー（ｍＷ）との関係を示す。この特性Ｂからも理解できるように、入力された電力パワーの一部のみが光に変換されて外部へ出力されるが、入力された電力パワーの大部分は熱、及びこの熱を外部へ放熱させる電子冷却ユニット２の消費電力となって内部で消費される。
【００１０】
なお、電子冷却ユニットが組込まれた半導体レーザモジュールは例えば特許文献１に報告されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５―１５０１４６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３、１４に示す電子冷却ユニット２が組込まれた半導体レーザモジュールにおいてもまだ解消すべき次のような課題があった。
【００１３】
すなわち、半導体レーザ５、レンズ８、受光素子１０を搭載した基板３は、半導体レーザ５から発生する膨大な熱を一カ所に集中させずに分散させる必要のために、上記各光学素子の設置面積に比較して、かなり大きな面積を有する。
【００１４】
したがって、半導体レーザ５駆動時における基板３の温度分布特性は、図１６に示すように、半導体レーザ５の設置位置近傍の温度が最も高く、半導体レーザ５の設置位置から離れるに従って温度が低くなる。すなわち、基板３の温度分布における等温線４０の密度が高く、基板３における温度差が大きいことを示す。
【００１５】
一方、例えば、吸熱板と放熱板との間に１個又は複数のペルチェ素子が組込まれた構造を有する電子冷却ユニット２においては、吸熱板の各位置に入力した各熱をできるだけ均一に吸熱して、放熱板の各位置からできるだけ均一に放熱するようにしている。すなわち、吸熱板の各位置における吸熱能力は等しく設定されている。
【００１６】
このような吸熱板の各位置における吸熱能力が等しく設定された電子冷却ユニット２を用いて、大量の熱を発熱する半導体レーザ５が搭載された基板３を冷却する場合、均一な吸熱能力の値を、温度分布特性（発熱分布特性）における最大温度（最大発熱量）に対応した値に設定する必要がある。具体的には、電子冷却ユニット２の均一な吸熱能力の値を半導体レーザ５が設置された位置の温度（発熱量）に対応した値に設定する必要がある。
【００１７】
その結果、電子冷却ユニット２における半導体レーザ５が設置された位置においては、基板３を目的とする温度に制御可能であるが、半導体レーザ５の設置位置から遠く離れた位置においては、目的とする温度を下まわり、余分に冷却（過冷却）してしまう。
【００１８】
このように、基板３の各位置における温度に大きな差があることは、電子冷却ユニット２に供給した電力が有効に使用されないことになり、半導体レーザ５の温度が予め定められた許容範囲に入るように、電子冷却ユニット２に供給する電力が増大する。
【００１９】
このことは、半導体レーザモジュールから出力される光の出力を増加させるために、半導体レーザ５に印加する電力を増加した場合に、図１５における特性Ｂに示すように、モジュール全体の入力電力パワー（Ｗ）が急激に増加する問題がある。
【００２０】
電子冷却ユニット２の基板３に対する目的温度への冷却効率をより向上させるために、図１７に示すように、大量の熱を発する半導体レーザ５を基板３のほぼ中央位置に設置し、基板３の端部に別途レンズ１７を、レンズホルダー１６を介して取付ける。このような半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ５から出力された光はレンズ８で平行光に直され、次のレンズ１７で、窓１１を介して光ファイバ１３の端面位置に集光される。
【００２１】
この場合、大量の熱を発する半導体レーザ５が基板３のほぼ中央位置に設置されているので、図１８に示す電子冷却ユニット２で冷却されている基板３の温度分布特性も、中央の広い範囲でやや高く、周辺位置がやや低い特性となるので、大きなピーク温度がなくなる。その結果、電子冷却ユニット２で余分に冷却（過冷却）してしまう領域が少なくなり、電子冷却ユニット２で基板３に搭載された半導体レーザ５を目的温度に効率的に冷却できる。
【００２２】
したがって、図１４に示す半導体レーザモジュールに比較して消費電力を低下できる。
【００２３】
しかしながら、この半導体レーザモジュール内に組込まれるレンズ８、１７等の光学部品数が増大するので、光軸合わせ、焦点位置合わせ等の光学調整作業が繁雑になり、この半導体レーザモジュールの製造工程が複雑になり、生産性の低下をまねく問題があった。
さらに、光学部品数が増大し、かつ製造工程が複雑になるので、半導体レーザモジュールの製造費が大幅に上昇する。
【００２４】
図１９の半導体レーザモジュールにおいては、図１７の半導体レーザモジュールにおける基板３の端部に設けられたレンズ１７を、ファイバ固定具１２内に収納している。このような半導体レーザモジュールにおいても、図１７の半導体レーザモジュールとほぼ同様の問題点を有する。
【００２５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、内部に組込まれる光学系を複雑化することなく、少ない消費電力で半導体レーザから発生する熱を効率的に吸収でき、簡単に高強度の光を出力できる半導体レーザモジュール、及びこの半導体レーザモジュールに組込まれる電子冷却ユニットを提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するために、本発明は、ケース内に設けられた基板の一方面に、光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザから出力された光をケースの側壁に穿設された窓を介しケースの外側に取付けられた光ファイバへ導くためのレンズとを取付け、基板の他方面に半導体レーザを冷却する電子冷却ユニットを取付けた半導体レーザモジュールにおいて、電子冷却ユニットは、基板の他方面に接する吸熱板と、吸熱板に対向する放熱板と、吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体とｎ型半導体とを金属導体で接続してなる複数のペルチェ素子とを備え、半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子の配置の密度を半導体レーザに対向しない領域におけるペルチェ素子の配置の密度より高く設定されている。
【００２７】
このように構成された半導体レーザモジュールに組込まれる電子冷却ユニットは、半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子の配置の密度を半導体レーザに対向しない領域におけるペルチェ素子の配置の密度より高く設定されている。すなわち、大量の発熱を有する半導体レーザに対応する領域は高い吸熱能力を有し、半導体レーザから離れた発熱が少ない領域は低い吸熱能力を有する。
【００２８】
したがって、その一部分に半導体レーザが取付けられた基板の全面に亘って目標とする温度にほぼ均一に冷却できるので、この電子冷却ユニットに供給される電力を有効に吸熱に使用できる。その結果、少ない消費電力で半導体レーザから発生する熱を効率的に吸収でき、少ない電力で半導体レーザの温度を予め定められた許容範囲に制御できる。
【００２９】
また、別の発明は、上述した半導体レーザモジュールにおいて、電子冷却ユニットは、基板の他方面に接する吸熱板と、吸熱板に対向する放熱板と、吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体とｎ型半導体とを金属導体で接続してなる複数のペルチェ素子とを備え、半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子に印加する電流を半導体レーザに対向しない領域におけるペルチェ素子に印加する電流より高く設定されている。
【００３０】
このように構成された半導体レーザモジュールの電子冷却ユニットにおいては、大量の発熱を有する半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子の吸熱能力は高く、半導体レーザに対向しない発熱が少ない領域におけるペルチェ素子の吸熱能力は低い。
【００３１】
したがって、先の発明と同様に、半導体レーザが取付けられた基板の全面に亘って目標とする温度にほぼ均一に冷却できるので、少ない消費電力で半導体レーザから発生する熱を効率的に吸収できる。
【００３２】
また、別の発明は、ケース内に設けられた基板の一方面に、光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザから出力された光をケースの側壁に穿設された窓を介しケースの外側に取付けられた光ファイバへ導くためのレンズとを取付け、基板の他方面に半導体レーザを冷却する電子冷却機構を取付けた半導体レーザモジュールにおいて、電子冷却機構は、吸熱板と放熱板と複数のペルチェ素子とを有し、吸熱板が基板の他方面における半導体レーザに対向する領域に接する第１の電子冷却ユニットと、吸熱板と放熱板と複数のペルチェ素子とを有し、吸熱板が第１の電子冷却ユニットの放熱板及び基板の他方面における第１の電子冷却ユニットの吸熱板が接していない領域に接する第２の電子冷却ユニットとを備えている。
【００３３】
このように構成された半導体レーザモジュールにおいては、大量の発熱を有する半導体レーザに対向する領域は第１の電子冷却ユニットと第２の電子冷却ユニットとの２台の電子冷却ユニットで冷却され、半導体レーザに対向しない発熱が少ない領域は第２の電子冷却ユニットのみで冷却される。したがって、電子冷却機構全体としては、半導体レーザに対向する領域における吸熱能力は高く、半導体レーザに対向しない領域における吸熱能力は低いので、上述した各発明とほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【００３４】
さらに、別の発明は、上述した各発明の半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザは、基板の一方面における中央位置から窓側方向の位置に配設されている。また、半導体レーザから出力された光を光ファイバへ導くためのレンズは１個である。
【００３５】
このように、半導体レーザの温度を許容範囲に維持した状態で、基板に取付ける光学部品数を最小限に抑制できるので、製造工程の簡素化を図ることができる。
【００３６】
さらに、別の発明の電子冷却ユニットは、所定の発熱分布を有する冷却対象に接する吸熱板と、吸熱板に対向する放熱板と、吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体とｎ型半導体とを金属導体で接続してなる複数のペルチェ素子とを備え、冷却対象の発熱分布における高発熱領域に対向するペルチェ素子の配置の密度を冷却対象の発熱分布における低発熱領域に対向するペルチェ素子の配置の密度より高く設定されている。
【００３７】
このように構成された電子冷却ユニットは、半導体レーザモジュールの他に、発熱分布が既知である全ての冷却対象に対して適用可能である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体レーザモジュールの分解斜視図であり、図２は断面模式図であり、図３は回路図である。図１３、図１４に示す従来の半導体レーザモジュールと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００３９】
ケース１内の底壁１ａの上面に電子冷却ユニット２０が固定され、この電子冷却ユニット２０の上面に金属製の基板３が固定されている。この基板３の上面における一方側に支持部材４を介して半導体レーザ５が取付けられている。この支持部材４には半導体レーザ５の温度を検出するためのサーミスタ６が取付けられている。さらに、基板３の上面にはレンズホルダー７を介してレンズ８が取付けられている。また、基板３の上面には、半導体レーザ５から出力される光の強度をモニタする受光素子（フォトダイオード ＰＤ）１０が支持部材９を介して取付けられている。
【００４０】
ケース１の側壁１ｂに穿設された窓１１の外側に、光ファイバ１３の端面を窓１１を介してレンズ８に対向させるファイバ固定具１２が固定されている。さらに、ケース１の別の側壁１ｃには、図３の回路図で示すように、半導体レーザ５、電子冷却ユニット２に対して直流の駆動電流を供給するとともに、受光素子（フォトダイオード ＰＤ）１０で検出された光強度、サーミスタ６で検出された温度を取出すための複数の端子１５が取付けられている。さらに、ケース１の上端開口には、ケース１内の各光学部材を保護するための蓋１４が固定されている。
【００４１】
図４はこの第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニット２０の概略構成を示す断面模式図であり、図５は電子冷却ユニット２０の概略構成を示す斜視図である。
【００４２】
冷却対象である基板３の下面に接する吸熱板２１とこの吸熱板２１に対向し下面がケース１の底壁１ａの上面に接する放熱板２２との間に、ｐ型半導体２３とｎ型半導体２４とを金属導体２５で接続した複数のペルチェ素子２６が平面的に分散して配置されている。隣接するペルチェ素子２６どうしは別の金属導体２７で接続されている。ｐ型半導体２３とｎ型半導体２４とを接続する金属導体２５は吸熱板２１に印刷配線されている。隣接するペルチェ素子２６どうしを接続する金属導体２７は放熱板２２に印刷配線されている。したがって、各ペルチェ素子２６は吸熱板２１と放熱板２２とに熱的に接している。そして、図７に示すように、電子冷却ユニット２０内に組込まれた全部のペルチェ素子２６は金属導体２７を介して直列接続されている。
【００４３】
したがって、このペルチェ素子２６の直列回路の両端子２８、２９間に直流電圧を外部に露出した端子１５から印加すると、基板３の熱が吸熱板２１を介して吸熱され、放熱板２２を介してケース１の底壁１ａに放熱される。
【００４４】
このような電子冷却ユニット２０において、半導体レーザ５に対向する領域におけるｐ型半導体２３とｎ型半導体２４と金属導体２５とからなるペルチェ素子２６の配置の密度を半導体レーザ５に対向しない領域におけるペルチェ素子２６の配置の密度より高く設定されている。
【００４５】
具体的には、図６に示すように、基板３の形状に対応する形状を有した吸熱板２１と放熱板２２におけるｐ型半導体２３とｎ型半導体２３とからなるペルチェ素子２６の設置密度分布を、半導体レーザ５の発熱に起因する図１６で示した基板３の温度分布（発熱分布）に対応するように設定している。
【００４６】
このように構成された電子冷却ユニット２０が組込まれた第１実施形態の半導体レーザモジュールにおいて、半導体レーザ５から出力された光は、レンズ８へ入射される。レンズ８は入射された光を、窓１１を介して、光ファイバ１３の端面位置に集光させる。その結果、半導体レーザ５から出力された光は光ファイバ１３を介して半導体レーザモジュールの外部へ供給される。半導体レーザ５から受光素子１０側にも光が出力されるので、受光素子１０は、半導体レーザ５から出力される光の強度を検出して端子１５を介して出力する。そして、サーミスタ６で検出された半導体レーザ５の温度が予め定められた許容範囲に入るように、電子冷却ユニット２０に供給する電力を制御している。
【００４７】
そして、電子冷却ユニット２０は、図６に示すように、半導体レーザ５に対向する領域にｐ型半導体２３とｎ型半導体２４と金属導体２５とからなるペルチェ素子２６を多数配置し、半導体レーザ５に対向しない領域にペルチェ素子２６を少数配置している。
【００４８】
すなわち、この電子冷却ユニット２０においては、大量の発熱を有する半導体レーザ５に対応する領域は高い吸熱能力を有し、半導体レーザ５から離れた発熱が少ない領域は低い吸熱能力を有する。
【００４９】
図８はこの電子冷却ユニット２０で冷却された状態の基板３の温度分布特性を示す図である。図示するように、等温線４０の間隔は非常に疎らであり、基板３は、半導体レーザ５の取付け位置を含めて、広い範囲に亘って均一に冷却されていることが理解できる。したがって、この電子冷却ユニット２０に外部の端子１５を介して供給される電力を有効に吸熱に使用される。
【００５０】
その結果、少ない消費電力で半導体レーザ５から発生する熱を効率的に吸収でき、少ない電力で半導体レーザ５の温度を予め定められた許容範囲に制御できる。
【００５１】
また、図８に示すように、基板３の温度分布を従来の半導体レーザモジュールに比較して大幅に均一にできる。その結果、半導体レーザ５の稼働中に基板３が熱変形することが大幅に抑制されるので、半導体レーザ５、レンズ８、光ファイバ１３との間の光軸がずれることが抑制される。
【００５２】
例えば、光ファイバ１３のコア径が１０μｍであり、光軸のセンタのずれの目標は数％以下である。さらに、半導体レーザ５の温度を−２５℃から７５℃まで変化させたときの光の出力レベルの変動は±０．５ｄＢ以下が要求されている。本実施形態の半導体レーザモジュールにおいては、上述した目標及び要求を十分満足する結果が得られた。
【００５３】
なお、このように構成された電子冷却ユニット２０は、上述した第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込んで、冷却対象である半導体レーザ５を冷却する機能の他に、半導体レーザ５以外の発熱分布が既知である全ての冷却対象に対して適用可能である。すなわち、この電子冷却ユニット２０を単独で使用可能である。
【００５４】
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係る半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニット２０ａにおける基板３の形状に対応する吸熱板２１と放熱板２２におけるｐ型半導体２３とｎ型半導体２３とからなるペルチェ素子２６の設置密度分布を示す図である。電子冷却ユニット２０ａ以外の構成は図１、図２、図３を用いて説明した第１実施形の半導体レーザモジュールと同じであるので、説明を省略する。
【００５５】
この第２実施形態の半導体レーザモジュールの電子冷却ユニット２０ａにおいては、ｐ型半導体２３とｎ型半導体２３とからなる複数のペルチェ素子２６は等間隔に、吸熱板２１（放熱板２２）全体に亘って均等に配置されている。
【００５６】
そして、図１０、図１１に示すように、全てのペルチェ素子２６は、放熱板２２の両側端近傍に印刷配線された電力線３０、３１を介して端子２８、２９に対して並列接続されている。ペルチェ素子２６のｐ型半導体２３と電力線３０とを接続する印刷配線された線３２の抵抗値、及びｎ型半導体２４と電力線３１とを接続する印刷配線された線３３の抵抗値は、印刷配線の線幅を変更すことによって任意に設定可能である。
【００５７】
各ペルチェ素子２６に電流を供給するための線３２、３３の抵抗値を変更することによって、端子２８、２９間に一定直流電圧を印加した状態において、各ペルチェ素子２６に流れる電流の値を任意に設定可能である。ペルチェ素子２６に流れる電流の値を大きくすると、該当ペルチェ素子２６の吸熱能力が上昇する。逆に、ペルチェ素子２６に流れる電流の値を小さくすると、該当ペルチェ素子２６の吸熱能力が低下する。
【００５８】
この第２実施形態の半導体レーザモジュールの電子冷却ユニット２０ａにおいては、半導体レーザ５に対向する領域の各ペルチェ素子２６の線３２、３３の抵抗値を小さくして、該当領域の各ペルチェ素子２６の吸熱能力を上昇させる。逆に、半導体レーザ５に対向しない領域の各ペルチェ素子２６の線３２、３３の抵抗値を大きくして、該当領域の各ペルチェ素子２６の吸熱能力を低下させる。
【００５９】
すなわち、この電子冷却ユニット２０ａにおいては、大量の発熱を有する半導体レーザ５に対応する領域は高い吸熱能力を有し、半導体レーザ５から離れた発熱が少ない領域は低い吸熱能力を有する。
【００６０】
したがって、前述した第１実施形態の半導体レーザモジュールと同様に、図８に示すように、電子冷却ユニット２０ａで半導体レーザ５が取付けられた基板３の全面に亘って、ほぼ均一温度に冷却できる。よって、この電子冷却ユニット２０ａに外部の端子１５を介して供給される電力を有効に吸熱に使用される。その結果、少ない消費電力で半導体レーザ５から発生する熱を効率的に吸収でき、少ない電力で半導体レーザ５の温度を予め定められた許容範囲に制御できる。
【００６１】
（第３実施形態）
図１２は本発明の第３実施形態に係る半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図である。図１３、図１４に示す従来の半導体レーザモジュールと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００６２】
この第３実施形態の半導体レーザモジュールにおいては、図１４に示す従来の半導体レーザモジュールにおける１つの電子冷却ユニット２の代わりに、吸熱板の大きさが異なる積層された第１の電子冷却ユニット２ａと第２の電子冷却ユニット２ｂとからなる電子冷却機構３４が組込まれている。
【００６３】
第１、第２の電子冷却ユニット２ａ、２ｂにおいては、上面の吸熱板２１と下面の放熱板２２との間に、ｐ型半導体２３とｎ型半導体２３と金属導体２５とからなる複数のペルチェ素子２６を均一に配設している。
【００６４】
ケース１内の底壁１ａ上に第２の電子冷却ユニット２ｂの下面の放熱板２２が取付けられている。この第２の電子冷却ユニット２ｂの上面の吸熱板２１の半導体レーザ５に対応する領域に、第１の電子冷却ユニット２ａの下面の放熱板２２が取付けられている。第１の電子冷却ユニット２ａの上面の吸熱板２１は、基板３ａの下面における半導体レーザ５に対応する領域のみに接する大きさに設定されている。基板３ａは下面が第１の電子冷却ユニット２ａの吸熱板２１と第２の電子冷却ユニット２ｂの吸熱板２１とに同時に接するように、段差が形成されている。
【００６５】
このように構成された第３実施形態の半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザ５を搭載した基板３ａのうち、大量の発熱を有する半導体レーザ５に対向する領域は積層された第１の電子冷却ユニット２ａと第２の電子冷却ユニット２ｂとの２台の電子冷却ユニット２ａ、２ｂで冷却され、半導体レーザ５に対向しない発熱が少ない領域は下側に位置する第２の電子冷却ユニット２ｂのみで冷却される。
【００６６】
したがって、電子冷却機構３４全体としては、半導体レーザ５に対向する領域における吸熱能力は高く、半導体レーザ５に対向しない領域における吸熱能力は低いので、上述した第１、第２実施形態の半導体レーザモジュールとほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【００６７】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではい。実施形態の半導体レーザモジュールが低温環境下で使用される場合においては、各電子冷却ユニット２０、２０ａに印加する直流電圧を逆極性に設定して、各電子冷却ユニット２０、２０ａで半導体レーザ５を一定温度に加熱することも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザモジュール、及びこの半導体レーザモジュールに組込まれる電子冷却ユニットにおいては、内部に組込まれる光学系を複雑化することなく、少ない消費電力で半導体レーザから発生する熱を効率的に吸収でき、簡単に高強度の光を出力できる。さらに、半導体レーザモジュール全体の製造費も節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる半導体レーザモジュールの概略構成を示す分解斜視図
【図２】同第１実施形態の半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図
【図３】同第１実施形態の半導体レーザモジュールの回路図
【図４】同第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットの断面模式図
【図５】同第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットの斜視図
【図６】同第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットにおけるペルチェ素子の設置密度分布図
【図７】同第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットの回路図
【図８】同第１実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた基板における温度分布特性図
【図９】本発明の第２実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットにおけるペルチェ素子の設置密度分布図
【図１０】同第２実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットの回路図
【図１１】同じく同第２実施形態の半導体レーザモジュールに組込まれた電子冷却ユニットの回路図
【図１２】本発明の第３実施形態に係わる半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図
【図１３】従来の半導体レーザモジュールの概略構成を示す分解斜視図
【図１４】同従来の半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図
【図１５】一般的な半導体レーザモジュールにおける出力光パワーと入力電力パワーとの関係を示す図
【図１６】従来の半導体レーザモジュールに組込まれた基板における温度分布特性図
【図１７】別の従来の半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図
【図１８】同別の従来の半導体レーザモジュールに組込まれたに基板における温度分布特性図
【図１９】さらに別の従来の半導体レーザモジュールの概略構成を示す断面模式図
【符号の説明】
１…ケース、２、２０、２０ａ…電子冷却ユニット、２ａ…第１の電子冷却ユニット、２ｂ…第１の電子冷却ユニット、３、３ａ…基板、５…半導体レーザ、６…サーミスタ、８…レンズ、１０…受光素子、１１…窓、１３…光ファイバ、１４…蓋、１５…端子、２１…吸熱板、２２…放熱板、２３…ｐ型半導体、２４…ｎ型半導体、２５、２７…導体金属、２６…ペルチェ素子、３０、３１…電力線、３２、３３…線、３４…電子冷却機構、４０…等温線

Claims (5)

1. ケース（１）内に設けられた基板（３）の一方面に、光を出力する半導体レーザ（５）と、この半導体レーザから出力された光を前記ケースの側壁に穿設された窓（１１）を介し前記ケースの外側に取付けられた光ファイバ（１３）へ導くためのレンズ（８）とを取付け、前記基板の他方面に前記半導体レーザを冷却する電子冷却ユニット（２０）を取付けた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記電子冷却ユニット（２０）は、
   前記基板の他方面に接する吸熱板（２１）と、
   前記吸熱板に対向する放熱板（２２）と、
   前記吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体とｎ型半導体とを金属導体で接続してなる複数のペルチェ素子（２６）とを備え、
   前記半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子の配置の密度を前記半導体レーザに対向しない領域におけるペルチェ素子の配置の密度より高く設定されている
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. ケース（１）内に設けられた基板（３）の一方面に、光を出力する半導体レーザ（５）と、この半導体レーザから出力された光を前記ケースの側壁に穿設された窓（１１）を介し前記ケースの外側に取付けられた光ファイバ（１３）へ導くためのレンズ（８）とを取付け、前記基板の他方面に前記半導体レーザを冷却する電子冷却ユニット（２０ａ）を取付けた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記電子冷却ユニット（２０ａ）は、
   前記基板の他方面に接する吸熱板（２１）と、
   前記吸熱板に対向する放熱板（２２）と、
   前記吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体とｎ型半導体とを金属導体で接続してなる複数のペルチェ素子（２６）とを備え、
   前記半導体レーザに対向する領域におけるペルチェ素子に印加する電流を前記半導体レーザに対向しない領域におけるペルチェ素子に印加する電流より高く設定されている
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
3. ケース（１）内に設けられた基板（３）の一方面に、光を出力する半導体レーザ（５）と、この半導体レーザから出力された光を前記ケースの側壁に穿設された窓（１１）を介し前記ケースの外側に取付けられた光ファイバ（１３）へ導くためのレンズ（８）とを取付け、前記基板の他方面に前記半導体レーザを冷却する電子冷却機構（３４）を取付けた半導体レーザモジュールにおいて、
   前記電子冷却機構（３４）は、
   吸熱板と放熱板と複数のペルチェ素子とを有し、前記吸熱板が前記基板の他方面における半導体レーザに対向する領域に接する第１の電子冷却ユニット（２ａ）と、
   吸熱板と放熱板と複数のペルチェ素子とを有し、前記吸熱板が前記第１の電子冷却ユニットの放熱板及び前記基板の他方面における前記第１の電子冷却ユニットの吸熱板が接していない領域に接する第２の電子冷却ユニット（２ｂ）とを備えた
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
4. 前記半導体レーザは前記基板の一方面における中央位置から前記窓側方向の位置に配設され、
   かつ、前記半導体レーザから出力された光を光ファイバへ導くためのレンズは１個である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体レーザモジュール。
5. 所定の発熱分布を有する冷却対象に接する吸熱板（２１）と、
   前記吸熱板に対向する放熱板（２２）と、
   前記吸熱板と放熱板との間に平面的に分散して配置され、ｐ型半導体（２３）とｎ型半導体（２４）とを金属導体（２５）で接続してなる複数のペルチェ素子２６とを備え、
   前記冷却対象の発熱分布における高発熱領域に対向するペルチェ素子の配置の密度を前記冷却対象の発熱分布における低発熱領域に対向するペルチェ素子の配置の密度より高く設定されている
   ことを特徴とする電子冷却ユニット。

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